1、精選優質文檔-傾情為你奉上通信系統設計與仿真實踐課程設計實驗報告課題名稱： 2PSK數字傳輸系統設計與仿真 專業班級： 姓 名： 學 號： 起止時間： 浙江科技學院信息與電子工程學院專心-專注-專業目 錄一、課題內容.1二、設計目的.1三、設計要求.1四、實驗條件.2五、系統設計.21.通信系統的基本原理.22.所設計子系統的原理.4六、詳細設計與編碼.51. 設計方案.52. 編程工具的選擇.73. 編碼與測試.84. 編碼與調試過程.135. 運行結果及分析.14七、設計心得.21八、參考文獻.21一、 課題內容使用Matlab進行2PSK的調制解調系統設計與仿真，能輸出調制前的基帶信號、

2、調制后的2PSK信號和疊加噪聲后的2PSK信號波形、解調器在接收到信號后解調的各點的信號波形以及眼圖和星座圖，并對仿真結果進行分析。二、 設計目的1、綜合應用Matlab原理及應用、信號與系統、通信原理等多門課程知識，使學生建立通信系統的整體概念；2、培養學生系統設計與系統開發的思想；3、培養學生利用軟件進行通信仿真的能力。三、設計要求1、每2人一組，組內成員進行各自分工，分別完成不同子系統的詳細功能；2、對通信系統有整體的較深入的理解，深入理解自己仿真部分的原理的基礎，畫出對應的通信子系統的原理框圖；3、提出仿真方案；4、完成仿真軟件的編制；5、仿真軟件的演示；6、提交詳細的設計報告。四、實

3、驗條件計算機、Matlab軟件五、系統設計1通信系統的原理通信系統的一般模型 圖1 通信系統的一般模型信息源：消息的生成者或來源；發送設備：將信源輸出的信號變為適合信道傳輸的發射信號，且發送信號包含了原始信號的一切信息；信道：傳輸信號的通道，可以是有線的，也可以是無線的；噪聲源：在信道中傳輸，噪聲是絕不可避免的，噪聲又可為加性噪聲（線性的噪聲）和乘性噪聲（非線性的噪聲），一般我們只考慮加性噪聲；接收設備：從接收信號中提取我們所希望的信號，并將其轉換成適合輸出傳感器的形式；受信者：消息接收者。在通信系統中，按信號參量的取值方式不同可把信號分為兩類，即模擬信號和數字信號，再按照信道中傳輸信號的特征

4、，來分為模擬通信系統和數字通信系統。下面分別來介紹模擬通信系統與數字通信系統：模擬通信系統模型信息源調制器信道解調器受信者噪聲源模擬通信系統圖2模擬通信系統模型調制器:將原始電信號變換成其頻帶適合信道傳輸的信號；解調器:在接收端將信道中傳輸的信號還原成原始的電信號。數字通信系統模型信息源信道編碼器基帶脈沖生成器數字調制器信道數字解調器采樣判決器信道譯碼器信源譯碼器受信者數字通信系統噪聲源信源編碼器 圖3數字通信系統模型信源編碼/譯碼：主要完成A/D變換、數據壓縮、加密等三部分功能；信道編碼/譯碼：數據擴張，增加保鏢，提高抗干擾能力等；基帶脈沖生成器/抽樣判決器：數字基帶傳輸系統的重要部分；數字

5、調制器/解調器： (1) 將數字基帶信號的頻譜搬移到信道的頻帶之內，以便于在信道中傳輸；(2) 便于對信道進行頻分復用，從而有效地利用信道的頻率資源。數字解調是數字調制的反過程。模擬通信系統與數字通信系統的比較模擬通信系統和數字通信系統各有自己的一些特點，但相對于模擬通信系統，數字通信系統有許多獨特的優點，例如：數字通信系統抗噪能力強、便于加密、易復用也易壓縮、易于集成化、便于用計算機處理數字信號、更適合多種數字業務，容易實現多網合一等。相應地，數字通信系統也有自己的缺點：它需要更寬的傳輸帶寬和較復雜的同步系統等。2所設計子系統的原理本小組所設計的子系統是數字通信系統，內容是研究不同信道條件下

6、不同的調制解調方法。數字調制技術的兩種方法：(1)利用模擬調制的方法去實現數字式調制，即把數字調制看成是模擬調制的一個特例，把數字基帶信號當做模擬信號的特殊情況處理；(2)利用數字信號的離散取值特點通過開關鍵控載波，從而實現數字調制。這種方法通常稱為鍵控法，比如對載波的相位進行鍵控，便可獲得相移鍵控（PSK）基本的調制方式。信道調制解調抽樣判決碼元再生高斯白噪聲產生隨機基帶信號 圖4 2PSK通信系統調制解調模型數字通信的主要特點：a.抗干擾能力強b.易加密通信c.差錯可控d.適應飛速發展的計算機通信的要求六、詳細設計與編碼1設計方案本次仿真用2PSK對信號進行調制解調。 2PSK的調制原理如

7、果兩個頻率相同的載波同時開始振蕩，這兩個頻率同時達到正最大值，同時達到零值，同時達到負最大值，它們應處于"同相"狀態；如果其中一個開始得遲了一點，就可能不相同了。如果一個達到正最大值時，另一個達到負最大值，則稱為"反相"。一般把信號振蕩一次（一周）作為360度。如果一個波比另一個波相差半個周期，我們說兩個波的相位差180度，也就是反相。當傳輸數字信號時，"1"碼控制發0度相位，"0"碼控制發180度相位。載波的初始相位就有了移動，也就帶上了信息。相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數字信息，而振幅和頻率保持不變。在2

8、PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達式為 （1）式中，jn表示第n個符號的絕對相位： （2）因此，上式可以改寫為 （3）由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故BPSK信號可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘： （4）式中 （5）這里s(t)為雙極性全占空(非歸零)矩形脈沖序列，g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統計特性為 （6）開關電路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0BPSK信號的調制原理框圖如圖2所示。與2ASK信號的產生方法相比較，只是對是S(t)的要求不同。在2ASK中S(t)是單極性的，

9、而在BPSK中S(t)是雙極性的基帶信號。圖5 2PSK信號的調制原理框 2PSK的解調原理 2PSK信號的解調方法是相干解調法。由于PSK信號本身就是利用相位傳遞信息的，所以在接收端必須利用信號的相位信息來解調信號。下圖3中給出了一種2PSK信號相干接收設備的原理框圖。圖中經過帶通濾波的信號在相乘器中與本地載波相乘，然后用低通濾波器濾除高頻分量，在進行抽樣判決。判決器是按極性來判決的。即正抽樣值判為1，負抽樣值判為0。coswct be2psk(t)e輸出dca帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器 圖6 2PSK的相干接收機原理框圖 2PSK的仿真框圖信道產生隨機基帶信號調制解調抽樣判決碼元

10、再生高斯白噪聲 圖7 基于MATLAB的2PSK調制解調仿真框圖2編程工具的選擇本仿真所用的工具軟件是MATLAB.2011b。該軟件的功能強大，最擅長矩陣處理，并在系統仿真、數字信號處理、圖形圖像分析、數理統計、通信及自動控制領域得到廣泛應用，同時MATLAB內部有許多與通信有關的函數，這樣程序編寫方便，也便于觀察波形特征。3編碼與測試2PSK主函數main.m:%-2PSK通信系統仿真主函數-clear all; close all;clc;max=64;g=randint(1,max);%長度為max的隨機二進制序列比特率a1=;b1=;f=1000; %載波頻率1kHzt=0:2*pi

11、/1999:2*pi; %采樣頻率2kHzfor n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,2000);%每個值2000個點 else g(n)=1; A=ones(1,2000); end a1=a1 A; %s(t),碼元寬度2000 c=cos(2*pi*f*t);%載波信號 b1=b1 c;%與s(t)等長的載波信號,變為矩陣形式endfigure(1);subplot(3,2,1);plot(a1);grid on;axis(0 2000*length(g) -2 2);title('二進制信號序列');a2=;b2=;for n=1:l

12、ength(g); if g(n)=0; B=ones(1,2000);%每個值2000個點 c=cos(2*pi*f*t); %載波信號 else g(n)=1; B=ones(1,2000); c=cos(2*pi*f*t+pi); %載波信號 end a2=a2 B; %s(t),碼元寬度2000 b2=b2 c; %與s(t)等長的載波信號endtiaoz=a2.*b2;%e(t)調制figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 2000*length(g) -2 2);title('2PSK調制信號');fig

13、ure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(a1);axis(0 2000*length(g) 0 400);title('原始信號頻譜');figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 2000*length(g) 0 400);title('2PSK信號頻譜');%-帶有高斯白噪聲的信道-tz=awgn(tiaoz,10);%信號tiaoz中加入白噪聲，信噪比為10figure(1);subplot(3,2,3);plot(tz);grid onaxis(0 2000*len

14、gth(g) -2 2);title('通過高斯白噪聲信道后的信號');figure(2);subplot(3,2,3);plot(abs(fft(tz);axis(0 2000*length(g) 0 400);title('加入白噪聲的2PSK信號頻譜');jiet=2*b1.*tz;%同步解調figure(1);subplot(3,2,4);plot(jiet);grid onaxis(0 2000*length(g) -2 2);title('相乘后信號波形')figure(2);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(j

15、iet);axis(0 2000*length(g) 0 400);title('相乘后信號頻譜');%-低通濾波器-fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%計算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計算階數和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計算H(z）figure(3);freqz(b,a,1000,11025);subplot(2,1,1);axis(0 40000 -100 3 )title('LPF幅相頻圖');jt=filter(

16、b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);grid onaxis(0 2000*length(g) -2 2);title('經低通濾波器后信號波形')figure(2);subplot(3,2,5);plot(abs(fft(jt);axis(0 2000*length(g) 0 400);title('經低通濾波器后信號頻譜');%-抽樣判決-for m=1:2000*length(g); if jt(m)<0; jt(m)=1; else jt(m)>=0; jt(m)=0; endendfigur

17、e(1);subplot(3,2,6);plot(jt);grid onaxis(0 2000*length(g) -2 2);title('經抽樣判決后信號s(t)波形')figure(2);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt);axis(0 2000*length(g) 0 400);title('經抽樣判決后信號頻譜');2PSK性能分析snr_ber.m:%-2PSK誤碼率仿真snr.ber.m-clc;clear all;close all; snrdB_min=-10;snrdB_max=10;snrdB=snrdB_min

18、:1:snrdB_max;Nsymbols=64;snr=10.(snrdB/10);h=waitbar(0,'SNR Iteration');len_snr=length(snrdB);for j=1:len_snr waitbar(j/len_snr); sigma=sqrt(1/(2*snr(j); error_count=0; for k=1:Nsymbols d=round(rand(1); %隨機數據 x_d=2*d-1; %0，1分別轉化為-1，1 n_d=sigma*randn(1); %加噪 y_d=x_d+n_d; %加噪后接收 if y_d>0 d_

19、est=1; else d_est=0; end if(d_est =d) error_count=error_count+1; %error counter end end %simulation loop ends errors(j)=error_count;endber_sim=errors/Nsymbols; %BER estimateber_theor=(erfc(sqrt(snr).*(1-0.5*erfc(sqrt(snr); %theoretical BER 相干2dpsksemilogy(snrdB,ber_theor,'-',snrdB,ber_sim,&#

20、39;o');axis(snrdB_min snrdB_max 0.0001 1);xlabel('信噪比');ylabel('誤碼率');title('2PSK信噪比誤碼率關系圖');legend('理論值','實際值');2PSK眼圖星座圖eye_star.m:M=2;k=log2(M);n=2000; %比特序列長度samp=1; %過采樣率x=randint(n,1); %生成隨機二進制比特流stem(x(1:50),'filled'); %畫出相應的二進制比特流信號title(&#

21、39;二進制隨機比特流');xlabel('比特序列');ylabel('信號幅度');x4=reshape(x,k,length(x)/k); %將原始的二進制比特序列每一個一組分組，并排列成k行length(x)/k列的矩陣xsym=bi2de(x4.','left-msb'); %將矩陣轉化為相應的2進制信號序列figure;stem(xsym(1:50); %畫出相應的2進制信號序列xlabel('信號序列');ylabel('信號幅度');y=modulate(modem.pskmod(M

22、),xsym); %用2PSK調制器對信號進行調制scatterplot(y); %畫出2PSK信號的星座圖text(real(y)+0.1,imag(y),dec2bin(xsym);axis(-5 5 -5 5);EbNo=15; %假設Eb/No=15dbsnr=EbNo+10*log10(k)-10*log10(samp); %信噪比yn=awgn(y,snr,'measured'); % 加入高斯白噪聲h=scatterplot(yn,samp,0,'b.'); %經過信道后接收到的含白噪聲的信號星座圖eyediagram(yn,2); %眼圖 yd=

23、demodulate(modem.pskdemod(M),yn);%此時解調出來的是2進制信號z=de2bi(yd,'left-msb'); %轉化為對應的二進制比特流z=reshape(z.',numel(z),1');number_of_errors,bit_error_rate=biterr(x,z) %計算誤碼率4編碼與調試過程由于通過查閱參考書及網上資料，我所編寫的這種程序基本上不存在語法上的錯誤，只是要求對程序進行仔細閱讀及理解，并在一些地方進行必要改寫，且加入我自己的思想，使這種程序更容易理解。通過查閱資料，我了解了以下一些有用的與通信有關的名詞及

24、關鍵的MATLAB函數：randint():是產生二進制隨機數，默認為0和1;awgn():在某一信號中加入高斯白噪聲; fft():快速傅里葉函數;freqz():計算濾波器頻率響應;filter():實現濾波功能; modulate():調制信號;scatterplot():畫星座圖;eyediagram():畫眼圖;biterr():計算誤比特數、誤比特率;5運行結果及分析編完程序經檢查無誤后，運行程序得結果如下：在實際傳輸中，我我們需要傳輸的就是二進制基帶信號。因此通過隨機函數隨機產生二進制比特流，即基帶信號。調制解調信號圖圖8 隨機產生的二進制基帶信號實際通信中不少信道都不能直接傳送

25、基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化，即所謂正弦載波調制。正弦波可以作為數字模擬調制系統和數字調制系統的載波。從原理上來說，受調載波的波形可以是任意的，只要已調信號適合于信道傳輸就可以了。但實際上，在大多數數字通信系統中，都尋則正弦信號作為載波。這是因為正弦信號形式簡單，便于產生及接收。和模擬調制一樣，數字調制業余調幅、調頻和調相三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。數字調制與模擬調制相比，其原理并沒有什么區別。不過模擬調制時對載波信號的參量進行連續調制，在接收端則對載波信號的調制參量連續地進行估值；而數字調制都是用載波信號的默寫離散狀

26、態來表征所傳送的信息，在接受算也只要對載波信號的離散調制參量進行檢測。數字調制信號，在二進制時有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）三種基本信號形式。移相鍵控（PSK）相對于振幅鍵控（ASK）和頻移鍵控（FSK）來說，具有抗加性高斯白噪聲能力強，頻帶利用率高，對信道變化不明感，性能好的優點，因此采用BPSK對基帶信號進行調制。圖9 2PSK調制波形實際信道處于一個充滿了各種干擾的環境中，因此，調制信號不可能無干擾的在信道中傳輸。為了逼真的模擬調制信號的傳輸環境，所以在已調信號上疊加上高斯白噪聲。圖10 調制信號疊加噪聲的波形圖當信號接收機接收到信號后，該信號是經過調制和疊加噪聲后的信號，不能為人們所用，為了使接收到的信號能為人們所用，只用對接收到的信號進去濾波和反調制（即解調）處理。在相同的信噪比條件下，相比2ASK系統和2FSK系統，相干解調的2PSK系統的誤碼率Pe最小。因此解調方法用相干解調的2PSK。再將解調信號通過低通濾波器進行低通濾波。 圖11 基帶信號與帶高斯白噪聲的載波信號相乘圖 圖12低通濾波器后的波形圖通過相干解調和低通濾波器后的信號，通過抽樣判決后，原則上能恢復成系統發送的二進制基帶信號，但是在實際的解調和調制的過程中，BPSK系統往往會出現“倒相”，因此在抽樣判決的時候需要注意這個問題。為了解決這個問