《通信原理》課程設(shè)計報告---psk系統(tǒng)設(shè)計與仿真

1、<p>　　《通信原理》課程設(shè)計報告</p><p>　　PSK系統(tǒng)設(shè)計與仿真</p><p>　　姓 名 : </p><p>　　專 業(yè) : 信息工程</p><p>　　設(shè)計時間 2011年01月</p><p><b>　　目 錄</b></p>

2、<p><b>　　目 錄2</b></p><p><b>　　引 言3</b></p><p>　　1、課程設(shè)計目的3</p><p>　　2、課程設(shè)計要求3</p><p>　　一、PSK系統(tǒng)的設(shè)計4</p><p>　　1、2PSK信號的模型

3、的建立4</p><p>　　2、2PSK信號調(diào)制過程分析5</p><p>　　3、2PSK解調(diào)過程分析6</p><p>　　4、高斯白噪聲信道特性分析8</p><p>　　5、2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)抗噪聲性能分析9</p><p>　　二、PSK系統(tǒng)的仿真過程11</p><p&g

4、t;<b>　　三、心得體會15</b></p><p><b>　　四、參考文獻15</b></p><p>　　五、課程設(shè)計評分表16</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　本課程設(shè)計用于實現(xiàn)PSK信號的調(diào)制解調(diào)過程。信號的調(diào)制與解調(diào)在通信

5、系統(tǒng)中具有重要的作用。調(diào)制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。解調(diào)是調(diào)制的逆過程，即是將已調(diào)制的信號還原成原始基帶信號的過程。信號的接收端就是通過解調(diào)來還原已調(diào)制信號從而讀取發(fā)送端發(fā)送的信息。因此信號的解調(diào)對系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸可靠性有著很大的影響。調(diào)制與解調(diào)方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。移動通信的迅速發(fā)展，離不開很多關(guān)鍵技術(shù)的支持與應(yīng)用，數(shù)字調(diào)制在通信領(lǐng)域中就發(fā)揮著重大的作用</p>&l

6、t;p>　　為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，以使信號與信道的特性匹配,由于PSK在生活中有著廣泛的應(yīng)用，本次設(shè)計主要介紹了2PSK波形的產(chǎn)生和仿真過程。</p><p><b>　　1、課程設(shè)計目的</b></p><p>　　本次課程設(shè)計是實現(xiàn)2PSK系統(tǒng)的設(shè)計與仿真。在此次課程設(shè)計中，我將通過多方搜集資料與分析，來理解2P

7、SK調(diào)制解調(diào)的具體過程和它在MATLAB中的實現(xiàn)方法。預(yù)期通過這個階段的研習(xí)，更清晰地認(rèn)識2PSK的調(diào)制解調(diào)原理，同時加深對MATLAB這款通信仿真軟件操作的熟練度，并在使用中去感受MATLAB的應(yīng)用方式與特色。利用自主的設(shè)計過程來鍛煉自己獨立思考，分析和解決問題的能力，為我今后的自主學(xué)習(xí)研究提供具有實用性的經(jīng)驗。</p><p><b>　　2、課程設(shè)計要求</b></p>

8、<p>　　該系統(tǒng)的仿真用matlab程序?qū)崿F(xiàn)（即只能用代碼的形式，不能用simulink實現(xiàn)）。</p><p>　　系統(tǒng)經(jīng)過的信道都假設(shè)為高斯白噪聲信道。</p><p>　　模擬調(diào)制要求用程序畫出調(diào)制信號，載波，已調(diào)信號、解調(diào)信號的波形，數(shù)字調(diào)制要求畫出誤碼率隨信噪比的變化曲線。</p><p>　　以上步驟要求在不同的信噪比（0：2：20db）下完

9、成。</p><p>　　5、在老師的指導(dǎo)下，獨立完成課程設(shè)計的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計論文，文中能正確闡述和分析設(shè)計和實驗結(jié)果。</p><p>　　一、PSK系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　1、2PSK信號的模型的建立</p><p>　　在2PSK中，通常用初始相位0和π分別表示二進制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達(dá)式

10、為。</p><p>　　式中，?n表示第n個符號的絕對相位：</p><p>　　因此，上式可以改寫為</p><p>　　由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK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：</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　

11、這里，g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統(tǒng)計特性為</p><p>　　即發(fā)送二進制符號“0”時（an取+1），e2PSK(t)取0相位；發(fā)送二進制符號“1”時（ an取 -1）， e2PSK(t)取π相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)二進制數(shù)字信號的調(diào)制方式，稱為二進制絕對相移方式。</p><p>　　圖1 2PSK信號的時間波形</p><p>

12、;　　2、2PSK信號調(diào)制過程分析</p><p>　　2PSK信號的調(diào)制器原理方框圖</p><p><b>　　模擬調(diào)制的方法</b></p><p><b>　　圖2模擬調(diào)制的方法</b></p><p><b>　　鍵控法</b></p><p>

13、;<b>　　圖3鍵控法</b></p><p>　　3、2PSK解調(diào)過程分析</p><p>　　2PSK信號的解調(diào)器原理方框圖和波形圖</p><p>　　圖4 2PSK信號解調(diào)原理框圖</p><p>　　波形圖中，假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與2PSK信號的調(diào)制載波的基準(zhǔn)相位一致（通常默認(rèn)為0相位）。但是，由于在2PS

14、K信號的載波恢復(fù)過程中存在著的相位模糊，即恢復(fù)的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關(guān)系的不確定性將會造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號全部出錯。這種現(xiàn)象稱為2PSK 方式的“倒π”現(xiàn)象或“反相工作”。這也是2PSK方式在實際中很少采用的主要原因。另外，在隨機信號碼元序列中，信號波形有可能出現(xiàn)長時間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無法辨認(rèn)信號碼元的

15、起止時刻。</p><p>　　為了解決上述問題，可以采用7.1.4節(jié)中將要討論的差分相移鍵控（DPSK）體制。</p><p><b>　　功率譜密度</b></p><p>　　比較2ASK信號的表達(dá)式和2PSK信號的表達(dá)式：</p><p><b>　　2ASK：</b></p>

16、<p><b>　　2PSK：</b></p><p>　　可知，兩者的表示形式完全一樣，區(qū)別僅在于基帶信號s(t)不同（an不同），前者為單極性，后者為雙極性。因此，我們可以直接引用2ASK信號功率譜密度的公式來表述2PSK 信號的功率譜，即</p><p>　　應(yīng)當(dāng)注意，這里的Ps(f)是雙極性矩形脈沖序列的功率譜。</p><p&

17、gt;　　由6.1.2節(jié)知，雙極性的全占空矩形隨機脈沖序列的功率譜密度為</p><p><b>　　將其代入上式，得</b></p><p>　　若P =1/2，并考慮到矩形脈沖的頻譜：</p><p>　　則2PSK信號的功率譜密度為：</p><p><b>　　功率譜密度曲線</b><

18、/p><p>　　圖5 2PSK信號的功率譜密度</p><p>　　從以上分析可見，二進制相移鍵控信號的頻譜特性與2ASK的十分相似，帶寬也是基帶信號帶寬的兩倍。區(qū)別僅在于當(dāng)P=1/2時，其譜中無離散譜（即載波分量），此時2PSK信號實際上相當(dāng)于抑制載波的雙邊帶信號。因此，它可以看作是雙極性基帶信號作用下的調(diào)幅信號。</p><p>　　4、高斯白噪聲信道特性分析&

19、lt;/p><p>　　在實際信號傳輸過程中，通信系統(tǒng)不可避免的會遇到噪聲，例如自然界中的各種電磁波噪聲和設(shè)備本身產(chǎn)生的熱噪聲、散粒噪聲等，它們很難被預(yù)測。而且大部分噪聲為隨機的高斯白噪聲，所以在設(shè)計時引入噪聲，才能夠真正模擬實際中信號傳輸所遇到的問題，進而思考怎樣才能在接受端更好地恢復(fù)基帶信號。信道加性噪聲主要取決于起伏噪聲，而起伏噪聲又可視為高斯白噪聲，因此我在此環(huán)節(jié)將對雙邊帶信號添加高斯白噪聲來觀察噪聲對解調(diào)的

20、影響情況。</p><p>　　為了具體而全面地了解噪聲的影響問題，我將分別引入大噪聲（信噪比為20dB）與小噪聲（信噪比為2dB）作用于雙邊帶信號，再分別對它們進行解調(diào)，觀察解調(diào)后的信號受到了怎樣的影響。</p><p>　　在此過程中，我用函數(shù)來添加噪聲，此函數(shù)功能為向信號中添加噪聲功率為其方差的高斯白噪聲。</p><p>　　正弦波通過加性高斯白噪聲信道后的

21、信號為</p><p><b>　　故其有用信號功率為</b></p><p><b>　　噪聲功率為</b></p><p><b>　　信噪比滿足公式</b></p><p><b>　　則可得到公式</b></p><p>　

22、　我們可以通過這個公式方便的設(shè)置高斯白噪聲的方差。</p><p>　　5、2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)抗噪聲性能分析 </p><p>　　2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)性能 </p><p><b>　　分析模型</b></p><p>　　圖6 2PSK信號相干解調(diào)系統(tǒng)性能分析模型</p><p><b

23、>　　分析計算</b></p><p>　　接收端帶通濾波器輸出波形為</p><p>　　經(jīng)過相干解調(diào)后，送入抽樣判決器的輸入波形為</p><p>　　由于nc(t)是均值為0，方差為?n2的高斯噪聲，所以x(t)的一維概率密度函數(shù)為</p><p>　　由最佳判決門限分析可知，在發(fā)送“1”符號和發(fā)送“0”符號概率相等時

24、，最佳判決門限b* = 0。此時，發(fā)“1”而錯判為“0”的概率為</p><p>　　同理，發(fā)送“0”而錯判為“1”的概率為</p><p>　　故2PSK信號相干解調(diào)時系統(tǒng)的總誤碼率為</p><p>　　在大信噪比條件下，上式可近似為</p><p>　　二、PSK系統(tǒng)的仿真過程</p><p><b>

25、　　源程序：</b></p><p>　　clear all;</p><p>　　close all;</p><p>　　clf; %清除窗口中的圖形</p><p>　　max=50 %定義max長度</p><p>　　g=zeros(

26、1,max);</p><p>　　g=randint(1,max); %長度為max的隨機二進制序列</p><p><b>　　cp=[];</b></p><p><b>　　mod1=[];</b></p><p><b>　　f=1/2*pi;</b>&l

27、t;/p><p>　　t=0:2*pi/199:2*pi;</p><p>　　for n=1:length(g);</p><p>　　if g(n)==0;</p><p>　　A=zeros(1,200); %每個值200個點</p><p>　　else g(n)==1;</p>

28、;<p>　　A=ones(1,200);</p><p><b>　　end</b></p><p>　　cp=[cp A]; %s(t)碼元寬度200</p><p>　　c=cos(f*t); %載波信號</p><p>　　mo

29、d1=[mod1 c]; %與s(t)等長的載波信號,變?yōu)榫仃囆问?lt;/p><p><b>　　end</b></p><p>　　figure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);grid on;</p><p>　　axis([0 20*length(g) -2 2]);title('隨機

30、二進制信號序列');</p><p>　　cm=[];mod=[];</p><p>　　for n=1:length(g);</p><p>　　if g(n)==0;</p><p>　　B=ones(1,200); %每個值200個點</p><p>　　c=cos(f*t

31、); %載波信號</p><p>　　else g(n)==1;</p><p>　　B=ones(1,200);</p><p>　　c=cos(f*t+pi); %載波信號</p><p><b>　　end</b></p>&

32、lt;p>　　cm=[cm B]; %s(t)碼元寬度200</p><p>　　mod=[mod c]; %與s(t)等長的載波信號</p><p><b>　　end</b></p><p>　　tiaoz=cm.*mod; %e(t)調(diào)制</p>

33、<p>　　figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;</p><p>　　axis([0 200*length(g) -2 2]);title('2PSK調(diào)制信號');</p><p>　　figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(cp)));</p><p

34、>　　axis([0 20*length(g) 0 400]);title('原始信號頻譜');</p><p>　　figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz)));</p><p>　　axis([0 20*length(g) 0 400]);title('2PSK信號頻譜');</p>&

35、lt;p>　　%帶有高斯白噪聲的信道</p><p>　　tz=awgn(tiaoz,10); %信號調(diào)制中加入白噪聲，信噪比為10</p><p>　　figure(1);subplot(3,2,3);plot(tz);grid on</p><p>　　axis([0 20*length(g) -2 2]);title('

36、;通過高斯白噪聲信道后的2PSK信號');</p><p>　　figure(2);subplot(3,2,3);plot(abs(fft(tz)));</p><p>　　axis([0 20*length(g) 0 400]);title('加入白噪聲的2PSK信號頻譜');</p><p>　　jiet=2*mod1.*tz;

37、 %同步解調(diào)</p><p>　　figure(1);subplot(3,2,4);plot(jiet);grid on</p><p>　　axis([0 20*length(g) -2 2]);title('相乘后信號波形')</p><p>　　figure(2);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(

38、jiet)));</p><p>　　axis([0 20*length(g) 0 400]);title('相乘后信號頻譜');</p><p><b>　　%低通濾波器</b></p><p>　　fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;</p><p>　　ws=fs/(

39、fn/2); wp=fp/(fn/2); %計算歸一化角頻率</p><p>　　[n,wn]=buttord(wp,ws,rp,rs); %計算階數(shù)和截止頻率</p><p>　　[b,a]=butter(n,wn);%計算H(z）</p><p>　　jt=filter(b,a,jiet);</p><p

40、>　　figure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);grid on</p><p>　　axis([0 20*length(g) -2 2]);title('經(jīng)低通濾波器后信號波形')</p><p>　　figure(2);subplot(3,2,5);plot(abs(fft(jt)));</p><p>　　axis

41、([0 20*length(g) 0 400]);title('經(jīng)低通濾波器后信號頻譜');</p><p><b>　　%抽樣判決</b></p><p>　　for m=1:200*length(g);</p><p>　　if jt(m)<0;</p><p><b>　　jt(m)

42、=1;</b></p><p>　　else jt(m)>=0;</p><p><b>　　jt(m)=0;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　figu

43、re(1);subplot(3,2,6);plot(jt);grid on</p><p>　　axis([0 20*length(g) -2 2]);title('經(jīng)抽樣判決后信號波形')</p><p>　　figure(2);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt)));</p><p>　　axis([0 20*leng

44、th(g) 0 400]);title('經(jīng)抽樣判決后信號頻譜');</p><p>　　%誤碼率隨信噪比的變化曲線</p><p>　　snr = 0 : 2: 20; %信噪比范圍</p><p>　　len_snr = length(snr);</p><p>　　fo

45、r i = 1:len_snr</p><p>　　SNR_eb = exp(snr(i)*log(10)/10);</p><p>　　theo_err_prb(i) = (1/2)*erfc(sqrt(SNR_eb)); %PSK系統(tǒng)的誤碼率與信噪比的關(guān)系</p><p><b>　　end</b></p><

46、p>　　figure(3);semilogy(snr,theo_err_prb,'ko-');grid on;</p><p>　　title('誤碼率隨信噪比的變化曲線');</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　圖7 仿真結(jié)果</b><

47、/p><p><b>　　三、心得體會</b></p><p>　　在這次課程設(shè)計中，我們付出了很大努力，終于在指導(dǎo)老師的幫助下基本完成，通過這次課程設(shè)計，使我對通信原理和數(shù)字信號處理的知識在原有的的基礎(chǔ)上得到了很大的鞏固和提高，同時開闊了我的知識范圍，增強了自己動手的能力以及獨立思考問題的本能，為以后適應(yīng)社會發(fā)展做了充分的鋪墊。在設(shè)計的過程中，在使用MATLAB對PSK

48、調(diào)制的時候，真正的認(rèn)識到了MTALAB這個軟件的強大性，它竟然包含著如此多的功能與函數(shù)。在MATLAB里，HELP命令是一個起著非常重要的命令，它可以幫你查找里面包含的任何函數(shù)的功能以及其使用方法，并都舉例了，給我們在設(shè)計中帶來了很大的幫助。在此次課程設(shè)計中，雖然遇到了很多的困難，但是在老師的細(xì)心指導(dǎo)和自己不斷的努力下調(diào)試下，基本上完成了設(shè)計要求，達(dá)到了預(yù)期的效果，在這里感謝各位老師的不斷幫助，使我在規(guī)定的期限內(nèi)完成了此次的設(shè)計任務(wù)，讓

49、我們懂得了什么是課程設(shè)計，提高了我們的設(shè)計水平。</p><p>　　在整整一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的

50、能力。</p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p>　　1、樊昌信，曹麗娜。通信原理（第六版）。國防工業(yè)出版社。</p><p>　　2、孫祥，徐流美，吳清。MATLAB 7.0基礎(chǔ)教程。北京：清華大學(xué)出版社。</p><p>　　3、唐向宏，岳恒立，鄧雪峰。MATLAB及在電子信息類課程中的應(yīng)用。