基于simulink仿真實現(xiàn)的2PSK數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 設(shè)計報告

通信系統(tǒng)課程設(shè)計報告 用simulink仿真實現(xiàn)一個2PSK數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 摘 要Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平臺的著名仿真環(huán)境，Simulink作為一種專業(yè)和功能強大且操作簡單的仿真工具，目前已被越來越多的工程技術(shù)人員所青睞，它搭建的積木式建模仿真方式既簡單又直觀，而且已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計主要是以Simulink為基礎(chǔ)平臺，對2PSK信號進行仿真。介紹了2PSK信號，及其調(diào)制和解調(diào)的基本原理，并運用Simulink搭建仿真電路，分析在混入噪聲及碼間串?dāng)_的環(huán)境下的誤碼率，以及使用Matlab生成界面。本設(shè)計的主要目的是對Matlab的熟悉和對數(shù)字通信理論的更加深化、理解。關(guān)鍵詞：Simulink；2PSK；誤碼率目錄1.引言- 1 -2.設(shè)計要求- 1 -3.設(shè)計思路- 1 -3.1 數(shù)字調(diào)制概述- 1 -3.1.1數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)分析- 1 -3.1.2 數(shù)字調(diào)制的意義- 2 -3.2二進制移相鍵控(2PSK)- 2 -3.3 誤碼率分析- 3 -3.4總體設(shè)計思路- 3 -4.設(shè)計原理以及方案- 3 -5.設(shè)計的實現(xiàn)- 5 -5.1模擬調(diào)制- 5 -5.1.1模型建立- 5 -5.1.2原件的選取及參數(shù)設(shè)置- 5 -5.2數(shù)字鍵控調(diào)制- 9 -5.2.1模型建立- 9 -5.2.2原件的選取及參數(shù)設(shè)置- 10 -5.3不同信噪比下的誤碼率- 11 -6.總 結(jié)- 12 -7.致 謝- 13 -8.參考文獻- 13 -1.引言1.引言基帶信號的調(diào)制主要分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制，線性調(diào)制是指已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)與原基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)基本相同，只是占用的頻率位置搬移了。而非線性調(diào)制則是指它們的結(jié)構(gòu)完全不同不僅僅是頻譜搬移，在接收方會出現(xiàn)很多新的頻譜分量。在三種基本的調(diào)制中，ASK屬于線性調(diào)制，而FSK和PSK屬于非線性調(diào)制。已調(diào)信號會在接收方通過各種方式通過解調(diào)得到，但是由于噪聲和碼間串?dāng)_，總會有一定的失真。所以人們總是在尋找不同的接收方式來降低誤碼率，其中的接收方式主要有相干接收和非相干接收。在接收方通過載波的相位信號去檢測信號的方法稱為相干檢測，反之若不利用就稱為非相干檢測，而對于一些特別的調(diào)制有特別的解調(diào)方式，如過零檢測法。系統(tǒng)的性能好壞取決于傳輸信號的誤碼率，而誤碼率不僅僅與信道、接收方法有關(guān)還和發(fā)送端采用的調(diào)制方式有很大的關(guān)系。我們研究的ASK，F(xiàn)SK，PSK等就主要是發(fā)送方的調(diào)制方式。本文主要對2PSK信號的原理及其相干解調(diào)系統(tǒng)性能進行了分析和仿真，這樣能讓我們對數(shù)字調(diào)制方式有一個更清楚的認識。2.設(shè)計要求 1）信源：產(chǎn)生二進制隨機比特流，數(shù)字基帶信號任選，例如單極性、雙極性數(shù)字信號，可以是矩形波、三角波等數(shù)字基帶信號波形。2）調(diào)制：可以選擇簡單的二進制數(shù)字調(diào)制方式，例如二進制振幅鍵控(2ASK)、二進制相移鍵控(2PSK)、二進制頻移鍵控(2FSK)，也可以選擇其它高效的調(diào)制方式，例如多進制數(shù)字振幅鍵控等。3）信道：假定信道屬于加性高斯信道。4）結(jié)果：仿真出該數(shù)字傳輸系統(tǒng)的性能指標(biāo)，即該系統(tǒng)的誤碼率，并畫出SNR（信噪比）和誤碼率的曲線圖。3.設(shè)計思路3.1 數(shù)字調(diào)制概述3.1.1數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)分析典型的數(shù)字通信系統(tǒng)由信源、編碼解碼、調(diào)制解調(diào)、信道及信宿等環(huán)節(jié)構(gòu)成，其框圖如圖3.1所示，數(shù)字調(diào)制是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的輸入端是經(jīng)編碼器編碼后適合在信道中傳輸?shù)幕鶐盘?。對?shù)字調(diào)制系統(tǒng)進行仿真時，我們并不關(guān)心基帶信號的碼型，因此，我們在仿真的時候可以給數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)直接輸入數(shù)字基帶信號，不用在經(jīng)過編碼器。圖3.1數(shù)字調(diào)制模型3.1.2 數(shù)字調(diào)制的意義數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)字基帶信號對載波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。根據(jù)控制的載波參量的不同，數(shù)字調(diào)制有調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸。為了進行長途傳輸，必須對數(shù)字信號進行載波調(diào)制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現(xiàn)代通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)。另外，由于數(shù)字通信具有建網(wǎng)靈活，容易采用數(shù)字差錯控制技術(shù)和數(shù)字加密，便于集成化，并能夠進入綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN網(wǎng)），所以通信系統(tǒng)都有由模擬方式向數(shù)字方式過渡的趨勢。因此，對數(shù)字通信系統(tǒng)的分析與研究越來越重要，數(shù)字調(diào)制作為數(shù)字通信系統(tǒng)的重要部分之一，對它的研究也是有必要的。通過對調(diào)制系統(tǒng)的仿真，我們可以更加直觀的了解數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能及影響性能的因素，從而便于改進系統(tǒng)，獲得更佳的傳輸性能。3.2二進制移相鍵控(2PSK)數(shù)字調(diào)制技術(shù)的兩種方法：利用模擬調(diào)制的方法去實現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制，即把數(shù)字調(diào)制看成是模擬調(diào)制的一個特例，把數(shù)字基帶信號當(dāng)做模擬信號的特殊情況處理；利用數(shù)字信號的離散取值特點通過開關(guān)鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調(diào)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(diào)制方式。 數(shù)字調(diào)相：如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(yīng)處于"同相"狀態(tài)；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(dāng)傳輸數(shù)字信號時，"1"碼控制發(fā)0度相位，"0"碼控制發(fā)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(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進制“1”和“0”。- 17 -3.設(shè)計思路3.3 誤碼率分析在實際通信系統(tǒng)中往往存在噪聲，噪聲會對判決值產(chǎn)生影響，即會產(chǎn)生誤碼率，一般假設(shè)信道的噪聲為高斯白噪聲，下面討論2PSK解調(diào)器在高斯白噪聲干擾下的誤碼率： 圖3.1 取樣值概率密度函數(shù)示意圖當(dāng)P(0)=P(1)時，最佳門限應(yīng)選在兩條曲線的交點處。即從圖可看出最佳判決門效應(yīng)為0.所以發(fā)1錯判0概率為： (2.1)發(fā)0錯判1的概率等于發(fā)1錯判0概率 (2.2) 根據(jù)圖2-5及上式可得2PSK相干解調(diào)器的誤碼率公式為 (2.3)3.4總體設(shè)計思路本設(shè)計數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)采用正弦波為載波、伯努利數(shù)字信號為基帶信號，采用2PSK調(diào)制，最后采用相干解調(diào)技術(shù)恢復(fù)基帶信號，與原基帶信號比較，得到其誤碼率關(guān)系。4.設(shè)計原理以及方案二進制移相鍵控信號的調(diào)制原理圖如圖 4.1 所示. 其中圖(a)是采用模擬調(diào)制的方法產(chǎn)生2PSK信號，圖(b)是采用數(shù)字鍵控的方法產(chǎn)生2PSK信號。圖 4.12PSK信號的調(diào)制原理圖2PSK信號的解調(diào)通常都是采用相干解調(diào), 解調(diào)器原理圖如圖 4.2 所示.在相干解調(diào)過程中需要用到與接收的2PSK信號同頻同相的相干載波。 圖 4.22PSK信號的解調(diào)原理圖2PSK信號相干解調(diào)各點時間波形如圖4.3所示，當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180倒相時，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號全部出錯。 圖 4.32PSK信號相干解調(diào)各點時間波形圖4.3是2PSK解調(diào)器在無噪聲情況下能對2PSK信號的正確解調(diào)。（a）是收到的2PSK信號；(b)是本地載波提取電路提取的同頻同相載波信號；（c）是接收的2PSK信號與本地載波相乘得到的波形示意圖，此波形經(jīng)過低通濾波器濾波后得到低通信號；(d)是取4.設(shè)計方案及實現(xiàn)樣判決器在位定時信號；（e）是對(d)波形取樣，再與門限進行比較，做出相應(yīng)的判決得到恢復(fù)的信號；需要注意的是判決規(guī)則應(yīng)與調(diào)制規(guī)則一致。5.設(shè)計的實現(xiàn)5.1模擬調(diào)制5.1.1模型建立圖5.1.1模擬調(diào)制模型5.1.2原件的選取及參數(shù)設(shè)置伯努利二進制隨機序列產(chǎn)生器（Bernoulli Binary Generator）參數(shù)設(shè)置：圖5.1.2伯努利二進制隨機序列產(chǎn)生器參數(shù)設(shè)置伯努利二進制隨機數(shù)產(chǎn)生器：幅度為2，周期為3，占0比為1/2。正相載波（Sine Wave Function2）參數(shù)設(shè)置：圖5.1.3載波參數(shù)設(shè)置載波：4HZ，幅度+2設(shè)置依據(jù)：載波頻率本來應(yīng)該很高，但是為了波形觀察方便，故頻率設(shè)為4HZ。碼型變化器（Unipolar to Bipolar Converter）參數(shù)設(shè)置極性為“Positive”設(shè)置依據(jù)：采用0變1不變調(diào)制。帶通濾波器（Digital Filter Design）參數(shù)設(shè)置：5.設(shè)計的實現(xiàn)圖5.1.5帶通濾波器參數(shù)設(shè)置帶通濾波器參數(shù)：帶通范圍為27HZ設(shè)置依據(jù)：載波頻率為4HZ，而基帶號帶寬為1HZ，考濾到濾波器的邊沿緩降，故設(shè)置為27HZ。低通濾波器（Digital Filter Design1）參數(shù)設(shè)置：圖5.1.6低通濾波器參數(shù)設(shè)置低通濾波器參數(shù)：截止頻率為1HZ設(shè)置依據(jù)：二進制序列的帶寬為1HZ，故取1HZ取樣判決器（Sign）參數(shù)設(shè)置圖5.1.7取樣判決器參數(shù)設(shè)置取樣判決器設(shè)置：門限值取為0.5，取樣時間為1設(shè)置依據(jù)：當(dāng)大于0.5時輸出1，當(dāng)小于0.5時輸出0，能達到在0變1不變的取樣規(guī)則下正確解碼的目的。調(diào)制波形：圖5.1.8調(diào)制波形圖中第一個圖為載波的波形，第二個圖為隨機產(chǎn)生的二進制序列，第三個圖為通過碼型變換器后的波形，最后一個圖為調(diào)制后的2PSK信號。解調(diào)波形（信噪比為30%）：圖5.1.9解調(diào)波形圖中第一個圖為收到的2PSK波形，第二個圖為通過帶通濾波器后的波形，第三個圖為與同頻同向載波相乘后的波形，第四個圖為通過低通濾波器后的波形，最后一個圖為解調(diào)后的二進制序列。5.2數(shù)字鍵控調(diào)制5.2.1模型建立圖5.2.1鍵控調(diào)制模型5.2.2原件的選取及參數(shù)設(shè)置脈沖序列發(fā)生器：圖5.2.2脈沖序列發(fā)生器多路選擇器（Switch）參數(shù)設(shè)置：圖5.2.3多路選擇器參數(shù)設(shè)置設(shè)置依據(jù)：當(dāng)二進制序列大于0時，輸出第一路信號；當(dāng)二進制序列小于0時，輸出第二路信號。反相載波（Sine Wave Function1）參數(shù)設(shè)置只需將正相載波參數(shù)幅值取為負值，其他的參數(shù)設(shè)置同模擬調(diào)制。調(diào)制波形：圖5.2.4解調(diào)波形圖中第一個圖為正相載波的波形，第二個反相載波的波形，第三個圖為隨機的波形，最后一個圖為調(diào)制后的2PSK信號。解調(diào)波形（信噪比為70%）：圖5.2.5解調(diào)波形圖中第一個圖為收到的2PSK波形，第二個圖為通過帶通濾波器后的波形，第三個圖為與同頻同向載波相乘后的波形，第四個圖為通過低通濾波器后的波形，最后一個圖為解調(diào)后的二進制序列。5.3不同信噪比下的誤碼率采用模擬調(diào)制時，不同信噪比下，誤碼率恒為：采用數(shù)字鍵控調(diào)制時，信噪比為10%，誤碼率為0.8182；信噪比為20%，誤碼率為07273；信噪比為30%及以上時，誤碼率為0.5455.得到的信噪比和誤碼率對應(yīng)關(guān)系曲線為：圖5.3.1關(guān)系曲線6.總 結(jié)在老師和同學(xué)的幫助下我順利的完成了這次課程設(shè)計，在這次課程設(shè)計中，我使用了MATLAB的SIMULINK功能對2PSK系統(tǒng)進行建模仿真及分析，使我對數(shù)字調(diào)制有了更進一步的認識，也對MATLAB中的SIMULINK有了一定的了解，熟悉了它的一些操作。通過理論指導(dǎo)，從仿真中可以看出，在2PSK調(diào)制系統(tǒng)中由于存在信道干擾和碼間串?dāng)_，會影響調(diào)制系統(tǒng)的性能，即存在一定的誤碼率，誤碼率與信噪比相關(guān)，當(dāng)信噪比提高時，誤碼率下降。對于我來說，收獲最大的是方法和能力那些分析和解決問題的能力。在整個課程設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)我們在經(jīng)驗方面十分缺乏，空有理論知識，而沒有實際的操作經(jīng)驗，有些東西可能與實際脫節(jié)?？傮w來說，我覺得像課程設(shè)計這種類型的課程對我們的幫助還是很大的，它需要我們將學(xué)過的相關(guān)知識系統(tǒng)地聯(lián)系起來，并運用與實際中，這樣從中暴露出自身的不足，以待改進。本次的課程設(shè)計，培養(yǎng)了我綜合應(yīng)用設(shè)計課程與其他課程的理論知識相結(jié)合、理論聯(lián)系實際和應(yīng)用生產(chǎn)實際知識解決工程實際問題的能力。在設(shè)計的過程中還培養(yǎng)了我們的團隊精神，同學(xué)們共同協(xié)作，解決了許多個人無法解決的問題，在今后的學(xué)習(xí)過程中我們會更加努力和團結(jié)。 7. 致 謝通過這一階段的努力，在這次課程設(shè)計中，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與指導(dǎo)老師、同學(xué)的指點、支持和鼓勵是分不開的。 8.參考文獻1 樊昌信等編. 通信原理. 國防工業(yè)出版社