基于simulink仿真实现的2PSK数字带通传输系统 设计报告

通信系统课程设计报告 用simulink仿真实现一个2PSK数字带通传输系统 摘 要Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平台的著名仿真环境，Simulink作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具，目前已被越来越多的工程技术人员所青睐，它搭建的积木式建模仿真方式既简单又直观，而且已经在各个领域得到了广泛的应用。本次设计主要是以Simulink为基础平台，对2PSK信号进行仿真。介绍了2PSK信号，及其调制和解调的基本原理，并运用Simulink搭建仿真电路，分析在混入噪声及码间串扰的环境下的误码率，以及使用Matlab生成界面。本设计的主要目的是对Matlab的熟悉和对数字通信理论的更加深化、理解。关键词：Simulink；2PSK；误码率目录1.引言- 1 -2.设计要求- 1 -3.设计思路- 1 -3.1 数字调制概述- 1 -3.1.1数字调制系统各个环节分析- 1 -3.1.2 数字调制的意义- 2 -3.2二进制移相键控(2PSK)- 2 -3.3 误码率分析- 3 -3.4总体设计思路- 3 -4.设计原理以及方案- 3 -5.设计的实现- 5 -5.1模拟调制- 5 -5.1.1模型建立- 5 -5.1.2原件的选取及参数设置- 5 -5.2数字键控调制- 9 -5.2.1模型建立- 9 -5.2.2原件的选取及参数设置- 10 -5.3不同信噪比下的误码率- 11 -6.总 结- 12 -7.致 谢- 13 -8.参考文献- 13 -1.引言1.引言基带信号的调制主要分为线性调制和非线性调制，线性调制是指已调信号的频谱结构与原基带信号的频谱结构基本相同，只是占用的频率位置搬移了。而非线性调制则是指它们的结构完全不同不仅仅是频谱搬移，在接收方会出现很多新的频谱分量。在三种基本的调制中，ASK属于线性调制，而FSK和PSK属于非线性调制。已调信号会在接收方通过各种方式通过解调得到，但是由于噪声和码间串扰，总会有一定的失真。所以人们总是在寻找不同的接收方式来降低误码率，其中的接收方式主要有相干接收和非相干接收。在接收方通过载波的相位信号去检测信号的方法称为相干检测，反之若不利用就称为非相干检测，而对于一些特别的调制有特别的解调方式，如过零检测法。系统的性能好坏取决于传输信号的误码率，而误码率不仅仅与信道、接收方法有关还和发送端采用的调制方式有很大的关系。我们研究的ASK，FSK，PSK等就主要是发送方的调制方式。本文主要对2PSK信号的原理及其相干解调系统性能进行了分析和仿真，这样能让我们对数字调制方式有一个更清楚的认识。2.设计要求 1）信源：产生二进制随机比特流，数字基带信号任选，例如单极性、双极性数字信号，可以是矩形波、三角波等数字基带信号波形。2）调制：可以选择简单的二进制数字调制方式，例如二进制振幅键控(2ASK)、二进制相移键控(2PSK)、二进制频移键控(2FSK)，也可以选择其它高效的调制方式，例如多进制数字振幅键控等。3）信道：假定信道属于加性高斯信道。4）结果：仿真出该数字传输系统的性能指标，即该系统的误码率，并画出SNR（信噪比）和误码率的曲线图。3.设计思路3.1 数字调制概述3.1.1数字调制系统各个环节分析典型的数字通信系统由信源、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节构成，其框图如图3.1所示，数字调制是数字通信系统的重要组成部分，数字调制系统的输入端是经编码器编码后适合在信道中传输的基带信号。对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心基带信号的码型，因此，我们在仿真的时候可以给数字调制系统直接输入数字基带信号，不用在经过编码器。图3.1数字调制模型3.1.2 数字调制的意义数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。根据控制的载波参量的不同，数字调制有调幅、调相和调频三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。因此，大部分现代通信系统都使用数字调制技术。另外，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ISDN网），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。因此，对数字通信系统的分析与研究越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要部分之一，对它的研究也是有必要的。通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进系统，获得更佳的传输性能。3.2二进制移相键控(2PSK)数字调制技术的两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的相位进行键控，便可获得相移键控（PSK）基本的调制方式。 数字调相：如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，它们应处于同相状态；如果其中一个开始得迟了一点，就可能不相同了。如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为反相。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，1码控制发0度相位，0码控制发180度相位。载波的初始相位就有了移动，也就带上了信息。相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。- 17 -3.设计思路3.3 误码率分析在实际通信系统中往往存在噪声，噪声会对判决值产生影响，即会产生误码率，一般假设信道的噪声为高斯白噪声，下面讨论2PSK解调器在高斯白噪声干扰下的误码率： 图3.1 取样值概率密度函数示意图当P(0)=P(1)时，最佳门限应选在两条曲线的交点处。即从图可看出最佳判决门效应为0.所以发1错判0概率为： (2.1)发0错判1的概率等于发1错判0概率 (2.2) 根据图2-5及上式可得2PSK相干解调器的误码率公式为 (2.3)3.4总体设计思路本设计数字带通传输系统采用正弦波为载波、伯努利数字信号为基带信号，采用2PSK调制，最后采用相干解调技术恢复基带信号，与原基带信号比较，得到其误码率关系。4.设计原理以及方案二进制移相键控信号的调制原理图如图 4.1 所示. 其中图(a)是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图(b)是采用数字键控的方法产生2PSK信号。图 4.12PSK信号的调制原理图2PSK信号的解调通常都是采用相干解调, 解调器原理图如图 4.2 所示.在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。 图 4.22PSK信号的解调原理图2PSK信号相干解调各点时间波形如图4.3所示，当恢复的相干载波产生180倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。 图 4.32PSK信号相干解调各点时间波形图4.3是2PSK解调器在无噪声情况下能对2PSK信号的正确解调。（a）是收到的2PSK信号；(b)是本地载波提取电路提取的同频同相载波信号；（c）是接收的2PSK信号与本地载波相乘得到的波形示意图，此波形经过低通滤波器滤波后得到低通信号；(d)是取4.设计方案及实现样判决器在位定时信号；（e）是对(d)波形取样，再与门限进行比较，做出相应的判决得到恢复的信号；需要注意的是判决规则应与调制规则一致。5.设计的实现5.1模拟调制5.1.1模型建立图5.1.1模拟调制模型5.1.2原件的选取及参数设置伯努利二进制随机序列产生器（Bernoulli Binary Generator）参数设置：图5.1.2伯努利二进制随机序列产生器参数设置伯努利二进制随机数产生器：幅度为2，周期为3，占0比为1/2。正相载波（Sine Wave Function2）参数设置：图5.1.3载波参数设置载波：4HZ，幅度+2设置依据：载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为4HZ。码型变化器（Unipolar to Bipolar Converter）参数设置极性为“Positive”设置依据：采用0变1不变调制。带通滤波器（Digital Filter Design）参数设置：5.设计的实现图5.1.5带通滤波器参数设置带通滤波器参数：带通范围为27HZ设置依据：载波频率为4HZ，而基带号带宽为1HZ，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为27HZ。低通滤波器（Digital Filter Design1）参数设置：图5.1.6低通滤波器参数设置低通滤波器参数：截止频率为1HZ设置依据：二进制序列的带宽为1HZ，故取1HZ取样判决器（Sign）参数设置图5.1.7取样判决器参数设置取样判决器设置：门限值取为0.5，取样时间为1设置依据：当大于0.5时输出1，当小于0.5时输出0，能达到在0变1不变的取样规则下正确解码的目的。调制波形：图5.1.8调制波形图中第一个图为载波的波形，第二个图为随机产生的二进制序列，第三个图为通过码型变换器后的波形，最后一个图为调制后的2PSK信号。解调波形（信噪比为30%）：图5.1.9解调波形图中第一个图为收到的2PSK波形，第二个图为通过带通滤波器后的波形，第三个图为与同频同向载波相乘后的波形，第四个图为通过低通滤波器后的波形，最后一个图为解调后的二进制序列。5.2数字键控调制5.2.1模型建立图5.2.1键控调制模型5.2.2原件的选取及参数设置脉冲序列发生器：图5.2.2脉冲序列发生器多路选择器（Switch）参数设置：图5.2.3多路选择器参数设置设置依据：当二进制序列大于0时，输出第一路信号；当二进制序列小于0时，输出第二路信号。反相载波（Sine Wave Function1）参数设置只需将正相载波参数幅值取为负值，其他的参数设置同模拟调制。调制波形：图5.2.4解调波形图中第一个图为正相载波的波形，第二个反相载波的波形，第三个图为随机的波形，最后一个图为调制后的2PSK信号。解调波形（信噪比为70%）：图5.2.5解调波形图中第一个图为收到的2PSK波形，第二个图为通过带通滤波器后的波形，第三个图为与同频同向载波相乘后的波形，第四个图为通过低通滤波器后的波形，最后一个图为解调后的二进制序列。5.3不同信噪比下的误码率采用模拟调制时，不同信噪比下，误码率恒为：采用数字键控调制时，信噪比为10%，误码率为0.8182；信噪比为20%，误码率为07273；信噪比为30%及以上时，误码率为0.5455.得到的信噪比和误码率对应关系曲线为：图5.3.1关系曲线6.总 结在老师和同学的帮助下我顺利的完成了这次课程设计，在这次课程设计中，我使用了MATLAB的SIMULINK功能对2PSK系统进行建模仿真及分析，使我对数字调制有了更进一步的认识，也对MATLAB中的SIMULINK有了一定的了解，熟悉了它的一些操作。通过理论指导，从仿真中可以看出，在2PSK调制系统中由于存在信道干扰和码间串扰，会影响调制系统的性能，即存在一定的误码率，误码率与信噪比相关，当信噪比提高时，误码率下降。对于我来说，收获最大的是方法和能力那些分析和解决问题的能力。在整个课程设计的过程中，我发现我们在经验方面十分缺乏，空有理论知识，而没有实际的操作经验，有些东西可能与实际脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的课程对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，并运用与实际中，这样从中暴露出自身的不足，以待改进。本次的课程设计，培养了我综合应用设计课程与其他课程的理论知识相结合、理论联系实际和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力。在设计的过程中还培养了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题，在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。 7. 致 谢通过这一阶段的努力，在这次课程设计中，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与指导老师、同学的指点、支持和鼓励是分不开的。 8.参考文献1 樊昌信等编. 通信原理. 国防工业出版社