MatlabSimulink通信系统设计与仿真.doc

课程设计报告课程名称：通信系统课程设计设计题目：Matlab/Simulink通信系统设计与仿真。成 绩：姓 名：XX学 号：XXXXXXXX专 业：通信工程班 级：XXXXXXXX学 院：机电与信息工程学院指导教师：XXX时 间：XX年XX月XX日20目 录一、 课程设计内容及要求2(一)设计内容2(二)设计要求2二、 系统原理介绍2(一)系统组成结构框图2(二)各模块原理21.信源模块22.信源编码模块33.QPSK调制模块34.信道模块35.QPSK解调模块36.误码率模块3三、 系统方案设计3(一)方案论证3(二)系统设计41.信源模块52.信源编码模块63.QPSK调制模块74.信道模块105.QPSK解调模块116.误码率模块147.功率谱模块15四、 系统仿真及结果分析15(一)系统仿真与调试15(二)仿真实验与结果分析161.仿真实验162.结果分析18五、 总结与体会18(一)设计总结19(二)个人体会19六、 参考文献19山东大学威海分校课程设计报告一、 课程设计内容及要求(一) 设计内容在现代通信系统中，一个最简单的通信系统由信源、信道和信宿构成。实际的数字通信系统需要完成从信源到信宿的全部功能，这通常是比较复杂的，因此，在设计新系统或者对原有系统进行改进时，通常要进行建模和仿真，通过仿真结果来衡量方案的可行性，从中选择合理的方案进行配置，然后再应用于实际系统中。本课程设计内容是用基于MATLAB的Simulink仿真工具来构建一通信系统的仿真模型并进行性能测试(二) 设计要求1. 系统的组成应尽量完整（信源、信源编码、加密编码、信道编码、发送滤波、信道、接收滤波、信道译码、信源译码、信宿），能实现发送端和接收端的正常通信；2. 实现3路以上用户的多路复用与解复用；3. 对通信系统的性能（信噪比、误码率）进行测试，并进行理论分析和比较；4. 对传输过程中信号的功率谱进行测试，并进行理论分析和比较。二、 系统原理介绍本课程设计设计的是QPSK正交移相键控基带调制仿真系统，用二进制数字基带信号控制载频的相位来实现调制称为移相键控PSK，即随着基带信号0、1的变化，载波的相位发生0、的变化。如果载波是一对正交的函数，如sinwt,coswt，同时对它们PSK调制，这样的调制称为QPSK（正交移相键控）。(一) 系统组成结构框图信源QPSK调制信道QPSK解调信宿噪声源图2-1系统组成结构框图(二) 各模块原理1. 信源模块信源是通信系统中的一个重要部分，它决定了通信系统的信号类型。不同的信源构成了不同的系统。根据信号的特点把信源分为不同的类型，如数字信号源和模拟信号源，周期信号源和非周期信号源。2. 信源编码模块信源编码有三个部分：抽样、量化、编码。模拟信号通常是时间上连续的信号。在一系列离散点上，对这种信号抽样取样值称为抽样。所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。编码采用DPCM(Differential Pulse Code Modulation)差分脉冲编码调制，简称差值编码。3. QPSK调制模块QPSK调制信号的产生方法有两种，第一种是用相乘电路，第二种是选择法。4. 信道模块本次设计的信道模块是加性高斯白噪声信道。QPSK信号可以看作两个载波正交的2PSK调制器构成。串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两个并行的双极性序列，然后分别对sinwct和coswct调制，相加后得到QPSK调制信号。5. QPSK解调模块由于QPSK信号可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，所以用两路正交的相干载波去解调6. 误码率模块该模块是由信源的输出经过延时后和最后的输出进行比对，由于串并变换问题最初会有一些误码。三、 系统方案设计本次课程设计是模拟语音信号通过抽样量化编码为DPCM，经QPSK调制为带通信号(一) 方案论证通信系统按数据类型可分为模拟通信和数字通信。模拟通信抗干扰能力差但易于实现，而数字通信抗噪声性能好、差错可控、保密性好、容易与现代技术相结合，所以采用数字通信有更多的益处。数字通信系统主要的三种通信模式是数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统和模拟信号数字化传输通信系统。本课程设计采用的是模拟信号数字化传输通信系统。调制是将信号转换为适合信道传输或便于信道多路复用的已调信号，即将基带信号变换为适合于信道传输的频带信号。调制在通信系统中的作用至关重要，它的主要作用和目的是将基带信号(调制信号)变换成适合在信道中传输的已调信号、实现信道的多路复用和改善系统抗噪声性能。因此我们需要把语音信号进行调制。数字调制的方式有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)等多种形式，但这三种是基本的数字调制方式。由于QPSK有能够克服相位模糊的特性，故，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。图3-1模拟信号数字化传输通信系统(二) 系统设计本次课程设计采用模块化设计方法，各模块具体设计如下。总体系统结构图如图3-2。图3-2总体系统组成结构连线图1. 信源模块本次系统设计的信源由Random-Integer Generator（随机整数发生器）产生的随机离散0、1序列，然后经过Unipolar to Bipolar Converter（非极性到极性的转换器）把0、1序列转换为双极性码。图3-3Random-Integer Generator参数设置为见图3-4。图3-4Unipolar to Bipolar Converter参数设置见图3-5图3-52. 信源编码模块一个MPSK信号码元可以表示为： k=1,2,3,4,M; k=1,2,3,4,M; k=正整数当M=4时，即为4PSK，常称为正交相移控键，亦称为QPSK。它的每一个码元含有2b的信息，现用ab代表这两个比特。发送码元序列在编码时需要两个比特分为一组，然后用4种相位之一去表示它。两个比特有四种组合，即00、01、10、11.它们和相位之间的关系通常都按格雷码的规律安排，如表3-1所示，它们的矢量关系在图3-6a b 0 0 90 0 1 0 1 1 270 1 0 180表3-1 QPSK信号的编码00 1001 参考相位11图3-6 QPSK信号的矢量图3. QPSK调制模块QPSK调制信号的产生方法有两种，第一种是用相乘电路，其原理图为-7，图中输入基带信号A(t)是二进制不归零双极性码元，它被“串并变换”电路变成码元a和b后，其每个码元的持续时间是输入码元的2倍，这两路并行码元序列分别用以和两路正交载波相乘。相乘结果用虚线矢量地示于图3-8 。图中矢量a(1)代表a路的信号码元二进制“1”，a(0)代表a路信号码元二进制“0”；类似地，b(1)代表b路的信号码元二进制“1”，b(0)代表b路信号码元二进制“0”。这两路信号在相加电路中相加后得到输出矢量s(t)，每个矢量代表2b，如图中实绩矢量所示。相乘电路a相干载波产生A(t)串并转换相加电路s(t)Pi/2相移-sinwt相乘电路b图3-7 相乘电路产生QPSK信号应当注意的是，上述二进制信号码元“0”和“1”在相乘电路中与不归零双极性矩形脉冲振幅的关系如下：二进制码元“1”双极性脉冲“+1”；二进制码元“0”双极性脉冲“1”；图3-8QPSK矢量的产生第二种方法是选择法，其原理方框图见图 3-9 ，这时输入基带信号经过串并转换后用于控制一个相位选择电路，按照当时的输入双比特ab，决定选择哪个相位的载波输出。候选的4个相位1、2、3和4仍然可以是图中的4个实线矢量，也可以是按A方式规定的4个相位。带通滤波相位选择串并转换ab 12344相载波产生器图3-9选择法产生QPSK信号本模块的系统结构连接图见图3-10。图3-10QPSK调制子系统组成结构连线图各模块的参数设置为Buffer（缓存器）参数设置见图3-11图3-11Select Rows 参数设置见图3-12图3-12Sine Wave参数设置见图-13图-13Product 参数设置见图-14图-14Sum参数设置见图3-15图3-154. 信道模块本次设计的信道模块是加性高斯白噪声信道。图3-16其参数设置见图-17图-175. QPSK解调模块QPSK信号的解调原理方框图地示于图3-18，由于QPSK信号可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，所以用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的2PSK信号。相干解调后的两路并行码元a和b，经过并串变换后，成为串行数据输出。QPSK信号解调原理方框图见图3-18抽判低通相乘载波提取 Cosw0t a定时提取并串Pi/2s(t) -sinw0t b抽判低通相乘图3-18QPSK信号解调原理方框图QPSK解调模块系统构成图见图3-19图3-19 QPSK解调模块系统构成图各参数的设置为Digital Filter Design参数设置见图2-20图2-20Sample and Hold参数设置见图3-21图3-21Sign参数设置见图3-22图3-22Switch参数设置见图3-23图3-236. 误码率模块本次设计由错误率统计模块和误码率显示模块组成。错误率统计模块的Tx输入端口接收发送方的输入信号，Rx输入端口接收信宿端恢复的输入信号，模块的输出数据是长度为3的向量，分别是：误码率、总的错误个数、总的参加比较的码元数。图3-24其参数设置为Error Rate Caloulation参数设置见图3-25图3-25Display参数设置见图3-26图3-267. 功率谱模块该模块主要由两个频谱仪组成，用来显示输入信号和输出信号的功率谱密度，功率谱反映了单位频带内随机信号功率的大小，它是频率的函数。图3-27Spectrum Scope的参数设置见图3-28图3-28四、 系统仿真及结果分析(一) 系统仿真与调试Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。本课程设计是采用Simulink仿真工具来进行系统的仿真设计并进行性能测试的。(二) 仿真实验与结果分析1. 仿真实验输入信源信号并经过极性转换为双极性码波形图见图-1图-1经过QPSK调制系统调制后波形图见图4-2图4-2经过加性高斯白噪声信道后波形图见图4-3图4-3经过QPSK解调系统解调后的波形和输入波形图见图-4图-4输入信号的功率谱见图4-5图4-5 输入信号的功率谱输出信号的功率谱见图4-6图4-6 输出信号的功率谱2. 结果分析误码率分析：误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。由图4-4显示结果知，输入的波形与输出的波形很相似，而且由图3-24显示的结果得知，系统的误码率也较低，符合设计的要求，故此系统是符合要求的。功率谱分析：功率谱是描述信号功率随频率变化的函数，它反映了单位频带内随机信号功率的大小，它是频率的函数，其物理单位是W/Hz。由图4-5和图4-6的输入和输出功率谱比较知，两个功率谱几乎相同，说明该系统性能稳定，符合设计要求。五、 总结与体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过此次课程设计，我对通信系统的仿真有了很大的了解，掌握了设计的方法和思路，提高了对系统的分析能力和解决能力。(一) 设计总结通过这次通信系统设计，我了解了系统设计的方法和思路， 首先，应该明确设计的要求，到底让我们做什么，要达到什么样的效果，目的要明确。其次，将设计问题分解，分成几个模块，画出方框图并说明各个模块间的联系，有针对性的分别去设计各个模块，分块检错，消除模块内的问题。最后，将各个模块联系起来，整体来调试，发现模块间的问题，不断的修改调试，已达到最终的要求。通过这次课程设计，我对于设计有了一个具体的了解，知道了设计的具体流程。我认为这对于我们来说是非常重要的，因为有了这样的设计思路和设计流程，我们才能设计其他不同的课题，才能达到举一反三的地步。(二) 个人体会在这次系统设计中，虽然在期间遇到了许多问题，如参数的设置，模块的整合等，但是在老师同学的帮助指导下，我积极查找相关资料来解决出现的问题，最终完成了此次课程设计。总的来说，在这次课程设计过程中我们学到了很多，既是对我们过去所学通信原理知识的巩固,又熟练了以前学过的MATLAB软件，又锻炼了我们遇到问题、分析并解决问题的能力，能够有针对性