基于MATLAB的数字频带通信系统的仿真

1、北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文)题 目 基于MATLAB的数字频带通信系统仿真学 号 学生姓名 通信工 专业名称 通信工 所在系（院） 通信与信息工程 指导教师 通信工 2012年 6 月 1 日北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）任务书姓名学号专业通信工程系（院）通信与信息工程设计（论文）题目基于MATLAB的数字频带通信系统仿真题目分类 工程设计； 工程技术研究； 软件工程（如CAI课题等）； 专题研究；艺术设计； 其他 题目来源 自然科学基金与部、省、市级以上科研课题； 企、事业单位委托课题； 院级课题； 自拟课题 其他 指导教师（指导教师组组长及成员姓名）职 称工作单位备注程 韧教

2、授通信与信息工程系组长李 殷讲师通信与信息工程系指导教师游 思 晴助教通信与信息工程系成员张 茹教授通信与信息工程系成员毕业设计(论文)的内容和要求：注意：选题尽量与实际应用需求相结合。要求写明本设计（论文）所涉及的分析方法或技术手段（如定性、定量分析的方法）；要求有独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤和技术指标。数字频带传输系统是把数字基带信号经过调制后送往信道传输的通信系统。数字频带通信系统的基本结构由发送滤波器、调制器、信道、解调器、接收滤波器等部分构成。研究数字频带通信系统是研究数字通信的基础，现代大多数数字通信系统都是频带通信系统。所以研究数字频带通信系统并用软件仿真，具有现实意义

3、。 本论文要求在分析数字频带传输基本原理的基础上，设计信道带宽受限且具有高斯白噪声的最佳数字频带通信系统，理论分析其性能，并用程序仿真验证分析结果。应完成的工作和提交材料要求（课题完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求）： 开题报告：3000字左右； 论文的中文摘要：200-300字左右，包含关键词，并译成英文。英文摘要以250个左右实词为宜； 论文正文不少于15000字； 尽量结合课题，翻译1500汉字以上的有关技术资料或专业文献； 参考文献中，主要的文献应达到10篇以上，其中外文文献在2篇以上。主要参考文献（参考文献不少于4篇，参考文献目录按GB/T77142005的要求填写）：1

4、 樊昌信，詹道庸，徐炳祥，吴成柯通信原理M北京：国防工业出版社，1980：1712602 薛鹏骞电子与通信电路计算机仿真M北京：煤炭工业出版社，2003：1131443 邓华MATLAB通信仿真及应用实例详解M北京：人民邮电出版社，2003：991154 张谦通信系统中MATLAB基础与仿真应用M西安：西安电子科技大学出版社，2010：85109毕业设计（论文）进度计划（从正式启动时间开始，以周为单位填写）：第1周-第2周 课题调研、查资料、撰写开题报告。第3周 根据查询的资料确定总体设计思路，完成开题报告并上交。第4周-第7周 毕业设计单元部分研究,并设计出整体框架。第8周 完成论文中期检查

5、报告。第9周-第15周 资料整理，撰写毕业论文；上交毕业设计论文，指导教师审查评阅设计报告，业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改毕业设计论文，准备答辩。第16周 进行毕设答辩。指导教师签字： 日期： 年 月 日教学单位意见审核人签字：系（院）（盖章）年 月 日学院意见审核专家签字：年 月 日备注1、由指导教师撰写，可根据长度加页，一式三份，教务处、系（院）各留存一份，发给学生一份，任务完成后附在论文内；2、凡审核不通过的任务书，请重新申报。北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）诚信声明本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目基于MATLAB的数字频带通信系统仿真是本人在指导教师的指导下，独立

6、进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 毕业设计（论文）使用权的说明本人完全了解北京邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容。本人签名：

7、日期： 指导教师签名： 日期： 题目 基于MATLAB的数字频带通信系统仿真 摘要本论文研究了数字频带传输的性能。围绕基本结构发送滤波器、调制器、信道、解调器、接收滤波器等部分进行仿真。在分析数字频带传输基本原理的基础上，从两方面理论分析其传输系统的基本性能。第一个方面使用MATLAB中M语言完成QPSK的仿真，得出在加性高斯白噪声的信道下，传输比特错误率，得出关系曲线，并将比特错误率与理论值相比较，分析其传输性能。第二个方面是通过仿真得到QPSK和OQPSK信号经过带通后的波形。对比两个信号的功率谱密度图，理论分析其传输性能。关键词 仿真 MATLAB QPSK OQPSKTitle Bas

8、ed on the MATLAB Simulation of the Digital Band Communication System AbstractThis paper studies the performance of the digital band transmission. Focus on the basic structure of the transmit filter, the modulator, channel, demodulator, receiver filters and other parts of the simulation. On the basic

9、 principle of the digital band Communication to analysis performance of the transmission system.The first aspect of the use of MATLAB M language to complete QPSK simulation, Obtained in the additive white Gaussian noise channel, the transmission bit error rate, to draw the curve. Compared to the bit

10、 error rate with the theoretical value, analyze the transmission performance.The second aspect is the simulation waveform of QPSK and OQPSK signals after the band-pass. Contrast the two signals the power spectral density figure, the theoretical analysis the transmission properties. Power spectral de

11、nsity map comparison of the two signals, the theory to analyze the transmission performance.Keywords Simulation MATLAB QPSK OQPSK目录1.前言11.1 数字频带传输系统的简介11.2 本论文的选题意义22.MATLAB简介42.1 MATLAB的主要功能42.2 MATLAB的优势42.3 MATLAB工具箱62.4 MATLAB语言73.通信系统84.数字信号的基带传输114.1数字基带传输系统114.2加性高斯白噪声AWGN124.3升余弦滚降系统125.数字信号

12、的频带传输155.1数字频带传输系统155.2 四相移相键控（QPSK）165.2.1 QPSK信号的产生165.2.2 QPSK信号的平均功率谱密度185.2.3 QPSK信号的接收及其平均误比特率195.2.4 程序仿真225.3 偏移四相移相键控（OQPSK）235.3.1 OQPSK调制245.3.2 OQPSK信号的最佳接收及误比特率265.3.3 程序仿真276.结论28致谢29参考文献30附录311.前言在现代信息化的社会里，通信是很重要的，尤其是移动通信，它在现代化进程中起到的巨大作用是不容质疑的。移动通信可以说从MG马可尼（1987）所完成的无线通信实验之日就产生了，当时的试

13、验是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。移动通信的发展走过了一段很漫长的路程。通信信号处理方式也从模拟向数字通信转变。同时通信系统已经由单一的硬件系统转向与软件的结合。随着通信技术的发展，信号处理方面硬件设计与专业软件设计结合日趋紧密。比较优秀而且得到广大技术人员认可的有MTALAB。MATLAB是Matrix Labotratory(矩阵实验室)的缩写，最初由美国Cleve Moler博士在20世纪70年代末讲授矩阵理论和数据分析等课程编写的软件包Linkpack与Eispack组成，旨在使应用人员免去大量重复的矩阵运算和基本数字运算等繁琐的编程工作。MATLAB作为一种仿真平台，

14、提供了强大的工程，设计者可以自己设计函数，同时也可以调用Toolbox里的函数调用。MATLAB等优秀软件使仿真技术得到很好的应用。通过对通信过程的仿真，我们就可以在低成本的条件下检测某一个方案是否能够实现，是否有更好的方案可以代替原来的方案，这样对通信的研究就站在了一个更高的起点，使通信技术的发展日新月异，近十年来手机的普及率的迅速提高就从侧面反映移动通信技术的发展。移动通信中，数字调制解调技术是关键技术，其中数字调制信号具有数字通信的诸多优点，在数字移动通信中，广泛使用它来传送各种控制信息。1.1 数字频带传输系统的简介人类的社会活动和发展是与信息及其传递通信密切相关的。当今世界已进入信息

15、时代。通信已深入到社会各个领域，对人类的生活和社会的发展更加具有特殊重要的意义，对于远程通信来说，数字频带传输技术的发展尤为重要。随着数字技术的飞速发展与数字器件的广泛使用数字信号处理在通信系统中的应用已经越来越重要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统，数字频带传输系统是一种利用调制器对传输信号进行频率交换的传输方式，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合在信道(一般为带通信道)上传输的频带上。信号调制的目的是为了更好的适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，提高线路的利用率，一举两得。研究数字频带通信系

16、统是研究数字通信的基础，现代大多数数字通信系统都是频带通信系统。数字频带传输在应用上要比基带传输更广泛，应用范围更大，如：卫星通信、移动通信、光纤通信、均是在所规定信道频带内传输频带信号。通信信号的调制识别成为研究热点之一，国内外都有相关方面的研究，并且取得很好的结果。80年代以来，通信和信号处理系统越来越复杂，各种新技术的发展对通信系统的实现起着重大的影响。通信系统复杂性的增加使得分析与设计所需的时间和费用也迅速上升，为了节约人力、物力、财力和时间，就需要进行系统仿真。近10年来，数字通信系统得到了迅速的发展，尤其是人们对数字通信系统的需求，已超过现今技术所能支持数据速率几个数量级，而可利用

17、的无线频谱有限，只有使通信频谱利用率得到显著提高，才能满足通信容量的要求。尽管通过增加发射功率和带宽来提高系统输出信噪比可以改善系统性能，但这与移动通信的发展目标相违背。一个使数据速率增长得以实现的重要技术突破就是研究数字频带通信系统。过去，数字信号处理一直是用模拟设备完成，近代，数字计算机的出现和大规模集成技术的高度发展，为数字频带通信系统的处理提供了强有力的手段。在电子各个领域，正日益广泛地用数字方法实现数字频带通信系统。数字通信在其发展过程中表现出了强大的生命力，它冲破了传统模拟通信方式的统治，逐步地发展、完善。随着通信事业的发展，特别是各种宽带传输技术(例如光纤传输、数字微波等)、综合

18、业务数字网(ISDH)的实用化，全数字化的通信方式必将逐步取代模拟通信方式而得到蓬勃发展。数字调制传输在现在通信中发挥着越来越重要的作用。为使数字信号能在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制，其调制方式与模拟信号调制相类似。根据数字信号控制波的参量不同也分为调幅、调频和调相三种方式。因数字信号对载波参数的调制通常采用数字信号的离散值对载波进行键控，故这三种数字调制方式被称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。基于频带系统仿真是通信电子类专业教学和科研经常使用的一种方法。我们在计算机尝试仿真，在计算机上显示不同系统的工作原理进行波形观察、频谱分析和性能分析等，为数

19、字频带传输系统以及通信系统设计和研究提供强有力的指导。1.2 本论文的选题意义当要测试一个传输系统的性能时，往往都是把它做出来，再对其进行测量计算。这样做的话，需要浪费大量时间。而我们现在利用计算机，把需要设计的方案进行计算机仿真，模拟测试出来传输系统，最后计算出来和他相关的误码率，误比特率等数据，得出这个传输系统性价比。MATLAB是一种功能强大，效率高，交互性好的数值计算和可视化计算机高级语言，它将数值的分析，矩阵计算，信号处理和图形显示有机地融合为一体，形成了一个极其方便，用户界面有好的操作环境。随着其自身版本的不断提高，MATLAB得到了各个领域专家学者的广泛关注，其强大的扩展功能可以

20、为各个领域的应用提供基础。目前，MATLAB已广泛应用于科学研究工程计算，仿真，自动控制等领域，是目前工程上流行最广泛的科学语言。数字频带系统的应用广泛，所以研究数字频带通信系统并用软件仿真，具有现实意义。我首先要复习频带传输调制解调的基本原理，同时也要复习通信系统的主要组成部分，了解调制解调方式中最基础的方法及数学原理。并对“通信”这个概念有个整体的理解，学习数字调制中误码率测试的标准及计算方法。同时还要复习随机信号中时域用自相关函数，频域用功率谱密度来描述平稳随机过程的特性等基础知识，来理解高斯信道中噪声的表示方法，以便在编程中使用。 在理解频带传输调制解调的基本原理后，使用MATLAB编

21、程实现频带信号在高斯信道下传输，以及该方式的误码率测试。复习MATLAB编程的基础知识，编程的常用算法以及使用MATLAB仿真系统的注意事项，并锻炼自己的编程能力，通过编程完成QPSK调制解调系统的仿真，以及误码率测试，并得出响应波形。本论文要针对数字频带传输的性能来进行研究，在分析数字频带传输基本原理的基础上，理论分析其传输系统的基本性能。通过使用MATLAB软件利用M程序得到比较符合实际情况的高斯噪声下QPSK传输的误码率曲线，QPSK和OQPSK信号经过带通后的波形和功率谱图，理论分析其传输性能。2.MATLAB简介MATLAB是Matrix Laboratory的缩写，是一款由美国Ma

22、th Works公司出品的商业数学软件。MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C+和FORTRAN）编写的程序。 尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（Toolbox）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。2.1 MATLAB的主要功能可用于技术计算的高级语言；可对代码、文件和数据进行管理的开发环境；可以按迭代的方式探查、设计及求解问题的交互式工具；可用

23、于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等的数学函数；可用于可视化数据的二维和三维图形函数；可用于构建自定义的图形用户界面的各种工具；可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成的各种函数。2.2 MATLAB的优势1.友好的工作平台和编程环境 MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商

24、业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。2.简单易用的程序语言 MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C

25、语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。3.强大的科学计算机数据处理能力 MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少

26、。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。4.出色的图形处理功能 MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了

27、很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。5.应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接

28、使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。6.实用的程序接口和发布平台 新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程

29、序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。7.应用软件开发（包括用户界面） 在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图

30、形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。2.3 MATLAB工具箱 MATLAB的一个重要特点是可扩展性。作为Simulink和其它所有Math Works产品的基础，MATLAB可以通过附加的工具箱（Toolbox）进行功能扩展，每一个工具箱就是实现特定功能的函数的集合。Math Works提供的工具箱分以下几大类：数学和优化；统计和数据分析；控制系统设计和分析；信号处理和通讯；图像处理；测试和测量；金融建模和分析；应用程序部署；数据库连接和报表；分布式计算；这些工具箱大多是用开放式的MATLAB语言写成，用户不但可以查看源代码，还可

31、以可根据自己的需要进行修改以及创建自定义函数。此外，常有用户在MATLAB Central：File Exchange发布自己编写的MATLAB程序或工具箱，供他人自由下载使用。2.4 MATLAB语言MATLAB语言是一种交互性的数学脚本语言，其语法与C/C+类似。它支持包括逻辑（logic）、数值（numeric）、文本（text）、函数柄（function handle）和异质数据容器（heterogeneous container）在内的15种数据类型，每一种类型都定义为矩阵或阵列的形式（0维至任意高维）。 执行MATLAB代码的最简单方式是在MATLAB程序的命令窗口（Command

32、 Window）的提示符处输入代码，MATLAB会即时返回操作结果（如果有的话）。此时, MATLAB可以看作是一个交互式的数学终端，简单来说，一个功能强大的“计算器”。MATLAB代码同样可以保存在一个以.m为后缀名的文本文件中，然后在命令窗口或其它函数中直接调用。3.通信系统在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。信息的交流主要依赖于计算机通信，而通信作为传输手段，与传感技术、计算机技术相互融合，已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大动力。为了适应时代的要求，新的一代移动通信技术应时而生，新的一代移动通信技术即人们称之第三代的核心特征是宽带寻址接入到固定网和众多不同

33、通信系统间的无隙缝漫游，获取多媒体通信业务。随着时代的进步、科技的创新、人们的生活要求的提高，移动通信技术更新换代速度相当惊人，差不多每隔十年移动通信技术就发生一次变革性换代，从上个世纪80年代的“大哥大”到现在的3G手机，其间发生了两次移动通信技术的变革，从1G的AMPS过渡到2G的GSM，从GSM到IMT-2000（即3G技术）。就我所知现代的移动通信技术有以下几方面的重要技术：1.宽带调制和多址技术无线高速数据传输不能一味仅靠频谱的扩展，应在频谱效率上至少高于目前一个数量级，可在物理层采用三项技术，即OFDM、UWB和空时调制编码。OFDM与其他编码方式的结合，灵活把OFDM与TDMA、

34、FDMA、CDMA、SDMA组合成多址技术。2.频谱利用率提升技术理论研究指出：在独立瑞利散射信道中，数据速率与天线数成线性关系，容量可达Shannon的90%。在发射和接收端以多天线开发信道空间可取得容量和频谱效率的增益。MIMO技术主要包括空间复用和空间分集技术，在独立信道上并发或连发相同信息来提高传输可靠性。3.软件无线电技术软件无线电技术是在硬件平台上通过软件编辑以一个终端实施不同系统中多种通信业务。它用数字信号处理语言描述电信元件，以软件程序下载成数字信号处理硬件。以具有通用开放无线结构，兼容多种模式在多种技术标准之间无缝切换。UWB也称为脉冲无线电，调制采用脉冲宽度在纳秒级的快速上

35、升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至吉赫兹，不需常规窄带调制所需的射频上变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。4.软件无线电技术软件无线电技术是在硬件平台上通过软件编辑以一个终端实施不同系统中多种通信业务。它用数字信号处理语言描述电信元件，以软件程序下载成数字信号处理硬件。以具有通用开放无线结构，兼容多种模式在多种技术标准之间无缝切换。在上述现代移动通信关键技术的基础上，产生了陆地蜂窝移动通信、卫星通信以及无线因特网通信技术，这些通信方式使通信面貌发生了巨大的变化，采用数字技术的现代无线通信已经渗入国民经济的各个领域和人们的日常生活，为此，我们需要关心它的发展趋势，希望它朝着越来越方便人们的生活

36、的方向发展，现在就让我们来看看现代移动通信的未来发展趋势吧。现代移动通信技术发展的七个新趋势:一、移动管理已从终端管理向个人管理和智能管理发展二、网络已从同步的数字电路向异步的数字分组和异步传递方式(ATM)发展;三、软件的开发已从算法驱动到面向过程和面向目标的趋势发展;四、信息处理已从话音发展到数据和图像;五、无线频谱的处理已从窄带模拟向窄带CDMA发展;六、计算机已从集中式处理发展到分布式服务器和智能化处理;在这种趋势的引导下，移动通信业务迅猛发展，它满足了人们在任何时间、任何地点与任何个人进行通信的愿望。移动通信是实现未来理想的个人通信服务的必由之路。在信息支撑技术、市场竞争和需求的共同

37、作用下，移动通信技术的发展更是突飞猛进，呈现出以下几大趋势：(1)网络业务数据化、分组化；(2)网络技术宽带化；(3)网络技术智能化；(4)更高的频段；(5)更有效利用频率；(6)各种网络趋于融合。了解、掌握这些趋势对移动通信运营商和设备制造商均具有重要的现实意义。图3-1简单的通信系统一般模型通信的目的是传输信息。消息具有不同的形式，例如：符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等。而传递消息的方式可以有很多种，根据其发展的先后我们可以分为电报、电话、传真、数据传输以及发展到现在的可视电话等。而从广义的角度看，广播、电视、雷达、导航、遥测等也可以列入通信的范畴。从表面上来看，通信就是将信

38、息从发送端发送出去，从接收端获取信息。但是，在通信模型构造上还是非常复杂的，图3-1是一个简单的通信系统模型。图3-1中，信源(信息源，也称发送端)的作用是把待传输的消息转换成原始信号，如电话系统中电话可看成是信源。信源输出的信号成为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应的，信源也分为数字信源和模拟信源。发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号(基带信号)变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移

39、的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、翻译、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始信号来。信宿(也称受信者或收终端)是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。在理论上，如何建立通信系统，通信系统有哪些分类，下面将简要介绍通信系统的相关知识点。图3-1给出的是通信系统的一般模型，下面将简介数

40、字基带通信系统和数字频带通信系统。4.数字信号的基带传输4.1数字基带传输系统信源信源编码器信道差错控制编码器数字调制器信道信宿信源译码器信道译码器数字解调器在数字通信系统中，信源是信息的来源，但信源输出的是消息(或符号)，以消息(或符号)的形式来表达所要传送的信息，一般，信源输出消息由传感器转换为电信号。信源编码则是对信源输出消息转换成的电信号用尽量低速率的二进制数字信号来表示，即对有剩余的消息进行少剩余的有效编码，又称信源编码器输出的二进制数字序列为信息序列。此信息序列经过信道差错控制编码器在二进制信息序列中引入剩余度，以提高信息传输的可靠性，然后将信道差错控制编码器输出的二进制序列再通过

41、数字调制器，将二进制序列映射为相应的信号波形在通信信道中传输，而通信信道则是物理媒介，将信号波形从发端传到收端，在收端进行反变换，从而将信息从信源送到信宿。图4-1 数字通信系统的组成数字通信系统的组成框图如图4-1所示。数字调制器有二进制及M禁止(M2)之分。二进制数字调制器是将二进制符号“0”映射为信号波形，将二进制符号“1”映射为信号波形。M进制数字调制器则是将每K个二进制符号映射为个不同信号波形。若此数字调制器是将数字序列映射为适合于基带信道传输的相应的脉冲波形，则称此数字调制器为数字脉冲调制器，也成此数字脉冲调制为基带调制。数字脉冲调制输出信号波形的功率谱是低通型的，所占频带是从直流

42、或低频开始，其带宽是有限的。称功率谱密度为低通型的数字信号为数字基带信号。若通信信道的传递函数是低通型的，则称此信道为基带信道，又称基带信道为低通信道，如同轴电缆和双绞线有线信道均属基带信道。基带信道适合于传送脉冲波形。将数字基带信号通过基带信道传输，则称此传输系统称为数字基带传输通信系统，如图4-2所示：图4-2 数字基带传输系统模型图4-2中基带信号形成器包括编码器、加密器、以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解码器等。在实际数字通信系统中，数字基带传输在应用上虽不如频带传输那么广泛，但仍有相当多的应用范围。此外，重要的是数字基带传输的基本理论不仅适用于基带传输，而且还适用于频带传

43、输，因此所有窄的带通信号、线性带通系统及线性带通系统对带通信号的响应均可用其等效低通信号、等效低通系统及等效低通系统对等效低通信号的响应来表示，因而频带传输系统可通过它的等效低通(或等效基带)传输系统的理论分析及计算机仿真来研究它的性能，因而掌握数字基带传输的基本理论十分重要，它在数字通信系统中具有普遍意义。4.2加性高斯白噪声AWGN加性高斯白噪声AWGN(Additive White Gaussian Noise) 是最基本的噪声与干扰模型。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声的功

44、率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。AWGN，在通信上指的是一种通道模型，此通道模型唯一的信号减损是来自于宽带的线性加成或是稳定谱密度（以每赫兹瓦特的带宽表示）与高斯分布振幅的白噪声。4.3升余弦滚降系统一类常用的无码间干扰基带传输系统为升余弦滚降系统，即： 式(4-1)称为滚降因子，取值为。在时，滤波器的带宽为，称为奈奎斯特带宽；时，滤波器的截止频率为；时，滤波器的截止频率为。升余弦滤波器的冲击响应表示式为： 式(4-2)设是标称值。对于，它允许的无码间干扰传输的最大符号速率，其频带利用率为。对于，允许的

45、无码间干扰传输的最大符号速率，其频带利用率为。利用MATLAB画出的升余弦滚降频谱，并画出其各自对应的时域波形。如：图4-3 升余弦滚降频谱及升余弦滚降波形图4-3中，红色线条是时的频谱和波形，绿色是时的频谱和波形，蓝色是时的频谱和波形。若, 的尾巴是随时间以衰减，所以在实际采样时刻与最佳采样时刻存在偏差，即具有定时误差时，它在实际采样点所引起的码间干扰比时的小。需指出，升余弦滤波器的严格限频特性，是物理不可实现的，然而由于升余弦滤波器频率特性的平滑性，使得有可能用物理可实现滤波器近似实现此频率特性，所以在实际的频带数字通信系统中广泛采用的升余弦滤波器。5.数字信号的频带传输5.1数字频带传输

46、系统数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特征，从而使数字通信具有许多特殊的问题。数字通信中存在以下突出问题：第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。这是通过所谓的差错控制编码来实现的。于是就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。第二，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行人为“扰乱”（加密），此时在接收端就必须进行解密。第三，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发送相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是

47、，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致。否则接收时消息的真正内容将无法修复。在数字通信系统中，称节拍一致位“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，故数字通信中还必须有“同步”这个重要问题。综上所述，点对点的数字通信模型一般可用图5-1表示。图5-1数字频带通信系统模型图5-1中调制器/解调器、加密器/解密器、编码器/译码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件和要求。但在一个系统中，如果发端有调制/加密/编码，则收端必须有解调/解密/译码。通常把有调制器/解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。在实际通信中，不少信道都不能直接传送基带信号，

48、必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，即对基带信号进行调制。调制即是按照调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。调制不仅可以对被调制信号进行频谱搬移和扩频，而且对系统的传输有效性和传输可靠性有很大的影响。因此，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。在传输脉冲时，传输系统会产生噪声，如果其幅度为反极性并超过脉冲的幅度，则产生误码。在以脉冲调制载波时，也有同样现象产生。但是，在一定的噪声情况下，根据对载波的调制方法和解调方法的不同，误码率也不同。一般，数字频带传输中，调制方式的选择往往是频带利用率、误比特率、(或S/N)和设备实现复杂性等因素综合考虑的结果，必须根据具体使用条

49、件进行比较才能做出判断。数字调制方式有三种：幅度键控、频移键控和相移键控。它们分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。当调制信号为二进制数字信号时，该调制称为二进制数字调制。而当调制信号为多进制数字信号时，则称为多进制数字调制。相移键控有很多方式，如PSK、DPSK、QPSK、OQPSK、pi/4-DPSK等。本设计重点对QPSK和OQPSK进行研究和仿真。5.2 四相移相键控（QPSK）5.2.1 QPSK信号的产生四相移相键控(QPSK)又名四进制移相键控，该信号的正弦载波有4个可能的离散相位状态，每个载波相位携带2个二进制符号，其信号表示式为： 式(5-1)为四进制符号间

50、隔，为正弦载波的相位，有4种可能状态。若，则为0、，此初始相位为0的QPSK的矢量图于图5-2（a）。若，则为、，此初始相位为的矢量图示于图5-2（b）。图5-2 QPSK信号矢量图下面，着重分析图5-2(a)的QPSK信号的产生及解调。将式(5-1写成： 式(5-2)若为、，则；。于是， 式(5-2可写成：； 式(5-3)根据 式(5-3可得到图所示的正交调制框图：图5-3产生QPSK信号的正交调制原理图从图5-3看出，信息速率为的二进制序列(取值为+1或-1)，串并变换后分成两路速率减半的二进制序列，得到基带信号波形I(t)及Q(t)，这两路码元在时间上是对齐的，称这两支路为同相支路及正交

51、支路，将它们分别对正交载波及进行2PSK调制，再将这两支路的2PSK信号相加即可得到QPSK信号。k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14n +1 +1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 -1 -1 +12n +1 +1 -1 -1 +1 -1 +12n-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1图5-4 QPSK串并变换及I(t)、Q(t)波形图从图5-3及图5-4看出，将二进制序列进行串并变换，其实质是完成二进制与四进制符号的变换，称并行支路所对应的每一对比特及为双比特码元，其符号间隔为四进制符号间隔（），每一组双比特码元与四进制符号之一相

52、对应，而每个四进制符号()又与QPSK信号的载波相位相对应，称QPSK的载波相位与它所携带的双比特码元之间的关系。用上述正交调制法所产生的QPSK的相位逻辑关系克通过表5-1作进一步解释。表5-1 QPSK信号载波相位与双比特码元的关系四进制码双比特码载波相位00 0（变换为+1，+1电平）11 0 （-1，+1）21 1 （-1，-1）30 1 （+1，-1）从表5-1看出，QPSK的载波相位与双比特码之间的关系正好符合格雷码的相位逻辑，即相邻四进制符号所对应的双比特码之间仅相差一个二进制信号。采用格雷码的相位逻辑的优点是：若QPSK信号在信道传输中受到加性噪声干扰，在噪声不太大时，接收到的

53、载波相位有可能接近相邻的载波相位，在解调时，会发生错判为相邻四进制符号的现象，在从四进制符号译为双比特二进制码时，若采用格雷码逻辑关系，则在两个比特符号中仅错一个比特符号，这样可减小误比特率，所以希望QPSK的相位逻辑符合格雷编码的关系。5.2.2 QPSK信号的平均功率谱密度由于QPSK信号时由两正交载波的2PSK线性叠加而成，所以QPSK信号的平均功率谱密度是同相支路及正交支路2PSK信号平均功率谱密度的线性叠加。2PSK信号的平均功率谱密度公式如式(5-4所示。 式(5-4) 式(5-5)假设QPSK与2PSK的信息速率及发送信号的平均功率均一致，则QPSK信号每个支路的2PSK信号的振

54、幅为，符号间隔，QPSK的总功率谱是两支路功率谱之和，于是，得到QPSK功率谱如式(5-5所示。根据式(5-4及式(5-5，画出了2PSK信号及QPSK信号的平均功率谱密度，如图5-5所示。图5-5表示在2PSK及QPSK的二进制信息速率相同时，QPSK信号的平均功率谱密度的主瓣宽度是2PSK平均功率谱主瓣宽度的一半。图5-5 在给定信息速率为条件下，2PSK及QPSK双边功率谱密度5.2.3 QPSK信号的接收及其平均误比特率（1）在加性高斯白噪声信道条件下QPSK最佳接收在加性高斯白噪声干扰的信道条件下，利用匹配滤波器或相关解调器进行QPSK的解调，图5-6为QPSK最佳接收框图。图5-6

55、 QPSK信号的最佳接收框图由于QPSK信号可看为同相及正交支路2PSK的叠加，所以在解调时可对两路信号分别进行2PSK的解调，然后进行并串变换，得到所传输的数据。计算QPSK解调的误比特率有两种方法：一是先计算误符率(平均错判四进制信号的概率)，然后再根据误符率计算从四进制符号译为二进制符号的误比特率；另一种计算方法是沿用2PSK匹配滤波器解调的误比特率计算公式。下面，采用第二种方法来进行计算。在加性高斯白噪声信道下，2PSK最佳接收的平均误比特率为： 式(5-6)对于QPSK而言，在QPSK与2PSK的输入二进制信息速率相同，二者的发送功率相同，加性噪声的单边功率谱密度相同的条件下，QPSK与2PSK的平均误比特率是相同的。在给定二进制信息速率的条件下，QPSK的同相支路及正交支路的四进制