PSK系统设计与仿真

1、 课程设计报告课程设计题目：  PSK系统设计与仿真 学 号：123学生姓名：陈专 业：通信工程班 级：1221指导教师：涂老师 2015年 1 月 12 日 目录  一  引言 1.1 课程设计目的 . 3 1.2 课程设计要求 .3 1.3 课程设计注意事项.3二 PSK信号调制解调模型的建立及分析 2.1  PSK信号解调模型的建立. 4  2.2   PSK信号解调模型的建立. 4  2.3 PSK调制过程分析. 5  2.4 PSK解调

2、过程分析. 7 三  高斯白噪声对系统影响分析. . . 10 四 PSK调制系统的抗噪声性能分析 . 12 五 PSK系统的仿真.13六 实验总结 .17. 一 引 言 本课程设计用于实现PSK系统设计与仿真,移动通信的迅速发展，离不开很多关键技术的支持与应用，数字调制在通信领域中就发挥着重大的作用,为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性匹配.由于PSK在生活中有着广泛的应用，本课题主要介绍了PSK波形的产生和仿真过程.1.1、课程设计目的本课程设计是实现PSK系

3、统仿真。在此次课程设计中，我将通过多方搜集资料与分析，来理解PSK系统仿真的具体过程和它在MATLAB中的实现方法。预期通过这个阶段的研习，更清晰地认识PSK系统仿真原理，同时加深对MATLAB这款通信仿真软件操作的熟练度，并在使用中去感受MATLAB的应用方式与特色。利用自主的设计过程来锻炼自己独立思考，分析和解决问题的能力，为我今后的自主学习研究提供具有实用性的经验1.2、课程设计要求 （1）熟悉MATLAB中M文件的使用方法，掌握PSK系统仿真原理，以此为基础用M文件编程实现PSK系统仿真。 （2）绘制出PSK系统仿真在时域和频域中的波形，观察两者在解调前后的变化，通过对分析结果来加强对

4、PSK系统仿真原理的理解。 （3）对信号分别叠加大小不同的噪声后再进行解调，绘制出解调前后信号的时域和频域波形，比较未叠加噪声时和分别叠加大小噪声时解调信号的波形有何区别，由所得结果来分析噪声对信号解调造成的影响。 （4）在老师的指导下，独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计论文，文中能正确阐述和分析设计和实验结果。1.3、课程设计注意事项 (1)所有的仿真用MATLAB或VC程序实现（如用MATLAB则只能用代码的形式，不能用SIMULINK实现）(2) 系统经过的信道都假设为高斯白噪声信道。 （3）模拟调制要求用程序画出调制信号，载波，已调信号、解调信号的波形，数字调制要求画出误

5、码率随信噪比的变化曲线。 二 PSK信号调制解调模型的建立2.1、PSK信号调制模型的建立相移键控（PSK）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的一种数字信号传递方法。PSK的调制原理框图如下图所示，与ASK信号的产生方法比较，只是对s的要求不同，在ASK中s是单极性的，而在PSK中S是双极性的基带信号。 码型变换乘法器 双极性不归零 图1 模拟调制方法 开关电路相移 0 图2 键控法 2.2、PSK信号解调模型的建立信号的解调通常采用相干解调法，解调器原理框图如下图。在相干解调中，怎样得到与接收的信号同频同相的相干载波是一个关键的问题。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器

6、 定时脉冲 图3 PSK信号的解调原理框图2.3、PSK调制过程分析 根据PSK调制的定义，设初始相位和分别表示二进制“1”和“0”。因此，PSK信号的时域表达式为，其中，表示第个符号的绝对相位： 因此，可得到下式典型波形如下图所示 图4 PSK信号的时间波形由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即其中，这里，g(t)是脉宽为TS的单个矩形脉冲，而an的统计特性为即发送二进制符号“0”时（an取+1），取0相位；发送二进制符号“1”时（ an取 -1），取p相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称

7、为二进制绝对相移方式，且其带宽为基带信号的两倍。调制过程产生的代码和波形如下clear all; close all;clf; %清除窗口中的图形max=20 %定义max长度g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%长度为max的随机二进制序列cp=;mod1=;f=2*2*pi;t=0:2*pi/199:2*pi;for n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,200);%每个值200个点 else g(n)=1; A=ones(1,200); end cp=cp A; %s(t),码元宽度200 c=cos(f*t);%载波信号 m

8、od1=mod1 c;%与s(t)等长的载波信号,变为矩阵形式endfigure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);grid on;axis(0 200*length(g) -2 2);title('随机二进制信号序列');cm=;mod=;for n=1:length(g); if g(n)=0; B=ones(1,200);%每个值200个点 c=cos(f*t); %载波信号 else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %载波信号 end cm=cm B; %s(t),码元宽度200 mod=mod c; %与

9、s(t)等长的载波信号endtiaoz=cm.*mod;%e(t)调制figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 200*length(g) -2 2);title('2PSK调制信号');figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(cp);axis(0 200*length(g) 0 400);title('原始信号频谱');figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 200*length(g) 0 400);

10、title('2PSK信号频谱');运行结果： 图5 二进制、信号波形和频谱图2.4、PSK解调过程分析根据调制的原理框图 图6 信号的解调原理框图带通滤波器的意义是让有用信号（已调信号）通过，滤除一部分噪声，所以有用信号在处得到信号为假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。所以得到下式通过低通滤波器后最后通过抽样判决器恢复出数字信号。 但是，由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变

11、为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为 方式的“倒”现象或“反相工作”。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。2PSK信号相干解调各点时间波形如下图所示： 图7 2PSK信号相干解调时各点时间波形为了更直观的了解解调过程，我用绘出解调过程的相关波形，代码和波形如下：clear all; close all;clf; %清除窗口中的图形max=20 %定义max长度g=zeros(1,max);g=randint(1,max); %长度为max的随机二

12、进制序列cp=;mod1=;f=2*2*pi;t=0:2*pi/199:2*pi;for n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,200); %每个值200个点 else g(n)=1; A=ones(1,200); end cp=cp A; %s(t),码元宽度200 c=cos(f*t); %载波信号 mod1=mod1 c; %与s(t)等长的载波信号,变为矩阵形式end%figure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);grid on;%axis(0 200*length(g) -2 2);title('随机二进制信号序列

13、9;);cm=;mod=;for n=1:length(g); if g(n)=0; B=ones(1,200); %每个值200个点 c=cos(f*t); %载波信号 else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %载波信号 end cm=cm B; %s(t),码元宽度200 mod=mod c; %与s(t)等长的载波信号endtiaoz=cm.*mod; %e(t)调制tz=awgn(tiaoz,10); %信号调制中加入白噪声，信噪比为10jiet=2*mod1.*tz; %同步解调figure(1);subplot(3,2,1);plot(

14、jiet);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title('相乘后信号波形')figure(1);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(jiet);axis(0 200*length(g) 0 400);title('相乘后信号频谱');%低通滤波器fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%计算归一化角频率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%计算阶数和截止频率b,a=butter(n,wn);%计算H(z）jt=

15、filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,3);plot(jt);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title('经低通滤波器后信号波形')figure(1);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(jt);axis(0 200*length(g) 0 400);title('经低通滤波器后信号频谱');%抽样判决for m=1:200*length(g); if jt(m)<0; jt(m)=1; else jt(m)>=0; jt(m)=0; endendfig

16、ure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title('经抽样判决后信号波形')figure(1);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt);axis(0 200*length(g) 0 400);title('经抽样判决后信号频谱');运行结果： 图8 解调相关波形三 高斯白噪声对系统影响分析 当信号经过信道传输时会受到噪声的影响，这是不可避免的。而通信系统中常见的热噪声近似为高斯白噪声，且符合加性。根据设计要求考虑不同信噪比的高斯白噪声对系统的影响。

17、为了清晰地对比出噪声对系统的影响，我将分别以不同信噪比作用于系统，再分让它们通过带通滤波器，并观察加入噪声后的信号受到了什么影响。在此过程中，我用函数来添加噪声，此函数功能为向信号中添加噪声功率为其方差的高斯白噪声。根据加性噪声的特性，对信号而言不同大小的噪声加入信道后，直接反应到波形上，波形图如下 图9.1 PSK信号调制 图9.2 傅里叶频域分析 图9.3 加噪信号波形 四 PSK调制系统的抗噪声性能分析 2PSK相干解调方式又称为极性比较法，其性能分析模型如下图所示图10 2PSK信号相干解调系统性能分析模型设接收端带通滤波器输出波形为经过相干解调后，送入抽样判决器的输入波形为由于是均值

18、为0，方差为的高斯噪声，所以的一维概率密度函数为由最佳判决门限分析可知，在发送“1”符号和发送“0”符号概率相等时，最佳判决门限b* = 0。此时，发“1”而错判为“0”的概率为同理，发送“0”而错判为“1”的概率为 故2PSK信号相干解调时系统的总误码率为在大信噪比条件下，上式可近似为 五 PSK系统的仿真clear all; close all;clf; %清除窗口中的图形max=50 %定义max长度g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%长度为max的随机二进制序列cp=;mod1=;f=2*2*pi;t=0:2*pi/199:2*pi;for n=1:len

19、gth(g); if g(n)=0; A=zeros(1,200);%每个值200个点 else g(n)=1; A=ones(1,200); end cp=cp A; %s(t),码元宽度200 c=cos(f*t);%载波信号 mod1=mod1 c;%与s(t)等长的载波信号,变为矩阵形式endfigure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);grid on;axis(0 20*length(g) -2 2);title('随机二进制信号序列');cm=;mod=;for n=1:length(g); if g(n)=0; B=ones(1,200);%

20、每个值200个点 c=cos(f*t); %载波信号 else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %载波信号 end cm=cm B; %s(t),码元宽度200 mod=mod c; %与s(t)等长的载波信号endtiaoz=cm.*mod;%e(t)调制figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 20*length(g) -2 2);title('2PSK调制信号');figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(cp);axis(0 20*

21、length(g) 0 400);title('原始信号频谱');figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 20*length(g) 0 400);title('2PSK信号频谱');%带有高斯白噪声的信道tz=awgn(tiaoz,10);%信号调制中加入白噪声，信噪比为10figure(1);subplot(3,2,3);plot(tz);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title('通过高斯白噪声信道后的2PSK信号');figure(2);su

22、bplot(3,2,3);plot(abs(fft(tz);axis(0 20*length(g) 0 400);title('加入白噪声的2PSK信号频谱');jiet=2*mod1.*tz;%同步解调figure(1);subplot(3,2,4);plot(jiet);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title('相乘后信号波形')figure(2);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(jiet);axis(0 20*length(g) 0 400);title('相乘后信号频谱');%

23、低通滤波器fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%计算归一化角频率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%计算阶数和截止频率b,a=butter(n,wn);%计算H(z）jt=filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title('经低通滤波器后信号波形')figure(2);subplot(3,2,5);plot(abs(fft(jt);axis(0 2

24、0*length(g) 0 400);title('经低通滤波器后信号频谱');%抽样判决for m=1:200*length(g); if jt(m)<0; jt(m)=1; else jt(m)>=0; jt(m)=0; endendfigure(1);subplot(3,2,6);plot(jt);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title('经抽样判决后信号波形')figure(2);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt);axis(0 20*length(g) 0 400);titl

25、e('经抽样判决后信号频谱');%误码率随信噪比的变化曲线snr = 0 : 2: 20;%信噪比范围len_snr = length(snr);for i = 1:len_snrSNR_eb = exp(snr(i)*log(10)/10);theo_err_prb(i) = (1/2)*erfc(sqrt(SNR_eb);%PSK系统的误码率与信噪比的关系endfigure(3);semilogy(snr,theo_err_prb,'ko-');grid on;title('误码率随信噪比的变化曲线');仿真结果： 六 心得体会一个礼拜的时间

26、，需要完成通信原理的课程设计，还需要完成相关课程的复习。时间紧迫，任务重。但越是在这样的情况下，越是让人有动力。经过这一周的通信原理实验课的学习，付出多，收获更多。期间，我也发现了自己存在的很多问题。我的探索方式还有待改善，当面对一些复杂的实验时我还不能很快很好的完成；我的数据处理能力还得提高，当眼前摆着一大堆复杂数据时我处理的方式及能力还不足，不能用最佳的处理手段使实验误差减小到最小。 在经过这一周整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，为自己后期考研打下坚实的基础。 通过这次课程设

27、计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 在这次课程设计过程中，体现出自己单独设计实验的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、收获自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。同时也要感谢涂老师和其他同学，是他们在我困惑是一直给予我帮助和指导。此外，在实验课上学到的，我将发挥到其他中去，也将在今后的学习和工作中不断提高、完善；在此间发现的不足，我将努力改善，通过学习、实践等方式不断提高，克服那些不应成为学习、获得知识的障碍。在今后的学习、工作中有更大的收获，在不断地探索中、在无私的学习、奉献中实现自己的人生价值！为自己，为社会贡献一份力量！参考文献1樊昌信        通信原理