基于MATLAB的BPSK调制仿真及性能分析

******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2015年春季学期通信系统仿真训练课程设计题目：基于MATLAB的BPSK调制仿真及性能分析专业班级：姓名：学号：指导教师：成绩：⑻ 图1.4.5BPSK信号的波形示例1.5BPSK的解调BPSK信号的解调方法是相干解调法。由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息采用相干解调法来解调信号。给出了一种2PSK信号相干接收设备的原理框图。图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，再进行抽样判决，判决器是按极性进行判决，得到最终的二进制信息。具体波形如下图：图1.5BPSK各点时间波形1.6高斯噪声1.6.1高斯白噪声高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。热噪声和散粒噪声是高斯白噪声。所谓高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。这是考查一个信号的两个不同方面的问题。

二、设计思路2.1系统总体设计2.1.1总体的系统设计方案如图2.1.1所示：产生数字基带信号产生数字基带信号BPSK调制加入高斯白噪声BPSK解调计算误码率图2.1.1系统方案图BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)是二进制相移键控，它是一种相位调制算法。相位调制（调相）是频率调制（调频）的一种演变，载波的相位被调整用于把数字信息的比特编码到每一词相位改变（相移）。数字带通传输中一般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，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控分别可以获得振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。就总体而言，信道应看作一个线性系统，满足线性叠加原理。信号在信道中传输，存在衰耗和时延，信道中总是存在噪声，信号在实际信道中传输，将会产生失真，任何信道都有一定的频率带宽，信道不可能传送功率无限大的信号。

三、设计仿真及分析3.1设计仿真3.1.1仿真框图在发送端，通过随机函数随即产生十比特二进制比特序列。然后把这十比特序列在频率fc=4000HZ的载波上进行传输，并且采样频率fs=8000HZ。经过调制后，调制信号就可以在信道上传输。但是在实际的信道中传输时，会叠加很多噪声，因此，程序模拟在实际信道上传输，产生噪声，叠加到已调信号上。在接收端，通过相干解调的方法，把接收到的叠加有噪声的信号进行解调，但是解调后的信号还不是最先发送的二进制比特流，需要对解调得到的信号进行抽样判决，才能得到发送的二进制比特流，即发送信号。软件的仿真流程图如图3.1.1所示。信道产生随机基带信号调制解调抽样判决信道产生随机基带信号调制解调抽样判决码元再生高斯白噪声3.1.2仿真结果及分析基带信号、BPSK调制信号以及载波信号幅值:图3.1.2基带、载波、调制信号幅值图加入加性高斯白噪声后的BPSK信号如下图所示：图3.1.3加入加性高斯白噪声后的BPSK信号由上图可知信号在加入高斯白噪声时，信号质量明显变差，会造成信号判决时误码率急剧增加，而信道的噪声功率固定不变，因此在传输信号时，应增加信号功率，来提高信息的传输效率。解调以后出来的波形如图3..1.4所示：图3.1.4加躁后解调信号经过低通滤波器信号波形：

图3.1.5与恢复载波相乘后的信号蒙特卡洛分析实际误码率及理论误码率仿真图如下图所示：图3.1.6蒙特卡洛分析误码率图码元为10000个的时候，蒙特卡洛仿真统计图如图5.6，从上图可以看出实际误码率要比理论误码率大得多，是由于理论误码率考虑到的影响因素仅仅是主要因素，而各种外界干扰及温度等都没有考虑。当信噪比为6db的时候仿真结果和实际结果有较大误差。3.2结果总体分析BPSK调制解调系统的抗噪声能力较强。但是，在操作中发现Matlab仿真系统运行时响应时间很长，需要计算机运行很长时间才能完成仿真运算过程。经过小组成员的分析，我们认为，除了算法导致了系统运算量大以外，BPSK系统本身的信号传输效率也不高，这也印证了通信原理教材中提到的BPSK系统的特点，即抗噪声干扰能力强，但数据传输效率低下。信道噪声对系统性能的主要影响是在接收信号中引入了比特差错。在二进制系统中,比特差错率表现为将符号1误认为0,或将符号0误认为符号1。很明显比特差错的频率越高,接收机的输出信号与原始信息之间的差异就越大。在存在信道噪声的情况下,可以用平均符号差错概率来衡量二进制信息传输的逼真度。平均符号差错概率的定义为,接收机输出的重构符号与所传输的二进制不相同的平均概率。在原始二进制波形中的所有比特均具有相同重要性的条件下,平均符号差错概率又称为误比特率(BER)。但是,在重构原始消息信号的模拟波形时,不同的符号差错可能需要区别对待。例如码字(表示消息信号的量化抽样值)中重要的比特发生的错误要比不重要的比特发生的错误有害得多。

总结通过本次设计，让我能够将课本的知识与实践相结合起来，更全面的了解书本的知识，此外，课程设计仅靠课本知识是远远不够的，通过仿真实践补充了大量的课外知识。同时对BPSK调制解调的工作原理有了更加深刻的理解，在设计之前，通过图书馆、上网浏览并收集了很多的相关材料，但当进行设计时，却也遇到了很多的问题，让我体会到了设计的要求在于系统性、可行性、准确性，很多问题的出现给我们的设计带来了难度，也同时是一次巨大的挑战，最终，在老师和同学的帮助下，克服了种种困难，顺利的完成了本次通信系统仿真训练的课程设计，在此，首先要感谢学校安排此次课程设计，让我有机会对本次课程设计能够深入了解和设计，再次感谢老师细心地指导，还有同组同学的相互沟通和帮助，使我完成了本次通信系统仿真课程设计，让我学到了许多课本里学不到的知识。在课程设计过程中查阅了大量的有关BPSK调制解调设计的书籍，巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本里没学过的知识。通信原理是通信专业的一门主干技术基础课，通过该门课程的学习，使我们掌握确定信号调制解调原理的特性，信号的传输的特性，确定信号的发送与接收的基本方法以及某些典型系统引出的一些重要的基本概念。本设计要求采用Matlab实现对BPSK通信系统的蒙特卡罗仿真并且绘制相关的图形，此题比较难做涉及到的方面很多，对BPSK及蒙特卡罗仿算法很不了解查阅了很多资料然而涉及的有较少，但查资料当中学到了很多不知道的东西，加深了对PSK的了解。完成这次课程设计让我收获颇多，不但进一步掌握了通信原理这一核心课程的知识及一门专业仿真软件的基本操作，而且还提高了自己的设计能力及分析问题能力。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，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，才能真正做到学以致用。

参考文献[1]曹志刚等编，现代通信原理[M]，清华大学出版社，2008[2]程佩青.数字信号处理教程[M].清华大学出版社[3]刘卫国.MATLAB程序设计教程[M].中国水利水电出版社[4]桑林，郝建军，刘丹，数字通信[M].北京邮电大学出版社，2002[5]苗云长等主编，现代通信原理及应用[M]。电子工业出版社，2005[6]吴伟铃，庞沁华，通信原理[M]，北京邮电大学出版社，2005[7]张圣勤，MATLAB7.0实用教程[M]，机器工业出版社，2006[8]邵玉斌，Matlab/Simulink通信原理建模与仿真实例分析[M]，清华大学出版社，2008[9]樊昌信，通信原理(第6版)[M].北京:国防工业出版社.2001．

致谢通过本次计算机通信课程设计，让我在除了课本的知识之外的知识有了更好的理解，对8PSK调制解调的工作原理有了更好的理解，在设计之前，收集了很多的材料，但当真正深入设计时，却也遇到了诸多的问题，让我体会到了设计的要求在于系统性，可行性，准确性，诸多问题的出现给我们的设计带来了难度，也同时是更大的一次挑战，最终，在老师以及同学的帮助下，克服了种种困难，顺利的完成了本次通信仿真训练的课程设计，在此，首先要感谢学校安排此次课程设计，让我有机会对本次课程设计能够深入理解和设计，再次感谢老师的细心指导和改正，还有同组同学的相互团结和帮助，使我完成了本次计算机通信课程设计，使我在求学的道路上有了更多方面知识的获得。设计过程中查阅了大量的有关PSK调制解调设计的书籍，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。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，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。再次感谢学校，感谢老师，感谢同学。附录clearallcloseallclcnum=10;%码元个数tnum=200;%码元长度N=num*tnum;%10个码元整体长度a=randint(1,num,2);%产生1行num列的矩阵，矩阵内0和1随机出现fc=0.25;%载波频率为0.5t=0:0.05:9.99;%t从0到9.99，间隔为0.05s=[];c=[];fori=1:num%i从1到10循环if(a(i)==0)A=zeros(1,tnum);%i=0时，产生一个码元长度为tnum（200）的0码元elseA=ones(1,tnum);%i=1时，产生一个码元长度为tnum（200）的1码元ends=[sA];%s为随机基带信号cs=sin(2*pi*fc*t);c=[ccs];%c为载波信号end%采用模拟调制方法得到调制信号s_NRZ=[];fori=1:num%i从1到num（10）循环if(a(i)==0)A=ones(1,tnum);%i=0时，产生一个码元长度为tnum（200）的1码元elseA=-1*ones(1,tnum);%i非0时，产生一个码元长度为tnum（200）的-1码元ends_NRZ=[s_NRZ,A];%s_NRZ为双极性非归零码ende=s_NRZ.*c;%e为BPSK调制信号figure(1);%图1subplot(3,2,1);%图1分为3×2部分的第一部分plot(s);%作s（基带信号）的波形图gridon;axis([0N-22]);%横轴长度为0到N，纵轴范围为-2到+2xlabel('基带信号s(t)');%x轴的注释ylabel('基带信号幅值');%y轴的注释subplot(323);plot(c);gridon;axis([0N-22]);xlabel('BPSK载波信号');ylabel('BPSK载波信号幅值');%作c（BPSK载波信号）的波形图subplot(325);plot(e);gridon;axis([0N-22]);xlabel('BPSK调制信号');ylabel('BPSK调制信号幅值');%作e（BPSK调制信号）的波形图%信号的频谱Fs=200;%采样频率n=length(s);%基带信号长度f=[0:Fs/n:Fs-Fs/n]-Fs/2;%修正频率f的范围S=fft(s);%基带信号s的快速傅里叶变换E=fft(e);%基带信号e的快速傅里叶变换C=fft(c);%基带信号c的快速傅里叶变换subplot(322);plot(f,abs(fftshift(S)));%基带信号的频谱title('基带信号频谱');xlabel('f/hz');ylabel('S(w)');gridon;subplot(324);plot(f,abs(fftshift(C)));%载波信号的频谱title('载波信号频谱');xlabel('f/hz');ylabel('C(w)');gridon;subplot(326);plot(f,abs(fftshift(E)));%调制信号的频谱title('调制信号频谱');xlabel('f/hz');ylabel('E(w)');gridon;%加高斯噪声am=0.7;%输入信号经信道后振幅由1衰减为0.7SNR=5;%输入信噪比snr=10^(SNR/10);N0=(am*am)/2/snr;%计算噪声功率N0_db=10*log10(N0);%将噪声功率转换为dBWni=wgn(1,N,N0_db);%产生1行N列的高斯噪声yi=e+ni;%BSK已调信号中加入白噪声，输入信噪比为SNRfigure(2);subplot(2,1,1);plot(yi);gridon;xlabel('加入高斯白噪声的已调信号yi(t)');%带通滤波器[b1,a1]=BUTTER(3,[2*pi*0.0001,2*pi*0.01]);%计算带通滤波器的H(z)系数y=filter(b1,a1,yi);%对信号yi进行滤波，得到信号yfigure(2);subplot(2,1,2);plot(y);gridon;xlabel('经带通滤波器后信号');%与恢复载波相乘x1=2*c.*y;figure(3);subplot(2,1,1);plot(x1);gridonxlabel('与恢复载波相乘后的信号x1(t)');%低通滤波器[b2,a2]=butter(2,0.005);%计算H(z)系数，频率为(1/200)x=filter(b2,a2,x1);%对信号x1滤波，得到信号xfigure(3);subplot(2,1,2);plot(x);gridonaxis([0N-22]);xlabel('经低通滤波器后信号波形')%抽样判决x=fun_panjue(x);%调用函数，进行抽样判决figure(4);subplot(2,1,1);plot(x);gridon;xlabel('加噪后解调信号x(t)');axis([0N-22]);%消除延迟x=fun_yanc(x);%调用函数，进行消除延迟figure(4);subplot(2,1,2);plot(x);gridon;xlabel('加噪后去掉延迟的解调信号x(t)');axis([0N-22]);%误码率计算Err1=length(find(x~=s))%计算解调信号中错误码元个数Pe_test1=Err1/N%计算实际误码率Pe1=(1/2)*erfc(sqrt(snr))%计算系统理论误码率%理论误码率曲线Pe=[];forSNR=1:10am=0.7;%输入信号经信道后振幅由1衰减为0.7E=am*am/2;snr=10^(SNR/10);N0=(am*am)/(2*snr);no=N0/(2*200);%计算噪声功率N0_db=10*log10(N0);%将噪声功率转换为dBWni=wgn(1,N,N0_db);%产生1行N列的高斯噪声yi=e+ni;%BSK已调信号中加入白噪声，输入信噪比为SNRy=filter(b1,a1,yi);%对yi进行滤波(带通滤波器)，得到信号yx1=2*c.*y;%与恢复载波相乘xx=filter(b2,a2,x1);%经低通滤波器滤波xx=fun_panjue(xx);%抽样判决xx=fun_yanc(xx);%消除