《通信原理课程设计》-PSK信号的仿真.doc

西安欧亚学院信息工程学院课程设计 信息工程学院2014 / 2015学年第一学期课程设计报告课程名称： 通信原理课程设计 专业班级： 统本电信1201 学生学号： 12610405152126 12410911159017 学生姓名： 指导教师： 摘要8PSK(8 Phase Shift Keying，8移相键控)是八进制相移键控，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）。8PSK中的“PSK”表示使用移相键控方式，移相键控是调相的一种形式，用于表达一系列离散的状态，8PSK对应8种状态的PSK。如果是其一半的状态，即4种，则为QPSK，如果是其2倍的状态，则为16PSK。因为8PSK拥有8种状态，所以8PSK每个符号(symbol)可以编码3个比特(bits)。8PSK抗链路恶化的能力（抗噪能力）不如QPSK，但提供了更高的数据吞吐容量。本次课程设计过程中，利用了MATLAB7.1仿真实现了8PSK信号的调制与解调，并仿真8PSK载波调制信号在高斯白噪声信道下的误码率及误比特率性能，并用MATLAB仿真出了调制信号、载波信号及已调信号的波形图和频谱图。并在高斯白噪声下，讨论了8PSK误码率及误比特率性能。关键字：8PSK;载波的调制；解调; 一设计内容及要求（PSK信号的仿真）仿真8-PSK载波调制信号在AWGN信道下的误码率和误比特率性能，并与理论值相比较。假设符号周期为1s，载波频率为10Hz，每个符号周期内采样100个点。二 相关理论知识的论述分析2. 1.1、8PSK的概念相位调制（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）。8PSK中的PSK表示使用移相键控方式，移相键控是调相的一种形式，用于表达一系列离散的状态，8PSK对应8种状态的PSK。如果是其一半的状态，即4种，则为QPSK，如果是其2倍的状态，则为16PSK。因为8PSK拥有8种状态，所以8PSK每个符号(symbol)可以编码3个比特(bits)。8PSK抗链路恶化的能力（抗噪能力）不如QPSK，但提供了更高的数据吞吐容量。2. 1.2、 8PSK的特点(1)传输效率高。码元速率相同时，信息速率比二进制高。(2)抗衰落能力差。8PSK信号只宜在恒参信道(如有线信道)中使用。(3)在接收机输入平均信噪比相等的情况下，8PSK系统的误码率比2PSK系统要高。2.2.1 PSK的调制对于一个通信系统来说，相移键控(QPSK)是一个数字频率调制技术，用于发送数据通过同轴电缆网络。在数字通信的三种调制方式（ASK、FSK、PSK)中， 就频带利用率和抗噪声性能（或功率利用率）两个方面来看，理论上都是PSK系统最佳。所以PSK在中、高速数据传输中得到了广泛的应用。但是由于实际信道传输数字信号时，不可避免地会产生误码。因此我们需要借助于MATLAB这个工具模拟出这种在信号传送过程中加入噪声信号，并进行通信调制模拟出MATLAB图形，调制8PSK，从而获得较好的效果。 2.2.2、调制的概念调制（modulation)就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程，就是使载波随信号而改变的技术。一般来说，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制是通过改变高频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理和理解的过程。2.2.3、调制的种类调制的种类很多，分类方法也不一致。按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制(如对非相干光调制)等。调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。脉冲调制也可以按类似的方法分类。此外还有复合调制和多重调制等。不同的调制方式有不同的特点和性能。2.2.4、调制的作用调制在通信系统中有十分重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。2.2.5、调制方式在通信中，我们常常采用的调制方式有以下几种：1、模拟调制：用连续变化的信号去调制一个高频正弦波，主要有：a.幅度调制（调幅AM，双边带调制DSBSC，单边带调幅SSBSC，残留边带调制VSB以及独立边带ISB）；b、角度调制（调频FM，调相PM）两种。因为相位的变化率就是频率，所以调相波和调频波是密切相关的；2、数字调制：用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制，主要有：a.振幅键控ASK；b.频率键控FSK；c.相位键控PSK；3、脉冲调制：用脉冲序列作为载波，主要有：1.脉冲幅度调制（PAM：Pulse Amplitude Modulation）。2.脉宽调制（PDM：Pulse Duration Modulation）。3.脉位调制（PPM：Pulse Position Modulation）。三 系统原理框图及分析(8PSK的原理)信道形成滤波相位编码串并变换系统根据映射后的相位，计算出两路的数值，经过成形滤波，送入信道传输。在接收端，首先经过匹配滤波滤除带外噪声和干扰，然后经过抽样相位判决，相位解码，并串变换，恢复出原始的数据流。整个8PSK调制解调系统的基带仿真框图如下图8所示。输入数据匹配滤波并行编码相位解码抽样判决相位恢复数据流图7、8PSK的调制解调原理图由于8PSK存在相位模糊问题，因此可采用差分编码技术，将3位码组映射的相位值作为实际相位的增加量；在接收端，抽样判决后的相位值也须先经过相应的差分解码，恢复出原始相位值，之后再进行相位解码和并串换就可恢复出原始数据流。采用这样的带差分编码的8PSK（即D8PSK.）就可解决相位模糊的问题。四 完整的设计仿真过程clear allclose allnsymbol=10000; %每种信噪比下的发送符号数T=1; %符号周期fs=100; %每个符号的采样点数ts=1/fs; %采样时间间隔t=0:ts:T-ts; %时间向量fc=10; %载波频率c=sqrt(2/T)*exp(j*2*pi*fc*t); %载波信号figure(1),plot(t,c);c1=sqrt(2/T)*cos(2*pi*fc*t); %同相载波figure(2),plot(t,c1);c2=-sqrt(2/T)*sin(2*pi*fc*t); %正交载波 figure(3),plot(t,c2);M=8; %8-PSKgraycode=0 1 2 3 6 7 4 5; %Gray编码规则 EsN0=0:15; %信噪比，Es/N0snr1=10.(EsN0/10); %信噪比转换为线性值msg=randint(1,nsymbol,M); %消息数据msg1=graycode(msg+1); %Gray映射figure(4),plot(msg,msg1);msgmod=pskmod(msg1,M).; %基带8-PSK调制figure(5),scatterplot(msgmod);tx=real(msgmod*c); %载波调制tx1=reshape(tx.,1,length(msgmod)*length(c); figure(6),plot(tx1);spow=norm(tx1).2/nsymbol; %求每个符号的平均功率for indx=1:length(EsN0)sigma=sqrt(spow/(2*snr1(indx); %根据符号功率求噪声功率rx=tx1+sigma*randn(1,length(tx1); %加入高斯白噪声 rx1=reshape(rx,length(c),length(msgmod); r1=(c1*rx1)/length(c1); %相关运算 r2=(c2*rx1)/length(c2);r=r1+j*r2;y=pskdemod(r,M); %PSK解调 decmsg=graycode(y+1); err,ber(indx)=biterr(msg,decmsg,log2(M); %误比特率 err,ser(indx)=symerr(msg,decmsg); %误符号率endser1=2*qfunc(sqrt(2*snr1)*sin(pi/M); %理论误符号率ber1=1/log2(M)*ser1; %理论误比特率figure(7),semilogy(EsN0,ber,-ko,EsN0,ser,-k*,EsN0,ser1,EsN0,ber1,-k.);title(8-PSK载波调制信号在AWGN信道下的性能)xlabel(Es/N0);ylabel(误比特率和误符号率)legend(误比特率,误符号率,理论误符号率,理论误比特率)五仿真结果输出及结论fingure1载波信号2. fingure2同相载波3. fingure3正交载波4. fingure4Gray映射5. fingure5载波调制6. fingure6误比特率和误码率六仿真调试中出现的错误、原因及排除方法程序运行完之后虽然没有报错。但是结果图不出来，最后发现没有用输出函数Plot。最后仿真8-PSK载波调制信号在AWGN信道下的误码率和误比特率。然而正向载波和正交载波正弦波，gray映射，载波调制在输出时第一次使用plot函数失败了。后来在同学的指导下用figure函数一举成功。总之还得多学多练。七总结本次设计，指出设计的核心及应用价值，提出改进意见和展望通过本次设计，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，顺利的完成了本次计算机通信的课程设计，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8PSK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。八收获、体会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8PSK通信系统的MATLAB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MATLAB仿真并且绘制相关的图形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。完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了通信原理的知识及一门专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及分析问题能力。更多的是让我看清了自己，明白了凡事需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。九参考文献1 现代通信原理，曹志刚等编，清华大学出版社，20082 程佩青.数字信号处理教程.清华大学出版社3 刘卫国.MATLAB程序设计教程.中国水利水电出版社4 桑林，郝建军，刘丹，数字通信.