通信系统设计与仿真实践.docx

通信系统设计与仿真实践课程设计实验报告 课题名称： 方形QPSK和三角形4PSK性能对比 专业班级： 通信工程某某班 姓 名： 黄某某、周某 学 号： 1090220*、1090220* 起止时间： 2012.6.11-2012.6.20 浙江科技学院信息与电子工程学院目 录一、课题内容.1二、设计目的.1三、设计要求.1四、实验条件.2五、通信系统原理.21、模拟通信系统基本原理.22、数字通信系统基本原理.33、模拟通信系统与数字通信系统的比较.44、所设计子系统原理.4六、QPSK的基本原理51、四相绝对移相键控（QPSK）的调制基本理论52、四相绝对移相键控（QPSK）的调制基本方法6七、详细设计与编码.81、编程工具的选择.82、系统设计方案实现框图83、编码与调试过程.84、运行结果及分析.15八、设计心得.18九、参考文献.20- 20 -一 课题内容基于MATLAB仿真方形QPSK和三角形4PSK，并对比二者的性能。主要功能：1、能对方形QPSK和三角形4PSK性能进行对比，验证方形QPSK性能优于三角形4PSK；2、能够画出输入数据与输出数据的星座图；3、能在不同信噪比信道下，对信号进行误码分析。二 设计目的1、综合应用Matlab原理及应用、信号与系统、通信原理、无线通信等多门课程知识，使学生建立通信系统的整体概念；2、培养学生系统设计与系统开发的思想；3、培养学生利用软件进行通信仿真的能力。三 设计要求1、每2人一组，组内成员进行各自分工，分别完成不同子系统的详细功能；2、对通信系统有整体的较深入的理解，深入理解自己仿真部分的原理的基础，画出对应的通信子系统的原理框图；3、提出仿真方案；4、完成仿真软件的编制；5、仿真软件的演示；6、提交详细的设计报告。四 实验条件计算机、Matlab软件五 通信系统原理1. 模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源图1 模拟通信系统信息源：消息的生成者或来源；发送设备：将信源输出的信号变为适合信道传输的发射信号，且发送信号包含了原始信号的一切信息；信道：传输信号的通道，可以是有线的，也可以是无线的；噪声源：在信道中传输，噪声是绝不可避免的，噪声又可为加性噪声（线性的噪声）和乘性噪声（非线性的噪声），一般我们只考虑加性噪声；接收设备：从接收信号中提取我们所希望的信号，并将其转换成适合输出传感器的形式；受信者：消息接收者。在通信系统中，按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号和数字信号，再按照信道中传输信号的特征，来分为模拟通信系统和数字通信系统。2. 数字通信系统模型信息源信道编码器基带脉冲生成器数字调制器信道数字解调器采样判决器信道译码器信源译码器受信者噪声源信源编码器图2 数字通信系统信源编码/译码：主要完成A/D变换、数据压缩、加密等三部分功能；信道编码/译码：数据扩张，增加保镖，提高抗干扰能力等；基带脉冲生成器/抽样判决器：数字基带传输系统的重要部分；数字调制器/解调器： (1) 将数字基带信号的频谱搬移到信道的频带之内，以便于在信道中传输；(2) 便于对信道进行频分复用，从而有效地利用信道的频率资源。数字解调是数字调制的反过程。3. 模拟通信系统与数字通信系统的比较模拟通信系统和数字通信系统各有自己的一些特点，但相对于模拟通信系统，数字通信系统有许多独特的优点，例如：数字通信系统抗噪能力强、便于加密、易复用也易压缩、易于集成化、便于用计算机处理数字信号、更适合多种数字业务，容易实现多网合一等。相应地，数字通信系统也有自己的缺点：它需要更宽的传输带宽和较复杂的同步系统等。4. 所设计子系统的原理我所设计的子系统是模拟通信系统，模拟通信系统的主要内容是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。调制可以分为三类，即调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM），其中调幅又分为普通调幅（AM）、抑制载波的双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）。图3 所设计子系统基带信号：（1）基带信号是由消息转化而来的原始模拟信号，它的频谱一般从零频附近开始，如语音信号为3003400Hz；（2）在实际通信系统中，基带信号一般含直流和低频成分，不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换，完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。已调信号：它有三个基本特征，即（1）携带有信息；（2）适合在信道中传输；（3）信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称带通信号或频带信号。模拟通信的主要特点：l 简单、易于实现l 抗干扰能力差l 不易于保密通信l 设备不易于大规模集成l 不适应飞速发展的计算机通信的要求六 QPSK的基本原理1. 四相绝对移相键控（QPSK）的调制基本理论四相绝对移相键控利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷码（即反射码）排列的，它与载波相位的关系如表1所列。表1 双比特码元与载波相位的关系双比特码元载波相位abA方式B方式0004501901351118022510270315由于四相绝对移相调制可以看作两个正交的二相绝对移相调制的合成，故两者的功率谱密度分布规律相同。2. 四相绝对移相键控（QPSK）的调制基本方法下面我们来讨论QPSK信号的产生与解调。QPSK信号的产生方法与2PSK信号一样，也可以分为调相法和相位选择法。(1) 调相法用调相法产生QPSK信号的组成方框图如下所示。图4 QPSK信号的组成方框图 设两个序列中的二进制数字分别为a和b，每一对ab称为一个双比特码元。并设经过串并变换后上支路为a,下支路为b。双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制。图5 QPSK信号相位编码星座图表2 QPSK信号相位编码逻辑关系a1001b1100A路平衡调制器输出01801800B路平衡调制器输出2702709090合成相位31522513545(2) 相位选择法用相位选择法产生QPSK信号的组成方框图如下所示。 图6 相位选择法产生QPSK信号方框图七 详细设计与编码1. 编程工具的选择 本仿真所用的工具软件是MATLAB7.0。该软件的功能强大，最擅长矩阵处理，并在系统仿真、数字信号处理、图形图像分析、数理统计、通信及自动控制领域得到广泛应用，特别是MATLAB中Simulink在通信上的应用，它可以用来仿真完整的通信系统，同时MATLAB内部有许多与通信有关的函数，这样程序编写方便，也便于观察波形特征。2. 系统设计方案实现框图图7 系统设计方案实现框图3. 编码与调试过程（1）QPSK仿真系统设计clear allM=4SNR=0:1:10; %信噪比nsymbol=1000000;data= randsrc(nsymbol,2,0 1); a1,b1=find(data(:,1)=0&data(:,2)=0); message(a1)=-1-j; %225a2,b2=find(data(:,1)=0&data(:,2)=1);message(a2)=-1+j; %135a3,b3=find(data(:,1)=1&data(:,2)=0);message(a3)=1-j; %275a4,b4=find(data(:,1)=1&data(:,2)=1);message(a4)=1+j; %45scatterplot(message)title(系统的星座图)Es=norm(message).2/nsymbol; %求方形QPSK系统每个符号的平均功率Eb=Es/(log2(M); %求方形QPSK系统每比特的平均功率snr=10.(SNR/10); %信噪比转化为线性值NO=Eb./snr; sigma=sqrt(NO/2); for EbNO=1:length(sigma) n1=sigma(EbNO)*randn(1,nsymbol); n2=sigma(EbNO)*randn(1,nsymbol); receive=message+n1+n2*j; resum=0; total=0; m1=find(angle(receive)0); %解调 remessage(1,m1)=1+j; redata(m1,1)=1; redata(m1,2)=1; m2=find(angle(receive)pi/2&angle(receive)-pi&angle(receive)-pi/2&angle(receive)=0); %解调 remessage(1,m4)=1-j; redata(m4,1)=1; redata(m4,2)=0; resum,ratio1=biterr(data,redata); Pb(EbNO)=resum/(nsymbol*2); total,ratio2=symerr(data,redata); Pe(EbNO)=total/nsymbol;endscatterplot(receive)title(接收信号的星座图)Pbtho=qfunc(sqrt(2*snr); %理论误比特率Petho=Pbtho*log2(M); %理论误符号率figure(3)semilogy(SNR,Pe,-ro,SNR,Petho,-g*,SNR,Pb,-bv,SNR,Pbtho,-g+)legend(QPSK仿真误码率,QPSK理论误码率,QPSK仿真误比特率,QPSK理论误比特率)title(QPSK载波调制信号在AWGN信道下的性能)xlabel(信噪比/dB);ylabel(误比特率和误符号率)grid on（2）三角形4PSK仿真系统设计clear allM=4SNR=0:1:10; %信噪比dbnsymbol=100000;data=randsrc(nsymbol,2,0 1); a1,b1=find(data(:,1)=0&data(:,2)=0); message(a1)=0+0*j; %原点a2,b2=find(data(:,1)=0&data(:,2)=1);message(a2)=sqrt(3)+j; %30 a3,b3=find(data(:,1)=1&data(:,2)=0);message(a3)=-sqrt(3)+j; %150a4,b4=find(data(:,1)=1&data(:,2)=1);message(a4)=0-2*j; %270scatterplot(message)title(系统的星座图)Es=norm(message).2/nsymbol; %求三角形4PSK系统每个符号的平均功率Eb=Es/(log2(M); %求三角形4PSK系统每比特的平均功率snr=10.(SNR/10);NO=Eb./snr; sigma=sqrt(NO/2); for EbNO=1:length(sigma) n1=sigma(EbNO)*randn(1,nsymbol); n2=sigma(EbNO)*randn(1,nsymbol); receive=message+n1+n2*j; for i=1:nsymbol d00=abs(receive(i); d01=abs(receive(i)-sqrt(3)-j); d10=abs(receive(i)+sqrt(3)-j); d11=abs(receive(i)+2*j); d_min=min(d00 d01 d10 d11); if (d00=d_min), redata(i,1)=0;redata(i,2)=0;remessage(i)=0+0*j; elseif (d01=d_min), redata(i,1)=0;redata(i,2)=1;remessage(i)=sqrt(3)+j; elseif (d10=d_min), redata(i,1)=1;redata(i,2)=0;remessage(i)=-sqrt(3)+j; else redata(i,1)=1;redata(i,2)=1;remessage(i)=0-2*j; end end resum,ratio1=biterr(data,redata); Pb(EbNO)=resum/(nsymbol*2); total,ratio2=symerr(data,redata); Pe(EbNO)=total/nsymbol; endscatterplot(receive)title(接收信号的星座图)figure(3)semilogy(SNR,Pe,-ro,SNR,Pb,-bv)legend(QPSK仿真误码率,QPSK仿真误比特率)title(异常QPSK载波调制信号在AWGN信道下的性能)xlabel(信噪比/dB);ylabel(误比特率和误符号率)grid on（3）方形QPSK与三角形4PSK仿真系统设计为了方便方形QPSK与三角形4PSK之间的性能对比，我们将两个程序进行了整合，便如同一个程序。代码如下：clear allM=4SNR=0:1:10; %信噪比nsymbol=100000;data1= randsrc(nsymbol,2,0 1); a1,b1=find(data1(:,1)=0&data1(:,2)=0); message1(a1)=-1-j; %225a2,b2=find(data1(:,1)=0&data1(:,2)=1);message1(a2)=-1+j; %135a3,b3=find(data1(:,1)=1&data1(:,2)=0);message1(a3)=1-j; %275a4,b4=find(data1(:,1)=1&data1(:,2)=1);message1(a4)=1+j; %45scatterplot(message1)title(方形QPSK系统的星座图)data2= randsrc(nsymbol,2,0 1); c1,d1=find(data2(:,1)=0&data2(:,2)=0); message2(c1)=0+0*j; %原点c2,d2=find(data2(:,1)=0&data2(:,2)=1);message2(c2)=sqrt(3)+j; %30 c3,d3=find(data2(:,1)=1&data2(:,2)=0);message2(c3)=-sqrt(3)+j; %150c4,d4=find(data2(:,1)=1&data2(:,2)=1);message2(c4)=0-2*j; %270scatterplot(message2)title(三角形4PSK系统的星座图)Es_f=norm(message1).2/nsymbol; %求方形QPSK系统每个符号的平均功率Eb_f=Es_f/(log2(M); %求方形QPSK系统每比特的平均功率Es_tri=norm(message2).2/nsymbol; %求三角形4PSK系统每个符号的平均功率Eb_tri=Es_tri/(log2(M); %求三角形4PSK系统每比特的平均功率snr=10.(SNR/10); %信噪比转化为线性值NO_f=Eb_f./snr; NO_tri=Eb_tri./snr; sigma_f=sqrt(NO_f/2); sigma_tri=sqrt(NO_tri/2);for EbNO=1:length(sigma_f) n1=sigma_f(EbNO)*randn(1,nsymbol); n2=sigma_f(EbNO)*randn(1,nsymbol); receive1=message1+n1+n2*j; resum1=0; total1=0; m1=find(angle(receive1)0); %解调 remessage1(1,m1)=1+j; redata1(m1,1)=1; redata1(m1,2)=1; m2=find(angle(receive1)pi/2&angle(receive1)-pi&angle(receive1)-pi/2&angle(receive1)=0); %解调 remessage1(1,m4)=1-j; redata1(m4,1)=1; redata1(m4,2)=0; resum1,ratio1=biterr(data1,redata1); Pb_f(EbNO)=resum1/(nsymbol*2); total1,ratio2=symerr(data1,redata1); Pe_f(EbNO)=total1/nsymbol;endscatterplot(receive1)title(方形QPSK系统接收信号的星座图)Pbtho_f=qfunc(sqrt(2*snr); %理论误比特率Petho_f=Pbtho_f*log2(M); %理论误符号率for EbNO=1:length(sigma_tri) n3=sigma_tri(EbNO)*randn(1,nsymbol); n4=sigma_tri(EbNO)*randn(1,nsymbol); receive2=message2+n3+n4*j; for i=1:nsymbol d00=abs(receive2(i); d01=abs(receive2(i)-sqrt(3)-j); d10=abs(receive2(i)+sqrt(3)-j); d11=abs(receive2(i)+2*j); d_min=min(d00 d01 d10 d11); if (d00=d_min), redata2(i,1)=0;redata2(i,2)=0;remessage2(i)=0+0*j; elseif (d01=d_min), redata2(i,1)=0;redata2(i,2)=1;remessage2(i)=sqrt(3)+j; elseif (d10=d_min), redata2(i,1)=1;redata2(i,2)=0;remessage2(i)=-sqrt(3)+j; else redata2(i,1)=1;redata2(i,2)=1;remessage2(i)=0-2*j; end end resum2,ratio3=biterr(data2,redata2); Pb_tri(EbNO)=resum2/(nsymbol*2); total2,ratio4=symerr(data2,redata2); Pe_tri(EbNO)=total2/nsymbol; endscatterplot(receive2)title(三角形4PSK接收信号的星座图)figure(5)semilogy(SNR,Pe_f,-ro,SNR,Petho_f,-g*,SNR,Pb_f,-rv,SNR,Pbtho_f,-g,SNR,Pe_tri,-ko,SNR,Pb_tri,-bo)legend(方形QPSK仿真误码率,方形QPSK理论误码率,方形QPSK仿真误比特率,方形QPSK理论误比特率,三角形4PSK系统仿真误码率,三角形4PSK系统仿真误比特率)title(载波调制信号在AWGN信道下的性能对比)xlabel(信噪比/dB);ylabel(误比特率和误符号率)grid on4. 运行结果及分析（1）方形QPSK系统的星座图（2）三角形4PSK系统的星座图 （3）方形QPSK系统接收信号的星座图（4）三角形4PSK接收信号的星座图（5）载波调制信号在AWGN信道下的性能对比以上五张图由第三个整合过的程序仿真得出。可见对应于方形QPSK的仿真，当信噪比小于等于8dB时，仿真值可以很好的逼近理论值，但当信噪比大于9dB时，仿真值与理论值略有偏差。从仿真图中，我们可以看出，方形QPSK系统的性能明显优于三角形4PSK系统的性能。八 设计心得在本次课程设计中，我收获很多，学会了应用MATLAB来处理问题，加深了对通信原理中部分公式和概念的理解。实验过程中也遇到了不少问题，在星座图映射上，一开始将00，01，10，11看成一个整体，这样对整体编程存在很大困难，因此后来尝试将其分开看，并成功映射；在计算噪声的过程中，由于通信原理的知识未能牢固掌握，在分析和计算的过程中花了很多时间；实验过程中，学会了使用find函数来代替for循环的功能，从而使程序运行更加快，大大加快了实验的进度。通过本次MATLAB的实践，应该加强MATLAB在各个学科的应用，学会用MATLAB来处理实际问题。数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。基本的数字调制方式有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）、相对（差分）相移键控（DPSK）。在接收端可以采用想干解调或非相干解调还原数字基带信号。