課程設計---通信系統(tǒng)的計算機仿真設計

1、<p><b>　　課程設計報告書</b></p><p>　　課程名稱： 通信系統(tǒng)的計算機仿真設計 </p><p>　　題 目： 8PSK通信系統(tǒng)的性能分析與MATLAB 仿真 </p><p>　　系 （院）： 電子工程學院 </p><p&g

2、t;　　學 期： 09-10-2 </p><p>　　專業(yè)班級： 通信工程072 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><

3、;p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究背景與研究意義</p><p>　　1.2 課程設計的目的和任務</p><p>　　1.3 可行性分析</p><p>　　2 8PSK通信系統(tǒng)</p><p>　　2.1 8PSK通信系統(tǒng)基本模型&l

4、t;/p><p>　　2.2 8PSK通信系統(tǒng)的性能指標</p><p>　　3 8PSK通信系統(tǒng)主要模塊</p><p>　　3.1 信源/信宿及其編譯碼</p><p>　　3.2 基帶信號處理</p><p>　　3.3 調(diào)制/解調(diào)</p><p><b>　　3

5、.4 信道</b></p><p>　　3.5 XXXXXX</p><p>　　4 MATLAB對8PSK通信系統(tǒng)的仿真</p><p>　　4.1 MATLAB主要模塊及參數(shù)設置</p><p>　　4.2 8PSK通信系統(tǒng)的仿真圖和結(jié)果分析</p><p>　　4.3 加入噪聲及干擾

6、時系統(tǒng)性能指標的變化分析</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　在這樣一個信息化的社會，通信是很重要的，尤其是移動通信在現(xiàn)代化進程中起到的巨大作用是不容質(zhì)疑的，移動通信的發(fā)展走過了一段漫長的路程。通信信號處理也從模擬向數(shù)字通信轉(zhuǎn)變。同時通信系統(tǒng)

7、已經(jīng)由單一的硬件系統(tǒng)轉(zhuǎn)向與軟件的集合。隨著通信技術的發(fā)展，信號處理方面硬件設計與專業(yè)軟件設計結(jié)合日趨緊密，已經(jīng)有一些公司開付出專業(yè)數(shù)字信號處理軟件。比較優(yōu)秀的而且得到廣大技術人員認可的有MATLAB。</p><p>　　MATLAB等優(yōu)秀軟件使仿真技術得到很好的應用。通過對通信過程的仿真，我們就可以在低成本的條件下檢測某一個方案是否能夠?qū)崿F(xiàn)，是否有更好的方案可以代替原來的方案，這樣對通信的研究就站在了一個更高的

8、起點，使通信技術的發(fā)展日新月異，近幾年手機的普及率的迅速提高就從側(cè)面反映移動通信技術的發(fā)展。</p><p>　　現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展是以多種先進的通信技術為基礎發(fā)展起來的。移動通信的 主要基本技術包括調(diào)制技術、移動信道中顛簸的傳播特性、多址方式、抗干擾技術以及組網(wǎng)技術。在移動通信中，數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術是關鍵技術，其中數(shù)字調(diào)相信號具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點，在數(shù)字移動通信中廣泛使用它來傳送各種控制信息。本文就是通過用

9、MATLAB軟件來仿真研究數(shù)字通信中常用的集中調(diào)相方式：2PSK、QPSK、OQPSK、8PSK等，分析各種調(diào)相信號的產(chǎn)生原理以及抗干擾性能。</p><p>　　1.1 研究背景與研究意義</p><p><b>　　1.1.1研究背景</b></p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，系統(tǒng)建模和仿真技術已經(jīng)日益成為現(xiàn)代個領域，特別是理工科

10、各專業(yè)進行科學探索、系統(tǒng)可行性研究和工程設計不可缺少的重要環(huán)節(jié)。仿真技術在今天的通信領域是一個非常重要的技術手段。隨著通信技術的發(fā)展，通信系統(tǒng)的結(jié)構和規(guī)模越來越復雜，基于通信系統(tǒng)的的應用也越來越多樣化，單純地依靠經(jīng)驗進行通信系統(tǒng)的規(guī)劃和設計、通信設備的研發(fā)以及通信網(wǎng)絡協(xié)議的開發(fā)，已經(jīng)不能適應現(xiàn)代通信的發(fā)展需要。因而急需一種科學的手段來反映和預測網(wǎng)絡的性能，這導致了仿真技術的應運而生。</p><p><b&

11、gt;　　1.1.2研究意義</b></p><p>　　要規(guī)劃和設計一個性能完善的通信系統(tǒng)，光靠理論計算或憑個人的組網(wǎng)經(jīng)驗是無法完成的。如果在真實的網(wǎng)絡環(huán)境中進行通信性能研究、網(wǎng)絡規(guī)劃、設計和開發(fā)，不僅耗資大，而且在統(tǒng)計數(shù)據(jù)的手機和分析上也有一定困難。通信仿真技術是通過在計算機中構造虛擬的環(huán)境來反映現(xiàn)實的通信網(wǎng)絡環(huán)境，模擬現(xiàn)實中的網(wǎng)絡行為，從而可以有效提高通信網(wǎng)絡規(guī)劃和設計的可靠性和準確性，明顯降低

12、通信系統(tǒng)的投資風險，減少不必要的投資浪費。</p><p>　　通過仿真軟件來模擬和估算通信系統(tǒng)的性能，通過模擬和仿真來調(diào)整一些通信系統(tǒng)的參數(shù)以期達到最佳使用效果具有非常重大的意義。在本課題中用國際控制界公認的標準仿真軟件MATLAB來仿真移動通信系統(tǒng)各種數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術中，具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點，廣泛使用它來傳送各種控制信息的數(shù)字調(diào)相信號，比較不同調(diào)相技術之間的性能差異。</p><p>

13、;　　課程設計的目的和任務</p><p>　　1.2.1課程設計的目的</p><p>　　本次課程設計是根據(jù)“通信工程專業(yè)培養(yǎng)計劃”要求而制定的。通信系統(tǒng)的計算機仿真設計課程是通信工程專業(yè)學生在學完通信工程專業(yè)基礎課、通信工程專業(yè)主干課及科學計算與仿真專業(yè)課后進行的綜合性課程設計。其目的在于使學生在課程設計過程中能夠理論聯(lián)系實際，在實踐中充分利用所學理論知識分析和研究設計過程中出現(xiàn)的

14、各類技術問題，鞏固和擴大所學知識面，為以后走向工作崗位機型設計打下一定的基礎。</p><p>　　1.2.2課程設計的任務</p><p>　　課程設計的任務是：（1）掌握一般通信系統(tǒng)設計的過程、步驟、要求、工作內(nèi)容及設計方法；掌握用計算機仿真通信系統(tǒng)的方法。（2）訓練學生網(wǎng)絡設計能力。（3）訓練學生綜合運用專業(yè)知識的能力，提高學生進行通信工程設計的能力。</p><

15、p>　　1.3 可行性分析</p><p>　　8DPSK技術是多進制數(shù)字調(diào)相系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種技術，它抗干擾能力強、誤碼性能好、頻譜利用率高，而且，它成功地解決了八進制絕對移相鍵控（8PSK）在相干解調(diào)過程中產(chǎn)生的相位模糊問題，使系統(tǒng)的性能得以提高。</p><p>　　2 8PSK通信系統(tǒng)</p><p>　　在數(shù)字通信已經(jīng)普及的今天，通信系統(tǒng)的發(fā)

16、展目標是實現(xiàn)高速率、高質(zhì)量、低損耗的多媒體信號傳輸。但在實際情況中，為實現(xiàn)這一目標，我們面臨著眾多挑戰(zhàn)。例如，移動無線通信系統(tǒng)面臨的是惡劣的無線信道：移動無線通信系統(tǒng)不僅需要克服路徑損耗，以及信號衰落還要克服由于多徑時延擴展而引起的符號間干擾干又如，在已有的線路條件下，可以容納的最大帶寬是一定的，為實現(xiàn)高速率的傳輸，需要使用一種頻帶很窄的調(diào)制技術。針對上述問題，傳統(tǒng)的調(diào)制技術已經(jīng)不能適用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)。8DPSK技術是多進制數(shù)字調(diào)相系統(tǒng)

17、中經(jīng)常使用的一種技術，它抗干擾能力強、誤碼性能好、頻譜利用率高，而且，它成功地解決了八進制絕對移相鍵控（8PSK）在相干解調(diào)過程中產(chǎn)生的相位模糊問題，使系統(tǒng)的性能得以提高。</p><p>　　8PSK通信系統(tǒng)基本模型</p><p>　　本系統(tǒng)研究調(diào)制方式為8PSK方式，原理如下：</p><p>　　8PSK (8 Phase Shift Keying 8移相

18、鍵控) 是一種相位調(diào)制算法。相位調(diào)制（調(diào)相）是頻率調(diào)制（調(diào)頻）的一種演變，載波的相位被調(diào)整用于把數(shù)字信息的比特編碼到每一詞相位改變（相移）。"8PSK"中的"PSK表示使用移相鍵控方式，移相鍵控是調(diào)相的一種形式，用于表達一系列離散的狀態(tài)，8PSK對應8種狀態(tài)的PSK。如果是其一半的狀態(tài)，即4種，則為QPSK，如果是其2倍的狀態(tài)，則為16PSK。因為8PSK擁有8種狀態(tài)，所以8PSK每個符號(symbol)可

19、以編碼3個比特(bits)。</p><p>　　基帶數(shù)字8PSK調(diào)制原理：</p><p>　　8PSK信號碼元可以表示為：</p><p>　　(t)=Acos(wt+) k=1,2,……,M</p><p>　　式中：A為常數(shù)；為一組間隔均勻的受調(diào)制相位，其值決定于基帶碼元的取值。所以可以寫為 =2（k-1）/M k=1,2

20、,…,M</p><p>　　下圖示出8PSK的信號相位 ： </p><p>　　令A=1，則將8MPS信號碼元表示式展開寫成：(t)=cos(wt+)=cos wt-sin wt</p><p>　　8PSK信源碼元可以看作是正弦和余弦兩個正交分量合成的信號，每個碼元3bit信息。</p><p>　　2.2 8P

21、SK通信系統(tǒng)的性能指標</p><p>　　2.2.1有效性指標</p><p><b>　?、?碼元傳輸速率R</b></p><p>　　碼元傳輸速率通常又稱為碼元速率，傳碼率，碼率，信號速率或波形速率，直單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特，常用B表示</p><p><b>　?、冢畔鬏斔俾蔙<

22、;/b></p><p>　　信息傳輸速率簡稱信息速率，又稱比特率，表示單位時間內(nèi)傳送的比特數(shù)，單位為bit/s</p><p><b>　?、?頻帶利用率</b></p><p>　　頻帶利用率指的是傳輸效率問題，即定義為：單位頻帶內(nèi)碼元傳輸速率的大小，即 = R/B （B/Hz） </p><p&g

23、t;　　用信息速率形式表示為 = R/B(b/(s.Hz))</p><p>　　2.2.2可靠性指標</p><p><b>　?、伲a元差錯率Pe</b></p><p>　　碼元差錯率簡稱誤碼率，指接受錯誤的碼元數(shù)在傳送碼元數(shù)中所占的比例。確</p><p>　　的說，誤碼率就是碼元在

24、傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，表示為：</p><p>　　Pe=單位時間內(nèi)接收的錯誤碼元數(shù)/單位時間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)目偞a元數(shù)</p><p><b>　?、冢畔⒉铄e率Pb</b></p><p>　　信息差錯率稱誤信率或誤比特率，指接收錯誤的信息量在傳送信息總量中所占</p><p>　　比例。表示為： </p>

25、;<p>　　Pb=單位時間內(nèi)接受的錯誤比特數(shù)（錯誤信息量）/單位時間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財?shù)（總信息量）</p><p>　?。ㄆ溆行耘c可靠性相互制約）</p><p>　　3 8PSK通信系統(tǒng)主要模塊</p><p>　　3.1 信源/信宿及其編譯碼</p><p>　　信息源（簡稱信源）的作用是吧各種消息轉(zhuǎn)換成原始信號

26、。根據(jù)消息的類型不同，信源可以分為模擬信源和數(shù)字信源。模擬信源輸出的是模擬信號，如話筒、攝像機；數(shù)字信源輸出的是離散的數(shù)字信號，如電傳機、計算機等各種數(shù)字終端。并且，模擬信源送出的信號經(jīng)數(shù)字化處理后也可以送出數(shù)字信號。</p><p>　　受信者（簡稱信宿）是傳送消息的目的地，其功能與信源相反，即把原始電信號還原成相應的消息，如揚聲器。</p><p>　　信源編碼與譯碼：信源編碼有2個基

27、本功能：一是提高信息傳輸?shù)挠行裕赐ㄟ^某種數(shù)據(jù)壓縮技術設法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率。碼元速率決定傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬反應了通信的有效性。二是完成模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，即當信息源給出的是模擬信號時，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。信源譯碼是新源編碼的逆過程。</p><p>　　信源編碼后輸出的波形：</p><p>　　3.2 基帶信號處理</

28、p><p>　　在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸對象通常是二進制數(shù)字信息，他可能來自計算機、網(wǎng)絡或其他的各種數(shù)字代碼。也可能來自數(shù)字電話終端的脈沖編碼信號，設計數(shù)字傳輸系統(tǒng)的基本考慮是選擇一組有限的離散的波形來表示數(shù)字信息。這些離散波形可以是未經(jīng)調(diào)制的不同電平信號，也可以是調(diào)制后的信號形式。由于未經(jīng)調(diào)制的脈沖電信號所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開始。因而稱為數(shù)字基帶信號。在某些有線信道中，特別是傳輸距離不大遠的情況下，數(shù)字基帶

29、信號可以直接傳送，我們稱之為數(shù)字信號的基帶傳輸。 </p><p><b>　　調(diào)制/解調(diào)</b></p><p>　　我們將信息直接轉(zhuǎn)換得到的較低頻率的原始信號稱為基帶信號。通常基帶信號不宜直接在信道中傳輸。因此在通信系統(tǒng)的發(fā)送端需將基帶信號的頻譜搬移（調(diào)制）到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)，而在接收端，再將它們搬移（解調(diào)）到原來的頻率范圍，這就是調(diào)制和解

30、調(diào)。</p><p><b>　　8PSK 正交調(diào)制</b></p><p>　　8PSK雙正交相干解調(diào)</p><p><b>　　星座圖</b></p><p><b>　　3.4 信道</b></p><p>　　信道是一種物理媒質(zhì)，用來將來自

31、發(fā)送設備的信號傳送到接收端。在無線信道中，信道可以是自由空間；在有線信道中，可以是明線、電纜、光纖。有線信道和無線信道均有多種物理媒質(zhì)，信道既給信號以通路，也會對信號產(chǎn)生各種干擾和噪聲。信道的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關系到通信的質(zhì)量。</p><p>　　信號經(jīng)過調(diào)制以后，通過信道，信道可以選擇高斯加性白噪聲信道、二進制對稱信道、多徑瑞利衰落信道、萊斯衰落信道等。</p><p>　

32、　3.5 XXXXXX</p><p>　　4 MATLAB對8PSK通信系統(tǒng)的仿真 </p><p>　　應用MATLAB進行仿真，仿真采用蒙特卡羅模型。仿真基本框圖是：</p><p><b>　　蒙特卡羅仿真算法：</b></p><p>　　該算法又稱隨機性模擬算法，是通過計算機仿真來解決問題的算法，同時

33、可以通過模擬來檢驗自己模型的正確性。</p><p>　　它的基本思想是，為了求解數(shù)學、物理、工程技術以及管理等方面的問題，首先建立一個概率模型或隨機過程，使它們的參數(shù)，如概率分布或數(shù)學期望等是所求問題的解；然后通過對模型或過程的觀察或抽樣試驗來計算所求參數(shù)的統(tǒng)計特征，并用算術平均值作為所求解的近似值。對于隨機性問題，有時還可以根據(jù)實際物理背景的概率法則，用電子計算機直接進行抽樣試驗，從而對問題進行解答。<

34、/p><p>　　在通信系統(tǒng)得誤碼率計算中，由于計算公式復雜，甚至在很多情況下無法得到解析解，因此通過蒙特卡羅方法模擬實際的通信過程，得到仿真的通信系統(tǒng)誤碼率就成為一種方便的手段。</p><p>　　4.1 MATLAB主要模塊及參數(shù)設置</p><p>　　4.1.1 Signalgenerator模塊</p><p>　　用來產(chǎn)生信號。

35、主要參數(shù)：wave設置為sine、amplitude設置為4、frequence設置為4000hz </p><p>　　4.1.2 A-Law compressor 模塊</p><p><b>　　默認參數(shù)即可</b></p><p>　　4.1.3 Dpcm Encoder和Dpcm Decoder模塊</p><p

36、>　　用于對信號的抽樣、量化；主要參數(shù):sample time設置為0.0000015625，其余參數(shù)保持默認值即可</p><p>　　4.1.4 M-PSK Modulation baseband和M-PSK Demodulator baseband模塊</p><p>　　主要參數(shù)：M-ary的值設置為8、phase offset設置為100、sanples per symbo

37、l改為1</p><p>　　4.1.5 AWGN Channel模塊</p><p>　　作用是用模擬一個加性高斯白噪聲信道;主要參數(shù)：initial seed為67、mode調(diào)成SNR、把SNR設置成500db、input signal power設置成0.0001</p><p>　　4.1.6 Error Rate Calculation模塊</p&

38、gt;<p>　　用來計算接收到的信號的差錯率，輸出結(jié)果有三組，依次是差錯率、已檢到的錯誤比特數(shù)、統(tǒng)計的總比特數(shù)；主要參數(shù)：output data設置成port，其余保持默認值</p><p>　　4.1.7 Scope模塊</p><p>　　作用是顯示輸出信號的結(jié)果。主要參數(shù)：Number of axes設置為2、Time range設置成0.005 Tick label

39、s設置為all、把sampling調(diào)成sample time，參數(shù)改為2e-7</p><p>　　4.1.8 Discrete-Time Scatter Diagram模塊</p><p>　　用于觀測星座圖。主要參數(shù)：samples per symbol設置為400、offset設置為100、Pionts displayed設置為100、New traces per display設置

40、為100</p><p>　　4.1.9 Eye diagram scope模塊</p><p>　　用眼圖的形式來觀察輸出信號。主要參數(shù)：samples per symbol設置為8、offset設置為0、symbols per trace設置為1、Traces displayed設置為400、new traces per display為300</p><p>

41、　　4.1.10 spectrum scope模塊</p><p>　　用于觀測頻譜；主要參數(shù)：選擇 Buffer input，buffer size為128、Buffer overlap為64、number of spectral averages設置為2</p><p>　　4.2 8PSK通信系統(tǒng)的仿真圖和結(jié)果分析</p><p><b>　　系

42、統(tǒng)仿真圖</b></p><p><b>　　頻譜圖</b></p><p><b>　　眼圖</b></p><p>　　原信號和調(diào)制解調(diào)后的信號比較：</p><p>　　4.3 加入噪聲及干擾時系統(tǒng)性能指標的變化分析</p><p>　　加入噪聲及干擾時誤碼

43、率增大，頻譜失真更加嚴重。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p><b>　　5.1小結(jié)</b></p><p>　　通過仿真軟件來模擬和估算通信系統(tǒng)的性能，通過模擬和仿真來調(diào)整一些通信系統(tǒng)的參數(shù)以期達到最佳使用效果。本課題中使用國際控制界公認的標準仿真軟件MATLAB來仿真移動通信系統(tǒng)各種數(shù)字調(diào)

44、制解調(diào)技術，具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點，廣泛使用它來傳送各種控制信息的數(shù)字調(diào)相信號，比較不同調(diào)相技術之間的性能差異。8DPSK技術是多進制數(shù)字調(diào)相系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種技術，它抗干擾能力強、誤碼性能好、頻譜利用率高，而且，它成功地解決了八進制絕對移相鍵控（8PSK）在相干解調(diào)過程中產(chǎn)生的相位模糊問題，使系統(tǒng)的性能得以提高。</p><p><b>　　5.2心得體會</b></p>

45、<p>　　通過這次課程設計，我學到了很多東西：從剛開始的研究8PSK的調(diào)制解調(diào)原理到熟悉MATLAB函數(shù)編寫程序和Simulink建模，再編寫程序并驗證8PSK的算法是否正確以及模塊能不能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)制解調(diào)的功能，最后對全局有了大體的把握，改善了一些波形的顯示，調(diào)整了程序和模塊的各種參數(shù)，使調(diào)制解調(diào)各步驟得到的波形越來越富哥理論值，并對8psk性能做了仿真和研究，對其有了大體的掌握。在設計時也要隨時考慮到數(shù)字信號處理中所學的抽樣

46、頻率必須大于兩倍信號譜的最高頻率以及抽樣點數(shù)N大于M點的有限長序列。這樣就成功的將matlab，通信原理和數(shù)字信號處理有機的結(jié)合在一起。此外在分析所設計的圖中，根據(jù)相關的通信原理知識可以對結(jié)果作出判斷，這樣就提高了自己的相關知識，同時加深了對matlab的運用。</p><p>　　總之一步步的走的非常緩慢艱辛，知識的探索本身就是一個曲折的過程，在這次課程設計中，讓我更深刻的體會到這一點。</p>

47、<p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉衛(wèi)國．MATLAB程序設計教程．中國水利水電出版社，2002．8</p><p>　　[2] 阮沈勇. MATLAB 程序設計.電子工業(yè)出版社.2004</p><p>　　[3] 薛定宇. 基于 MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用.清華大學出版社.2