Psk系统设计与仿真

《通信原理》课程设计报告Psk系统设计与仿真姓名:专业:信息工程班级:063231学号:指导老师:设计时间2011年1月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、课程设计目的本课程设计是实现psk系统仿真。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。一、PSK信号调制解调模型的建立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。)(ts双极性不归零)(2tePSKtccos图1模拟调制方法开关电路0)(2tePSK)(ts图2键控法（2）PSK信号解调模型的建立PSK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PSK信号同频同相的相干载波是一个关键的问题。)(2tePSKacdetccosb定时脉冲图3PSK信号的解调原理框图2、PSK调制过程分析根据PSK调制的定义，设初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，PSK信号的时域表达式为2()cos()PSKcnetAt其中，n表示第n个符号的绝对相位：码型变换乘法器tccoso180相移带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器因此，可得到下式典型波形如下图所示图4PSK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），)(2tePSK取0相位；发送二进制符号“1”时（an取-1），)(2tePSK取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clearall;closeall;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;forn=1:length(g);ifg(n)==0;A=zeros(1,200);%每个值200个点elseg(n)==1;2PSKAcos,()Acos,1cctPettP概率为概率为00,1n，发送“”时发送“”时1101t0sT2PSK()coscetstt()()nsnstagtnT1,1,1nPaP概率为概率为A=ones(1,200);endcp=[cpA];%s(t),码元宽度200c=cos(f*t);%载波信号mod1=[mod1c];%与s(t)等长的载波信号,变为矩阵形式endfigure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);gridon;axis([0200*length(g)-22]);title('随机二进制信号序列');cm=[];mod=[];forn=1:length(g);ifg(n)==0;B=ones(1,200);%每个值200个点c=cos(f*t);%载波信号elseg(n)==1;B=ones(1,200);c=cos(f*t+pi);%载波信号endcm=[cmB];%s(t),码元宽度200mod=[modc];%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);gridon;axis([0200*length(g)-22]);title('2PSK调制信号');figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(cp)));axis([0200*length(g)0400]);title('原始信号频谱');figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz)));axis([0200*length(g)0400]);title('2PSK信号频谱');运行结果：图5二进制、PSK信号波形和频谱图PSK解调过程分析根据PSK调制的原理框图图5PSK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a处得到信号为()coscatstt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222211()()cos()cos()()cos222PKScccctettsttststt通过低通滤波器后21()()2dtst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2PSK方式的“倒π”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：带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2tePSKtccosabcde1010sTtabcd1tttte11100图62PSK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MATLAB绘出解调过程的相关波形，代码和波形如下：clearall;closeall;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;forn=1:length(g);ifg(n)==0;A=zeros(1,200);%每个值200个点elseg(n)==1;A=ones(1,200);endcp=[cpA];%s(t),码元宽度200c=cos(f*t);%载波信号mod1=[mod1c];%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);gridon;%axis([0200*length(g)-22]);title('随机二进制信号序列');cm=[];mod=[];forn=1:length(g);ifg(n)==0;B=ones(1,200);%每个值200个点c=cos(f*t);%载波信号elseg(n)==1;B=ones(1,200);c=cos(f*t+pi);%载波信号endcm=[cmB];%s(t),码元宽度200mod=[modc];%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(jiet);gridonaxis([0200*length(g)-22]);title('相乘后信号波形')figure(1);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(jiet)));axis([0200*length(g)0400]);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=filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,3);plot(jt);gridonaxis([0200*length(g)-22]);title('经低通滤波器后信号波形')figure(1);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(jt)));axis([0200*length(g)0400]);title('经低通滤波器后信号频谱');%抽样判决form=1:200*length(g);ifjt(m)0;jt(m)=1;elsejt(m)=0;jt(m)=0;endendfigure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);gridonaxis([0200*length(g)-22]);title('经抽样判决后信号波形')figure(1);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt)));axis([0200*length(g)0400]);title('经抽样判决后信号频谱');运行结果：图8解调相关波形4、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PSK系统的影响。为了清晰地对比出噪声对PSK系统的影响，我将分别以不同信噪比作用于PSK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randn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PSK信号而言2()cos()PSKcststtnt不同大小的噪声加入信道后，直接反应到波形上，实现代码和波形图如下运行结果：图9噪声及加噪信号波形5、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带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出tccos2发送端信道)(tsT)(tni)(tyi)(ty)(txeP图72PSK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()yt为经过相干解调后，送入抽样判决器的输入波形为由于()cnt是均值为0，方差为2n的高斯噪声，所以()xt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