基于MATLAB.docx

基于MATLAB.docx

《基于MATLAB.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于MATLAB

摘要

本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台进行PSK频带传输系统仿真，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示器结果分析设计的系统性能。

在设计中，目的主要是仿真通信系统中频带传输技术中的PSK调制。

产生一段随机的二进制非归零码的基带信号，对其进行PSK调制后再送入加性高斯白噪声（AWGN）信道传输，在接收端对其进行PSK解调以恢复原信号，观察还原是否成功，改变AWGN信道的信噪比，通过最后仿真结果可知该模拟信号频带传输通信系统已初步实现了设计指标并可用于解决一些实际性的问题。

关键词:

PSK调制解调；高斯白噪声；MATLAB/Simulink

前言

在通信技术发展日新月异，正在迅速地向社会各个领域渗透。

在实际通信过程中，由于噪声的存在，要完成实际通信系统的实验研究相当困难。

近几年，随着仿真软件的日趋成熟，使得对通信系统的研究也日趋方便。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

通过对Simulink的使用和对无线调幅仿真和PSK传输系统的仿真以及数字基带传输系统仿真来真正熟悉现代通信技术，数字基带传输系统主要由信号形成器，信道，接收滤波器，抽样判决器和同步系统组成，simulink完全可以完成数字基带的仿真。

已知的ASK、FSK、PSK等，这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面，以相干解调PSK的性能最好。

本设计就采用PSK调制技术,来全面的考查瑞利信道对移动系统的影响问题。

复杂、恶劣的传播条件是移动通信信道的特征。

在移动通信系统中，不论是上行链路还是下行链路，无线信号在传播工程中都会产生多径，由于通过各个多径的距离不同，时间不同，相位也就不同。

不同相位的多径信号在接收端迭加，产生了衰弱，它使接收端的信号近似瑞利分布的数学分布。

本课程设计首先设置实验项目和对各个模块的参数分析，通过simulink的仿真实验，主要着手于PSK传输系统仿真，信源使用数字信号，信道使用瑞利信道，调制方法运用PSK，主要是设计一个PSK频带传输系统并对其进行仿真与性能分析。

在设计此频带传输系统时，首先对输入信号利用相关的模块进行PSK调制，再通过加入高斯白噪声传输信道，接着在接收端对信号

设计目的

本课程设计的目的主要是仿真通信系统中频带传输技术中的PSK调制。

首先产生一段随机的二进制非归零码的基带信号，对其进行PSK调制后再送入加性高斯白噪声（AWGN）信道传输，在接收端对其进行PSK解调以恢复原信号，观察还原是否成功，改变AWGN信道的信噪比，计算传输前后的误码率，绘制信噪比-误码率曲线，并与理论曲线比较进行说明。

设计要求

（1）本设计开发平台为MATLAB中的Simulink。

（2）模型设计应该符合工程实际，模块参数设置必须与原理相符合。

（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。

（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。

设计平台

MATLAB/Simulink

设计步骤

（1）根据课题任务书要求结合教材上讲授的原理，在纸质文档上画出课题的电路级框图。

（2）从设计平台上找到实现框图中每个方框对应的功能实现模块，并按图连接方式进行连接。

（3）按照通信原理教材介绍的原理进行每个模块的参数设置。

（4）运行模块，根据模型的运行结果或出错提示，不断地修改模型和仿真参数，直至仿真成功。

目录

第1章基本原理5

1.1设计平台简介5

1.2PSK调制原理6

第2章系统设计8

2.1PSK调制与解调8

2.2加入高斯白噪声后的PSK调制与解调12

总结15

致谢16

参考文献17

第1章基本原理

1.1设计平台简介

MATLAB集成环境下的Simulink[1]：

MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，它的交互式集成界面能够帮助用户快速地完成数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建模、系统控制和优化等功能。

MATLAB语言采用与数学表达相同的形式，不需要传统的程序设计语言，由于MATLAB的这些特性，它已经成为科研工作和工程仿真中的高效助手。

MATLAB提供的图形界面仿真[9]工具Simulink由一系列模型库组成,包括Sources（信源模块），Sinks（显示模块），Discrete（离散系统模块），Linear（线性环节），Nonlinear（非线性环节），Connections（连接）,Blocksets&Toolboxes（其他环节）。

特别是在Blocksets&Toolboxes中还提供了用于通信系统分析设计和仿的专业化模型库CommTbxLibrary。

在这里，整个通信系统的流程被概括为：

信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调、滤波器以及传输介质的模型。

在每个设计模块中还包含有大量的子模块，它们基本上覆盖了目前通信系统中所应用到的各种模块模型。

通信系统[10]一般都可以建立数学模型。

根据所需仿真的通信系统的数学模型（或数学表达式），用户只要从上述各个模型库中找出所需的模块,用鼠标器拖到模型窗口中组合在一起,并设定好各个模块参数,就可方便地进行动态仿真.从输出模块可实时看到仿真结果,如时域波形图、频谱图等。

每次仿真结束后还可以更改各参数,以便观察仿真结果的变化情况。

另外，对Simulink中没有的模块，可运用S函数生成所需的子模块，并且可以封装和自定义模块库，以便随时调用。

Simulink工作对话框如图2-1所示：

图1-1Simulink工作对话框

1.2PSK调制原理

调制系统[4]在通信和信息传输系统、工业自动化或电子工程技术中，调制和解调应用最为广泛。

而调制和解调的基本原理是利用信号与系统的频域分析和傅里叶变换的基本性质，将信号的频谱进行搬移，使之满足一定需要，从而完成信号的传输或处理。

调制与解调又分模拟和数字两种，在现代通信中，调制器的载波信号几乎都是正弦信号，数字基带信号通过调制器变正弦载波信号的幅度、频率或相位，产生幅度键控（ASK）、相位键控（PSK）、频率键控（FSK）信号，或同时改变正弦载波信号的几个参数，产生复合调制信号。

相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息的，而振幅和频率保持不变。

在PSK中，通常用初始相位0和

分别表示二进制“1”和“0”。

因此，PSK信号的时域表达式为式（1-1）。

（1-1）

其中，

表示第n个符号大的绝对相位。

当发送“0”时，

为0;当发送“1”时，

为

。

因此式（1-2）可改写为式（1-5）。

（1-2）

其中

的概率为P，

的概率为-P。

由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故PSK信号一般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，即式（2-3）。

（1-3）

其中

的表达式为式（1-4）。

（1-4）

这里，

是脉宽为

的单个矩形脉冲。

发送二进制符号“0”时（

取1），

取0相位；发送二进制符号“1”时（

取-1），

取

相位。

这种以载波的不同相位直接去表示二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。

PSK信号[6]模拟调制方法图如下图1-2所示：

图1-2PSK信号模拟调制方法图

PSK信号键控法调制图如下图1-3所示：

图1-3PSK信号键控法调制图

PSK信号的解调通常采用相干解调法，如图1-4所示：

图1-4PSK信号相干解调法

第2章系统设计

2.1PSK调制与解调

在本设计中采用的是模拟调制法和相干解调法[7]。

整个PSK的仿真系统的调制与解调过程为：

首先将信号源的输出信号经过码型变换后与载波通过相乘器进行相乘，送入加性高斯白噪声（AWGN）信道中传输。

在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。

PSK调制与解调仿真电路图如图3-1所示：

图2-1PSK调制与解调仿真电路图

载波模块参数[2]设置如下图2-2所示：

图2-2载波模块参数设置

说明：

将载波频率设置为5Hz，由于在载波参数设置里，频率的单位是rad/sec，所以这里5Hz即为10*pi，对话框中“Frequency（rad/sec）:

”中应填“10*pi”。

信号源参数设置如下图2-3所示：

图2-3信号源的参数设置

说明：

对话框中“Sampletime：

”为抽样时间，其倒数就是信号源的频率，设信号源的数码率为1bit/s，所以“Sampletime：

”中应填“1”。

码变换器参数[8]设置如下图2-4所示：

图2-4码变换器参数设置

说明：

根据PSK调制解调原理，要将输入的单极性码转换为双极性码，且是二进制非归零码。

对话框中“M-arynumber：

”即为进制数，所以应填“2”。

低通滤波器参数设置如图2-5所示：

图2-5低通滤波器参数设置

说明：

低通滤波器的截止频率等于信号源频率。

前面设置信号源频率为1Hz，所以对话框中“Passbandedgefrequency（rads/sec）：

”应填“2*pi”。

抽样判决器参数设置如下图2-6所示：

图2-6抽样判决器参数设置

说明：

在PSK系统中，当发送不同符号的概率相等时，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。

所以对话框中“Quantizationpartition”为“0”。

量化器参数设置如图2-7所示：

图2-7量化器参数设置

说明：

量化器抽样频率等于信号源频率。

前面已经设置信号源频率为1Hz，即抽样频率为1Hz，所以对话框中“Sampletime（-1forinherited）:

”应填“1”。

误码器的参数设置如下图2-8所示：

图2-8误码器的参数设置

说明：

根据示波器上的波形图可以看出，最后输出的波形入输入波形之间存在一个码元的延时，所以对话框中“Receivedelay：

”应填“1”。

PSK调制与解调波形如图2-9所示：

图2-9PSK调制与解调波形

由上图可知：

第一路为信号源模块波形图，第二路为双极性码波形图，第三路为PSK调制后波形图，第四路为调制信号与载波相乘后波形图，第五路为经过低通滤波器后波形图，第六路为PSK解调波形图。

由各波形可看出该PSK调制解调系统符合设计要求。

2.2加入高斯白噪声后的PSK调制与解调

整个加入高斯白噪声后的ASK仿真系统的调制与解调过程为：

首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，送入加性高斯白噪声（AWGN）信道中传输。

在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形。

加入高斯白噪声后的PSK调制与解调仿真[5]电路图如图2-10所示：

图2-10PSK调制与解调中加入高斯白噪声仿真图

带通滤波器参数设置如图2-11所示：

图2-11带通滤波器参数设置

说明：

带通滤波器的上截止频率和下截止频率分别等于载波频率与信号源频率的和与差。

前面已设置信号源频率为1Hz，载波频率为5Hz,计算得上、下截止频率分别为6Hz、4Hz，转换成以rads/sec为单位即为12*pi、8*pi。

所以“Lowerpassbandedgefrequency（rads/sec）Upperpassbandedgefrequency（rads/sec）”应填“8*pi、12*pi”。

高斯白噪声的参数设置如下图2-12所示：

图2-12高斯白噪声的参数设置

加入高斯白噪声后误码器的参数设置如下图2-13所示：

图2-13加入高斯白噪声后误码器的参数设置

PSK调制与解调中加入高斯白噪声后示波波形如图2-14所示：

图2-14PSK调制与解调中加入高斯白噪声仿真图

由上图可知：

第一路为信号源模块波形图，第二路为双极性码波形图，第三路为PSK调制后的波形图，第四路为加入高斯白噪声后的波形图，第五路为经过带通滤波器后的波形图，第六路为经过带通滤波器后与载波相乘后的波形图，第七路为经过低通滤波器后的波形图，第八路为PSK解调后的波形图。

在PSK调制与解调中加入高斯白噪声后，波形出现了失真，解调也有误码存在，系统基本符合设计要求。

总结

通过这两周的课程设计与实践，我又一次复习了通信原理的相关知识。

同时学会Simulink对信号进行仿真。

掌握了这种软件的基本使用方法，加深了对课堂知识的理解。

同时，更加培养了自己的自学能力和解决问题的能力。

首先，自己在课堂上对理论知识掌握的并不是特别好。

在拿到设计题目时，又将通信原理的课本翻出来，将2PSK的相关内容复习了。

发现自己在课堂学习时还存在很多漏洞。

在看书，请教同学后终于掌握了所需的相关原理和理论知识。

对这两款仿真软件我在之前是完全没有接触过的，先上网查资料，了解了软件的工作特点。

特别是matlab，由于首次安装，误用中文名注册，导致制作完成后无法保存，耽误了很多时间。

只能重装重做，由于没有人指导，边上网搜软件的使用教程，边探索自己的方法是否正确。

这其中走了不少弯路，不过这也锻炼了我的自学能力。

这款软件都是英文版，这对我确实造成了不小的困难。

不过这些困难都一个个的被克服，自己也十分有成就感。

在模块搭建完成后，调试时一直出错。

仔细检查模块是否正确，发现问题没有出来实验原理上，这也让我十分着急，通过请教同学和自己的参数修改，终于能够运行出现想要的结果。

看来我对理论知识掌握的还是不够牢固。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。

这次课程设计我受益匪浅，掌握了Simulink的使用方法。

同时对通信原理有了进一步的认识和了解。

在此感谢我们的老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

特别是在我制作时遇到困难不能及时提交调试报告.同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

致谢

经过这次的课程设计，我了解到了做任何事都要有耐心、更是要细心做事。

这次的课程设计让意识到自己的原理知识还是不够好，在今后的学习中我们需要更努力的学习课本的专业知识，才能更好的服务于实践中。

课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤的指导下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识。

在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

最后,在这里，我要感谢老师悉心指导和无私地帮助，感谢我们的老师，同时也感谢同学们对我的耐心指导，在今后的学习中我也一定倍加努力。

参考文献

[1]孙屹吴磊编著,《Simulink通信仿真开发手册》,国防工业出版社,2003,25~60

[2]邓华.MATLAB通信仿真及应用实例详解.北京:

人民邮电出版设.2003，58~78

[3]康华光，邹寿彬.电子技术基础（数字部分）.北京：

高等教育出版社，2004，34~36

[4]樊昌信,曹丽娜.通信原理.北京：

国防工业出版社,2007,170~201

[5]张圣勤.MATLAB7.0实用教程.北京：

机械工程出版社，2006,13~34

[6]桑林，郝建军，刘丹谱.数字通信.北京：

北京邮电大学出版社，2007,23~35

[7]曹志刚等《现代通信原理》清华大学出版社,88~90

[8]徐远明.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安：

西安电子科技大学出版社，2005,67~89

[9]万永革.数字信号处理的MATLAB实现.科学出版社,2007,38~56

[10]王嘉梅《基于MATLAB的数字信号处理与时间开发》西安电子科技大学，67~89