通信系统综合训练.docx

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通信系统综合训练

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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2012年秋季学期

通信系统综合训练

题目：

数字信号频带传输系统2PSK的仿真实现

专业班级：

09级通信工程（4）班

姓名：

学号：

指导教师：

陈海燕

成绩：

摘要

本次综合训练主要是对频带传输系统的仿真的实现。

在设计频带传输系统时，通过对原理的分析和实现过程中的实际操作问题的解决方便，采用的方案是用2PSK的调制方式，首先对信号进行PSK调制，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。

再通过加入高斯白噪声传输信道，接着在接收端对信号进行PSK解调，采用相干解调法，最后把输出的信号和输入的信号进行比较。

通过最后仿真结果可知，在仿真过程中存在着一定的误码，该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：

数字频带；2PSK调制；Simulink；高斯白噪声

前言

在通信和信息传输系统、工业自动化或电子工程技术中，大多数信道因具有带通特性而不能直接传输基带信号，由于数字基带信号往往具有丰富的低频成分，而实际的通信信道又具有带通特性，因此，必须用数字信号来调制某一较高频率的载波，使已调信号能通过带限信道传输。

用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制。

已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号还原成数字基带信号，这种数字信号的反变换称为数字解调。

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，以使信号与信道的特性相匹配，从而完成信号的传输或处理。

。

在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。

将原始的数字基带信号，经过频谱搬移，变换为适合在频带上传输的频带信号，传输这个信号的系统就称为频带传输系统。

通常选择正弦波信号为载波。

用载波信号参量的某些离散状态来表征所传输的信息，在接收端也只要对载波信号的调制参量有限个离散值进行判决，以便恢复出原始信号。

一般利用数字信号的离散取值特点键控载波，从而实现数字调制。

这种技术通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率及相位进行键控，便可获得振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）及相移键控（PSK）调制方式。

目录

第1章数字信号频带传输系统基本原理1

1.1数字信号频带系统1

1.2PSK调制的原理2

1.2.1PSK相移键控2

1.2.22PSK调制与解调的基本原理2

1.3Simulink的介绍5

1.3.1Simulink相关内容5

1.3.2Simulink仿真原理6

1.3.3Simulink仿真过程6

第2章数字信号频带传输系统设计8

2.1PSK调制模块设计8

2.2PSK解调模块设计9

2.3整体电路设计10

2.4对仿真结果的分析11

2.4.1误码率的分析11

2.4.2仿真过程出现的问题12

总结13

参考文献14

致谢15

第1章数字信号频带传输系统基本原理

1.1数字信号频带系统

在大多数情况下，数字信号是采用无线信道传输的。

为了实现多路复用的目的，通常是把数字基带信号先经过数字调制（键控器），变换成频带信号之后再送到信道。

频带传输系统可以通过图1.1来描述。

由图可见，原始数字序列经基带信号形成器后变换成适合于传输的基带信号。

然后送到键控器来控制射频载波的振幅、频率或相位，形成数字调制信号后送至信道。

在信道中传输的还有各种干扰。

接收滤波器把淹没在干扰和噪声中的有用信号提取出来，并经过相应的解调器，还原出数字基带信号S^（t）。

图1.1频带传输系统的组成方框图

频带传输系统的性能和质量指标，主要通过误码率和频带利用率来表示。

信号的频带传输是将基带信号经高频载波调制后进行传输的一种方式，数字调制的目的和模拟信号的调制目的相类似，将信号频谱搬移到需要的频率范围，以便和信道的传输特性匹配，同时它还可以改变信号的带宽，改善系统的抗噪声性能。

数字调制与模拟调制的差别是调制信号为数字基带信号，用基带数字信号去控制载波参量的取值，即所谓键控的方法。

控制载波信号的发与不发，载波取f1还是f2，取载波的0相位还是π相位，于是形成振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）三种基本方式。

数字信息有二进制和多进制之分，因此，数字调制可分为二进制调制和多进制调制两种。

在二进制调制中，信号参量只有两种可能取值；而在多进制调制中，信号参量可能有M（M>2）种取值。

一般而言，在码元速率一定的情况下，M取值越大，则信息传输速率越高，但其抗干扰性能也越差。

在数字调制中，根据已调信号的结构形式又可分为线性调制和非线性调制两种。

在线性调制中，已调信号表示为基带信号与载波信号的乘积，已调信号的频谱结构和基带信号的频谱结构相同，只不过搬移了一个频率位置；在非线性调制中，已调信号的频谱结构和基带信号的频谱结构不再相同，因为这时的已调信号通常不能简单地表示为基带信号与载波信号的乘积关系，其频谱不是简单的频谱搬移。

1、频率键控是利用载波的不同频率代表不同的数字信号来进行信息传输的。

它的实现方法有两种：

频率键控法和直接调频法。

数字调频信号的解调，考虑到简单容易实现的实际效果，一般采用非相干解调法（例如包络检测法）。

　　2、相移键控分为绝对相移和相对相移两种。

绝对相移在解调时有相位模糊的缺点，因而很少被采用，但它是相对相移的基础。

实现相对相移是把输入数字信号（绝对码）变换成相对码，然后再对相对码进行绝对相移键控调制。

产生绝对相移的方法有直接调相法和相位选择法。

相对相移的解调，也常采用非相干解调（例如相位比较法）。

相移键控是一种高传输效率的调制方法，其抗干扰能力比振幅键控和频移键控都强。

因此在高、中速的数据传输中得到了广泛应用。

多进制的相移键控（MPSK）有四相制和八相制，由于它们的优良性能，广泛用于各种通信系统中。

3、正交幅度键控（QAM）是用两个独立的数字基带信号对两个相互正交的载波进行抑制载波的双边带调制（正交调制），是一种将数字信号隐藏于载波的振幅和相位之中的数字调制方式。

　　4、最小频移键控（MSK）是调频系数为0.5的一种频移键控调制方式。

为满足码元变换时，MSK信号的相位连续，在每个码元时间内，MSK信号的相位必须准确增加或减少π/2。

高斯滤波最小移频键控（GMSK）是把数字信号进行高斯滤波之后再进行最小频移键控（MSK）调制的一种调制方式，它的频带窄，旁频干扰小。

1.2PSK调制的原理

1.2.1PSK相移键控

PSK是利用载波振荡相位的变化来传送数字信息，最早出现的是二相相移键控BPSK，BPSK是利用载波的相位偏移直接表示数字信号，假设规定：

已调载波与未调载波同相表示数字信号“0”，与未调载波反相表示数字信号“1”。

为了提高信道频带利用率，提出了多进制数字相移键控（MPSK）,它用多个相位振荡的正弦振荡分别代表不同的数字信息，最典型的是四相相移键控（QPSK），BPSK和QPSK在码元转换点上都可能产生π相位突变，使得频谱高频滚降缓慢，带外辐射大。

为了消除π相位跳变，在QPSK的基础上提出了偏移四相相移键控（OQPSK）。

它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期，信号相位只跳变0，+π/2。

多进制数字相位调制又称多相制，是二相制的推广。

它是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的调制方式。

与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制和相对相位调制两种。

1.2.22PSK调制与解调的基本原理

二进制移相键控（2PSK）方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。

设2PSK的信号为

，则

发送二进制符号0时，

取0相位；发送二进制符号1时

取π相位。

这种以载波的不同相位直接去表示相应数字信号的相位键控，通常被称为绝对移相方式。

采用移相方式，由于发送端是以一个相位作基准的，因而在接受系统中也必须有这样一个固定基准相位作参考。

如果这个参考相位发生变化（0相位变π相位或π相位变0相位），则恢复的数字信息就会发生0变为1或为1变为0，从而造成错误的恢复。

这样，采用2PSK方式就会在接收端发生错误恢复。

这种现象，常称为2PSK方式的“倒π”现象或“反向工作”现象。

相移键控[1]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π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π。

因此式（2-1）可改写为式（1-2）。

（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（1-3）。

（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π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。

值得注意的是，2PSK码元序列的波形与载频和码元持续时间之间的关系有关。

当一个码元中包含有整数个载波周期时，在相邻码元的边界处波形是不连续的，或者说相位是不连续的。

当一个码元中包含的载波周期数比整数个周期多半个周期时，则相位连续。

当载波的初始相位差90度时，即余弦波改为正弦波时，结果类似。

以上说明，相邻码元的相位是否连续与相邻码元的初始相位是否相同不可混为一谈。

只有当一个码元中包含有整数个载波周期时，相邻码元边界处的相位跳变才是由调制引起的相位变化。

2PSK信号的调制原理框图如图1.2所示。

与2ASK信号的产生方法相比较，只是对S（t）的要求不同，在2ASK中S（t）是单极性的，而在2PSK中S（t）是双极性的基带信号。

（a）模拟调制方法

（b）键控法

图1.22PSK信号的调制原理框图

第一种叫相乘法，是用单极性码经过码型变换为双极性不归零码，再用二进制不归零矩形脉冲信号与载波相乘，得到相位反相的两种码元。

第二种方法叫选择法，是用此基带信号控制一个开关电路，以选择输入信号，开关电路的输入信号是相位相差π的同频载波。

这两种方法的复杂程度差不多，并且都可以用数字信号处理器实现。

PSK信号的解调通常采用相干解调法，解调原理框图如图1.3所示。

首先是2PSK信号通过一个带通滤波器，然后与本地载波相乘，再通过低通滤波器，经过抽样判决器来恢复出基带信号。

图1.3PSK信号相干解调法

2PSK信号相干解调各点波形如图1.4所示。

图1.42PSK信号相干解调各点时间波形

1.3Simulink的介绍

1.3.1Simulink相关内容

Simulink是MATLAB[2]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。

Simulik模块库[3]按功能进行分为以下8类子库：

Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。

Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构Simulink子模型库中包含了Continous、Discontinus等下一级模型库Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。

1.3.2Simulink仿真原理

Simulink通过利用模块组合的方法可以方便用户快速、准确地创建动态系统的计算机模型。

它可以用来模拟线性与非线性系统，连续与非连续系统，或者这些混合的系统，是强大的系统仿真工具。

在MATLAB命令窗口输入“Simulink”并回车[4]，就可进入Simulink模型库，单击工具栏上的

按钮也可进入。

在MATLAB子窗口或Simulink模型库的菜单栏依次选择“File”|“New”|“Model”，即可生成空白仿真模型窗口。

1.3.3Simulink仿真过程

Simulink仿真分为两个阶段：

初始化和模型执行。

1、初始化阶段

初始化阶段需要完成的主要工作及其步骤如下：

对模型的参数进行估计，得到它们实际计算的值。

展开模型的各个层次。

按照更新的次序对模块进行排序。

确定那些非显示化的信号属性，并检查每个模块是否能够接受连接到它们输入端的信号。

确定所有非显示化的信号采样时间模块的采样时间。

分配和初始化存储空间，以便存储每个模块的状态和当前值的输出。

2、模型执行阶段

对于一般的仿真模型是通过采用数值积分来来进行仿真的，计算数积分可以采用以下两步来进行：

按照秩序计算每个模块的积分。

根据当前输入和状态来决定状态的微分，得到微分矢量，然后把它返回给解法器，以计算下一个采样点的状态矢量。

运行仿真方式有两种方式，分别是菜单方式和命令行方式。

菜单方式：

在菜单栏中依次选择"Simulation"|"Start"或在工具栏上单击

。

命令行方式：

输入“sim”启动仿真进程。

比较这两种不同的运行方式：

菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。

命令行方式启动模型后，不能观察仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式[5]。

第2章数字信号频带传输系统设计

2.1PSK调制模块设计

仿真模块实现模拟调制法，基带信号通过码型变换，再与载波相乘，以及信道加高斯噪声，模块图如图2.1所示。

图2.1PSK模拟调制模块电路

其中BernoulliBinaryGenerator为伯努利二进制随机数产生器，SineWave为载波模块，UnipolartoBipolarConverter为极性变换模块。

在设置参数的过程中，将信号源频率设置为1Hz,将载波频率设置为4Hz,所以在对话框中“Frequency（rad/sec）:

”中应填“8*pi”。

在码型变化的参数设置中，因为是将单极性码变换为双极性码，且为二进制码，对话框中“M-arynumber：

”即为进制数，所以应填“2”。

仿真波形如图2.2所示。

图2.2PSK调制仿真波形

在仿真的波形中，第一路为基带信号波形，即信号源；第二路是将单极性码经过码型变换为双极性非归零码；第三路是经过调制的2PSK波形；第四路是调制波加入高斯白噪声之后的波形变化。

2.2PSK解调模块设计

解调模块中，采用相干解调的方法，调制信号经过带通滤波器之后，与本地的载波相乘，然后通过低通滤波器，去除信号中的高频成分，得到包含基带信号的低频成分。

最后抽样判决，得到基带信号的差分码波形，原理图如图2.3所示。

图2.3PSK相干解调模块电路

在设置参数的过程中，低通滤波器参数设置时，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”。

在抽样判决器参数设置时，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”。

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4Hz,计算得上、下截止频率分别为5Hz、3Hz，转换成以rads/sec为单位即为10*pi、6*pi。

所以“Lowerpassbandedgefrequency（rads/sec）Upperpassbandedgefrequency（rads/sec）”应填“6*pi、10*pi”。

在误码器的参数设置过程中，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两个码元的延时，所以对话框中“Receivedelay：

”应填“2”。

仿真波形如图2.4所示。

图2.4PSK解调仿真波形

在仿真波形中，第一路是通过了带通滤波器之后的波形，第二路是通过了相乘器之后形成的包络，第三路是是一个低通滤波器，第四路是通过抽样判决后恢复出来的波形。

2.3整体电路设计

通过对上述原理的分析，所设计的方案是采用模拟调制和相干解调。

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2.5所示。

图2.5PSK调制与解调仿真电路图

PSK调制与解调的整体仿真波形如图2.6所示：

图2.6PSK调制与解调整体仿真波形图

通过波形分析：

第一路为基带信号；第二路是经过极性转换的双极性码；第三路为调制的2PSK波形；第四路是已调信号加入高斯白噪声后的波形；第五路是通过带通滤波器后的波形；第六路是2PSK信号与载波相乘的波形，由于调制波形通过了调制信道，叠加了噪声，并且通过恢复载波，最后的波形就变成了图中所示的图形。

这是因为经过了恢复载波乘法器之后，2PSK叠加噪声之后的波形与恢复载波相乘，正正得正，正负得负，所以才形成了上下不一的图形；第七路是低通滤波后的波形，通过低通滤波器之后相当于载波提取后的波形与低通滤波器的波形相互卷积，最后得出了下图。

并且下图的大概包络与载波提取后的波形包络大概相同，而且还有噪声的滤波器的一些不理想因素造成了滤波后的波形出现了波纹幅度；第八路为抽样判决的波形，此图把滤波器输出波形大于0的部分判决成了+1电平，把小于0的判成了-1电平。

2.4对仿真结果的分析

2.4.1误码率的分析

误码率[6]是衡量一个数字通信系统性能的重要指标。

在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达示的形式则取决于解调方式。

通过波形对比分析可知，2PSK的调制过程的仿真波形达到了预期的效果，就解调模块单独而言，它的每一步得到的图形也是达到了预期的效果，但是在恢复出来的码型产生了时延，这就说明有误码存在，而且在仿真的过程中也可以看出，但是具体的设计还是符合系统要求的。

从仿真中可以看出，在2PSK调制系统中由于存在信道干扰和码间串扰，会影响调制系统的性能，即存在一定的误码率，误码率与信噪比相关，当信噪比提高时，误码率下降。

出现误码的原因可能有以下几个方面：

1、误码有可能是由于噪声造成的。

由于噪声的存在，可能会使原有基带信号的正负电平出现逆转，由于抽样判决门限为0，造成判决出错出现误码。

2、有可能是码间干扰的原因。

虽然理论分析可以完全消除码间干扰，但是由于平方根升余弦滤波器等部件不可能是完全理想的，所以在仿真及实际工程中码间干扰是不会完全消除的。

3、由于采用相乘器等模块构造解码器，其解码过程也有可能会出错。

2.4.2仿真过程出现的问题

第一，示波器图形显示不全。

第二，信号在经过所设计的带通通信仿真系统后波形出现失真。

第三，在没有加入高斯白噪声的情况下解调误码率不为0。

第四，加入噪声之后，误码率显著提高。

第五，解调波形时无失真，但解码后波形严重失真。

解决方法：

第一，在示波器图中修改datahistory中的limitdatapointstolast的数据再重新运行simulink观察示波器即可看到准确图形。

第二，这是因为信号进行抽样时没有满足奈奎斯特定理。

为了能从取样信号中恢复原信号，抽样必须满足奈奎斯特定理，即抽样频率应大于或等于两倍的原始信号频率。

第三，在出现误码数据时，我们可以通过修改errorratecalculation中receivedelay的数据这种手段直到误码数据为零。

在本设计中我们将receivedelay设为2即可解决此种情况。

第四，在本次综合训练中通过提高载波的频率，并相应的改变带通滤波器的参数设置来解决此种情况的发生。

第五，这是由于信号经过低通滤波器后会产生时延，而本次综合训练中信号是以帧的形式进行传输，因而在解调输出端若直接使用解调信号，将会产生波形失真。

因此我们在解调输出端加入相对应的延时模块即可解决此种问题。

总结

在这三个星期的综合训练中，通过做2PSK调制与相干解调的调试，我对通信领域的知识得到了更深一步的了解。

熟悉地掌握了2PSK调制与相干解调的原理和方法。

2PSK调制的方法是将基带信号转换成双极性信号再与载波相乘后，即可产生2PSK调制信号。

而相干解调的方法是将2PSK调制信号与在波相乘后通过全波整流器和低通滤波器即可恢复原始信号。

若加入噪声，则是将2PSK带调试信号与噪声源相加，再进行相干解调的步骤即可。

在这次综合训练的过程中，首先在我拿到题目之后，就是大量的翻阅和查找资料，来了解自己训练的任务，并对所使用的原理知识分析和了解。

然后就是在作了全面的了解和学习之后，针对自己所了解的原理确定出自己的方案。

最后是对设计的方案的一个实现过程，通过调试参数来得到波形图，从而完成本次训练。

在这次综合训练中，问题最多的就是在仿真的过程中，因为对一些参数的调试规律不了解，所以一直调试不出比较合适的参数，在大量的翻阅资料后，通过了解各模块的作用和使用以后，再针对整体的设计，调试出正确的参数，顺利完成了本次的综合训练。

参考文献

[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理（第６版）.北京:

国防工业出版社,2008

[2]陈亚勇等.MATLAB信号处理详解.人民邮电出版社，2001

[3]张德丰.MATLAB/Simulink建模与仿真[M].北京：

电子工业出版社，2009

[4]李贺冰,袁杰萍,孔俊霞等.Simulink通信仿真教程[M].北京：

国防工业出版社，2006

[5]张志涌．精通MATLAB6.5．北京航天航空大学，2009

[6]李颖，朱伯立，张威.Simulink系统建模与仿真基础[M].西安：

西安电子科技大学出版，2004

致谢

本次综合训练在指导老师的细心指导和严格要求下已经顺利完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着老师的心血和汗水。

首先是在我们拿到自己的训练任务后，通过查阅资料要及时确定出自己的设计方案，然后就是对自己的设计方案的一个实施过程。

在这次训练过程中，我遇到了很多的问题，有的通过查找资料来解决，有的是和同学一起探讨相互交流意见而得到答案，但一有些在仿真过程中出现的问题，我因为对设计平台的知识有欠缺，所