课程设计通信系统的计算机仿真设计

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1、课程设计报告书 课程名称： 通信系统的计算机仿真设计 题 目： 8PSK通信系统的性能分析与MATLAB 仿真 系 （院）： 电子工程学院 学 期： 09-10-2 专业班级： 通信工程072 姓 名： 学 号： 030712205 评语：成绩：签名：日期：1 绪论1.1 研究背景与研究意义1.2 课程设计的目的和任务1.3 可行性分析2 8PSK通信系统2.1 8PSK通信系统基本模型2.2 8PSK通信系统的性能指标3 8PSK通信系统主要模块3.1 信源/信宿及其编译码3.2 基带信号处理3.3 调制/解调3.4 信道3.5 XXXXXX4 MATLAB对8PSK通信系统的仿真4.1 M

2、ATLAB主要模块及参数设置4.2 8PSK通信系统的仿真图和结果分析4.3 加入噪声及干扰时系统性能指标的变化分析5 结论1 绪论在这样一个信息化的社会，通信是很重要的，尤其是移动通信在现代化进程中起到的巨大作用是不容质疑的，移动通信的发展走过了一段漫长的路程。通信信号处理也从模拟向数字通信转变。同时通信系统已经由单一的硬件系统转向与软件的集合。随着通信技术的发展，信号处理方面硬件设计与专业软件设计结合日趋紧密，已经有一些公司开付出专业数字信号处理软件。比较优秀的而且得到广大技术人员认可的有MATLAB。MATLAB等优秀软件使仿真技术得到很好的应用。通过对通信过程的仿真，我们就可以在低成本

3、的条件下检测某一个方案是否能够实现，是否有更好的方案可以代替原来的方案，这样对通信的研究就站在了一个更高的起点，使通信技术的发展日新月异，近几年手机的普及率的迅速提高就从侧面反映移动通信技术的发展。现代移动通信系统的发展是以多种先进的通信技术为基础发展起来的。移动通信的 主要基本技术包括调制技术、移动信道中颠簸的传播特性、多址方式、抗干扰技术以及组网技术。在移动通信中，数字调制解调技术是关键技术，其中数字调相信号具有数字通信的诸多优点，在数字移动通信中广泛使用它来传送各种控制信息。本文就是通过用MATLAB软件来仿真研究数字通信中常用的集中调相方式：2PSK、QPSK、OQPSK、8PSK等，

4、分析各种调相信号的产生原理以及抗干扰性能。1.1 研究背景与研究意义1.1.1研究背景 随着科学技术的发展，系统建模和仿真技术已经日益成为现代个领域，特别是理工科各专业进行科学探索、系统可行性研究和工程设计不可缺少的重要环节。仿真技术在今天的通信领域是一个非常重要的技术手段。随着通信技术的发展，通信系统的结构和规模越来越复杂，基于通信系统的的应用也越来越多样化，单纯地依靠经验进行通信系统的规划和设计、通信设备的研发以及通信网络协议的开发，已经不能适应现代通信的发展需要。因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能，这导致了仿真技术的应运而生。1.1.2研究意义要规划和设计一个性能完善的通信系统

5、，光靠理论计算或凭个人的组网经验是无法完成的。如果在真实的网络环境中进行通信性能研究、网络规划、设计和开发，不仅耗资大，而且在统计数据的手机和分析上也有一定困难。通信仿真技术是通过在计算机中构造虚拟的环境来反映现实的通信网络环境，模拟现实中的网络行为，从而可以有效提高通信网络规划和设计的可靠性和准确性，明显降低通信系统的投资风险，减少不必要的投资浪费。 通过仿真软件来模拟和估算通信系统的性能，通过模拟和仿真来调整一些通信系统的参数以期达到最佳使用效果具有非常重大的意义。在本课题中用国际控制界公认的标准仿真软件MATLAB来仿真移动通信系统各种数字调制解调技术中，具有数字通信的诸多优点，广泛使用

6、它来传送各种控制信息的数字调相信号，比较不同调相技术之间的性能差异。1.2 课程设计的目的和任务1.2.1课程设计的目的本次课程设计是根据“通信工程专业培养计划”要求而制定的。通信系统的计算机仿真设计课程是通信工程专业学生在学完通信工程专业基础课、通信工程专业主干课及科学计算与仿真专业课后进行的综合性课程设计。其目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在实践中充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位机型设计打下一定的基础。1.2.2课程设计的任务课程设计的任务是：（1）掌握一般通信系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法

7、；掌握用计算机仿真通信系统的方法。（2）训练学生网络设计能力。（3）训练学生综合运用专业知识的能力，提高学生进行通信工程设计的能力。1.3 可行性分析8DPSK技术是多进制数字调相系统中经常使用的一种技术，它抗干扰能力强、误码性能好、频谱利用率高，而且，它成功地解决了八进制绝对移相键控（8PSK）在相干解调过程中产生的相位模糊问题，使系统的性能得以提高。2 8PSK通信系统在数字通信已经普及的今天，通信系统的发展目标是实现高速率、高质量、低损耗的多媒体信号传输。但在实际情况中，为实现这一目标，我们面临着众多挑战。例如，移动无线通信系统面临的是恶劣的无线信道：移动无线通信系统不仅需要克服路径损耗

8、，以及信号衰落还要克服由于多径时延扩展而引起的符号间干扰干又如，在已有的线路条件下，可以容纳的最大带宽是一定的，为实现高速率的传输，需要使用一种频带很窄的调制技术。针对上述问题，传统的调制技术已经不能适用于现代通信系统。8DPSK技术是多进制数字调相系统中经常使用的一种技术，它抗干扰能力强、误码性能好、频谱利用率高，而且，它成功地解决了八进制绝对移相键控（8PSK）在相干解调过程中产生的相位模糊问题，使系统的性能得以提高。2.1 8PSK通信系统基本模型本系统研究调制方式为8PSK方式，原理如下：8PSK (8 Phase Shift Keying 8移相键控) 是一种相位调制算法。相位调制（

9、调相）是频率调制（调频）的一种演变，载波的相位被调整用于把数字信息的比特编码到每一词相位改变（相移）。8PSK中的PSK表示使用移相键控方式，移相键控是调相的一种形式，用于表达一系列离散的状态，8PSK对应8种状态的PSK。如果是其一半的状态，即4种，则为QPSK，如果是其2倍的状态，则为16PSK。因为8PSK拥有8种状态，所以8PSK每个符号(symbol)可以编码3个比特(bits)。基带数字8PSK调制原理：8PSK信号码元可以表示为：(t)=Acos(wt+) k=1,2,M 式中：A为常数；为一组间隔均匀的受调制相位，其值决定于基带码元的取值。所以可以写为 =2（k-1）/M k=

10、1,2,M下图示出8PSK的信号相位 ： 令A=1，则将8MPS信号码元表示式展开写成：(t)=cos(wt+)=cos wt-sin wt8PSK信源码元可以看作是正弦和余弦两个正交分量合成的信号，每个码元3bit信息。2.2 8PSK通信系统的性能指标2.2.1有效性指标 .码元传输速率R 码元传输速率通常又称为码元速率，传码率，码率，信号速率或波形速率，直单位时间内传输码元的数目，单位为波特，常用B表示 信息传输速率R 信息传输速率简称信息速率，又称比特率，表示单位时间内传送的比特数，单位为bit/s.频带利用率频带利用率指的是传输效率问题，即定义为：单位频带内码元传输速率的大小，即 =

11、 R/B （B/Hz） 用信息速率形式表示为 = R/B(b/(s.Hz)2.2.2可靠性指标 码元差错率Pe 码元差错率简称误码率，指接受错误的码元数在传送码元数中所占的比例。确的说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率，表示为： Pe=单位时间内接收的错误码元数/单位时间内系统传输的总码元数信息差错率Pb 信息差错率称误信率或误比特率，指接收错误的信息量在传送信息总量中所占比例。表示为： Pb=单位时间内接受的错误比特数（错误信息量）/单位时间内系统传输的总比特数（总信息量）（其有效性与可靠性相互制约）3 8PSK通信系统主要模块3.1 信源/信宿及其编译码信息源（简称信源）的作用是吧各

12、种消息转换成原始信号。根据消息的类型不同，信源可以分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出的是模拟信号，如话筒、摄像机；数字信源输出的是离散的数字信号，如电传机、计算机等各种数字终端。并且，模拟信源送出的信号经数字化处理后也可以送出数字信号。受信者（简称信宿）是传送消息的目的地，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器。信源编码与译码：信源编码有2个基本功能：一是提高信息传输的有效性，即通过某种数据压缩技术设法减少码元数目和降低码元速率。码元速率决定传输所占的带宽，而传输带宽反应了通信的有效性。二是完成模/数（A/D）转换，即当信息源给出的是模拟信号时，信源编码器将其转换成数字信

13、号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码是新源编码的逆过程。信源编码后输出的波形：3.2 基带信号处理在数字传输系统中，其传输对象通常是二进制数字信息，他可能来自计算机、网络或其他的各种数字代码。也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号，设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的离散的波形来表示数字信息。这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。由于未经调制的脉冲电信号所占据的频带通常从直流和低频开始。因而称为数字基带信号。在某些有线信道中，特别是传输距离不大远的情况下，数字基带信号可以直接传送，我们称之为数字信号的基带传输。 3.3 调制/解调 我们将信息直接转换得到的

14、较低频率的原始信号称为基带信号。通常基带信号不宜直接在信道中传输。因此在通信系统的发送端需将基带信号的频谱搬移（调制）到适合信道传输的频率范围内，而在接收端，再将它们搬移（解调）到原来的频率范围，这就是调制和解调。 8PSK 正交调制8PSK双正交相干解调星座图3.4 信道信道是一种物理媒质，用来将来自发送设备的信号传送到接收端。在无线信道中，信道可以是自由空间；在有线信道中，可以是明线、电缆、光纤。有线信道和无线信道均有多种物理媒质，信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。信号经过调制以后，通过信道，信道可以选择高斯加性白噪声信

15、道、二进制对称信道、多径瑞利衰落信道、莱斯衰落信道等。3.5 XXXXXX4 MATLAB对8PSK通信系统的仿真 应用MATLAB进行仿真，仿真采用蒙特卡罗模型。仿真基本框图是：蒙特卡罗仿真算法：该算法又称随机性模拟算法，是通过计算机仿真来解决问题的算法，同时可以通过模拟来检验自己模型的正确性。它的基本思想是，为了求解数学、物理、工程技术以及管理等方面的问题，首先建立一个概率模型或随机过程，使它们的参数，如概率分布或数学期望等是所求问题的解；然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，并用算术平均值作为所求解的近似值。对于随机性问题，有时还可以根据实际物理背景的概率法则，用

16、电子计算机直接进行抽样试验，从而对问题进行解答。在通信系统得误码率计算中，由于计算公式复杂，甚至在很多情况下无法得到解析解，因此通过蒙特卡罗方法模拟实际的通信过程，得到仿真的通信系统误码率就成为一种方便的手段。4.1 MATLAB主要模块及参数设置4.1.1 Signalgenerator模块用来产生信号。主要参数：wave设置为sine、amplitude设置为4、frequence设置为4000hz 4.1.2 A-Law compressor 模块默认参数即可4.1.3 Dpcm Encoder和Dpcm Decoder模块用于对信号的抽样、量化；主要参数:sample time设置为0

17、.0000015625，其余参数保持默认值即可4.1.4 M-PSK Modulation baseband和M-PSK Demodulator baseband模块主要参数：M-ary的值设置为8、phase offset设置为100、sanples per symbol改为14.1.5 AWGN Channel模块作用是用模拟一个加性高斯白噪声信道;主要参数：initial seed为67、mode调成SNR、把SNR设置成500db、input signal power设置成0.00014.1.6 Error Rate Calculation模块用来计算接收到的信号的差错率，输出结果有三

18、组，依次是差错率、已检到的错误比特数、统计的总比特数；主要参数：output data设置成port，其余保持默认值4.1.7 Scope模块作用是显示输出信号的结果。主要参数：Number of axes设置为2、Time range设置成0.005 Tick labels设置为all、把sampling调成sample time，参数改为2e-74.1.8 Discrete-Time Scatter Diagram模块用于观测星座图。主要参数：samples per symbol设置为400、offset设置为100、Pionts displayed设置为100、New traces pe

19、r display设置为1004.1.9 Eye diagram scope模块用眼图的形式来观察输出信号。主要参数：samples per symbol设置为8、offset设置为0、symbols per trace设置为1、Traces displayed设置为400、new traces per display为3004.1.10 spectrum scope模块用于观测频谱；主要参数：选择 Buffer input，buffer size为128、Buffer overlap为64、number of spectral averages设置为24.2 8PSK通信系统的仿真图和结果分

20、析系统仿真图频谱图眼图原信号和调制解调后的信号比较：4.3 加入噪声及干扰时系统性能指标的变化分析加入噪声及干扰时误码率增大，频谱失真更加严重。5 结论5.1小结通过仿真软件来模拟和估算通信系统的性能，通过模拟和仿真来调整一些通信系统的参数以期达到最佳使用效果。本课题中使用国际控制界公认的标准仿真软件MATLAB来仿真移动通信系统各种数字调制解调技术，具有数字通信的诸多优点，广泛使用它来传送各种控制信息的数字调相信号，比较不同调相技术之间的性能差异。8DPSK技术是多进制数字调相系统中经常使用的一种技术，它抗干扰能力强、误码性能好、频谱利用率高，而且，它成功地解决了八进制绝对移相键控（8PSK

21、）在相干解调过程中产生的相位模糊问题，使系统的性能得以提高。5.2心得体会通过这次课程设计，我学到了很多东西：从刚开始的研究8PSK的调制解调原理到熟悉MATLAB函数编写程序和Simulink建模，再编写程序并验证8PSK的算法是否正确以及模块能不能够实现调制解调的功能，最后对全局有了大体的把握，改善了一些波形的显示，调整了程序和模块的各种参数，使调制解调各步骤得到的波形越来越富哥理论值，并对8psk性能做了仿真和研究，对其有了大体的掌握。在设计时也要随时考虑到数字信号处理中所学的抽样频率必须大于两倍信号谱的最高频率以及抽样点数N大于M点的有限长序列。这样就成功的将matlab，通信原理和数

22、字信号处理有机的结合在一起。此外在分析所设计的图中，根据相关的通信原理知识可以对结果作出判断，这样就提高了自己的相关知识，同时加深了对matlab的运用。总之一步步的走的非常缓慢艰辛，知识的探索本身就是一个曲折的过程，在这次课程设计中，让我更深刻的体会到这一点。参考文献1 刘卫国MATLAB程序设计教程中国水利水电出版社，200282 阮沈勇. MATLAB 程序设计.电子工业出版社.20043 薛定宇. 基于 MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用.清华大学出版社.20024 曹志刚.钱亚森.现代通信原理.清华大学出版社.20075 呈佩青. 数字信号处理教程.清华大学出版社.2007.2