2PSK數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

#第3章simulink的介紹Simulink相關(guān)內(nèi)容Simulink是MATLAB【2】最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulik模塊庫按功能進(jìn)行分為以下8類子庫：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）用戶可以根據(jù)需要混合使用庫中的模塊來組合系統(tǒng)，自定義模塊庫、從而實(shí)現(xiàn)全圖形化仿真oSimulink模型庫中的仿真模塊組織成三級樹結(jié)構(gòu)Simulink子模型庫中包含了Continous、Discontinus等下一級模型庫Continous模型庫中又包含了若干模塊，可直接加入仿真模型。Simulink仿真原理Simulink通過利用模塊組合的方法可以方便用戶快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型。它可以用來模擬線性與非線性系統(tǒng)，連續(xù)與非連續(xù)系統(tǒng)，或者這些混合的系統(tǒng)，是強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真工具。在MATLAB命令窗口輸入“Simulink”并回車，就可進(jìn)入Simulink模型庫，單擊工具欄上的'■按鈕也可進(jìn)入。在MATLAB子窗口或Simulink模型庫的菜單欄依次選擇“File”|“New”|“Model”，即可生成空白仿真模型窗口。Simulink仿真過程Simulink仿真分為兩個(gè)階段：初始化和模型執(zhí)行。1、初始化階段初始化階段需要完成的主要工作及其步驟如下：（1）對模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到它們實(shí)際計(jì)算的值。（2）展開模型的各個(gè)層次。（3）按照更新的次序?qū)δK進(jìn)行排序。（4）確定那些非顯示化的信號(hào)屬性，并檢查每個(gè)模塊是否能夠接受連接到它們輸入端的信號(hào)。（5）確定所有非顯示化的信號(hào)采樣時(shí)間模塊的采樣時(shí)間。（6）分配和初始化存儲(chǔ)空間，以便存儲(chǔ)每個(gè)模塊的狀態(tài)和當(dāng)前值的輸出。2、模型執(zhí)行階段對于一般的仿真模型是通過采用數(shù)值積分來來進(jìn)行仿真的，計(jì)算數(shù)積分可以采用以下兩步來進(jìn)行：（1）按照秩序計(jì)算每個(gè)模塊的積分。（2）根據(jù)當(dāng)前輸入和狀態(tài)來決定狀態(tài)的微分，得到微分矢量，然后把它返回給解法器，以計(jì)算下一個(gè)采樣點(diǎn)的狀態(tài)矢量。（3）運(yùn)行仿真方式有兩種方式，分別是菜單方式和命令行方式。菜單方式：在菜單欄中依次選擇"Simulation"|"Start"或在工具欄上單擊L_。命令行方式：輸入“sim”啟動(dòng)仿真進(jìn)程。比較這兩種不同的運(yùn)行方式：菜單方式的優(yōu)點(diǎn)在于交互性，通過設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察輸出信號(hào)。命令行方式啟動(dòng)模型后，不能觀察仿真進(jìn)程，但仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。第4章2PSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1整體電路設(shè)計(jì)通過對上述原理的分析，所設(shè)計(jì)的方案是采用模擬調(diào)制和相干解調(diào)。整個(gè)PSK的仿真系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)過程為：由于本次設(shè)計(jì)使用的是巴克碼，無需進(jìn)行碼型變換，所以首先將信號(hào)源的輸出信號(hào)與載波通過相乘器進(jìn)行相乘，送入加性高斯白噪聲（AWGN）信道中傳輸。在接收端通過帶通濾波器后再次與載波相乘，接著通過低通濾波器、抽樣判決器，最后由示波器顯示出各階段波形，并用誤碼器觀察誤碼率。PSK調(diào)制與解調(diào)仿真電路圖如圖4-1所示。圖4-12PSK圖4-12PSK調(diào)制與解調(diào)仿真電路圖2PSK信號(hào)調(diào)制模塊設(shè)計(jì)利用模擬調(diào)制法二進(jìn)制相位調(diào)制，由于使用的是巴克碼，所以不需要進(jìn)行碼型變換，巴克碼直接與載波相乘，再通過加性高斯噪聲信道，仿真電路圖如圖4-2所示。BaiXETEBaiXETGener-sto*SineWave圖4-22PSK模擬調(diào)制模塊電路BaiXETEBaiXETGener-sto*SineWave圖4-22PSK模擬調(diào)制模塊電路AWGN其中BarkerCodeGenerator為巴克碼產(chǎn)生器，SineWave為載波模塊。各個(gè)模塊參數(shù)設(shè)置如下：BarkerCodeGenerator（巴克碼產(chǎn)生器）：要求碼元速率為100KHZ，則采樣時(shí)間為10-5S,如圖4-3所示。圖4-3BarkerCodeGenerator參數(shù)設(shè)置SineWave（正弦波）:載波頻率為1MHZ，故設(shè)置Frequancy為2*pi*10飛，采樣時(shí)間為10-7S,如圖4-4所示。圖4-4SineWave參數(shù)設(shè)置圖4-5Product參數(shù)設(shè)置

AWGNChannel（加性高斯噪聲信道）如圖4-6所示，信噪比為10dB。WtlBlockPeiramet-eira.；AWGNChonn-eiaWC?NiShJ.n.n.eitmnsk?<11rLk>Ad.d.vh.dt.AWGNChannel（加性高斯噪聲信道）如圖4-6所示，信噪比為10dB。WtlBlockPeiramet-eira.；AWGNChonn-eiaWC?NiShJ.n.n.eitmnsk?<11rLk>Ad.d.vh.dt.?i3i-B.uixa.nn-o±x■*tgwd.nput:k1snx：l.Th?input:Mndr40.1qec-cuxialiu.Ih.iscu.oi>OEtcmilc14h-anna11nouts.ndk■■:LHmkfrJiij*-t=>xxadpTD-a?koutput.k:1■mliha4LltE>Ut￡l￡n.Q.l￡Q=WTien.Lieln￡eitherofth.evariancemodeswith,oomolezTn.口uxs.M.ra9qluai,!1￡1￥Hac-nr*thara■,Land±=iaj|dhmx-xc-cnp-c-nant.ktHevariancevalLies■oft:hainputa.±sn■.!.sra.f:Jj-L'S-LLtQvichIipply圖4-6AWGNChannel參數(shù)設(shè)置4.32PSK信號(hào)解調(diào)模塊設(shè)計(jì)解調(diào)模塊中，采用相干解調(diào)的方法，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器之后，與本地的載波相乘，然后通過低通濾波器，去除信號(hào)中的高頻成分，得到包含基帶信號(hào)的低頻成分。最后抽樣判決，得到基帶信號(hào)波形，仿真電路圖如圖4-7所示。圖4-72PSK相干解調(diào)模塊電路相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：SineWave（正弦波）：本地載波，與調(diào)制時(shí)的載波設(shè)置一樣。如圖4-8所示。圖4-8SineWave參數(shù)設(shè)置DigitalFilterDesignl（帶通濾波器）參數(shù)設(shè)置如圖4-9所示。EQE->o<kPdfai?eie*iiDfjkdlfihe*Des^l:?“+戸；■:HTElBE□函，:?“+戸；■:HTElBE□函，卜辛田J-囲kJ?莊］口樸□M?Eb.h^RfcLii*RaiptnaBrdE-jOida-：ES-tsm-FcmhFH99Sadia-ixE1a*?:UdLTU■:DizgrtidSk代F#efr#trMcw>n^TF|R4^dv-■8.-Oida-：ES-tsm-FcmhFH99Sadia-ixE1a*?:UdLTU■:DizgrtidSk代F#efr#trMcw>n^TF|R4^dv-■8.-勺目h:::;::;:I:0.S3.5-Frwquinrp(WHx^L^ia|h!-qUrtl?.hF&：PDA5lB|pd：Fxfcopl[DE~心兇酹：Fjwwarl:|D.erpuxsjYsFr■畑1堆|】j圖4-9DigitaiFilterDesignl圖4-9DigitaiFilterDesignl（帶通濾波器）參數(shù)設(shè)置Product參數(shù)設(shè)置如圖4-10所示圖4T0Product圖4T0Product參數(shù)設(shè)置DigitalFilterDesignl（低通濾波器）參數(shù)設(shè)置如圖4-11所示。圖4-11DigitalFilterDesignl（低通濾波器）參數(shù)設(shè)置Relay（抽樣判決）參數(shù)設(shè)置如圖4T2所示。圖4T2Relay（抽樣判決）參數(shù)設(shè)置4.4誤碼率計(jì)算模塊設(shè)計(jì)由于解調(diào)后波形比原波形有一定的延遲，所以將原始巴克碼經(jīng)過一個(gè)延遲模塊與解調(diào)后的二進(jìn)制序列一同送入誤碼率計(jì)算模塊，利用顯示器得出誤碼率。仿真電路圖如圖4-13。圖4-13誤碼率計(jì)算仿真電路圖相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：UnitDelay（延遲）參數(shù)設(shè)置如圖4T4所示。.■BlockParameters:UnitDelay!：:，'SamplestlHtinJ.亂wltnone-sample-perleda&lay..iMainj|Sta_tapropartiaeIni七ialcon.ditzQns:lLSampletime-{-ifoxixUier11ed.}:|o.OCHXll□KICarLcel1Help1Applyj圖4T4UnitDelay（延遲）參數(shù)設(shè)置誤碼率計(jì)算模塊參數(shù)設(shè)置如圖4-15所示。圖4-15誤碼率計(jì)算模塊參數(shù)設(shè)置Display（顯示器）參數(shù)設(shè)置如圖4T6所示。圖4-16Display（顯示器）參數(shù)設(shè)置SpectrumScopel（頻譜分析模塊）參數(shù)設(shè)置如圖4T7、4T8、4-19所示。圖4-17r□_p回nF廠口冋ScopeFroparties；DisplayFroperties]AxieFrcp&rtiesLine]嘴旦air圖4-18ScopeFropertiesHisplayFroperties3Properti-zinLine】*|圖4-19第5章仿真實(shí)現(xiàn)5.1matlab仿真結(jié)果分析2PSK信號(hào)調(diào)制的仿真結(jié)果如圖5-1所示。圖5-12PSK信號(hào)調(diào)制的仿真結(jié)果輸入調(diào)制系統(tǒng)的基帶信號(hào)時(shí)通過BarkerCodeGenerator（巴克碼產(chǎn)生器）隨機(jī)產(chǎn)生的5個(gè)數(shù)字信號(hào)-1,-1,1,-1,-1。用載波對基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，圖5-1中第一個(gè)和第二個(gè)波形分別是原始數(shù)字信號(hào)和載波，最終的調(diào)制波形如圖5-1中第三個(gè)波形。當(dāng)加入噪聲后，到達(dá)解調(diào)器的波形如圖5-1中的第四個(gè)波形所示，加入高斯噪聲后的已調(diào)信號(hào)明顯與為加入時(shí)的信號(hào)在邊界處變得模糊。圖5-22PSK信號(hào)相干解調(diào)的仿真結(jié)果圖5-2中第一個(gè)和第二個(gè)波形分別是原始數(shù)字信號(hào)和加入高斯噪聲后的調(diào)制波形；通過帶通濾

波器所得的波形如圖5-2中第三個(gè)波形所示，可以看出，濾除了噪聲；與本地載波相乘后再通過低通濾波器的兩個(gè)波形分別是圖5-2中第四個(gè)波形和第五個(gè)波形，明顯看出，經(jīng)過低通濾波器后，高頻成分已被濾掉，波形變的平滑；圖5-2中最后一個(gè)波形是經(jīng)過抽樣判決器所得到的最終恢復(fù)出來的信號(hào)，與原始數(shù)字信號(hào)相比，大致相同，只是有一定的延遲，這是正常現(xiàn)象，是由兩個(gè)濾波器所引起的。2PSK信號(hào)調(diào)制前后及解調(diào)前后的頻譜仿真結(jié)果如圖5-3、5-4、5-5所示。圖5-3調(diào)制后的頻譜S3rartOizhei-'/SiDe-^irMrt-iI圖5-3調(diào)制后的頻譜S3rartOizhei-'/SiDe-^irMrt-iI1=jo圖5-4解調(diào)前的頻譜圖5-5解調(diào)后的頻譜從圖5-3、5-4、5-5中可以看出二進(jìn)制相位調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)就是一個(gè)頻譜搬移與反搬移的過程。誤碼率分析誤碼率是衡量一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在信道高斯白噪聲的干擾下，各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率取決于解調(diào)器輸入信噪比，而誤碼率表達(dá)示的形式則取決于解調(diào)方式。通過波形對比分析可知，2PSK的調(diào)制過程的仿真波形達(dá)到了預(yù)期的效果，就解調(diào)模塊單獨(dú)而言，它的每一步得到的圖形也是達(dá)到了預(yù)期的效果，但是在恢復(fù)出來的碼型產(chǎn)生了時(shí)延，這就說明有誤碼存在，而且在仿真的過程中也可以看出，但是具體的設(shè)計(jì)還是符合系統(tǒng)要求的。從仿真中可以看出，在2PSK調(diào)制系統(tǒng)中由于存在信道干擾和碼間串?dāng)_，會(huì)影響調(diào)制系統(tǒng)的性能，即存在一定的誤碼率。出現(xiàn)誤碼的原因可能有以下幾個(gè)方面：1、誤碼有可能是由于噪聲造成的。由于噪聲的存在，可能會(huì)使原有基帶信號(hào)的正負(fù)電平出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，由于抽樣判決門限為0，造成判決出錯(cuò)出現(xiàn)誤碼。2、有可能是碼間干擾的原因。雖然理論分析可以完全消除碼間干擾，但是由于平方根升余弦濾波器等部件不可能是完全理想的，所以在仿真及實(shí)際工程中碼間干擾是不會(huì)完全消除的。3、由于采用相乘器等模塊構(gòu)造解碼器，其解碼過程也有可能會(huì)出錯(cuò)。仿真過程出現(xiàn)的問題第一，示波器圖形顯示不全。第二，信號(hào)在經(jīng)過所設(shè)計(jì)的帶通通信仿真系統(tǒng)后波形出現(xiàn)失真。第三，在沒有加入高斯白噪聲的情況下解調(diào)誤碼率不為0。第四，加入噪聲之后，誤碼率顯著提高。第五，解調(diào)波形時(shí)無失真，但解碼后波形嚴(yán)重失真。解決方法：第一，在示波器圖中修改datahistory中的limitdatapointstolast的數(shù)據(jù)再重新運(yùn)行simulink觀察示波器即可看到準(zhǔn)確圖形。第二，因?yàn)樾盘?hào)進(jìn)行抽樣時(shí)沒有滿足奈奎斯特定理。為了能從取樣信號(hào)中恢復(fù)原信號(hào)，抽樣必須滿足奈奎斯特定理，即抽樣頻率應(yīng)大于或等于兩倍的原始信號(hào)頻率。第三，在出現(xiàn)誤碼數(shù)據(jù)時(shí)，我們可以通過修改errorratecalculation中receivedelay的數(shù)據(jù)這種手段直到誤碼數(shù)據(jù)為零。在本設(shè)計(jì)中我們將receivedelay設(shè)為2即可解決此種情況。第四，在本次綜合訓(xùn)練中通過提高載波的頻率，并相應(yīng)的改變帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置來解決此種情況的發(fā)生。第五，由于信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，因此我們在解調(diào)輸出端加入相對應(yīng)的延時(shí)模塊即可解決此種問題。第6章總結(jié)這次的課程設(shè)計(jì)。在我拿到題目之后，我便翻閱和查找了大量資料來了解自己的課題任務(wù)，并利用所學(xué)對其原理進(jìn)行分析。在作了全面的了解之后，針