數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率仿真分析

./3G移動通信實驗報告實驗名稱：數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率仿真分析學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：學(xué)生班級:所學(xué)專業(yè)：實驗日期:實驗?zāi)康?.掌握幾種典型數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率分析方法。2.掌握誤碼率對數(shù)字通信系統(tǒng)的影響及改進方法。實驗原理1、數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信的任務(wù)是傳遞信息,因此信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)的最主要的質(zhì)量指標(biāo)。有效性是指在給定信道內(nèi)能傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少,而可靠性是指接收信息的準確程度。為了提高有效性,需要提高傳輸速率,但是可靠性隨之降低。因此有效性和可靠性是相互矛盾的,又是可交換的?？梢杂媒档陀行缘霓k法提高可靠性,也可以用降低可靠性的辦法提高有效性。數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性通常用信息傳輸速率來衡量。當(dāng)信道一定時,傳輸速率越高,有效性就越好。傳輸速率有三種定義：碼元速率〔：單位時間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目,單位是波特〔Baud,因此又稱為波特率；信息速率〔：單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘俊脖忍財?shù),單位是比特/秒〔b/s,因此又稱為比特率；消息速率〔：單位時間內(nèi)傳輸?shù)南?shù)目。對于M進制通信系統(tǒng),碼元速率與信息速率的關(guān)系為：特別說明的是,在二進制數(shù)字通信系統(tǒng)中信源的各種可能消息的出現(xiàn)概率相等時,碼元速率和信息速率相等。在實際應(yīng)用中,通常都默認這兩個速率相等,所以常常簡單地把一個二進制碼元稱為一個比特。數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性的衡量指標(biāo)是錯誤率。它也有三種不同定義：誤碼率〔：指錯誤接收碼元數(shù)目在傳輸碼元總數(shù)中所占的比例,即誤比特率〔：指錯誤接收比特數(shù)目在傳輸比特總數(shù)中所占的比例,即誤字率〔：指錯誤接收字數(shù)在傳輸總字數(shù)中所占的比例。若一個字由k比特組成,每比特用一碼元傳輸,則誤字率等于對于二進制系統(tǒng)而言,誤碼率和誤比特率顯然相等。而M進制信號的每個碼元含有比特,并且一個特定的錯誤碼元可以有種不同的錯誤樣式。其中恰好有i比特錯誤的錯誤樣式有個。假設(shè)這些錯去樣式以等概出現(xiàn),則當(dāng)一個碼元發(fā)生錯誤時,在n個比特種錯誤比特所占比例的數(shù)學(xué)期望值等于所以,當(dāng)M比較大時,誤比特率等于實際應(yīng)用中,在計算誤比特率時,是個十分重要的參數(shù)。為單位比特的平均信號能量,為噪聲的單邊功率譜密度。但人們在實際系統(tǒng)中能夠直接測量到的是平均信號功率S和噪聲功率N,并且由此可計算出信噪比。若一個二進制通信系統(tǒng)的信息傳輸速率為,接收機帶寬為B,則信噪比可表示為這里,為單位頻帶的比特率,它表示特定調(diào)制方案下的頻帶利用率,又稱頻帶效率。在二進制數(shù)字調(diào)制時,接收端可以采用相干解調(diào),也可以采用非相干解調(diào),它們的抗噪聲能力不同,誤碼性能也不同。下面就分相干解調(diào)與非相干解調(diào)來分析數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率。2、相干解調(diào)時的誤碼率相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生用于相干的參考載波信號,其一般模型為：圖10-1相干解調(diào)的一般模型設(shè)接收信號為與同頻同相相干載波相乘后得經(jīng)低通濾波后得在實際應(yīng)用中,經(jīng)常把相干解調(diào)與最佳接收混為一談,確切地說,只有當(dāng)相干解調(diào)中的濾波器嚴格按照匹配濾波器的要求來設(shè)計,才是真正的最佳接收。由通信原理知識可知,在匹配濾波器條件下求得的二進制調(diào)制的最小誤比特率為其中Q函數(shù)的定義為。為相關(guān)系數(shù),取值范圍為,取決于發(fā)送的信號的相似程度,即、分別為在內(nèi)的能量。下面分析幾種典型的二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)在相干解調(diào)時的誤碼率：對于2ASK信號,,由于,則。而,因此有對于2PSK信號,有,可求出,因此對于2FSK信號,有,其相關(guān)系數(shù)為當(dāng)時相互正交,。當(dāng)很大時,也接近于0。對于的2FSK信號,其誤比特率為3、非相干解調(diào)時的誤碼率非相干解調(diào)的最大優(yōu)點是不需要在接收端產(chǎn)生用于相干的參考載波。因此其設(shè)備相對要簡單便宜一些,但性能相對與相干解調(diào)來說有點差。對于2FSK信號,有〔22ASK與2FSK相同,即〔3對于2DPSK信號,有下圖顯示了不同二進制數(shù)字通信系統(tǒng)在相干解調(diào)和非相干解調(diào)時的誤碼率比較。圖10-2二進制調(diào)制的誤比特率曲線由上圖可以看出,使用相干解調(diào)時的誤碼率整體上比使用非相干解調(diào)時要低,這也說明使用相干解調(diào)時的抗噪聲能力比較強。4、多進制數(shù)字調(diào)制的誤碼率在多進制數(shù)字調(diào)制中,每個符號間隔內(nèi),可能發(fā)送的符號有M種：,,…,。在實際應(yīng)用中,通常取,n為大于1的正整數(shù)。當(dāng)攜帶信息的參數(shù)分別為載波的幅度、頻率或相位時,對應(yīng)的有M進制幅度鍵控〔MASK、M進制頻移鍵控〔MFSK、M進制相移鍵控〔MPSK。也可以把其中的兩個參數(shù)組合起來調(diào)制,例如M進制正交幅度鍵控〔QAM。多進制數(shù)字調(diào)制的調(diào)制解調(diào)方法與二進制的類似,主要差別在基帶成型階段。解調(diào)多采用相干解調(diào),下面就列出幾種典型多進制數(shù)字調(diào)制在相干解調(diào)時的誤碼率公式：M進制幅度鍵控〔MASKM進制頻移鍵控〔MFSKM進制相移鍵控〔MPSK〔4多進制正交幅度調(diào)制〔MQAM這里。實驗內(nèi)容1、編寫MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)Rake接收機。2、修改信噪比,觀察三種合并算法的誤碼率。實驗代碼clearall;dn=100;d=randint<1,dn>;d4_qpsk=d<1,2:2:dn>+2*d<1,1:2:dn-1>;fori=1:dn/2ifd4_qpsk<1,i>==0I<1,i>=1;Q<1,i>=1;elseifd4_qpsk<1,i>==1I<1,i>=-1;Q<1,i>=1;elseifd4_qpsk<1,i>==2I<1,i>=1;Q<1,i>=-1;elseifd4_qpsk<1,i>==3I<1,i>=-1;Q<1,i>=-1;endendendendenddin_2psk=2*d-1;en_min=-10;en_max=0;en_d=0.5;cn=1000;s_n=1;foren=en_min:en_d:en_maxern_2psk=0;ern_2ask=0;ern_qpsk=0;snr=en+10*log<2>/log<10>;fory=1:cndout_2psk=awgn<din_2psk,snr>;dout_2ask=awgn<d,snr>;Iout=awgn<I,snr>;Qout=awgn<Q,snr>;dout_2psk=sign<dout_2psk>;fori=1:dnifdout_2ask<1,i>>0.5dout_2ask<1,i>=1;elsedout_2ask<1,i>=0;endifdout_2ask<1,i>~=d<1,i>ern_2ask=ern_2ask+1;endenddout_2psk=<dout_2psk+1>*0.5;fori=1:dnifdout_2psk<1,i>~=d<1,i>ern_2psk=ern_2psk+1;endendfori=1:dn/2ifIout<1,i>>0ifQout<1,i>>0dout_qpsk<1,2*i>=0;dout_qpsk<1,2*i-1>=0;elsedout_qpsk<1,2*i>=0;dout_qpsk<1,2*i-1>=1;endelseifQout<1,i>>0dout_qpsk<1,2*i>=1;dout_qpsk<1,2*i-1>=0;elsedout_qpsk<1,2*i>=1;dout_qpsk<1,2*i-1>=1;endendifdout_qpsk<1,2*i>~=d<1,2*i>ern_qpsk=ern_qpsk+1;endifdout_qpsk<1,2*i-1>~=d<1,2*i-1>ern_qpsk=ern_qpsk+1;endendenderror_rate_2psk<1,s_n>=ern_2psk/dn/cn;error_rate_2ask<1,s_n>=ern_2ask/dn/cn;error_rate_qpsk<1,s_n>=ern_qpsk/dn/cn;Pbpsk<1,s_n>=qfunc<sqrt<10^<snr/10>>>;P2ask<1,s_n>=qfunc<sqrt<0.25*10^<snr/10>>>;Pqpsk<1,s_n>=0.5*2*qfunc<sqrt<2*2*10^<<en>/10>*<sin<pi/4>>^2>>;s_n=s_n+1;endx=en_min:en_d:en_max;subplot<1,2,1>;semilogy<x,error_rate_2psk,'o-',x,Pbpsk,'*-',x,error_rate_2ask,'o-',x,P2ask,'*-'>;legend<'bpsk仿真值','bpsk理論值','2ask仿真值','2ask理論值'>title<'2PSK