基于MATLAB/Simulink的PSK頻帶傳輸系統(tǒng)仿真與性能分析摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)一個(gè)PSK頻帶傳輸系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行仿真與性能分析。本課程設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)為MATLAB/Simulink。在設(shè)計(jì)此頻帶傳輸系統(tǒng)時(shí)，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行PSK調(diào)制，再通過加入高斯白噪聲傳輸信道，接著在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行PSK解調(diào)，最后把輸出的信號(hào)和輸入的信號(hào)進(jìn)行比較。通過最后仿真結(jié)果可知，該模擬信號(hào)頻帶傳輸通信系統(tǒng)已初步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)并可用于解決一些實(shí)際性的問題。關(guān)鍵詞 PSK調(diào)制解調(diào)；高斯白噪聲；MATLAB/Simulink1 引 言通信(Communication)就是信息的傳遞，是指由一地向另一地進(jìn)行信息的傳輸與交換，其目的是傳輸消息。然而，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對(duì)傳遞消息的要求也越來越高。在各種各樣的通信方式中，利用“電”來傳遞消息的通信方法稱為電信(Telecommunication)，這種通信具有迅速、準(zhǔn)確、可靠等特點(diǎn)，且?guī)缀醪皇軙r(shí)間、地點(diǎn)、空間、距離的限制，因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。目前，無論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，數(shù)字通信的發(fā)展速度已明顯超過了模擬通信，成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比，數(shù)字通信具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累；傳輸差錯(cuò)可控；便于用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲(chǔ)；易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕；易于加密處理，且保密性好。數(shù)字通信的缺點(diǎn)是，一般需要較大的帶寬。另外，由于數(shù)字通信對(duì)同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜。但是，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜程度大大降低。同時(shí)高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以及光纖等大容量傳輸媒質(zhì)的使用正逐步使帶寬問題得到解決。因此，數(shù)字通信的應(yīng)用必將越來越廣泛。本課程設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)一個(gè)PSK頻帶傳輸系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行仿真與性能分析1。在設(shè)計(jì)此頻帶傳輸系統(tǒng)時(shí)，首先對(duì)輸入信號(hào)利用相關(guān)的模塊進(jìn)行PSK調(diào)制，再通過加入高斯白噪聲傳輸信道，接著在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行PSK解調(diào)，最后把輸出的信號(hào)和輸入的信號(hào)進(jìn)行比較。1.1 設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)的目的主要是仿真通信系統(tǒng)中頻帶傳輸技術(shù)中的PSK調(diào)制。首先產(chǎn)生一段隨機(jī)的二進(jìn)制非歸零碼的基帶信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行PSK調(diào)制后再送入加性高斯白噪聲（AWGN）信道傳輸，在接收端對(duì)其進(jìn)行PSK解調(diào)以恢復(fù)原信號(hào)，觀察還原是否成功，改變AWGN信道的信噪比，計(jì)算傳輸前后的誤碼率，繪制信噪比-誤碼率曲線，并與理論曲線比較進(jìn)行說明。1.2 設(shè)計(jì)要求（1）本設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)為MATLAB中的Simulink。（2）模型設(shè)計(jì)應(yīng)該符合工程實(shí)際，模塊參數(shù)設(shè)置必須與原理相符合。（3）處理結(jié)果和分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且應(yīng)符合理論。（4）獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)并按要求編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。1.3 設(shè)計(jì)平臺(tái)MATLAB/Simulink1.4 設(shè)計(jì)步驟（1）根據(jù)課題任務(wù)書要求結(jié)合教材上講授的原理，在紙質(zhì)文檔上畫出課題的電路級(jí)框圖。（2）從設(shè)計(jì)平臺(tái)上找到實(shí)現(xiàn)框圖中每個(gè)方框?qū)?yīng)的功能實(shí)現(xiàn)模塊，并按圖連接方式進(jìn)行連接。（3）按照通信原理教材介紹的原理進(jìn)行每個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置。（4）運(yùn)行模塊，根據(jù)模型的運(yùn)行結(jié)果或出錯(cuò)提示，不斷地修改模型和仿真參數(shù)，直至仿真成功。2 基本原理2.1設(shè)計(jì)平臺(tái)簡(jiǎn)介MATLAB集成環(huán)境下的Simulink：MATLAB是一種功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和工程仿真軟件，它的交互式集成界面能夠幫助用戶快速地完成數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、仿真建模、系統(tǒng)控制和優(yōu)化等功能。MATLAB語言采用與數(shù)學(xué)表達(dá)相同的形式，不需要傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語言，由于MATLAB的這些特性，它已經(jīng)成為科研工作和工程仿真中的高效助手。Simulink是MATLAB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(jiǎn)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。Simulink的儲(chǔ)存模塊，仿真數(shù)據(jù)可以方便地以各種形式保存到工作區(qū)或文件中，供用戶在仿真結(jié)束之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。另外Simulink把具有特定功能的代碼組織成模塊的方式，并且這些模塊可以組織成具有等級(jí)結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)，因此具有內(nèi)在的模塊化設(shè)計(jì)要求。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果2。Simulink工作對(duì)話框如圖2-1所示：圖2-1 Simulink工作對(duì)話框2.2 PSK調(diào)制原理 相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息的，而振幅和頻率保持不變。在PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為式（2-1）。 （2-1）其中，表示第n個(gè)符號(hào)大的絕對(duì)相位。當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)，為0; 當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)，為。因此式（2-2）可改寫為式（2-5）。 （2-2）其中 的概率為P，的概率為-P。由于表示信號(hào)的兩種碼元的波形相同，極性相反，故PSK信號(hào)一般可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的相乘，即式（2-3）。 （2-3）其中的表達(dá)式為式（2-4）。 （2-4）這里，是脈寬為的單個(gè)矩形脈沖。發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0”時(shí)（取1），取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“1”時(shí)（取-1），取相位。這種以載波的不同相位直接去表示二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對(duì)相移方式。PSK信號(hào)模擬調(diào)制方法圖如下圖2-2所示：碼型變換S(t)乘法器載波epsk(t)雙極性不歸零圖2-2 PSK信號(hào)模擬調(diào)制方法圖PSK信號(hào)鍵控法調(diào)制圖如下圖2-3所示： 載波180度移相相開關(guān)電路0180度S(t)epsk(t)圖2-3 PSK信號(hào)鍵控法調(diào)制圖PSK信號(hào)的解調(diào)通常采用相干解調(diào)法，如圖2-4所示：BPF相乘器LPF抽樣判決器載波定時(shí)脈沖epsk(t)輸出圖2-4 PSK信號(hào)相干解調(diào)法3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 PSK調(diào)制與解調(diào)在本設(shè)計(jì)中采用的是模擬調(diào)制法和相干解調(diào)法。整個(gè)PSK的仿真系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)過程為：首先將信號(hào)源的輸出信號(hào)經(jīng)過碼型變換后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3-1所示：圖3-1 PSK調(diào)制與解調(diào)仿真電路圖載波模塊參數(shù)設(shè)置如下圖3-2所示：圖3-2 載波模塊參數(shù)設(shè)置說明：將載波頻率設(shè)置為5Hz，由于在載波參數(shù)設(shè)置里，頻率的單位是rad/sec，所以這里5Hz即為10*pi，對(duì)話框中“Frequency(rad/sec):”中應(yīng)填“10*pi”。信號(hào)源參數(shù)設(shè)置如下圖3-3所示：圖3-3 信號(hào)源的參數(shù)設(shè)置說明：對(duì)話框中“Sample time：”為抽樣時(shí)間，其倒數(shù)就是信號(hào)源的頻率，設(shè)信號(hào)源的數(shù)碼率為1bit/s，所以“Sample time：”中應(yīng)填“1”。碼變換器參數(shù)設(shè)置如下圖3-4所示：圖3-4碼變換器參數(shù)設(shè)置 說明：根據(jù)PSK調(diào)制解調(diào)原理，要將輸入的單極性碼轉(zhuǎn)換為雙極性碼，且是二進(jìn)制非歸零碼。對(duì)話框中“M-ary number：”即為進(jìn)制數(shù)，所以應(yīng)填“2”。低通濾波器參數(shù)設(shè)置如圖3-5所示：圖3-5 低通濾波器參數(shù)設(shè)置說明：低通濾波器的截止頻率等于信號(hào)源頻率。前面設(shè)置信號(hào)源頻率為1Hz，所以對(duì)話框中“Passband edge frequency (rads/sec)：”應(yīng)填“2*pi”。 抽樣判決器參數(shù)設(shè)置如下圖3-6所示：圖3-6 抽樣判決器參數(shù)設(shè)置說明：在PSK系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送不同符號(hào)的概率相等時(shí)，判決器的最佳判決門限為零，與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度無關(guān)。所以對(duì)話框中“Quantization partition”為“0”。量化器參數(shù)設(shè)置如圖3-7所示：圖3-7 量化器參數(shù)設(shè)置說明：量化器抽樣頻率等于信號(hào)源頻率。前面已經(jīng)設(shè)置信號(hào)源頻率為1Hz，即抽樣頻率為1Hz，所以對(duì)話框中“Sample time (-1 for inherited):”應(yīng)填“1”。誤碼器的參數(shù)設(shè)置如下圖3-8所示：圖3-8 誤碼器的參數(shù)設(shè)置 說明：根據(jù)示波器上的波形圖可以看出，最后輸出的波形入輸入波形之間存在一個(gè)碼元的延時(shí)，所以對(duì)話框中“Receive delay：”應(yīng)填“1”。PSK調(diào)制與解調(diào)波形如圖3-9所示：圖3-9 PSK調(diào)制與解調(diào)波形由上圖可知：第一路為信號(hào)源模塊波形圖，第二路為雙極性碼波形圖，第三路為PSK調(diào)制后波形圖，第四路為調(diào)制信號(hào)與載波相乘后波形圖，第五路為經(jīng)過低通濾波器后波形圖，第六路為PSK解調(diào)波形圖。由各波形可看出該P(yáng)SK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。3.2 加入高斯白噪聲后的PSK調(diào)制與解調(diào)加入高斯白噪聲后的PSK調(diào)制與解調(diào)仿真電路圖如圖3-10所示：圖3-10 PSK調(diào)制與解調(diào)中加入高斯白噪聲仿真圖帶通濾波器參數(shù)設(shè)置如圖3-11所示：圖3-11 帶通濾波器參數(shù)設(shè)置說明：帶通濾波器的上截止頻率和下截止頻率分別等于載波頻率與信號(hào)源頻率的和與差。前面已設(shè)置信號(hào)源頻率為1Hz，載波頻率為5Hz,計(jì)算得上、下截止頻率分別為6Hz、4Hz，轉(zhuǎn)換成以rads/sec為單位即為12*pi 、8*pi。所以“Lower passband edge frequency (rads/sec) Upper passband edge frequency (rads/sec)”應(yīng)填“8*pi 、12*pi”。高斯白噪聲的參數(shù)設(shè)置如下圖3-12所示：圖3-12 高斯白噪聲的參數(shù)設(shè)置加入高斯白噪聲后誤碼器的參數(shù)設(shè)置如下圖3-13所示：圖3-13 加入高斯白噪聲后誤碼器的參數(shù)設(shè)置說明：根據(jù)示波器上的波形圖可以看出，最后輸出的波形入輸入波形之間存在兩個(gè)碼元的延時(shí)，所以對(duì)話框中“Receive delay：”應(yīng)填“2”。PSK調(diào)制與解調(diào)中加入高斯白噪聲后示波波形如圖3-14所示：圖3-14 PSK調(diào)制與解調(diào)中加入高斯白噪聲仿真圖由上圖可知：第一路為信號(hào)源模塊波形圖，第二路為雙極性碼波形圖，第三路為PSK調(diào)制后的波形圖，第四路為加入高斯白噪聲后的波形圖，第五路為經(jīng)過帶通濾波器后的波形圖，第六路為經(jīng)過帶通濾波器后與載波相乘后的波形圖，第七路為經(jīng)過低通濾波器后的波形圖，第八路為PSK解調(diào)后的波形圖。在PSK調(diào)制與解調(diào)中加入高斯白噪聲后，波形出現(xiàn)了失真，解調(diào)也有誤碼存在，系統(tǒng)基本符合設(shè)計(jì)要求。3.3 誤碼率的計(jì)算誤碼率是衡量一個(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。理論上誤碼率計(jì)算M文件如圖3-15所示：圖3-15 理論上誤碼率計(jì)算M文件計(jì)算誤碼率時(shí)，高斯白噪聲的參數(shù)設(shè)置如圖3-16所示：圖3-16 高斯白噪聲參數(shù)設(shè)置圖說明：將對(duì)話框中“Variance(vector or matriz)”的參數(shù)改為“var”,對(duì)應(yīng)于繪制信噪比-誤碼率圖程序中的參數(shù)設(shè)置。程序內(nèi)容見附錄。誤碼器參數(shù)設(shè)置如圖3-17所示：圖3-17 誤碼器參數(shù)設(shè)置說明：將對(duì)話框中的“Output data”的參數(shù)改為“Workspace”。理論上誤碼率與信噪比關(guān)系曲線圖如圖3-18所示：圖3-18 理論上誤碼率與信噪比關(guān)系曲線圖實(shí)際上誤碼率計(jì)算M文件如圖3-19所示：圖3-19 實(shí)際上誤碼率計(jì)算M文件實(shí)際上誤碼率與信噪比關(guān)系曲線圖如圖3-20所示：圖3-20 實(shí)際上誤碼率與信噪比關(guān)系曲線圖由上圖可知，信噪比越大，誤碼率越小，與理論知識(shí)吻合。系統(tǒng)基本符合設(shè)計(jì)要求。4出現(xiàn)的問題及解決方法4.1 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。4.2 解決辦法第一：在示波器圖中修改data history中的limit data points to last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：這是因?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3。第三：在出現(xiàn)誤碼數(shù)據(jù)時(shí)，我們可以通過修改error rate calculation中receive delay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receive delay設(shè)為2即可解決此種情況4。第四：在本課程設(shè)計(jì)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：這是由于信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，而本次課程設(shè)計(jì)中信號(hào)是以幀的形式進(jìn)行傳輸，因而在解調(diào)輸出端若直接使用解調(diào)信號(hào)，將會(huì)產(chǎn)生波形失真。因此我們?cè)诮庹{(diào)輸出端加入相對(duì)應(yīng)的延時(shí)模塊即可解決此種問題5。 結(jié)束語此次通信原理課程設(shè)計(jì)只有短短的兩周時(shí)間，在這兩周時(shí)間里，我學(xué)會(huì)了用MATLAB/Simulink仿真系統(tǒng)初步的設(shè)計(jì)方法。初步了解了如何用MATLAB/Simulink這個(gè)仿真軟件進(jìn)行PSK系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)的設(shè)計(jì)。并且明白了如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻帶傳輸。雖然在課程設(shè)計(jì)過程中遇到了不少的麻煩和困難，與此同時(shí)也深刻認(rèn)識(shí)到自己存在的許多不足，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)有待加強(qiáng)，實(shí)踐的能力有所欠缺，遇到困難自己獨(dú)立處理有待努力。在課程設(shè)計(jì)之前，我到圖書館借閱了相關(guān)書籍，但是理論的學(xué)習(xí)并沒有讓我體會(huì)到課程設(shè)計(jì)的真諦，光憑理論實(shí)在無法實(shí)現(xiàn)書中所要表達(dá)的內(nèi)容，因此上機(jī)實(shí)踐很關(guān)鍵。通過理論知識(shí)的初步學(xué)習(xí)，加上上機(jī)的實(shí)踐，我漸漸地對(duì)Simulink有了一定的認(rèn)識(shí)，但是在將書上的理論方框圖轉(zhuǎn)換為Simulink模塊的過程中出現(xiàn)了很大的困難，因?yàn)閷?duì)軟件不熟悉的緣故，許多模塊都沒有找到，因此也大大延誤了設(shè)計(jì)的完成時(shí)間。但是在同學(xué)和老師的幫助指點(diǎn)下，許多問題得到了解決，同時(shí)也讓我對(duì)此次設(shè)計(jì)產(chǎn)生了濃厚的興趣，遇到問題也有了鉆研的精神。這次課程設(shè)計(jì)不僅鞏固我們?cè)跁蠈W(xué)習(xí)的基本內(nèi)容，還在一定程度上提高了我們的動(dòng)手能力。同時(shí)也讓我懂得依靠團(tuán)隊(duì)的力量才能使我們更快更好的將各種工作和任務(wù)完成好。在這次課程設(shè)計(jì)中，我不僅鞏固了過去學(xué)過的知識(shí)，同時(shí)還學(xué)到了許多書本上沒有學(xué)到的知識(shí)培養(yǎng)了我對(duì)系統(tǒng)的分析能力。通過這次課程設(shè)計(jì)，我深刻的了解到，理論與實(shí)際的結(jié)合是十分重要的，單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)無法培養(yǎng)我們實(shí)際動(dòng)手能力。只有把理論和實(shí)踐結(jié)合起來，把理論作為實(shí)踐的基礎(chǔ)，把實(shí)踐作為理論的延伸，使兩者有機(jī)的結(jié)合在一起，才能提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力， 兩周的時(shí)間很快就過去了，但是這段時(shí)間里的收獲和感觸卻是我的一大筆財(cái)富。在此我衷心感謝同學(xué)們?cè)谡n程設(shè)計(jì)中給予我的無私幫助，共同學(xué)習(xí)。也衷心感謝指導(dǎo)老師不辭辛苦指導(dǎo)我們課程設(shè)計(jì)的支持和輔導(dǎo)，感謝大家！參考文獻(xiàn)1 孫屹,戴妍峰. 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