BPSK通信系统的计算机性能分析与MATLAB仿真.doc

淮海工学院
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:BPSK通信系统性能分析与MATLAB仿真
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课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸
BPSK通信系统性能分析与MATLAB仿真
1 绪论
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。
1.1 研究背景与研究意义
随着通信系统复杂性不断增加 ,传统设计已不能适应发展的需要,通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视 ,因此在设计新系统时 ,要对原有的系统做出修改或者进行相关研究,通常要进行建模和仿真 ,通过仿真结果来衡量方案的可行性,从中选择合理的系统配置和参数设置 ,然后进行实际应用。MATLAB 作为一种功能强大的数据分析和工程计算高级语言,已被广泛应用于现代科学技术研究和工程设计的各个领域。调制解调技术在通信系统中不可或缺，因此，基于MATLAB的调制解调模块仿真设计对通信系统的教学和科研都具有积极的意义。
1.2 课程设计的目的和任务
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设计是通信工程专业的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机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进行设计打下一定的基础。
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、工作内容和设计方法；掌握用计算机仿真通信系统的方法。（2）建立系统模型：根据数字调制与解调原理及通信系统组成情况建立所选题目的系统模型。（3）设置参数：包括信源、抽样量化编码/译码、信道编码/译码、基带调制/解调器、各噪声产生器、信道、误码率计算器、星座图仪等参数的选择。（4）运行参数，进行系统仿真，得到误码率与信噪比的关系曲线图、星座图。（5）分析运行结果。
1.3 可行性分析
BPSK是英文Binary Phase Shift Keying的缩略语简称。把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，是利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的一种。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。二相相移键控（BPSK）是用二进制基带信号（0、1）对载波进行二相调制，是最简单的PSK形式，相移大小为 180°，又可称2-PSK，在群点聚集的地方，其实都不是非常有关系，在该图像中，群点分布在水平轴上的0°和180°上，由于BPSK使用严重的失真致使解调器作出错误的判断，所以该调制方式是所有PSK中最强的，但它只能以1bit/symbol调制而不适合高数据率应用情况。
2 BPSK通信系统
2.1 BPSK通信系统基本模型
本次设计，应用Matlab进行仿真，仿真采用蒙特卡罗模型。仿真框图如图2.1。
信号源
抽样
量化
PCM编码
信道编码
BPSK调制

信道
BPSK解调
信道译码
性能分析
噪声

图2.1 仿真框图
2.2 BPSK通信系统的性能指标
2.2.1 有效性指标
①码元传输速率RB
②信息传输速率Rb
③频带利用率
2.2.2 可靠性指标
①码元差错率Pe
②信息差错率Pb 3 BPSK通信系统主要模块及其主要参数
3.1 信源/信宿及其编译码
信息源（简称信源）的作用是把各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。
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号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码是信源编码的逆过程。
PCM编码和译码部分图如图3.1和图3.3所示，编译码仿真图分别如图3.2和图3.4所示。
图3.1 PCM编码

图3.2 PCM编码仿真图

图3.3 PCM译码

图3.4 PCM译码仿真图
3.2 BPSK调制与解调
3.2.1主要内容
1.简要阐述bpsk调制与解调原理
2.用matlab进行仿真，附上仿真源程序和仿真结果，对结果进行分析。
3.2.2主要原理
调制:将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号(已调信号或频带信号) 调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。
BPSK调制原理：如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，它们应处于“同相”状态；如果其中一个开始得迟了一点，就可能不相同了。如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为“反相”。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，1码控制发0度相位，0码控制发180度相位。载波的初始相位就有了移动，也就带上了信息。相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在BPSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制1和0。因此，BPSK信号的时域表达式为

式中，jn表示第n个符号的绝对相位：

因此，上式可以改写为

由于两种码元的波形相同，极性相反，故BPSK信号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：

式

这里s(t)为双极性全占空(非归零)矩形脉冲序列，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为

e2psk(t)
开关电路
S(t)
1800移相
coswct
p
0
BPSK信号的调制原理框图如图3.3所示，与2ASK信号的产生方法相比较，只是对是S(t)的要求不同。在2ASK中S(t)是单极性的，而在BPSK中S(t)是双极性的基带信号。
图3.3 BPSK信号的调制原理框
BPSK基带调制器参数设置如表3-1所示。
表3-1 BPSK基带调制器参数设置
Input type
Scalar
Constellation ordering
Binary
Phase offset(rad)
PhaseOffset
Sample per symbol
1
解调: 在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号。BPSK基带解调器参数设置如表3-2所示。
表3-2 BPSK基带解调器参数设置
Input type
Scalar
Constellation ordering
Binary
Phase offset(rad)
PhaseOffset
Sample per symbol
1
调制解调总图如图3.4所示。
图3.4 调制解调总图
3.3 信道部分
3.3.1 信道编码
信道编码：为了与信道的统计特性相匹配，并区分通路和提高通信的可靠性，而在信源编码的基础上，按一定规律加入一些新的监督码元，以实现纠错的编码。
（1）循环码的概念
循环码也是一种线性分组码，因此除具有线性分组码的性质外，还具有循环性。（2）循环冗余效验码，简称CRC码，是最常见的检错码
循环码模块图如图3.5所示。

图3.5 循环码模块图
循环码编码器其参数设置如表3-3所示。
表3-3 循环码编码器其参数设置
编号
名称
参数
1
Codeword length N
7
2
Message length K, or generator polynomial
4

3.2.2 信道译码
信道译码：信道译码是将接收到的符号消息如何进行判决的问题。
循环译码器如图3.7所示。

图3.7循环译码器模块图
信道编译码总图如图3.8所示：

图3.8 信道编译码总图
4 BPSK的MATLAB通信系统的仿真和性能分析
4.1 BPSK通信系统仿真
BPSK通信系统的无信道编码总设计图如图4.1所示。

图4.1 BPSK通信系统的无信道编码总设计图
有信道编码的循环码如图4.2（a）所示，汉明码总设计图如图4.2（b）所示。

图4.2 循环码有信道编码总设计图（a）

图4.2 汉明码有信道编码总设计图（b）
无信道编码频谱图如图4.3（a）所示。

图4.3（a） 无信道编码频谱图
有信道编码频谱图如图4.3（b）所示。

图4.3（b） 有信道编码频谱图
信源与接收端波形如图4.4所示。
图4.4信源与接收端波形
未加入高斯加性白噪声信道前的星座图如图4.5（a）所示。

图4.5（a） 未加入高斯加性白噪声信道前的星座图
加入高斯加性白噪声信道后的星座图如图4.5（b）所示。

图4.5(b) 加入高斯加性白噪声信道后的星座图
无信道编码眼图如图4.6（a）所示。

图4.6（a） 无信道编码时的眼图
信道加入高斯白噪声时的信道眼图如图4.6（b）所示。

图4.6(b) 信道加入高斯白噪声时的信道眼图
M文件如下：
clear;
echo on
x=-50:5:50; % x表示信噪比的取值范围
y=x; % y表示有信道编码时BPSK调制的误码率
z=x; % z表示无信道编码时BPSK调制的误码率
Frequency=4000; % 信源的频率定义为4000Hz
PhaseOffset=0; % 设置BPSK调制的初始相位
SimulationTime=0.001； % 设置仿真时间长度
for i=1:length(x)
SNR=x(i); % 信噪比依次取向量x的数值
sim('hanmingma1'); % 执行有信道编码时BPSK仿真模型
y(i)=mean('BitErrorRate1');% 从BitErrorRate1中获得调制信号的误码
率
sim('wubianma1'); % 执行无信道编码时BPSK仿真模型
z(i)=mean('BitErrorRate2');% 从BitErrorRate2中获得调制信号的误码率
end
hold off;
semilogy(x,y,'r',x,z,'b:'); % 绘制有无信道编码信噪比与误码率关系对比曲线
xlabel('信噪比/dB');
ylabel('误码率');
title('有无信道编码信噪比与误码率关系对比');
legend('有信道编码','无信道编码');
grid on;
4.2 性能分析
信噪比与误码率关系如图4.7所示。

图4.7 有无信道编码信噪比与误码率关系对比
蓝色的为无信道编码情况下的误码率-信噪比曲线，红色为用循环码信道编码情况下的误码率-信噪比曲线。随着信噪比的增大，加入噪声及干扰后的系统误码率随之增大。在一定的信噪比下，随着加入的噪声越多，系统的误码率也随之增大。
有无信道编码的误码率与信噪比关系如表4-1所示。
表4-1 有无信道编码的误码率与信噪比
SNR（dB）
无信道编码误码率
用循环码编码误码率
用汉明码编码误码率
-50
0.4974
0.4917
0.4927
-40
0.4925
0.4874
0.4853
-30
0.4776
0.4663
0.4661
-20
0.4238
0.3878
0.3807
-10
0.2906
0.1453
0.1242
0
0.2347
0.06275
0.04683
10
0.2344
0.0625
0.0469
20
0.2351
0.06276
0.04692
30
0.2343
0.06254
0.04689
40
0.2341
0.06292
0.04688
50
0.2344
0.06277
0.04692
用循环码编码加高斯、瑞利、莱斯三种噪声不同SNR的误码率如表4-2所示。
表4-2 用循环码编码加高斯、瑞利、莱斯三种噪声不同SNR的误码率
SNR(dB)
无噪声源
高斯噪声
瑞利噪声
莱斯噪声
三种都加
-10
0.1118
0.1922
0.1255
0.1275
0.1431
-8
0.08431
0.1275
0.09412
0.1000
0.1098
-5
0.06471
0.08431
0.06667
0.07451
0.09216
-3
0.06078
0.06471
0.06471
0.06275
0.07255
0
0.06078
0.06078
0.06275
0.06275
0.06471
10
0.06078
0.06078
0.06078
0.06078
0.06078
由表4-1可以看出，当信噪比从-50dB到-20dB时，有无信道编码的误码率基本相同，当信噪比从-20dB到50dB时，有信道编码的误码率明显低于无信道编码的误码率，且汉明编码稍好于循环编码。
由表4-2可以看出，当信噪比为-10dB至0dB时，高斯噪声对误码率影响较小，瑞利和莱斯噪声对误码率影响较大，且所加噪声数量越多，影响越大；当信噪比为10dB时，有无噪声对误码率无影响。
5 课程设计总结
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关通信工程线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!
生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，才真正意识到我们只有通过勤奋的努力，才能够真正体会到科技带给人类的幸福。
在整个移动通信课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。历经多次的猜想与实验，终于使得这个问题得到了圆满的解决。
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别等等，掌握了操作matlab的方法和技术。
参考文献
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