基于matlab的移動通信中數字調相技術的研究與仿真畢業設計-文庫吧

【正文】 正是能適應這一要求的優秀仿真平臺軟件，并已成為全世界科技工作者共同的學術交流工具以及系統仿真界事實上的工業標準?，F在，我國教育科研部門對 MATLAB 的地位和重要作用也逐漸達成了共識，尤其是在硬件設施有限、科研經費不足的情況下， MATLAB 的廣泛應用必將大大提升我國科教事業的基礎研究水平。 在移動通信的關鍵技術之一的調制解調技術領域，數字調制解調技術作為數字蜂窩移動通信系統中空中接口的重要組成部分，它具有抗干擾能力強、易于加密、話音間隙噪聲 小等優點。目前正在研究的數字調制方式有緩變調頻 (TFM)、相干移相鍵控 (CPSK)、 四相移相鍵控 (QPSK)、高斯最小移頻健控 (GMSK)及網格編 (TCM)調制方案等，選擇適用于具體的移動和個人通信系統的調制方案，要依賴于許多因素，如譜效率特性與同波道干擾的關系、多載波比特率的支持、接收機靈敏度等。目前已用于數字蜂窩無線系統的調制技術可分為兩大類：線性調制技術和恒包絡調制技術。 在當代移動通信中，第三代移動通信系統（ 3G）已成為目前通信業的研究熱點。 第一代移動通信系統采用頻分多址 (FDMA)的模擬調制方式 ，這種系統的主要缺點是頻譜利用率低，信令干擾話音業務。第二代移動通信系統主要采用時分多址 (TDMA)的數字調制方式，提高了系統容量，并采用獨立信道傳送信令，使系統性能大為改善，但 TDMA的系統容量仍然有限，越區切換性能仍不完善。 CDMA 系統以其頻率規劃簡單、系統容量大、頻率復用系數高、抗多徑能力強、通信質量好、軟容量、軟切換等特點顯示出巨大的發展潛力。 在第二代通信系統中，使用 QPSK、 OQPSK 做為調制解調技術的 IS95 系統以其高語音質量、穩定的性能及空中接口的大容量在世界各地廣泛配置。 IS95 目前 還在不斷完善和發展的過程中，高通公司（ Qualm）將致力繼續發展 IS95，以便使 IS95 保持競爭優勢，并過渡到第三代系統。通過研究，在 IS95 系統的基礎上不斷推出新標準。 基于 IS95 的 CdmaOne 技術自 1995 年 10 月商用實踐以來，迅速覆蓋韓國、日本、美國、歐洲和南美洲的一些主要市場，取得了巨大的商業成功，并成為業界公認的過渡到未來 3G 的技術平臺。目前各國上報給國際電聯審批的所有 3G 提案中，絕大多數方案都是基于與 IS95CDMA 相近的 CDMA 技術。 桂林電子科技大學畢業設計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 30 頁 本課題主要內容 本課題從調相 技術的仿真出發，分析并比較各種調相技術的特性及設計方法，從而得出各種移動通信系統中調相技術的具體方案。數字 調相技術的研究與仿真 可以分解為各種調制技術（ 2PSK、 QPSK、 OQPSK 等）的調制解調原理和其理論實現方法，用MATLAB 軟件實現仿真，通過星座圖、頻譜利用率、誤碼率分析等全面研究移動通信系統的調相技術。 本課題要求以數字調制技術為基本理論，分析幾種常用的調相技術，進行初步的設計計算，然后通過 MATLAB 仿真調相信號，進行參數的設置和調整，要求獲得各種調相信號的波形和軟件編程方法，對其進行數據分析，得 出移動通信系統中采用何種調制方式的理論依據。 2 通信系統和調相信號研究及 MATLAB簡介 信息的高度發展給整個社會的經濟、文化、科研、教育帶來了很大的變革，它推動著社會的發展，給人們的工作學習還有生活帶來許多的便利。在理論上，通信是怎樣一種概念，如何建立通信系統，通信系統有哪些分類， MATLAB對社會的發展以及通信的研究又帶來了什么方便，下面將描述性地介紹通信系統的各個方面以及簡要的介紹一下MATLAB軟件。 通信系統的組成 通信的目的是傳輸消息。消息具有不同的形式，例如：符號、文字、話音、音樂 、數據、圖片、活動圖象等。而傳遞消息的方式可以有多種，根據其發展先后我們可以分為電報、電話、傳真、數據傳輸以及發展到現在的可視電話等。而從廣義的角度看，廣播、電視、雷達、導航、遙測等也可以列入通信的范疇。 從表面上看來，通信就是將信息從發送端發送出去，從接收端獲取信息。但是，在通信模型構造上還是非常復雜的，下圖是一個簡單的通信系統模型。 圖 簡單通信系統一般模型 圖 中，信源（信息源，也稱發終端）的作用是把待傳輸的消息轉換成原始電信號，如電話 系統中電話機可看成是信源。信源輸出的信號稱為基帶信號。所謂基帶信號是指沒有經過調制（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號，其特點是信號頻譜從零頻附近開始，具有低通形式。根據原始電信號的特征，基帶信號可分為數字基帶信號和模擬基帶信號，相應地，信源也分為數字信源和模擬信源。發送設備的基本功能是將信源信源 發送設備 信道 接收設備 信宿 噪聲源 桂林電子科技大學畢業設計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 30 頁 和信道匹配起來，即將信源產生的原始電信號（基帶信號）變換成適合在信道中傳輸的信號。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調制是最常見的變換方式；對傳輸數字信號來說，發送設備又常常包含信源編碼和信道編碼等。 信道是指信號傳輸的通道，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設備。圖中的噪聲源，是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統中其它各處噪聲的集合。 在接收端，接收設備的功能與發送設備相反，即進行解調、譯碼、解碼等。它的任務是從帶有干擾的接收信號中恢復出相應的原始電信號來。 信宿（也稱受信者或收終端）是將復原的原始電信號轉換成相應的消息，如電話機將對方傳來的電信號還原成了聲音。 圖 給出的是通信系統的一般模型，按照信道中所傳信號的形式不同，可進一步具體化為模 擬通信系統和數字通信系統。 數字通信系統 信道中傳輸數字信號的系統，稱為數字通信系統。 數字通信系統可進一步細分為數字頻帶傳輸通信系統、數字基帶傳輸通信系統、模擬信號數字化傳輸通信系統。 （ 1） 數字頻帶傳輸通信系統 數字通信的基本特征是，它的消息或信號 具有 ―離散 ‖或 ―數字 ‖的 特性，從而使數字通信具有許多特殊的問題。 數字通信中存在以下突出問題：第一，數字信號傳輸時，信道噪聲或干擾所造成的差錯，原則上是可以控制的。這是通過所謂的差錯控制編碼來實現的。于是，就需要在發送 端增加一個編碼器，而在接收端相應需要一個解碼器。第二，當需要實現保密通信時，可對數字基帶信號進行 人為 ―擾亂 ‖（ 加密），此時在收端就必須進行解密。第三，由于數字通信傳輸的是一個接一個按一定節拍傳送的數字信號，因而接收端必須有一個與發端相同的節拍，否則，就會因收發步調不一致而造成混亂。另外，為了表述消息內容，基帶信號都是按消息特征進行編組的，于是，在收發之間一組組的編碼的規律也必須一致，否則接收時消息的真正內容將無法恢復。在數字通信中，稱節拍一致 為 ―位同步 ‖或 ―碼元同步 ‖，而稱編組一致為 ―群同步 ‖或 ―幀同步 ‖，故數字通信中還必須有 ―同步 ‖這個 重要問題。 綜上所述，點對點的數字通信系統模型一般可用圖 表示。 圖 數字頻帶通信系統的模型 信 源 加密器 編碼器 調制器 信道 解調器 譯碼器 解密器 信 宿 噪聲源 同步 桂林電子科技大學畢業設計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 30 頁 圖 中調制器 / 解調器、加密器 / 解密器、編碼器 / 譯碼器等環節，在具體通信系統中是否全部采用，這要取決于具體設計條件和要求。但在一個系統中，如果發端有調制 / 加密 / 編碼，則收端必須有解調 / 解密 / 譯碼。通常把有調制器 / 解調器的數字通信系統稱為數字頻帶傳輸通信 系統。 （ 2） 數字基帶傳輸通信系統 與頻帶傳輸系統相對應，我們把沒有調制器 / 解調器的數字通信系統稱為數字基帶傳輸通信系統，如圖 所示。 圖 數字基帶傳輸系統模型 圖 中基帶信號形成器可能包括編碼器、加密器以及波形變換等，接收濾波器亦可能包括譯碼器、解密器等。 （ 3） 模擬信號數字化傳輸通信系統 上面論述的數字通信系統中，信源輸出的信號均為數字基帶信號，實際上，在日常生活中大部分信號（如 語音信號）為連續變化的模擬信號。那么要實現模擬信號在數字系統中的傳輸，則必須在發端將模擬信號數字化，即進行 A/D 轉換；在接收端需進行相反的轉換，即 D/A 轉換。實現模擬信號數字化傳輸的系統如圖 所示。 圖 模擬信號數字化傳輸系統 調相技術的初步研究 在實際通信中，不少信道都不能直接傳送基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，即對基帶信號進行調制。 調制即是按照調制信號（基帶信號）的變化規律去改變載波某 些參數的過程。調制不僅可以對被調制信號進行頻譜搬移和擴頻，而且對系統的傳輸有效性和傳輸可靠性有很大影響，因此，調制方式往往決定了一個通信系統的性能。在傳輸脈沖時，傳輸系統會產生噪聲，如果其幅度為反極性并超過脈沖的幅度，則產生誤碼。在以脈沖調制載波時，也有同樣現象產生。但是，在一定的噪聲情況下，根據對載波的調制方法和解調方法的不同，誤碼的發生概率也不同。一般，數字調制方式的選擇往往是頻帶利用率、誤比特率、 Eb/n0（或 S/N）和設備實現復雜性等模 擬 信息源 由抽樣、量化、編碼組成的模 /數轉換器 數字通信系統 數 /模轉換 器 受信者 信源 基帶 信號 形成 器 信道 接收 濾波 器 抽樣 判決 信宿 噪聲源 桂林電子科技大學畢業設計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 30 頁 因素綜合考慮的結果，必須根據具體使用條件進行比較才能做出判斷。 數 字調制方式有三種：幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。它們分別對應于用正弦波 的幅度、頻率和相位來傳遞數字基帶信號。當調制信號為二進制數字信號時，該調制稱 為二進制數字調制。而當調制信號為多進制數字信號時，則稱為多進制數字調制。相移鍵控有很多方式，如 PSK、 DPSK、 QPSK、 OQPSK、 pi/4DQPSK等。本設計重點對 PSK、DPSK、 QPSK三種方式進行研究和仿真。 MATLAB和 Simulink簡要介紹 MATLAB 的由來及其發展在 小節中已經做了介紹，這里不在重述。下面簡要介紹一下 MATLAB 的幾個重要特點。 （ 1）編程簡潔，效率高 矩陣和向量運算是工程數學計算的基礎， MATLAB 是一種以矩陣為基本變量單元的可視化的程序語言，其基本數據單元是既不需要指定維數、也不需要說明數據類型的矩陣，而且數學表達形式和運算規則與通常的習慣相同。因此，在 MATLAB 環境下，數組操作與數的操作一樣簡單。這使得計算機兼備高級計算機的功能，使用十分方便。 （ 2）擴展功能強大 MATLAB 語言不但提供了科學計算，數據分析與可視化，系統仿真等強大功能，而且還具有擴展的特征。 Math Works 公司針對不同領 域的應用，推出了自動控制、信號處理、圖象處理、模糊邏輯、神經網絡、小波分析、通信、最優化、數理統計、偏微分方程、財政金融等 30 多個具有專門功能 MATLAB 工具箱。在這些工具箱里，除基本函數外，還有初等矩陣和矩陣變換、數值線形代數、多項式運算求根、函數求極限值、數據分析和傅立葉變換，已經某些特殊的矩陣函數和數學函數等，這些函數都可以直接調用。同時， MATLAB 支持用戶對其函數進行二次開發，用戶的程序可以作為新的函數添加到相應的工具箱中，擴充函數庫。 （ 3）語言簡單 MATLAB 語言中最基本、最重要的成 分是函數。函數可以是數學上的函數，也可以是程序塊或子程序，十分豐富，而且便于調試。 （ 4）繪圖功能強大 MATLAB 具有強大的二維、三維繪圖功能。在程序的運行過程中，可以方便迅速地用圖形、圖象、聲音、動畫等多媒體技術直接表述數值計算結果，可以選擇不同坐標系，可以設置顏色、線型、視角等。 Simulink 是 MATLAB 的附加組件，為用戶提供了一個建模與仿真平臺。其采用了模塊組合的方法來創建動態系統的計算機模型，可以比較快速、準確的實現對系統的建模仿真。 Simulink 可以用于模擬線性、非線性系統，連續 系統、非連續系統，同時適用于混合系統。并且 提供了圖形動畫處理方法，以使用戶可以較為直觀的觀察到整個仿真過程。 Simulink 還提供了一種供用戶進行功能擴展的函數規則 —S 函數， S 函數可以 桂林電子科技大學畢業設計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 30 頁 是一個 C 文件、 M 文件、 C