基于matlab的移動(dòng)通信中數(shù)字調(diào)相技術(shù)的研究與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)(完整版)

　　

【正文】 其原理 PSK方式是受鍵控的載波相位按基帶脈沖而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式， PSK的信號(hào)形式一般表示為 0 ( ) [ ( ) ] c o sne t a g t n Ts w t??? （ ） 其中 na 的統(tǒng)計(jì)特性為 +1和 1的概率分別為 P和 1P， 這就是說在其一碼元持續(xù)時(shí)間 ST內(nèi)觀察時(shí)， 0()et為 cos cwt 和 cos cwt? 的概率分別為 P和 1P。 3 研究和仿真的要求 從調(diào)相技術(shù)的仿真出發(fā)，分析并比較各種調(diào)相技術(shù)的特性及設(shè)計(jì)方法，從而得出移動(dòng)通信中調(diào)相技術(shù)的具體方案。 Simulink 可以用于模擬線性、非線性系統(tǒng)，連續(xù) 系統(tǒng)、非連續(xù)系統(tǒng)，同時(shí)適用于混合系統(tǒng)。在這些工具箱里，除基本函數(shù)外，還有初等矩陣和矩陣變換、數(shù)值線形代數(shù)、多項(xiàng)式運(yùn)算求根、函數(shù)求極限值、數(shù)據(jù)分析和傅立葉變換，已經(jīng)某些特殊的矩陣函數(shù)和數(shù)學(xué)函數(shù)等，這些函數(shù)都可以直接調(diào)用。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)對(duì) PSK、DPSK、 QPSK三種方式進(jìn)行研究和仿真。在以脈沖調(diào)制載波時(shí)，也有同樣現(xiàn)象產(chǎn)生。 圖 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型 圖 中基帶信號(hào)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。第三，由于數(shù)字通信傳輸?shù)氖且粋€(gè)接一個(gè)按一定節(jié)拍傳送的數(shù)字信號(hào)，因而接收端必須有一個(gè)與發(fā)端相同的節(jié)拍，否則，就會(huì)因收發(fā)步調(diào)不一致而造成混亂。 圖 給出的是通信系統(tǒng)的一般模型，按照信道中所傳信號(hào)的形式不同，可進(jìn)一步具體化為模 擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。根據(jù)原始電信號(hào)的特征，基帶信號(hào)可分為數(shù)字基帶信號(hào)和模擬基帶信號(hào)，相應(yīng)地，信源也分為數(shù)字信源和模擬信源。消息具有不同的形式，例如：符號(hào)、文字、話音、音樂 、數(shù)據(jù)、圖片、活動(dòng)圖象等。 基于 IS95 的 CdmaOne 技術(shù)自 1995 年 10 月商用實(shí)踐以來，迅速覆蓋韓國(guó)、日本、美國(guó)、歐洲和南美洲的一些主要市場(chǎng)，取得了巨大的商業(yè)成功，并成為業(yè)界公認(rèn)的過渡到未來 3G 的技術(shù)平臺(tái)。目前已用于數(shù)字蜂窩無線系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)可分為兩大類：線性調(diào)制技術(shù)和恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)。 1993 年，MathWorks 公司推出了基于 Windows 平臺(tái)的 MATLAB ，在繼承和發(fā)展起原有的數(shù)值計(jì)算和圖形可視能力的同時(shí)，推出了 SIMULIKE，一個(gè)交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境；推出了符號(hào)計(jì)算工具包，一個(gè)一 Maple 為 ―引擎 ‖的 Symbolic Math Toolbox；構(gòu)作了 Notbook，一個(gè)運(yùn)用 DDE 和 OLE，實(shí)現(xiàn) MATLAB 與 Word 的無縫連接，從而為專業(yè)科技工作者創(chuàng)造了融合 科學(xué)計(jì)算、圖形可視、文字處理為一體的高水準(zhǔn) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁 共 30 頁 環(huán)境。如果在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行通信性能研究、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和開發(fā) ,不僅耗資大 ,而且在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收集和分析上也有一定困難。移動(dòng)通信的主要基本技術(shù)包括調(diào)制技術(shù)、移動(dòng)信道中電波的傳播特性、多址方式、抗干擾技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)。同時(shí)通信系統(tǒng)已經(jīng)由單一的硬件系統(tǒng)轉(zhuǎn)向與軟件的結(jié)合。 demodulation ,and analyzes their performance difference. Key words： MATLAB。隨著數(shù)字系統(tǒng)的飛速發(fā)展 ,對(duì) 數(shù)字系統(tǒng)的性能和調(diào)制解調(diào)技術(shù)要求也越來越高。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn) PSK、 QPSK、 OQPSK調(diào)制解調(diào)過程的仿真，并分析它們的性能差異。馬可尼所完成的無線通信試驗(yàn)之日就產(chǎn)生了，當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)是在固定站與一艘拖船之間進(jìn)行的，距離為 18海里。 MATLAB等優(yōu)秀軟件使仿真技術(shù)得到很好的應(yīng)用。隨著通信技術(shù)的發(fā)展 , 通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模越來越復(fù)雜 , 基于通信系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越多樣化 , 單純地依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行通信系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)、通信設(shè)備的研發(fā) 以及通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā) , 已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代通信的發(fā)展需要。 20 世紀(jì) 70年代后期，時(shí)任美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任 的 Cleve Moler 教授出于減輕學(xué)生編程負(fù)擔(dān)的動(dòng)機(jī)，為學(xué)生設(shè)計(jì)了一組調(diào)用 LINPACK 和 EISPACK 庫程序的 ―通俗易用 ‖的接口，此即用 FORTRAN 編寫的萌芽狀態(tài)的 MATLAB。現(xiàn)在，我國(guó)教育科研部門對(duì) MATLAB 的地位和重要作用也逐漸達(dá)成了共識(shí)，尤其是在硬件設(shè)施有限、科研經(jīng)費(fèi)不足的情況下， MATLAB 的廣泛應(yīng)用必將大大提升我國(guó)科教事業(yè)的基礎(chǔ)研究水平。 在第二代通信系統(tǒng)中，使用 QPSK、 OQPSK 做為調(diào)制解調(diào)技術(shù)的 IS95 系統(tǒng)以其高語音質(zhì)量、穩(wěn)定的性能及空中接口的大容量在世界各地廣泛配置。 2 通信系統(tǒng)和調(diào)相信號(hào)研究及 MATLAB簡(jiǎn)介 信息的高度發(fā)展給整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、文化、科研、教育帶來了很大的變革，它推動(dòng)著社會(huì)的發(fā)展，給人們的工作學(xué)習(xí)還有生活帶來許多的便利。 圖 簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)一般模型 圖 中，信源（信息源，也稱發(fā)終端）的作用是把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如電話 系統(tǒng)中電話機(jī)可看成是信源。 在接收端，接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。這是通過所謂的差錯(cuò)控制編碼來實(shí)現(xiàn)的。但在一個(gè)系統(tǒng)中，如果發(fā)端有調(diào)制 / 加密 / 編碼，則收端必須有解調(diào) / 解密 / 譯碼。 調(diào)制即是按照調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）的變化規(guī)律去改變載波某 些參數(shù)的過程。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)，該調(diào)制稱 為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。這使得計(jì)算機(jī)兼?zhèn)涓呒?jí)計(jì)算機(jī)的功能，使用十分方便。在程序的運(yùn)行過程中，可以方便迅速地用圖形、圖象、聲音、動(dòng)畫等多媒體技術(shù)直接表述數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可以選擇不同坐標(biāo)系，可以設(shè)置顏色、線型、視角等。 版本提供 了 20 多個(gè)仿真模型庫，內(nèi)容覆蓋了通信仿真，數(shù)字信號(hào)處理，模糊邏輯，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。嘗試用不同的方法得到 PSK、 QPSK、 OQPSK 這幾種調(diào)制方式的已調(diào)信號(hào)。 開關(guān) 載波 ~~ 移相 ? 基帶 信號(hào) 得到 PSK已調(diào)信號(hào) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁 共 30 頁 MATLAB 編程語言在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用，但是面對(duì)第一個(gè)問題隨機(jī)基帶信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)由于經(jīng)驗(yàn)不足，還是遇到了兩個(gè)困難： （ 1） 用 randint函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)的基帶 信號(hào)時(shí)如果用 randint(1e3, 1, [0 1])這句指令的話產(chǎn)生的是隨機(jī)的 0， 1 信號(hào)，而在 PSK 調(diào)制中，我們希望基帶信號(hào)是雙極性的，也就是說希望能夠產(chǎn)生隨機(jī)的 1， +1 信號(hào)。 end。 m=1:128。 end end end end n=1:8192。title(39。)。 剛開始面隊(duì)出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤，自己有點(diǎn)心浮氣噪，不耐心的去查閱資料，思考改正錯(cuò)誤的方法，而是懷疑自己的編程思路是否正確，急于去尋找其他的編程方法，導(dǎo)致自己走了不少的彎路。如果不是畢業(yè)設(shè)計(jì)，我也許真的不會(huì)發(fā)現(xiàn)原來圖書 館的資源是那么的豐富并且實(shí)用。 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我在用 MATLAB 軟件對(duì) PSK 調(diào)制解調(diào)進(jìn)行仿真和研究時(shí)，第一次的編程方法得到的信號(hào)波形并不是很理想，后來我就到圖書館的閱覽室去查閱資料，通過幾天的努力，終于在閱覽室豐富的圖書資源中學(xué)習(xí)到了一種更好的方法，后來就用學(xué)到的方法得到的如圖 所示的比較理想的 PSK 調(diào)制解調(diào)波形。雙比特碼元中兩個(gè)信息比特 ab通常是格雷碼 (即反射碼 )排列的 ,它與載波相位的關(guān)系如表 。 QPSK正交調(diào)制器可以看成由兩個(gè) BPSK調(diào)制器構(gòu)成，輸入的串行二進(jìn)制信息序列經(jīng)串并變換，分成兩路速率減半的序列，電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號(hào) I(t)和 Q(t)，然后對(duì) cosωct和 sinωct進(jìn)行調(diào)制，相加后即得 QPSK信號(hào)。 后來我拿著源程序去向我的畢業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師梁老師咨詢，梁老師認(rèn)真的聽取了我的想法并解讀了我編寫的源程序后認(rèn)為，這樣雖然能夠體現(xiàn) 0、 3 對(duì)應(yīng)的不同波形變化，但是和基本原理不符合，建議我另外選取編寫調(diào)制程序的方法，要求最好能嚴(yán)格按照 QPSK 的調(diào)制解調(diào)原理編寫源程序。 data_I = 2*bit_I+1。同樣， data_I = 2*bit_I+1 和 data_Q = 2*bit_Q+1 也是實(shí)現(xiàn)分別把 I 和 Q支路的 0、 1 信號(hào)變換成 + 1 信號(hào)。通過查閱 MATLAB 軟件指令介紹的書籍，我了解到應(yīng)該用二維桿圖即 stem 指令來畫出它們的圖形。收集了足夠的信息后，我開始嘗試上機(jī)調(diào)試， 經(jīng)過反復(fù)的上機(jī)調(diào)試，得到了如圖 示波形 圖 用 MANLAB 編程得到 這個(gè)圖形后，我覺得不是很滿意，因?yàn)樵?+ 1 間跳變的時(shí)候有延時(shí)。 QPSK 信號(hào)和 PSK 信號(hào)的功率譜比較 （ 1） 對(duì)于 QPSK，有 0( ) ( ) c o s ( )SkkS t g t k T w t ?? ? ?? （ ） 式 中 ， g(t)為基帶波形， ST 為碼元寬度， k? 對(duì)應(yīng)有四種取值。 Ts=1。 x8=10*log10(x7)。 axis([0,20,40,5])。qpsk 的功率譜 39。在百思不得其解的情況下，我問了身邊會(huì)用 MATLAB 軟件的同學(xué)，我們一起討論了一下，結(jié)果也是找不到問題的所在，只好再去咨詢我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師。 從圖 的 QPSK 功率譜比 PSK 功率譜窄一半。以功率譜峰值為高和以等效噪聲帶寬為寬的矩形面積等于總的接收信號(hào)功率。由于兩支路碼元半周期的偏移，每次只有一路可能發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)，不會(huì)發(fā)生兩支 路碼元同時(shí)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。兩者的缺點(diǎn)表現(xiàn)為，功率譜旁瓣占有能量大，要求很寬的帶寬；而且，在 OQPSK 和 QPSK 輸出端必須有復(fù)雜的濾波器限帶，否則在移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用中很難滿足臨道輻射小于 60dB。相位跳變，信號(hào)通過 BPF 后包絡(luò)起伏小，性能得到了改善，因此受到廣泛重視。當(dāng)然了，在信道環(huán)境很好的情況下， PSK 的誤碼率性能也是可以接受的，因?yàn)?PSK 的調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)起來成本比較低，設(shè)備比較簡(jiǎn)單，所以在信道環(huán)境比較好的情況下還是會(huì)被采用。的相位跳變，因而高頻滾降慢，使得頻帶較寬。在差分檢測(cè)中， OQPSK 比 QPSK 性能差，原因是 OQPSK在 差分檢測(cè)時(shí)引入了碼間干擾。土 90176。實(shí)際上是一種 百分比能量帶寬，或是以給定滾降系數(shù) ? 的限帶濾波器的帶寬。 帶寬的定義不是唯一的，可以根據(jù)使用要求認(rèn)為的確定。他說我的仿真結(jié)果是對(duì)的，書上的功率譜圖形也是對(duì)的。psk 的功率譜 39。fc39。 y2=y1./(2*pi.*(ffc).*Ts)。 x2=sin(pi.*(ffc).*Ts)。根據(jù)式 ， k? 等概率取值時(shí)，可以計(jì)算得到 QPSK 信號(hào)的功率譜為 ? ?22001( ) ( ) ( )2 sW f f G f f G f f? ? ? ? （ ） 式中， sT =1/ f =2 bT ， G（ f）為基帶波形 g(t)的傅立葉 變換。后來經(jīng)過不斷嘗試、調(diào)試，得到如圖 示波形 圖 QPSK 基帶源信號(hào)和串并變換后 I、 Q 支路的矩形波顯示 得到這個(gè)波形之后，可以接著思考 I、 Q 支路載波調(diào)制的 MATLBA 軟件程序?qū)崿F(xiàn)。攻克了串并邊換這 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 19 頁 共 30 頁 個(gè)問題后，我信心更加充足了，馬上進(jìn)入 I、 Q 支路載波調(diào)制的思考。怎么會(huì)是這種圖形呢，不是應(yīng)該 是矩形波的嗎？我心理產(chǎn)生了一個(gè)大大的疑問，我甚至懷疑是不是方法除了問題。 上述程序首先是用 randint(1e3, 1, [0 1])隨機(jī)產(chǎn)生 1000 個(gè)離散的 0、 1 基帶信號(hào)，即輸入比特 bit_in，然后對(duì) bit_in 進(jìn)行串并變換。于是，我再次認(rèn)真看了幾遍QPSK 調(diào)制解調(diào)的基本原理，在加深了對(duì) QPSK 調(diào)制解調(diào)的基本原理理解之后，我開始嘗試按照它的基本調(diào)制解調(diào)原理編寫程序。 圖 QPSK 調(diào)制框圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 16 頁 共 30 頁 圖 QPSK 解調(diào)框圖 在已經(jīng)用 MATLAB 對(duì) PSK 調(diào)制解調(diào)進(jìn)行仿真和研究之后，我掌握了查閱資料的方法也積累了一些心得。四相調(diào)制信號(hào)的表達(dá)式 用式 ()表示時(shí)，相位的在 (0,2π )內(nèi)等間隔地取四種可能相位。 PSK信號(hào)的性能 調(diào)制解調(diào)完成之后，開始研究 PSK 信號(hào)的性能。我覺得不晚，人要是想改變自己什么時(shí)候都不晚，合理的利用圖書館不僅幫助我順利的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，也使我養(yǎng)成了積極查閱資料的習(xí)慣，這必將會(huì)使我終生受益的。老師中肯的指導(dǎo)和批評(píng)使我茅塞頓開，我不再心浮氣噪，而是耐心的思考 MATLAB 軟件報(bào)錯(cuò)的地方，為什么會(huì)報(bào)錯(cuò)。grid 運(yùn)行后得到的波形如圖 所示 圖 P