基于MATLAB的相位调制系统仿真分析.pdf
总第 192期2010 年第 6 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.30 No.6104?基于 MATLAB 的相位调制系统仿真分析*刘?兵?蒋洪晖?孙高海(海军蚌埠士官学校信息技术系?蚌埠?233012)摘?要?计算机仿真软件在通信系统工程设计中发挥着越来越重要的作用。分析了相位调制系统,利用 M AT LAB 作为编程工具,对相移键控系统的误码率及其性能进行了仿真,并且仿真结果都给出具体详实的分析和比较,为实际系统的构建提供了很好的依据。关键词?相移键控;simulink;通信仿真;matlab中图分类号?TN914A Simulation Study of Phase Modulation system Based on MATLABLiu Bing?Jiang Honghui?Sun Gaohai(Department of Information and T echnology,Bengbu Naval Petty Officer Academy,Bengbu?233012)Abstract?The affect of CSSW in communication system engineering is more and more important.Based MATLAB pro-gramming tool,the phase modulation system is analysed,the rate of error code and performance of PSK system is simulated.At last,we made full analysis and comparison on the result of simulation,so that it will provide perfect foundation for build-ing practical system.Key Words?PSK,simulink,communication simulation,matlabClass Number?TN9141?引言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 1。MAT LAB 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 2。在实际通信过程中,大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号,因为数字基带信号对载波具有丰富的低频分量,为使数字信号在带通信道中传输,必须用数字基带信号对载波进行调制,以使信号与信道的特性相匹配。数字调制共有振幅键控、频移键控和相移键控三种,其中相位调制系抗噪声性能的优点尤为明显。本文通过对相位键控调制解调原理和误码率的分析,对相移键控系统在不同信噪比的情况下进行了仿真,最后仿真了系统的误码性能,并对结果进行了比较分析。2?相位调制系统原理分析2.1?M 进制相移键控(MPSK)调制分析M 进制相移键控方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式 3。已调MPSK 信号可表示为:sm(t)=A g(t)cos 2?fct+2?mM?m=0,1,?,M-1其中:g(t)是低通脉冲波形,A 是信号幅度,fc是载波频率 4。信号的低通等效形式为:*收稿日期:2010年 1 月 13 日,修回日期:2010 年 2 月 11 日作者简介:刘兵,男,讲师,研究方向:通信技术。蒋洪晖,男,硕士,讲师,研究方向:通信技术、隐身技术。孙高海,男,助教,研究方向:无线通信技术。2010 年第 6 期舰 船 电 子 工 程105?sml(t)=A g(t)ej2?mM选择一组基向量:f1=2?gg(t)cos2?fctf2=2?gg(t)sin2?fct其中,?g是低通脉冲信号 g(t)的能量:?g=?T0g2(t)dt。则信号可以用信号空间中的向量表达式来表示:sm(t)=?g2A cos2?mM?g2A sin2?mM每个已调信号的能量为:?s=?-?s2m(t)dt=?-?A2g2(t)cos22?fct+2?mMdt=12?-?A2g2(t)+A2g2(t)cos 4?fct+2?mMdt由于载波频率远高于基带波形变化频率,上式中第二项为零,因此?s=A2?g/2,这样信号向量也可表示为:sm(t)=?scos2?mM?ssin2?mM当 M=2、4、8 时可画出信号的星座图,如图 1所示。图 1?多进制相移键控星座图?图中所示的情况在将二进制信号序列映射到基带波形时采用的是 Gray 编码,这样在解调如果发生了相邻相位误判,仅仅只造成一个比特的错误。2.2?M 进制相位键控(MPSK)解调分析在 AWGN 信道的情况下,在一个信号区间内接受机收到的信号为:r(t)=Ag(t)cos 2?fct+2?mM+n(t)=A g(t)cos2?mM+nc(t)cos(2?fct)-A g(t)sin2?mM+ns(t)sin(2?fct)利用基向量:f1=2?gg(t)cos2?fctf2=2?gg(t)sin2?fct对 r(t)分别作相关,可以得到用向量表示的相关器输出信号:r=sm+n0=?sA cos2?mM+nc0?sA sin2?mM+ns0其中:nc0=122?g?-?g(t)nc(t)dtns0=122?g?-?g(t)ns(t)dt在信道噪声 n(t)是一个零均值、方差为 N0/2的高斯过程情况下,可以证明这里的 nc0、ns0仍然是零均值、方差 N0/2 的不相关高斯随机变量 5。接下来检测器将对相关器的输出信号进行检测,将每个接收信号向量 r 投影到每个可能传输信号向量sm上去,选取具有最大投影的向量作为判决结果 4。还有一种等效的判决方法,就是先计算接收信号向量的相位:?r=arctanrsrc然后,从信号集 sm中选取相位与它接近的信号作为判断结果输出。2.3?M 进制相移键控(MPSK)误码性能分析对于一个二相相位调制系统,它的误符号概率为:P2=Q?2?bN0对于 4相调制的情况,可以看成在两个正交载波上进行二相调制,它的误比特率与系统相同,其误符号率为:P4=2Q?2?bN01-12Q?2?bN0 6对于 4 相以上的相位调制,只能推导出它的误符号率的近似表达式:PM?2Q?2k?bN0sin?M其中,k 表示每个符号携带多少比特的信息:106?刘?兵等:基于 M AT LAB 的相位调制系统仿真分析总第 192 期k=logM2至于 PSK 方式的误比特率,还受到二进制信号序列到已调信号相位的映射方法影响。噪声引出的通信出错的最大可能是误判到相邻相位上,在采用 Gray 编码的情况下,此时一个符号错只带来通信的一个比特出错,因此这是误比特率可以用下式近似表示:Pb?1kPM3?PSK 系统在不同信噪比情况下的仿真分析?以 M=4 的 PSK 系统为例,分别取信噪比为0dB、10dB 和 20dB,在星座图上观察接收端接收到的信号向量。clear;Fd=1;%消息序列的采样速率Fs=3*Fd;%已调信号的采样速率M=4;for SNR_db=0:10:20?Eb_N0=10(SNR_db/10);%nc、ns 的均方差?sgma=sqrt(1/(8*Eb_N0);%产生随机消息序列?x=randint(10,1,M);%PSK 调制?y=dmodce(x,Fd,Fs,psk,M);ynoise=y+sqrt(Fs/Fd)*sgma*(randn(length(y),1)+j*randn(length(y),1);%加噪声?figure(SNR_db+1);?axis(-1.2 1.2-1.2 1.2);?hold on;?for i=0:M-1plot(cos(2*pi*i/M),sin(2*pi*i/M),.,markersize,20);?grid on;?end%画出星座图?plot(ynoise,+);%画出受噪声干扰向量?hold off;end;运行程序产生如图 2所示的星座图。图 2?不同信噪比条件下 4PSK 星座图?图2(a)为信噪比等于 0dB 时的情况,可以明显地看到,此时信号受噪声影响较大,较容易发生误判。此时理论计算出的误符号率大约为15.73%。图 2(b)为信噪比等于 10dB 时的情况,此时噪声能量仅为信号能量的 1/10,在信号空间中可以看出信号分布点分布也较为集中,此时系统的可靠性已经相当高了,理论计算出的误符号率在万分之一以下。图 2(c)为信噪比等于 20dB 时的情况,此时噪声能量仅为信号能量的 1/100,信号点的分布非常集中,此时系统误判的概率时相当的低了。4?PSK 系统误码性能的仿真分析对 M=16 的 PSK 系统进行分析,采用蒙特卡罗仿真方法仿真它的误码性能,并与理论误码率曲线相比较。clear;close all;Fd=1;Fs=3*Fd;M=16;SNR_db=0:12;SNR1_db=0:0.1:12;%误码率情况仿真for n=1:length(SNR_db)?Eb_N0=10(SNR_db(n)/10);?sgma=sqrt(1/(8*Eb_N0);?x=randint(10000,1,M);?y=dmodce(x,Fd,Fs,psk,M);ynoise=y+sqrt(Fs/Fd)*sgma*(randn(length(y),1)+j*randn(length(y),1);?z=ddemodce(ynoise,Fd,Fs,psk,M);?numbers,pm(n)=symerr(x,z);end;for m=1:length(SNR1_db)?Eb_N0=10(SNR1_db(m)/10);pm_theroy(m)=2*Qfunct(sqrt(2*log2(M)*Eb_N0)*sin(pi/M);pe_theroy(m)=pm_theroy(m)/log2(M);end;(下转第 129 页)2010 年第 6 期舰 船 电 子 工 程129?进行显式处理,或直接用程序组件隐式处理。客户端亦可基于 B/S 方式,建立精美的 Web 页面显示或提交数据。应用层数据处理的架构如图 9 所示。7?结语本文所论述的应用层侧重于服务调用的设计,而没有过多涉及应用系统客户端的具体实现。因为实际上,客户端程序都将调用服务作为函数(或过程)来实现。系统开发人员在构建客户端应用程序时,可以采用 B/S 或 C/S 方式,并在其中调用访问 Web 服务的函数,来构建最终的应用系统。而不论是 B/S 还是 C/S,都已经是很成熟的模型,这两种模型也都有非常成熟的技术可以实现。作为一个刚刚步入实践的新事物,SOA 还面临着很多的挑战。SOA 还正处在不断的发展之中,它的成熟度和完善性还有待于研究人员和企业在理论和实践中不断的加以提高和改善。虽然被称为是继面向过程和面向组件的下一代软件体系结构,但目前还没有以上两种架构成熟,且目前的应用才刚刚起步。然而,由于 SOA 自身具有的优势顺应了未来软件发展的趋势,并随着各大软件供应商在此展开的深入研究和激烈竞争,它必然会成为成熟的下一代软件体系架构和主流开发技术而得到广泛支持和应用。可以预见在未来的几年里,SOA 将会取得长足的发展。参 考 文 献1 胡光.基于 Jini的查找服务实现 J.计算机应用研究,2005(2)http:/ 美科耶尔.XML、Web 服务和数据革命 M.袁勤勇,等译.清华大学出版社,20033 蔡月茹,柳西玲.Web Service 基础教程 M.北京:清华大学出版社,2005,6 4 张凯.软件复杂性与质量控制 M.北京:中国财政经济出版社,2005,11 5 姜璐.复杂系统的层次结构,复杂性研究 M.北京:科学出版社,1993,7 6 伽玛,等.设计模式:可复用面向对象软件的基础 M.李英军,等译.北京:机械工业出版社,2000,9 7 美 尼戈潘,等.Java Web 服务开发 M.庞太刚,陶程,译.2004,5(上接第 106 页)semilogy(SNR_db,pm,*,SNR1_db,pm_theroy);xlabel(信噪比(dB);ylabel(误符号率);legend(仿真得到的误符号率,理论符号误码曲线);图 3?16PSK 误码性能比较图运行程 序产生如图 3 所示的误码性能比较图。通过误 码性能比较图分析可知,在M=16 时,PSK 系统的仿真曲线和理论曲线非常吻合。5?结语本文介绍了多进制相位调制和解调系统的基本理论,分析了其误码性能,并通过 Mat1ab/Simu-link 实现了通信系统调制与解调的仿真。通过仿?真结果的观察,证实了该仿真模型的正确性以及可行性,系统的误码性能和理论计算和分析结果比较接近。参 考 文 献 1 任丹.基于 M AT LAB 的相移键控系统仿真与分析 J.中小企业管理与科技,2008(14):198 2 李玮,谢月新,戴勤.基于 MATLAB 中的 M 文件实现QPSK 及 QDPSK 的调制 J.湘南学院学报,2009(2):41 44 3 胡培勤.Matlab 在数字通信系统仿真中的应用 J.佛山科学技术学院学报,2007(7):24 26 4 罗明,杨绍全.带限 MPSK 信号的调制分类 J.系统工程与电子技术,2004(8):1015 1018 5 樊昌信,张甫翎,徐炳祥,等.通信原理 M.北京:国防工业出版社,2001:14 156 洪磊,杨育红,张瑞.QPSK 最佳干扰研究与仿真 J.通信技术,2009(2):8 11
