1、第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 实验八实验八 使用数字锁相环的载波恢复仿真使用数字锁相环的载波恢复仿真实验九实验九 Rake接收机仿真接收机仿真实验十实验十 数字通信系统误码率仿真分析数字通信系统误码率仿真分析 第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 实验八实验八 使用数字锁相环的载波恢复仿真使用数字锁相环的载波恢复仿真一、实验目的一、实验目的(1)掌握通信系统的同步原理及其实现方法。(2)掌握数字锁相环的工作原理。二、实验内容二、实验内容(1)总结通信系统的同步原理及数字锁相环的工作原理，编写MATLAB程序仿真数字锁相环的工作流程。(2)观察锁相环的频率
2、及相位响应曲线。(3)观察比较锁相环锁定前后的数据星座图。(4)分析仿真中观察的数据，撰写实验报告。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 三、实验原理三、实验原理1同步原理同步原理在数字通信系统中，同步是一个很重要的问题。数字通信系统能否有效可靠工作，在很大程度上取决于是否有一个好的同步系统。当采用同步解调或相干解调时，接收端需要提供一个和发射端载波同频、同相的本地载波，而这个本地载波的频率和相位必须来自接收信号，或者从接收信号中提取载波同步信息。这个载波提取过程就称为载波提取，或称为载波同步。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 在数字通信中，除了有载波同步的问题外，还存在位同步的问题。因为信息
3、是一串相继的信号码元的序列，解调时常需知道每个码元的起止时刻，以便判决。例如用取样判决器对信号进行取样判决时，一般均应对准每个码元最大值的位置。因此需要在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”，这个定时脉冲序列的重复频率要与发送端的码元速率相同，相位要对准最佳取样判决位置。这样的一个码元定时脉冲序列就被称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”，而把位同步脉冲的取得称为位同步提取。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 数字通信中的信息数字流总是用若干码元组成一个“字”，又用若干“字”组成一“句”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，这被称为“字”同步和“
4、句”同步，统称为群同步或帧同步。此外，在有多个用户的通信网中，还有使网内各站点之间保持同步的网同步问题。为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换，必须要求整个数字通信网内有一个统一的时间节拍标准。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 同步系统的优劣将直接影响通信质量的好坏，甚至会影响通信能否正常工作。可以说，在同步通信系统中，“同步”是进行信息传输的前提，正因为如此，为了保证信息的可靠传输，要求同步系统应有更高的可靠性。以下重点论述载波同步的方法。载波同步的方法有直接法(自同步法)和插入导频法(外同步法)两种。直接法不需要专门传输导频(同步信号)，而是接收端直接从接收信号中提取载波；插入导频
5、法是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上插入一个(或多个)称做导频的正弦波(同步载波)，接收端就利用导频提取出载波。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 1)直接法(自同步法)有些信号虽然本身不包含载波分量，但对该信号进行某些非线性变换以后，就可以直接从中提取出载波分量，这就是直接法提取同步载波的基本原理。下面介绍几种实现直接提取载波的方法。(1)平方变换法和平方环法。设调制信号为m(t)，m(t)中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为接收端将该信号进行平方变换后，得到 ttmtsccos ttmtmttmtscc2cos2121cos22222第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 式中包含倍
6、频分量(2c)，用窄带滤波器将此分量滤出，然后经过一个二分频电路，就能提取出载频分量，这就是所需的同步载波。原理框图如图4-1所示。图4-1 平方变换法提取载波第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 为改善平方变换的性能，可以在平方变换法的基础上，把窄带滤波器用锁相环替代，构成如图4-2所示框图，这样就实现了平方环法提取载波。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。图4-2 平方环法提取载波第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真(2)科斯塔斯环法。科斯塔斯(Costas)环法又称为同相正交环法。它也是利用锁相环提取载频，但是不需要
7、预先做平方处理，并且可以直接得到输出解调信号。该方法的原理方框图如图4-3所示。图4-3 科斯塔斯环法原理方框图第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 2)插入导频法(外同步法)插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量，或即使含有一定的载频分量，也很难从接收信号中分离出来的情况。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法。所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱(此线谱对应的正弦波称为导频信号)，在接收端利用窄带滤波器把它提取出来，经过适当的处理，形成接收端的相干载波。插入导频的传输方法有多种，基本原理相似。这里仅介绍在抑制载波的双边带信号中插入导频法。第四章 同步、抗衰落及
8、误码分析仿真 对于抑制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号的频谱分量为零，同时对调制信号进行适当的处理，就可以使已调信号在载频附近的频谱分量很小，这样就可以插入导频，这时插入的导频对信号的影响最小。图4-4所示为插入的导频和已调信号频谱示意图。在此方案中插入的导频并不是加在调制器的那个载波，而是将该载波移相90后的所谓“正交载波”。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 图4-4 插入的导频和已调信号频谱示意图第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 设调制信号 m(t)中无直流，m(t)频谱中的最高频率为 fm。受调制载波为tacsin，将它经-/2 相移后形成插入导频(正交载波)taccos，则
9、发送端输出的信号为 tattamtscccossin 如果不考虑信道失真及噪声干扰，并设接收端收到的信号与发送端的信号完全相同，则此信号通过中心频率为 fc的窄带滤波器可提取导频，再将其移位后得到与调制载波同频同相的相干载波。发送端与接收端的方框图如图 4-5 所示。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 图4-5 插入导频法原理方框图第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。对载波同步系统的主要性能要求是高效率、高精度、同步建立时间快、保持时间长等。高效率是指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。在这方面，直接法由于不需要专门发送导频
10、，因而效率高，而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因而效率要低一些。高精度是指接收端提取的同步载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。相位误差通常由稳态相位误差和随机相位误差组成。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都是通频带很窄的电路。一个滤波器的通频带越窄，其惰性越大。也就是说，一个滤波器的通频带越窄，则当在其输入端加入一个正弦振荡时，其输出端振荡的建立时间越长；当其输入振荡截止时，其输出端振荡的保持时间也越长。显然，这个特性和对同步性能的要求是矛盾的，即建立时间短和保持时间长是相互矛盾的。在设计同步系统时要折中考虑。第四章 同步、抗
11、衰落及误码分析仿真 2锁相环的工作原理锁相环的工作原理锁相环路是一种负反馈电路。锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称为PLL，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位差同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。它由鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)等3个基本部件组成，如图4-6所示。第四章 同步、抗衰落及
12、误码分析仿真 图4-6 锁相环的原理框图第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 锁相环的工作流程如下：(1)压控振荡器的输出经过采集并分频；(2)和基准信号同时输入鉴相器；(3)鉴相器通过比较上述两个信号的相位差，形成一个误差信号，然后经低通滤波器(LPF)输出一个直流电压；(4)该直流电压控制VCO，使它的频率改变。这样经过一个很短的时间，VCO的输出就会稳定于某一期望值。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位差同步。当没有基准(参考)输入信号时，环路滤波器的输出为零(或为某一固定值)，这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信
13、号输入时，uR和uv同时加到鉴相器进行鉴相。如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv(和相位)发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv=fR，环路锁定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号(参考信号)之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时就称环路已被锁定。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的。若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振
14、荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格相位差同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。锁相环稳定后，鉴相器两个输入频率是相同的，相位差保持恒定。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 四、实验步骤四、实验步骤(1)预习通信系统同步原理及锁相环工作原理，独立画出锁相环原理方框图。(2)根据系统方框图，确定仿真思路，画出仿真流程图。(3)编写MATLAB程序并上机调试。(4)观察并分析各阶段波形、数据。(5)修改相关参数，观察锁相环恢复载波的能力。(6)撰写实验报告
15、。五、思考题五、思考题使用科斯塔斯环直接对2PSK信号进行相干解调时，为什么会出现相位模糊现象？该如何解决？第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 实验九实验九 Rake接收机仿真接收机仿真一、实验目的一、实验目的(1)了解Rake接收机的原理。(2)分析比较3种不同合并算法的性能。二、实验内容二、实验内容(1)编写MATLAB程序，实现Rake接收机。(2)修改信噪比，观察3种合并算法的误码率。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 三、实验原理三、实验原理移动通信系统工作在VHF和UHF两个频段(303000 MHz)，电波以直射方式(即“视距”方式)在靠近地球表面的大气中传播。由于低层大气并非均
16、匀介质，会产生折射和吸收现象，而且传输路径上遇到的各种障碍物(如山、高楼、树等)还可能发生反射、绕射和散射等，到达接收方的信号可能来自不同的传播路径。移动通信的信道是典型的多径衰落信道，如图4-7所示。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 图4-7 多径传播示意图第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 多径传播将引起接收信号中脉冲宽度扩展，称为时延扩展。时延扩展的时间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间来测量。时延扩展会引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。分集技术是克服多径衰落的一个有效方法，其包括频率分集、时间分集、空间分集和极化分集。它的基本原理是接收端对多个携带有相同信息但衰
17、落特性相互独立的多径信号合并处理之后进行判决，从而将“干扰”变为有用信息，提高系统的抗干扰能力。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 本仿真采用在CDMA系统中广泛使用的Rake接收技术，且为时间分集。因为当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可看成是互不相关的。Rake接收机采用一组相关接收机，分布于每条路径上，各个接收机与同一期望信号的多径分量之一相关，根据各个相关输出的相对强度加权后合成一个输出。根据加权系数的选择原则，有3种合并算法：选择式合并、等增益合并和最大比合并。选择式合并是检测接收到的多径信号，挑选其中信噪比最大的一径作为输出；等增益合并是将接收的多径信号按照相等的增益系数
18、，同相相加后作为输出；最大比合并是按照适当的增益系数，同相相加后作为输出。在不同的噪声环境中，三种合并算法的效果不同。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 Rake接收机的相关器的原理图如图4-8所示。图4-8 Rake接收机的相关器的原理图第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 假设采用 M 个相关器去接收 M 个多径信号分支，其中12,M 是每一条分支的乘性系数，它们的取值是根据所采用组合方式(例如最大比合并、等增益合并等)而可调的。不妨令相关器 1 与最强的多径支路1m同步，并且多径支路2m比多径支路1m延迟时间1到达接收端。相关器 2 与多径支路2m同步，它与2m具有很好的相关性，但与1m的
19、相关性则很差。以此类推，第 M 个相关器与比1m时延1M的多径分量Mm相关性很强，但与121,Mm mm等多径分量相关性则很差。因此如果一条多径分支受到衰落的影响，则由于各条支路的独立性，还会有其他没有受到衰落的信号分支，此时给衰落的信号分支设定一个很小的加权系数，就可以将该路的干扰抑制。Rake接收机的原理框图如图4-9所示。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 图4-9 Rake接收机的原理框图第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 四、实验步骤四、实验步骤(1)画出仿真程序流程图。(2)运行MATLAB开发环境，编写程序。(3)运行程序，观察实验结果。(4)分别修改扩频因子、信噪比、数据长度、
20、功率因子等参数，观察并比较实验结果。(5)画出Rake接收机的性能曲线并分析原因。五、思考题五、思考题(1)本仿真采用三径支路，实际系统中径数要多得多，是否径数越多越好？(2)三种合并算法哪个最佳？第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 实验十实验十 数字通信系统误码率仿真分析数字通信系统误码率仿真分析一、实验目的一、实验目的(1)掌握几种典型数字通信系统误码率的分析方法。(2)掌握误码率对数字通信系统的影响及改进方法。二、实验内容二、实验内容(1)编写MATLAB程序，以QAM系统为例进行误码率的仿真。(2)观察不同噪声及噪声大小对误码率的影响。(3)分析影响误码率变化的因素并提出解决方法。(4
21、)将分析方法推广到其他通信系统并撰写实验报告。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 三、实验原理三、实验原理1数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标通信的任务是传递信息，因此信息传输的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。有效性是指在给定信道内能传输的信息内容的多少，而可靠性是指接收信息的准确程度。为了提高有效性，需要提高传输速率，但是可靠性随之降低。因此有效性和可靠性是相互矛盾的，又是可交换的。可以用降低有效性的办法提高可靠性，也可以用降低可靠性的办法提高有效性。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 1)传输速率数字通信系统的有效性通常用信息传输速率来衡量。当信道一定时，传输速
22、率越高，有效性就越好。传输速率有以下3种定义。(1)码元速率(Rs)：单位时间内传输的码元数目，单位是波特(Baud)，因此又称为波特率；(2)信息速率(Rb)：单位时间内传输的信息量(比特数)，单位是比特/秒(bit/s)，因此又称为比特率；(3)消息速率(RM)：单位时间内传输的消息数目。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 对于M进制通信系统，码元速率与信息速率的关系为这里，lb即log2。特别说明的是，在二进制数字通信系统中，信源的各种可能消息的出现概率相等时，码元速率和信息速率相等。在实际应用中，通常默认这两个速率相等，所以常常简单地把一个二进制码元称为一个比特。Baud lbbit/
23、s lb MRRMRRbssb第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 2)错误率 数字通信系统的可靠性的衡量指标是错误率。它也有 3种不同定义。(1)误码率(Pe)：错误接收码元数目在传输码元总数中所占的比例，即 Pe=传输总码元数错误接收码元数eP(2)误比特率(Pb)：错误接收比特数目在传输比特总数中所占的比例，即 Pb=传输总比特数错误接收比特数bP def def 第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真(3)误字率(PW)：错误接收字数在传输总字数中所占的比例。若一个字由 k bit 组成，每比特用一码元传输，则误字率等于 keWPP11 对于二进制系统而言，误码率和误比特率显然相等。而M 进
24、制信号的每个码元含有 n=lb M bit，并且一个特定的错误码元可以有 M-1 种不同的错误样式。其中恰好有 i bit 错误的错误样式有inC个(inC为组合数，表示从 n 个元素中取出 i 个元素的组合数)。假设这些错误样式以等概出现，则当一个码元发生错误时，在 n 个比特中错误比特所占比例的数学期望值为 第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 所以，当M比较大时，误比特率为 12121111MMMCniMEnEninin一个码元中的比特数错误比特数 eeebPPMMPnEP2112第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 实际应用中，在计算误比特率时，0/nEb是一个十分重要的参数。Eb为单位比
25、特的平均信号能量，n00n为噪声的单边功率谱密度。但人们在实际系统中能够直接测量到的是平均信号功率 S 和噪声功率 N，并且由此可计算出信噪比 S/N。若一个二进制通信系统的信息传输速率为 Rb，接收机带宽为B，则信噪比可表示为 BRnENSbb0第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 2相干解调时的误码率相干解调时的误码率相干解调需要在接收端产生用于相干的参考载波信号，其一般模型如图4-10所示。图4-10 相干解调的一般模型第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 设接收信号为与同频同相相干载波相乘后，得经低通滤波后，得ttsttstscQcIsin)(cos)()(ttSttStSttStScQc
26、IIcp2sin212cos2121cos tftStSId21第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 在实际应用中，经常把相干解调与最佳接收混为一谈。确切地说，只有当相干解调中的滤波器严格按照匹配滤波器的要求来设计时，才是真正的最佳接收。由通信原理知识可知，在匹配滤波器条件下求得的二进制调制的最小误比特率为其中，Q函数的定义为10nEQPbb第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 为相关系数，取值范围为，取决于发送的信号s1(t)和s2(t)的相似程度，即Es1、Es2分别为s1(t)和s2(t)在内的能量。下面分析几种典型的二进制数字调制系统在相干解调时的误码率。21 0 12d )()(ssTE
27、Ettstss第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 对于 2ASK信号，0)(1ts，tAtsccos)(2，sTt 0。由 于01sE，sTsttsE 0 222d )(，则=0，而)(2121ssbEEE，因此有 0ASK2nEQPbb,第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 对于2PSK信号，有可求出=-1，因此tTEtscsbcos 2)(1tTEtscsbcos 2)(2sTt 00PSK2,2nEQPbb第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 对 于2FSK信 号，有tTEtssb11cos 2)(，tTEtssb22cos 2)(，sTt 0，其相关系数为 sTTssbbtttTtttTE
28、E 0 0 1212122d )cos()cos(1d coscos 21第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 当 f2-f1=n/2Ts时，s1(t)和 s2(t)相互正交，=0。当 2-1很大时，也接近于 0。对于 =0 的 2FSK 信号，其误比特率为 0FSK2,nEQPbb第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 3非相干解调时的误码率非相干解调时的误码率非相干解调的最大优点是不需要在接收端产生用于相干的参考载波。因此其设备相对要简单便宜一些，但性能相对于相干解调来说有点差。(1)对于2FSK信号，有(2)2ASK信号与2FSK信号的误码率公式相同，即0NCFSK,2exp 21nEPbb0
29、NCFSK,NCASK,2exp 21nEPPbbb第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真(3)对于2DPSK信号，有图4-11显示了不同二进制数字通信系统在相干解调和非相干解调时的误码率比较。由图4-11可以看出，使用相干解调时的误码率整体上比使用非相干解调时要低，这也说明使用相干解调时的抗噪声能力较强。0DPSK2,exp 21nEPbb第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 图4-11 二进制调制的误比特率曲线第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 4多进制数字调制的误码率 在多进制数字调制中，每个符号间隔sTt 0内，可能发送的符号有 M 种：s1(t)，s2(t)，sM(t)。在实际应用中，通常
30、取nM2，n 为大于 1 的正整数。当携带信息的参数分别为载波的幅度、频率或相位时，对应的有 M 进制幅度键控(MASK)、M 进制频移键控(MFSK)、M 进制相移键控(MPSK)。也可以把其中的两个参数组合起来调制，例如 M进制正交幅度键控(QAM)。多进制数字调制的调制解调方法与二进制的类似，主要差别在基带成型阶段。解调多采用相干解调。下面列出几种典型多进制数字调制在相干解调时的误码率公式：第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真(1)M进制幅度键控(MASK)：(2)M进制频移键控(MFSK)：BRnEMMQMMNSMQMMPsbMs022ASK,1 lb 3)1(213)1(2MnEQMP
31、bMslb)1(0FSK,第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真(3)M进制相移键控(MPSK)：(4)多进制正交幅度调制(MQAM)：MnEQMnEerfcPssMssin 22sin 2020PSK,02QAM,1 lb 6)1(2nELLQLLPbMs第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 四、实验步骤四、实验步骤(1)预习数字信号调制及相干解调原理，包括二进制和多进制数字系统，重点理解数字通信系统的误码率计算。(2)选择一种典型的数字通信系统对其进行仿真，画出仿真流程图。(3)编写MATLAB程序并上机调试。(4)观察并分析误码率曲线的变化。(5)分析影响误码率曲线变化的因素，并给出改进方法。(6)撰写实验报告。第四章 同步、抗衰落及误码分析仿真 五、思考题五、思考题(1)影响二进制数字通信系统与多进制通信系统误码率的因素有哪些？(2)相干解调与非相干解调情况下的误码率计算方法有哪些不同？
