AWGN信道中的数字传输系统设计

摘要 随着通信技术的迅速发展和广泛使用，通信的环境越来越复杂，不仅在生活中， 在现代战争中，都存在着通信被干扰的类似情况。比如说，为了能在恶劣的环境下，集中力量夺取通信有事，就要在保证己方通信息系统正常运行的前提下，我方对敌方通信系统实施干扰，降低其通信传输率，破坏或者扰乱其信息传输过程，而导致敌方通信系统无法正常通信。 本文首先介绍一般数字通信的基本原理，在此基础上建立了两种数字调制方式的调制器的仿真模型，分别是包括 2FSK、2PSK调制方式，并且进行了MATLAB仿真实现。其次介绍AWGN（高斯白噪声）下的通信系统模型，在高斯白噪声下对信号进行FSK和PSK调制，并且统计和计算了不同调制技术下的系统误码率。通过大量的统计仿真计算，得到了各种调制方式后信号的信噪比与误码率的关系曲线，并且进行了对比和分析。 关键词：数字传输系统，调制，2FSK，2PSK，AWGN，MATLAB 课题研究背景 通信按照传统的理解就是信息的传输与交换。在当今信息社会，通信则与传感、计算技术紧密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”。没有通信，人类社会是不可想象的。一般说来，社会生产力水平要求社会通信水平与之相适应。若通信的水平跟不上，社会成员之间的合作程度就受到限制，社会生产力的发展也必然最终受到限制。可见，通信是十分重要的。在理想通信系统中不需要考虑信道噪声的问题，而实际中噪声是随处可见的，那么信道的信噪比估计对于通信系统来说是非常重要的，也一直是无线通信领域一个重要的研究课题。一方面通过信噪比估计可以自适应的采用更有效的解调算法来提高解调性能;另一方面在移动通信中，系统使用信噪比作为通信质量的衡量标准，提供越区切换、功率控制和信道分配等所需的信道质量信息。在自适应无线通信中，信噪比作为信道质量的主要参数，可以控制通信频率或调制方式切换。信噪比估计在软件无线电的调制识别中更是十分关键的，因为接受信号信噪比与分类阂值关系密切，信噪比估计的正确与否直接影响系统的正确识别率。 1986年，Simon和Mileant[7]针对BPSK信号在宽带AWGN信道中提出了分离符号矩(SSME)估计法，1990年，Shah和Hinedi[8]又把SSME估计法应用于带限信道，接着，Shha和Holmes[9]做了进一步的工作，着力于改进SSME估计法应用于窄带信道中的性能，这里系统的脉冲响应可以测量出来。在2000年，Pauluzzi与Beaulieu[8]针对SSME法进一步利用等效基带模型进行推导，并说明由于算法本身的缺陷，只限于估计AWGN信道中的BPSK信号的信噪比，而由于复杂性，对高阶的MPSK信号并没有进一步分析。2000年，David R.Pauluzzi和Norman C.Beaulieu[8]对于AWGN信道中的信噪比估计算法作了详细的比较。一前面所说方法，他们都在同一模型下给予例证，分实信道和复信道加以讨论。最后，利用均方误差(MSE)对各种算法的性能做了详细的比较。通过得出复信道的克拉美罗界(CRB)与实信道的克拉洛美界左比较，仿真估计算法的性能都与在实和复AWGN信道中的克拉美罗界(CRB)作比较。其中，MZM4估计、SNV估计和ML估计取得了较好的效果。David R.Pauluzzi[19]还于2002年针对QPSK信号提出了四种信噪比估计算法，并进行性能比较。 由上述介绍，我们知道关于具有AWGN信道性能己有较多的研究，但是大多数的性能度量和测试条件不统一，所以无法准确地了解到每种算法的优劣。David R.Pualuzzi和Norman C.Beaulieu在这一方面做了比较好的工作[8],就是设定同一度量和同一试验模型，对不同算法的性能做出了比较。对于信噪比估计算法的研究，其性能优劣，不可一概而论，“最佳”估计器依赖于观测数据长度、每符号采样率、调制类型以及感兴趣的信噪比范围，当然复杂度、实时性和稳健性也是重要的指标。 1.2 课题研究意义 在 21 世纪的今天，信息化时代的到来已经极大地改变了人们的社会生活，通信技术日新月异的发展在人类社会的发展与进步中起着重要作用。数字通信技术以通信理论、数字信号处理理论及微电子技术为基础，具有广阔的发展前景。数字通信是以数字信号为信息载体来传输信息的，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。数字通信相对于模拟通信具有抗干扰能力强，便于加密处理，高度的灵活和通用性，设备便于集成微型化等众多优点，数字通信技术已发展成为现代通信系统的基础技术[2]。 一个理想的数字通信系统只有信源信道和信宿，而且在理想通信系统中并没有噪声和信号干扰衰减的作用，但理想终归是理想，在实际中不得不需要考虑非理想环境的状态，而且信号在实际传输中，经历的往往是一个非理想的信道，比如说信号经传输时遇到了高斯白噪声也就是随机噪声，这种噪声会使信号衰减，致使在接收端对信号进行判定时出现错误的判定，最终导致接收信号失败，两端无法进行正常的通信。再比如说信号在非理想的无线通信系统中，信号在传输过程中，会产生多径干扰，多径就是指无线电信号从发射天线经过多个路径抵达接收天线的传播现象。大气层对电波的散射、电离层对电波的反射和折射，以及山峦、建筑等地表物体对电波的反射都会造成多径传播。这些都是信号在非理想环境中收到的干扰，所以研究信号在非理想环境中的传输是很有必要，也是迫切的任务。本次设计就是研究AWGN信道中的数字传输系统，这对我们以后能够继续研究干扰信道的问题有很大的帮助和指导意义。 1.3 课题研究内容及组织结构 ??? ?本文主要了解数字传输系统在AWGN下的性能，主要掌握两个调制技术，并且了解这两个调制技术在AWGN信道中的性能。课题所要掌握的两个调制技术分别是2FSK调制和2PSK调制，中文名字分别叫做二进制频移键控和二进制相移键控，这两种调制针对的就是数字基带信号传输系统的，而且在当今也是比较流行的两中调制技术。本文在研究FSK和PSK调制技术的基础上，研究了AWGN信道下的调制，在AWGN信道下，通过调制技术来使基带信号减小误码率，提高可靠性。利用MATLAB仿真，将理论放到了实践中，对仿真结果进行分析，得到了更深刻的理论分析。 本论文分为五章，各章的基本内容如下： 第1章 绪论 主要介绍了课题的研究背景，对AWGN信道下的调制技术的发展进行了简要概述，并提出了课题的研究意义，最后给出了本文的研究内容和文章的组织结构。 第2章 数字传输系统简介 对通信系统原理进行了简要概述，主要介绍了数字传输系统的基本概念和AWGN信道的相关知识，为后面的仿真分析打下坚实的基础。 第3章 2PSK和2FSK调制解调原理 分别阐述了2PSK和2FSK的调制解调原理。 第4章 MATLAB对AWGN信道下的调制仿真 首先对AWGN信道的特性和参数进行了介绍，然后分别对FSK和PSK进行了AWGN干扰下的仿真，得出仿真图，并进行分析和讨论 第5章 结论 对全文进行了工作总结。