simulink的数字调制解调仿真(最终版)要点.pdf
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1、基于 MATLAB的对信号调制与解调的仿真 1 本科生毕业设计论文 设计题目 : 基于 MATLAB 的对信号调制与解调的仿真 基于 MATLAB的对信号调制与解调的仿真 2 摘要 Simulink 是 Mathworks 公司推出的基于 Matlab 平台的著名仿真环境Simulin 作为一 种专业和功能强大且操作简单的仿真工具,目前已被越来越多的工程技术人员所青睐, 它搭建积木式的建模仿真方式既简单又直观,而且已经在各个领域得到了广泛的应用。 本文主要是以 simulink 为基础平台,对 2ASK、2FSK、2PSK信号的仿真。文章第一 章内容是对 simulink 的简单介绍和通信技术
2、的目前发展和未来展望;第二章是对2ASK、 2FSK 和 2PSK 信号调制及解调原理的详细说明;第三章是本文的主体也是这个课题所要 表现的主要内容,第三章是2ASK、2FSK 和 2PSK 信号的仿真部分,调制和解调都是 simulink 建模的的方法,在解调部分各信号都是采用相干解调的方法,而且在解调的过 程中都对整个系统的误码率在display 模块中有所显示 本文的主要目的是对simulink 的熟悉和对数字通信理论的更加深化和理解。 关键词: 2ASK 、2FSK 、2PSK ,simulink, 调制,相干解调 通信系统仿真 3 目 录 摘要 . . 42 第一章绪论 . 44 1
3、.1 MATLAB/Smulink 的简介 . 44 1.2 通信发展简史 . 错误!未定义书签。 4 1.3 通信技术的现状和发展趋势. 错误!未定义书签。 7 第二章 2ASK、2FSK 、2PSK和 2DPSK 的基本原理和实现 错误!未定义书签。 7 2.1 2ASK 的基本原理和调制解调实现. 错误!未定义书签。 8 2.2 2FSK 的基本原理和调制解调实现 错误!未定义书签。 11 2.3 2PSK 的基本原理和调制解调实现. 错误!未定义书签。 14 2. 2DPSK 的基本原理和调制解调实现. 错误!未定义书签。 18 第三章 Smulink的模型建立和仿真 错误!未定义书签
4、。 24 3.1 2ASK 的仿真 错误!未定义书签。 24 3.2 2FSK 的仿真 错误!未定义书签。 32 3.3 2PSK 的仿真 错误!未定义书签。 41 总结 . . 46 致谢 . . 47 参考文献 . . 47 通信系统仿真 4 第一章绪论 1.1 MATLAB/Simulink的简介 美国 Mathworks公司于 1967年推出了矩阵实验室“ Matrix Laboratory”(缩写为Matlab) 这就是 Matlab 最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从 Matlab 诞生开始,由于其高度的集成性及应用的方便性,在高校中受到了极大的
5、欢迎。由于它使 用方便,能非常快的实现科研人员的设想, 极大的节约了科研人员的时间, 受到了大多数科研人员 的支持,经过一代代人的努力, 目前已发展到了7.X 版本。 Matlab 是一种解释性执行语言, 具有 强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单,扩充方便,尤其是世界上有成千上万的不同领 域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab 的功能,使其成为了巨大的知识宝库。可 以毫不夸张的说,哪怕是你真正理解了一个工具箱, 那么就是理解了一门非常重要的科学知识。 科 研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识, 这就是 Matlab真正在全世界推广开来 的原因。目前
6、的 Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面, 它可以像VB等语言一样设计漂亮的 用户接口,同时因为有最丰富的函数库 (工具箱),所以计算的功能实现也很简单, 进一步受到了 科研工作者的欢迎。另外,,Matlab 和其他高级语言也具有良好的接口,可以方便的实现与其他语 言的混合编程,进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可以说,Matlab 已经也很有必要成为大学生的 必修课之一,掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具,也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应 用最广泛的工具之一 。确切的说,Simulink 是一个用来对动
7、态系统进行建模、仿真和分析的软件 包,它支持线性和非线性系统, 连续、离散时间模型,或者是两者的混合。 系统还可以使多种采样 频率的系统,而且系统可以是多进程的。Simulink 工作环境进过几年的发展,已经成为学术和工 业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulink 环境中,它为用户提供了方框图进行建模的图形 接口,采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、 方便,故用户只需进行简单的点 击和拖动就能完成建模, 并可直接进行系统的仿真, 快速的得到仿真结果。 它的主要特点在于: 1、 建模方便、快捷;2、易于进行模型分析; 3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和 差
8、分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink 模块库(或函数库)包含有Sinks (输出方式) 、Sources (输入源) 、Linear(线性环节) 、Nonlinear(非线性环节) 、Connection (连接与接口) 和 Extra(其他环节) 等具有不同功能或函数运算的Simulink 库模块 (或库函数) , 而且每个子模型库中包含有相应的功能模块,用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用 Simulink 创建的模型可以具有递阶结构,因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。 通信系统仿真 5 用户可以从最高级开始观看模型, 然后用鼠标双击其中的子
9、系统模块, 来查看其下一级的内容, 以 此类推,从而可以看到整个模型的细节, 帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。 在定 义完一个模型后,用户可以通过Simulink 的菜单或 MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。 菜单方式对于交互工作非常方便, 而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。 采用 Scope模块 和其他的显示模块, 可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果, 若改变模块的参数并再次运 行即可观察到相应的结果,这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到 MATLAB 的工 作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具, MATLAB 的所有工
10、具及Simulink 本身 的应用工具箱都包含这些工具。 由于 MATLAB 和SIMULINK 的集成在一起的, 因此用户可以在这两种 环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink 不能脱离 MATLAB 而独立工 作。, 1.2 通信技术的历史和发展 1.2.1 通信的概念 通信就是克服距离上的障碍,从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生 的,是信息的物理表现,例如,语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message) 。 消息有模拟消息(如语音、图像等)以及数字消息(如数据、文字等)之分。所有消息必 须在转换成电信号(通常简称为信号)后才能在通信系统中传
11、输。所以,信号(Signal) 是传输消息的手段,信号是消息的物质载体。 相应的信号可分为模拟信号和数字信号,模拟信号的自变量可以是连续的或离散的, 但幅度是连续的 (分别如图 1-2-1 所示) ,如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。 数字信号的自变量可以是连续的或离散的,但幅度是离散的(分别如图 1-2-2 所示) ,如电 船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。 通信的目的是传递消息,但对受信者有用的是消息中包含的有效内容,也即信息 (Information) 。消息是具体的、表面的,而信息是抽象的、本质的,且消息中包含的信息 的多少可以用信息量来度量。 通信技术
12、,特别是数字通信技术近年来发展非常迅速,它的应用越来越广泛。通信从 本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术,它要将大量有用的信息无失真,高效 率地进行传输,同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要 通信系统仿真 6 有效地传递信息,而且还有储存、处理、采集及显示等功能,通信已成为信息科学技术的 一个重要组成部分。 通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和,包括信息源、发送 设备、信道、接收设备和信宿(受信者 ) ,它的一般模型如图1-2-3 所示。 信息源发送设备信道接收设备受信者 噪声源 图 1-2-3 通信系统一般模型 通信系统可分为数字通信系
13、统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递 消息的通信系统,其模型如图1-2-4 所示, 信数信信数信 信源道字受道源字信 息编编调解译译信 源码码调码码者制道 器器器器器器 噪声源 图 1-2-4 数字通信系统模型 模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统,其模型如图1-2-5 所示。 信息源调制器信道解调器受信者 噪声源 图 1-2-5 模拟通信系统模型 通信系统仿真 7 数字通信系统较模拟通信系统而言,具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、 便于与计算机连接等优点。因而,数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二 十年来,数字通信发展十分迅速,在整个通信领域中所
14、占比重日益增长,在大多数通信系 统中已代替模拟通信,成为当代通信系统的主流。 1.2.2 通信的发展史简介 远古时代 , 远距离的传递消息是以书信的形式来完成的, 这种通信方式明显具有传递时 间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息, 人们不断地尝试所能找到的各种最 新技术手段。 1837 年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始, 之后,利用电进行 通信的研究取得了长足的进步。 1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876 年贝尔发明了电话 , 利用电信号实现了语音信号的有线传递,使信息的传递变的既迅速又准 确,这标志着模拟通信的开始,由于它比电报更便于交流使用,
15、所以直到20 世纪前半叶这 种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937年瑞威斯发明 的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20 世纪 60 年代以后集成电路、电子计算机的出现, 使得数字通信迅速发展。在70 年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90 年代中期被数 字移动电话所代替,现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率和大容 量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。 1.3 通信技术的发展现状和趋势 进入 20 世纪以来,随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是 在 20 世纪后半叶, 随着人造地球卫星的发射, 大规模集成电路、
16、电子计算机和光导纤维等 现代技术成果的问世,通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。 (1) 微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。 (2) 移动通信和卫星通信的出现,使人们随时随地可通信的愿望可以实现。 (3) 光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。 (4) 电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次,借助现代电信网和计算机的融合, 人们将世界变成了地球村。 通信系统仿真 8 (5) 微电子技术的发展,使通信终端的体积越来越小,成本越来越低,范围越来越广。 例如,2003 年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部 的统计数据,到 2005
17、 年底移动电话用户近4 亿。 随着现代电子技术的发展,通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。 随着科学技术的进步,人们对通信的要求越来越高,各种技术会不断地应用于通信领域, 各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。 第二章数字频带传输系统 在数字基带传输系统中, 为了使数字基带信号能够在信道中传输,要求信道应具有低通 形式的传输特性。然而,在实际信道中,大多数信道具有带通传输特性,数字基带信号不 能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制,产生各 种已调数字信号。 图 2-1 数字调制系统的基本结构 数字调制与模拟调
18、制原理是相同的,一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。 但是,数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点,其取值是有限的离散状态。 这样, 可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的三种数字调制方式 是:振幅键控 (ASK) 、移频键控 (FSK) 和移相键控 (PSK 或 DPSK) 。 本章重点论述二进制数字调制系统的原理及其抗噪声性能,简要介绍多进制 数字调制原理。 2.1 二进制振幅键控 (2ASK) 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制.当数字基带信号为二进制 时,则为二进制振幅键控 . 设发送的二进制符号序列由0,1 序列组成 ,发送 0 符号的
19、概率为 P, 发送 1 符号的概率为 1-P,且相互独立 .该二进制符号序列可表示为 通信系统仿真 9 (2-1-1) 其中 (2-1-2) Ts是二进制基带信号时间间隔,g(t)是持续时间为 Ts的矩形脉冲 : (2-1-3) 则二进制振幅键控信号可表示为 (2-1-4) 二进制振幅键控信号时间波型如图2 - 2 所示. 由图 2 - 2 可以看出 ,2ASK 信号的时间波 形 e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化 ,所以又称为通断键控信号(OOK 信号). 二进制 振幅键控信号的产生方法如图2 - 3 所示,图(a)是采用模拟相乘的方法实现, 图(b)是采用数 字键控的方法实现
20、 . 由图 2 - 2 可以看出 ,2ASK 信号与模拟调制中的AM 信号类似 .所以,对 2ASK 信号也能够采 用非相干解调(包络检波法 )和相干解调 (同步检测法 ),其相应原理方框图如图2 - 4 所 示.2ASK 信号非相干解调过程的时间波形如图2 - 5 所示. _ 图 2 2 二进制振幅键控信号时间波型 通信系统仿真 10 图 2-3 二进制振幅键控信号调制器原理框图 图 2 4 二进制振幅键控信号解调器原理框图 图 2 - 信号非相干解调过程的时间波形 通信系统仿真 11 2.2 二进制移频键控 在二进制数字调制中 ,若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1 和 f2 两个频率点
21、间变化 ,则 产生二进制移频键控信号(2FSK 信号).二进制移频键控信号的时间波形如图2 - 所示, 图中波形 g 可分解为波形 e 和波形 f,即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二 进制振幅键控信号的叠加. 若二进制基带信号的1 符号对应于载波频率f1,0 符号对应于载 波频率 f2,则二进制移频键控信号的时域表达式为 212 ( )() cos()() cos() FSKnsnnbn nn eta g tnTta g tnTt(2-1-5) (2-1- 6) 通信系统仿真 12 (2- 1-7) 图 2- 6 二进制移频键控信号的时间波形 由图 2 - 6 可看出,bn是 an
22、的反码,即若 an=1,则 bn=0, 若 an=0,则 bn=1,于是 bn=na , n 和 n 分别代表第 n 个信号码元的初始相位 .在二进制移频键控信号中, n和 n 不携带信息 ,通常可 令 n和 n 为零.因此,二进制移频键控信号的时域表达式可简化为 (2-1- 8) 二进制移频键控信号的产生,可以采用模拟调频电路来实现,也可以采用数字键控的方法来 实现. 图 2- 7 是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图, 图中两个振荡器的输出载 波受输入的二进制基带信号控制,在一个码元 Ts期间输出 f1 或 f2 两个载波之一 二进制移频键控信号的解调方法很多,有模拟鉴频法和数字检测
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