基于MATLAB的基本數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)基于MATLAB的基本數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于MATLAB的基本數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)(論文)的基本內(nèi)容：(1) 學(xué)習(xí)數(shù)字通信系統(tǒng)原理；掌握數(shù)字調(diào)制解調(diào)基本原理，以及MATLAB軟件的應(yīng)用；熟練SIMULINK建模設(shè)計(jì)，運(yùn)用軟件進(jìn)行仿真；(2) 將對(duì)數(shù)字調(diào)制解調(diào)進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果進(jìn)行性能分析，得出最佳系統(tǒng)；(3) 對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行可行性論證，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)論文。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)題部分：題目：設(shè)計(jì)或論文專(zhuān)題的基本內(nèi)容：學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目日期第周指導(dǎo)教師簽字：年月日-V-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

2、（論文） 摘要基于MATLAB的基本數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求通信距離遠(yuǎn)、通信容量大、傳輸質(zhì)量好，作為其關(guān)鍵技術(shù)之一的調(diào)制解調(diào)技術(shù)一直是人們研究的一個(gè)重要方向。本文以MATLAB為軟件平臺(tái)，充分利用其提供的通信工具箱和信號(hào)處理工具箱中的模塊，對(duì)數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行Simulink設(shè)計(jì)仿真，并且進(jìn)行誤差分析。調(diào)制與解調(diào)是通信系統(tǒng)中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，針對(duì)不同的信道環(huán)境選擇不同的調(diào)制與解調(diào)方式可以有效地提高通信系統(tǒng)中的頻帶利用率，改善接收信號(hào)的誤碼率。本設(shè)計(jì)運(yùn)用Simulink仿真軟件對(duì)二進(jìn)制調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模型構(gòu)建、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真演示、結(jié)果顯示、誤差分析以及綜合性能分析，重點(diǎn)對(duì)B

3、ASK，BFSK，BPSK進(jìn)行性能比較和誤差分析。在實(shí)際應(yīng)用中，視情況選擇最佳的調(diào)制方式。本文首先介紹了課題研究的背景，然后介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用的Simulink仿真軟件，隨后介紹了載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理，并根據(jù)原理構(gòu)建仿真模型，進(jìn)行數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真，最后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，并歸納了Simulink軟件使用中需要注意的事項(xiàng)。本文的主要目的是對(duì)Simulink的學(xué)習(xí)和對(duì)數(shù)字調(diào)制解調(diào)理論的掌握和深化，為今后在通信領(lǐng)域繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：通信系統(tǒng)；Simulink仿真；數(shù)字化調(diào)制解調(diào)；BASK；BFSK；BPSK東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目錄畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)I摘要IIAbst

4、ractIII第1章 緒論11.1 課題研究背景11.2 通信系統(tǒng)的組成1第2章 仿真軟件簡(jiǎn)介72.1仿真軟件MATLAB簡(jiǎn)介72.2 Simulink簡(jiǎn)介82.3 本章小結(jié)9第3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)113.1 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)113.2 二進(jìn)制振幅鍵控113.3 二進(jìn)制移頻鍵控133.4 二進(jìn)制移相鍵控163.5 二進(jìn)制差分相位鍵控183.6 二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的功率譜密度203.6.1 2ASK信號(hào)的功率譜密度203.6.2 2FSK信號(hào)的功率譜密度213.6.3 2PSK及2DPSK 信號(hào)的功率譜密度223.7 本章小結(jié)23第4章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真254.1 2ASK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)254.1.1

5、 2ASK信號(hào)調(diào)制仿真254.1.2 2ASK信號(hào)解調(diào)仿真274.2 2FSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)294.2.1 2FSK信號(hào)調(diào)制仿真294.2.2 2FSK信號(hào)解調(diào)仿真314.3 2PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)344.3.1 2PSK信號(hào)調(diào)制仿真344.3.2 2PSK信號(hào)解調(diào)仿真364.4 本章小結(jié)38第5章 結(jié)論39參考文獻(xiàn)43致謝45東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 0 緒論第1章 緒論1.1課題研究背景進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，隨著晶體管、集成電路的出現(xiàn)與普及、無(wú)線(xiàn)通信迅速發(fā)展。特別是在20世紀(jì)后半葉，隨著人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，大規(guī)模集成電路、電子計(jì)算機(jī)和光導(dǎo)纖維等現(xiàn)代技術(shù)成果的問(wèn)世，通信技術(shù)在以下幾個(gè)不同

6、方向都取得了巨大的成功：(1) 微波中繼通信使長(zhǎng)距離、大容量的通信成為了現(xiàn)實(shí)；(2) 移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，使人們隨時(shí)隨地可通信的愿望可以實(shí)現(xiàn)；(3) 光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)更是將通信容量提高到了以前無(wú)法想象的地步；(4) 電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將通信技術(shù)推上了更高的層次，借助現(xiàn)代電信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的融合，人們將世界變成了地球村；(5) 微電子技術(shù)的發(fā)展，使通信終端的體積越來(lái)越小，成本越來(lái)越低，范圍越來(lái)越廣。例如，2003年我國(guó)的移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)首次超過(guò)了固定電話(huà)用戶(hù)。根據(jù)國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到目前為止移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)超過(guò)6億。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和寬帶化的方向發(fā)展。隨

7、著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)通信的要求越來(lái)越高，各種技術(shù)會(huì)不斷地應(yīng)用于通信領(lǐng)域，各種新的通信業(yè)務(wù)將不斷地被開(kāi)發(fā)出來(lái)。到那時(shí)人們的生活將越來(lái)越離不開(kāi)通信1,2,10。而作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一的調(diào)制解調(diào)技術(shù)將是人們研究的重要方向。1.2 通信系統(tǒng)的組成通信就是克服距離上的障礙，從一地向另一地傳遞和交換消息。消息是信息源所產(chǎn)生的，是信息的物理表現(xiàn)，例如，語(yǔ)音、文字、數(shù)據(jù)、圖形和圖像等都是消息(Message)。消息有模擬消息（如語(yǔ)音、圖像等）以及數(shù)字消息（如數(shù)據(jù)、文字等）之分。所有消息必須在轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（通常簡(jiǎn)稱(chēng)為信號(hào)）后才能在通信系統(tǒng)中傳輸。所以，信號(hào)（Signal）是傳輸消息的手段，信號(hào)是消息

8、的物質(zhì)載體。 相應(yīng)的信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是連續(xù)的，如電話(huà)機(jī)、電視攝像機(jī)輸出的信號(hào)就是模擬信號(hào)；數(shù)字信號(hào)的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是離散的，如電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備輸出的信號(hào)就是數(shù)字信號(hào)。通信的目的是傳遞消息，但對(duì)受信者有用的是消息中包含的有效內(nèi)容，也即信息(Information) 。消息是具體的、表面的，而信息是抽象的、本質(zhì)的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量來(lái)度量。通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和，包括信息源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備和信宿(受信者) ，它的一般模型如圖1.1所示。發(fā)送設(shè)備

9、受信者接收設(shè)備信道噪聲源信息源圖1.1通信系統(tǒng)一般模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖1.2所示。受信者解調(diào)器信道噪聲源調(diào)制器信息源圖1.2 模擬通信系統(tǒng)模型通信從本質(zhì)上來(lái)講就是實(shí)現(xiàn)信息傳遞功能的一門(mén)科學(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息無(wú)失真，高效率地進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要在傳輸過(guò)程中將無(wú)用信息和有害信息抑制掉。今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有儲(chǔ)存、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。通信系統(tǒng)可分為數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖1.3所示。受信者解密器譯碼器解調(diào)器信道調(diào)制器編碼器信息源加

10、密器噪聲源圖1.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型20世紀(jì)60年代以來(lái)，數(shù)字通信日益興旺起來(lái)，甚至出現(xiàn)數(shù)字通信替代模擬通信的趨勢(shì)。除了計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用需要傳輸大量數(shù)字信息的客觀要求外，數(shù)字通信迅速發(fā)展的基本原因是它與模擬通信相比，更能適應(yīng)對(duì)通信技術(shù)越來(lái)越高的要求。第一，數(shù)字傳輸抗干擾能力強(qiáng)，尤其在中繼時(shí)，數(shù)字信號(hào)可以再生而消除噪聲的積累；第二，數(shù)字傳輸差錯(cuò)可以控制，從而改善傳輸質(zhì)量；第三，便于使用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理；第四，數(shù)字信息易于做高保密性的加密處理；第五，數(shù)字通信可以綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)功能增強(qiáng)。但是，數(shù)字通信還有以下突出的問(wèn)題。第一，數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)，信道噪聲或干擾造成的差

11、錯(cuò)，原則上都是可以控制的。這是通過(guò)差錯(cuò)控制編碼等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為此，在發(fā)送端需要增加一個(gè)編碼器，而在接收端相應(yīng)需要一個(gè)解碼器。第二，當(dāng)需要保密時(shí)，可以有效的對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行人為“攬亂”，即加上密碼，這叫加密，此時(shí)在接收端就需要進(jìn)行解密。第三，由于數(shù)字通信傳輸?shù)氖且粋€(gè)接一個(gè)按節(jié)拍傳送的數(shù)字信號(hào)單元，即碼元，因此接收端要按發(fā)送端的相同節(jié)拍接收。不然就會(huì)造成收發(fā)節(jié)拍不一致，造成混亂，使接收性能變壞。在數(shù)字通信中，通常稱(chēng)節(jié)拍一致為“位同步”或“碼元同步”，而稱(chēng)編組一致為“群同步”或“碼組同步”?？梢?jiàn)，數(shù)字通信還必須有一個(gè)同步問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字通信的許多有點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶而換得的。以

12、電話(huà)為例，一路模擬電話(huà)通常只占4kHz帶寬，而一路傳輸質(zhì)量相同的數(shù)字電話(huà)則可能要占用數(shù)十千赫的帶寬。在系統(tǒng)頻帶緊張的場(chǎng)合，數(shù)字通信的這一缺點(diǎn)顯得很突出，但是在系統(tǒng)頻帶富裕的場(chǎng)合，比如毫米波通信、光纖通信場(chǎng)合，數(shù)字通信幾乎成了唯一的選擇。考慮到現(xiàn)有大量模擬通信系統(tǒng)這一事實(shí)，目前還常常需要利用它來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)。這就需要對(duì)其做改造或者加上數(shù)字終端設(shè)備。通信系統(tǒng)有不同的分類(lèi)方法，這里從通信系統(tǒng)模型的角度討論分類(lèi)。(1) 按消息的物理特征分類(lèi)。根據(jù)消息的物理特征的不同，通信系統(tǒng)可以分為電報(bào)通信系統(tǒng)、電話(huà)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)等。由于電話(huà) 通信網(wǎng)最為發(fā)達(dá)普及，因而其他消息常常通過(guò)公共的電話(huà)通

13、信網(wǎng)傳送。例如，電報(bào)常通過(guò)電話(huà)信道傳送。在綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)中，各類(lèi)型的消息都在統(tǒng)一的通信網(wǎng)中傳輸。(2) 按調(diào)制方式分類(lèi)。根據(jù)是否采用調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇?jīng)頻帶調(diào)制的信號(hào)直接傳送，如音頻市內(nèi)電話(huà)；頻帶傳輸是對(duì)各種信號(hào)調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q(chēng)。(3) 按信號(hào)特征分類(lèi)。按信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可以相應(yīng)的把通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩類(lèi)。(4) 按傳輸媒介分類(lèi)。按傳輸媒介，通信系統(tǒng)可分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩類(lèi)。(5) 按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)。傳送多路信號(hào)有三種復(fù)用方式，即頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同的信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍；時(shí)

14、分復(fù)用是用抽樣或脈沖調(diào)制方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間；碼分復(fù)用是應(yīng)一組包含互相正交的碼字的碼組攜帶多路信號(hào)。傳統(tǒng)的模擬通信大都采用頻分復(fù)用。隨著數(shù)字通信的發(fā)展，時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。碼分復(fù)用多用于空間擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，目前又開(kāi)始用于移動(dòng)通信中。對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳送的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式分為單工通信，半雙工通信和全雙工通信三種。所謂單工通信是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，例如遙測(cè)遙控，就是單工通信方式，如圖1.4（a）所示。所謂半雙工通信是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)的工作方式，例如，使用同一載頻工作的無(wú)線(xiàn)對(duì)講機(jī)，就是按這種通信方式工作的，如圖1.4

15、（b）所示。所謂全雙工通信是指通信雙方可以同時(shí)收發(fā)消息的工作方式。例如，普通電話(huà)就是一種常見(jiàn)的全雙工通信方式，如圖1.4（c）所示。(a)(b) (c) 圖1.4 通信方式示意圖（a）信方式；（b）半雙工通信方式；（c）全雙工通信方式。在數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號(hào)的碼元排列的方法不同，有串行和并行傳輸之分。所謂串行傳輸就是將數(shù)字信號(hào)碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)的在信道中傳輸，如圖1.5（a）所示。如將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)碼元序列同時(shí)在信道中傳輸，則稱(chēng)為并行傳輸，如圖1.5（b）所示。一般遠(yuǎn)距離數(shù)字通信大都采用串行傳輸方式，因?yàn)檫@種方式只需占用一條通路。并行傳輸在近距離數(shù)

16、字通信中有時(shí)也會(huì)遇到，它需要占用兩條或者兩條以上的通路，比如，使用多條導(dǎo)線(xiàn)傳輸。實(shí)際的通信系統(tǒng)分為專(zhuān)線(xiàn)和通信網(wǎng)兩類(lèi)。專(zhuān)門(mén)為兩點(diǎn)之間設(shè)立傳輸線(xiàn)的通信，稱(chēng)之為專(zhuān)線(xiàn)通信，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為點(diǎn)與點(diǎn)通信。多點(diǎn)通信屬于網(wǎng)通信。顯然網(wǎng)通信的基礎(chǔ)是點(diǎn)與點(diǎn)的通信。在設(shè)計(jì)或評(píng)述通信系統(tǒng)時(shí)，往往要涉及通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)，否則就無(wú)法衡量其質(zhì)量的優(yōu)劣。性能指標(biāo)也稱(chēng)為質(zhì)量指標(biāo)，它們是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)綜合提出或規(guī)定的。 （a） （b）圖1.5 串行和并行方式傳輸(a)串行傳輸；(b)并行傳輸通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)涉及其有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性、及維護(hù)使用等等。盡管對(duì)通信系統(tǒng)可有名目繁多的實(shí)際要求，但是，從研究消息的傳輸來(lái)說(shuō)

17、，通信的有效性與可靠性將是主要的矛盾所在。這里說(shuō)的有效性主要是指消息傳輸?shù)乃俣葐?wèn)題，而可靠性主要是指消息的質(zhì)量問(wèn)題。顯然這是兩個(gè)互相矛盾的問(wèn)題，這對(duì)矛盾通常只能依據(jù)實(shí)際要求取得相對(duì)的統(tǒng)一。例如，在滿(mǎn)足一定可靠性指標(biāo)下，盡量提高消息的傳輸速度；或者在維持一定有效性下使消息傳輸質(zhì)量盡可能地提高2-11。對(duì)于模擬通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，消息傳輸速度主要決定于消息所含的信息量和對(duì)連續(xù)消息的處理。處理的目的在于使單位時(shí)間內(nèi)傳送更多的消息。從信息論觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，消息傳輸速度可用單位時(shí)間內(nèi)傳送的信息量來(lái)衡量。模擬通信中還有一個(gè)更重要性能指標(biāo)，即均方誤差。它是衡量發(fā)送的模擬信號(hào)與接收端復(fù)制的模擬信號(hào)之間誤差程度的質(zhì)量指標(biāo)。

18、均方誤差越小，說(shuō)明復(fù)制的信號(hào)越逼真。在數(shù)字通信系統(tǒng)里，主要的性能指標(biāo)有兩個(gè)，及傳輸速率和差錯(cuò)率。傳輸速率通常以碼元傳輸速率衡量，單位為“波特”，常用符號(hào)“B”表示。差錯(cuò)率是衡量系統(tǒng)正常工作時(shí)傳輸消息可靠程度的重要性能指標(biāo)。本文結(jié)論部分主要對(duì)BASK、BFSK和BPSK數(shù)字調(diào)制方式的誤碼率進(jìn)行分析。-49-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第2章 仿真軟件簡(jiǎn)介第2章 仿真軟件簡(jiǎn)介2.1 仿真軟件MATLAB簡(jiǎn)介美國(guó)Mathworks公司于1967年推出了矩陣實(shí)驗(yàn)室“Matrix Laboratory”（縮寫(xiě)為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。開(kāi)發(fā)的最早的目的是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好的授課

19、和學(xué)習(xí)。從Matlab誕生開(kāi)始，由于其高度的集成性及應(yīng)用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便，能非?？斓膶?shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想，極大的節(jié)約了科研人員的時(shí)間，受到了大多數(shù)科研人員的支持，經(jīng)過(guò)一代代人的努力，目前已發(fā)展到了7.X版本4,5。MATLAB是一種解釋性執(zhí)行語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能。MATLAB系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成，下面加以介紹。(1) MATLAB語(yǔ)言體系。MATLAB是高層次的矩陣/數(shù)組語(yǔ)言。具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向 對(duì)象等程序語(yǔ)言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模端程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開(kāi)發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用

20、程序。(2) MATLAB工作環(huán)境，是對(duì)MATLAB提供給用戶(hù)使用的管理功能的總稱(chēng)。包括管理工作空間中的變量數(shù)據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開(kāi)發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具6,7。(3) 圖形系統(tǒng)，是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫(huà)生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶(hù)對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開(kāi)發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。(4) MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)是對(duì)MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱(chēng)。包括各種初等函數(shù)的算法 ，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層數(shù)學(xué)算法。(5) MATLAB應(yīng)用程序接口（API），這是MAT

21、LAB為用戶(hù)提供的的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶(hù)能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用子程序，讀寫(xiě)MAT文件功能。由于它使用簡(jiǎn)單，擴(kuò)充方便，尤其是世界上有成千上萬(wàn)的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過(guò)程中擴(kuò)充MATLAB的功能，使其成為了巨大的知識(shí)寶庫(kù)。可以毫不夸張的說(shuō)，哪怕是你真正理解了一個(gè)工具箱，那么就是理解了一門(mén)非常重要的科學(xué)知識(shí)?？蒲泄ぷ髡咄ǔ？梢酝ㄟ^(guò)MATLAB來(lái)學(xué)習(xí)某個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)知識(shí)，這就是Matlab真正在全世界推廣開(kāi)來(lái)的原因。目前的Matlab版本已經(jīng)可以方便的設(shè)計(jì)漂亮的界面，它可以像VB等語(yǔ)言一樣設(shè)計(jì)漂亮的用戶(hù)接口，同時(shí)因?yàn)橛凶钬S富的函數(shù)

22、庫(kù)（工具箱），所以計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單，進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外，Matlab和其他高級(jí)語(yǔ)言也具有良好的接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)與其他語(yǔ)言的混合編程，進(jìn)一步拓寬了Matlab的應(yīng)用潛力?？梢哉f(shuō)，Matlab已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一，掌握這門(mén)工具對(duì)學(xué)習(xí)各門(mén)學(xué)科有非常重要的推進(jìn)作用8,9。2.2 Simulink簡(jiǎn)介Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，也是目前在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一 。確切的說(shuō)，Simulink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時(shí)間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以是多

23、種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。Simulink工作環(huán)境經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來(lái)建模和仿真的主流工具包。在Simulink環(huán)境中，它為用戶(hù)提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫(huà)模型圖就如同用手在紙上畫(huà)模型一樣自如、方便，故用戶(hù)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊和拖動(dòng)就能完成建模，并可直接進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結(jié)果。它的主要特點(diǎn)在于：(1) 建模方便、快捷；(2) 易于進(jìn)行模型分析；(3) 優(yōu)越的仿真性能。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink模塊庫(kù)（或函數(shù)庫(kù)）包含有Sinks（輸出方式）、Sources（輸入源）

24、、Linear（線(xiàn)性環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線(xiàn)性環(huán)節(jié)）、Connection（連接與接口）和Extra（其他環(huán)節(jié)）等具有不同功能或函數(shù)運(yùn)算的Simulink庫(kù)模塊（或庫(kù)函數(shù)），而且每個(gè)子模型庫(kù)中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶(hù)還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊9,21。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶(hù)可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶(hù)可以從最高級(jí)開(kāi)始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來(lái)查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類(lèi)推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶(hù)理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后，用戶(hù)可以通過(guò)Simulink的菜單或MATLA

25、B的命令窗口鍵入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真10,19。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其他的顯示模塊，可以在仿真進(jìn)行的同時(shí)就可立即觀看到仿真結(jié)果，若改變模塊的參數(shù)并再次運(yùn)行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問(wèn)題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線(xiàn)性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的應(yīng)用工具箱都包含這些工具16,17。由于MATLAB和Simulink的集成在一起的，因此用戶(hù)可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離MATLA

26、B而獨(dú)立工作。2.3 本章小結(jié)本章介紹了MATLAB軟件的功能與組成，由于它使用簡(jiǎn)單，擴(kuò)充方便，世界上有成千上萬(wàn)的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過(guò)程中擴(kuò)充MATLAB的功能，使其成為了巨大的知識(shí)寶庫(kù)。本章也介紹了Simulink工具箱，Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。本文的設(shè)計(jì)就是運(yùn)用Simulink軟件進(jìn)行建模、仿真的。東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)第3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)3.1 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中，為了使數(shù)字基帶信號(hào)能夠在信道中傳輸，要求信道應(yīng)具有低通形式的傳輸特性。然而，

27、在實(shí)際信道中，大多數(shù)信道具有帶通傳輸特性，數(shù)字基帶信號(hào)不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸。必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生各種已調(diào)數(shù)字信號(hào)。數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制原理是相同的，一般可以采用模擬調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。但是，數(shù)字基帶信號(hào)具有與模擬基帶信號(hào)不同的特點(diǎn)，其取值是有限的離散狀態(tài)。這樣，可以用載波的某些離散狀態(tài)來(lái)表示數(shù)字基帶信號(hào)的離散狀態(tài)。基本的三種數(shù)字調(diào)制方式是：振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK 或DPSK)。3.2 二進(jìn)制振幅鍵控振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)

28、制。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí),則為二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）。 設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由“0”,“1”序列組成,發(fā)送“0”符號(hào)的概率為P,發(fā)送“1”符號(hào)的概率為1-P,且相互獨(dú)立。該二進(jìn)制符號(hào)序列可表示為： （3.1）其中： （3.2）是二進(jìn)制基帶信號(hào)時(shí)間間隔,g(t)是持續(xù)時(shí)間為的矩形脈沖： （3.3）則二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)可表示為： （3.4）二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)時(shí)間波形如圖3.2所示。由圖3.2可以看出2ASK信號(hào)的時(shí)間波形隨二進(jìn)制基帶信號(hào)s（t）通斷變化，所以又稱(chēng)為通斷鍵控信號(hào)（OOK 信號(hào)）。二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的產(chǎn)生方法如圖3.3所示，圖3.3（a）是采用模擬相乘的方法實(shí)現(xiàn)，圖3.3（b

29、）是采用數(shù)字鍵控方法實(shí)現(xiàn)的1,12,13。由圖 3.2 可以看出,2ASK信號(hào)與模擬調(diào)制中的AM信號(hào)類(lèi)似.所以,對(duì)2ASK信號(hào)也能夠采用非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測(cè)法),其相應(yīng)原理方框圖如圖3.4 所示。2ASK信號(hào)相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形如圖3.5所示。圖3.2二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)時(shí)間波型 (a)(b)圖3.3 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)調(diào)制器原理框圖（a）（b）圖 3.4 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)解調(diào)器原理框圖(a)非相干解調(diào)方式 (b)相干解調(diào)方式圖 3.52ASK信號(hào)相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形3.3 二進(jìn)制移頻鍵控在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在和兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化,則產(chǎn)

30、生二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)(2FSK信號(hào))。二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形如圖3.6所示,圖中波形g可分解為波形e和波形f,即二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的疊加。若二進(jìn)制基帶信號(hào)的“1”符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率,“0”符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率,則二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為： （3.5）其中： （3.6） （3.7）圖 3.6 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形由上式可知與是反碼，即若=1，則=0，若=0，則=1，于是=，因此二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可簡(jiǎn)化為： （3.8）二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)生,可以采用模擬調(diào)頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以采用數(shù)字鍵控的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3.7是數(shù)字鍵控法實(shí)

31、現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖, 圖中兩個(gè)振蕩器的輸出載波受輸入的二進(jìn)制基帶信號(hào)控制,在一個(gè)碼元期間輸出或兩個(gè)載波之一。圖 3.7 數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的解調(diào)方法很多,有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測(cè)法,有非相干解調(diào)方法也有相干解調(diào)方法。采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法的原理圖如圖3.8所示。其解調(diào)原理是將二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)分解為上下兩路二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào),分別進(jìn)行解調(diào),通過(guò)對(duì)上下抽樣值進(jìn)行比較最終判決出輸出信號(hào)。相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形如圖3.9 所示。(a) (b) 圖 3.8 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)解調(diào)器原理圖(a) 非相干解調(diào) (b)相干解調(diào)圖3.92FSK相干解調(diào)

32、過(guò)程的時(shí)間波形還有一種過(guò)零檢測(cè)法，它的原理是二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)數(shù)隨載波頻率不同而異,通過(guò)檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)數(shù)從而得到頻率的變化。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅后產(chǎn)生矩形波，經(jīng)微分、整流、波形整形、形成與頻率變化相關(guān)的矩形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾除高次諧波，便恢復(fù)出與原數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的基帶數(shù)字信號(hào)。3.4 二進(jìn)制移相鍵控二進(jìn)制移相鍵控，簡(jiǎn)記為2PSK或BPSK。2PSK信號(hào)碼元的“0”和“1”分別用兩個(gè)不同的初始相位“0”和“”來(lái)表示，而其振幅和頻率保持不變。故2PSK信號(hào)表示式可寫(xiě)出： (3.9)式中當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)， =0；當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)= 。這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式,稱(chēng)為二進(jìn)制

33、移相鍵控方式。二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的典型時(shí)間波形如圖3.10。 3.10 二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的時(shí)間波形二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的調(diào)制原理圖如圖 3.11所示。其中圖(a)是采用模擬調(diào)制的方法產(chǎn)生2PSK信號(hào),圖(b)是采用數(shù)字鍵控的方法產(chǎn)生2PSK信號(hào)22,23。 （a） （b）圖3.11 2PSK信號(hào)的產(chǎn)生方法2PSK信號(hào)的解調(diào)通常都是采用相干解調(diào), 解調(diào)器原理圖如圖3.12所示。在相干解調(diào)過(guò)程中需要用到與接收的2PSK信號(hào)同頻同相的相干載波。圖3.122PSK信號(hào)的解調(diào)原理圖2PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形如圖3.13所示。當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好

34、是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò)。圖3.13 2PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為“倒”現(xiàn)象。由于在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中存在著180的相位模糊,所以2PSK信號(hào)的相干解調(diào)存在隨機(jī)的“倒”現(xiàn)象,從而使得2PSK方式在實(shí)際中很少采用。3.5 二進(jìn)制差分相位鍵控在2PSK信號(hào)中，信號(hào)相位的變化是以未調(diào)正弦載波的相位作為參考，用載波相位的絕對(duì)數(shù)值表示數(shù)字信息的,所以稱(chēng)為絕對(duì)相移。由圖 3.13 所示2PSK信號(hào)的解調(diào)波形可以看出，由于相干載波恢復(fù)中載波相位的180相位模糊，導(dǎo)致解調(diào)出的二進(jìn)制基帶信號(hào)出現(xiàn)反向現(xiàn)象，從而難以實(shí)際應(yīng)用。為了解決2PSK信號(hào)解調(diào)過(guò)程的反向工作問(wèn)題，提

35、出了二進(jìn)制差分相位鍵控(2DPSK)。2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化來(lái)表示數(shù)字信息。假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為，可定義一種數(shù)字信息與之間的關(guān)系為： （3.10）則一組二進(jìn)制數(shù)字信息與其對(duì)應(yīng)的2DPSK信號(hào)的載波相位關(guān)系如下：二進(jìn)制數(shù)字信息： 1 1 1 0 0 1 1 0 12DPSK信號(hào)相位： 0 0 0數(shù)字信息與之間的關(guān)系也可以定義為： （3.11）2DPSK信號(hào)調(diào)制過(guò)程波形如圖 3.14 所示。 可以看出,2DPSK信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法可以采用:首先對(duì)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼,將絕對(duì)碼表示二進(jìn)制信息變換為用相對(duì)碼表示二進(jìn)制信息,然后再進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相,從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分

36、相位鍵控信號(hào)。2DPSK信號(hào)調(diào)制器原理圖如圖 3.15 所示。圖3.14 2DPSK信號(hào)調(diào)制過(guò)程波形圖圖3.15 2DPSK信號(hào)調(diào)制器原理圖2DPSK信號(hào)可以采用相干解調(diào)方式(極性比較法), 解調(diào)器原理圖和解調(diào)過(guò)程各點(diǎn)時(shí)間波形如圖 3.16 所示.其解調(diào)原理是：對(duì)2DPSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào),恢復(fù)出相對(duì)碼,再通過(guò)碼反變換器變換為絕對(duì)碼,從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。 在解調(diào)過(guò)程中,若相干載波產(chǎn)生180相位模糊, 解調(diào)出的相對(duì)碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象,但是經(jīng)過(guò)碼反變換器后,輸出的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置現(xiàn)象,從而解決了載波相位模糊度的問(wèn)題。 (a) (b)圖3.16 2DPSK信號(hào)相干解調(diào)(a) 2DPS

37、K信號(hào)相干解調(diào)器原理圖 (b) 解調(diào)過(guò)程各點(diǎn)波形2DPSK信號(hào)也可以采用差分相干解調(diào)方式(相位比較法), 解調(diào)器原理圖和解調(diào)過(guò)程各點(diǎn)時(shí)間波形如圖 3.17所示。 其解調(diào)原理是直接比較前后碼元的相位差,從而恢復(fù)發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息.由于解調(diào)的同時(shí)完成了碼反變換作用, 故解調(diào)器中不需要碼反變換器24。由于差分相干解調(diào)方式不需要專(zhuān)門(mén)的相干載波，因此是一種非相干解調(diào)方法。2DPSK系統(tǒng)是一種實(shí)用的數(shù)字調(diào)相系統(tǒng)，但其抗加性白噪聲性能比2PSK的要差。 圖3.17 2DPSK信號(hào)差分相干解調(diào)器原理圖圖3.18 2DPSK解調(diào)過(guò)程各點(diǎn)時(shí)間波形3.6 二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的功率譜密度3.6.1 2ASK信號(hào)的功率譜

38、密度若二進(jìn)制基帶信號(hào)s(t)的功率譜密度為： （3.12）則二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的功率譜密度為： （3.13）整理得： （3.14）式（3.12）中用到。二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的功率譜密度如圖3.19所示，由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。離散譜由載波分量確定，連續(xù)譜由基帶信號(hào)波形g(t)確定，。圖3.19 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的功率譜密度3.6.2 2FSK信號(hào)的功率譜密度相位不連續(xù)的二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的功率譜密度可以近似表示成兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)功率譜密度的疊加。 （3.15）其中和為兩路二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)： （3.16）， （3.17） （3.18）這里令概率，將二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜

39、密度公式帶入式（3.18），可得： （3.19）由式（3.19）可得，相位不連續(xù)的二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的功率譜由離散譜和連續(xù)譜所組成，其中，離散譜位于兩個(gè)載頻 和 處；連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于 和 處的雙邊譜疊加形成；若兩個(gè)載波頻差小于，則連續(xù)譜在處出現(xiàn)單峰；若載頻差大于，則連續(xù)譜出現(xiàn)雙峰。若以二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔計(jì)算二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的帶寬，則該二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的帶寬B，2FSK為： （3.20）其中 （3.21）圖3.20 相位不連續(xù)二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的功率譜示意圖3.6.3 2PSK及2DPSK 信號(hào)的功率譜密度2PSK 與 2DPSK 信號(hào)有相同的功率譜。2PS

40、K 信號(hào)可表示為雙極性不歸零二進(jìn)制基帶信號(hào)與正弦載波相乘，則 2PSK 信號(hào)的功率譜為： （3.22）代入基帶信號(hào)功率譜密度可得： （3.23）若二進(jìn)制基帶信號(hào)采用矩形脈沖，且，則2PSK 信號(hào)的功率譜簡(jiǎn)化為： （3.24）由上兩式可得出，一般情況下二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的功率譜密度由離散譜和連續(xù)譜組成，其結(jié)構(gòu)與二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的功率譜密度相類(lèi)似，帶寬也是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。當(dāng)二進(jìn)制基帶信號(hào)的“1”符號(hào)和“0”符號(hào)出現(xiàn)概率相等時(shí)，則不存在離散譜。2PSK信號(hào)的功率譜密度如圖3.21所示。圖3.21 2PSK信號(hào)的功率譜密度3.7 本章小結(jié)本章主要介紹了二進(jìn)制振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控三種二進(jìn)制

41、數(shù)字調(diào)制方式，并對(duì)這三種二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行功率譜密度分析。這些理論為第四章的建模仿真打下良好的理論基礎(chǔ)。東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第4章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真第4章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真4.1 2ASK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)4.1.1 2ASK信號(hào)調(diào)制仿真(1) 建立系統(tǒng)模型。首先進(jìn)行模塊選擇，進(jìn)行系統(tǒng)搭建。先從Simulink工具箱選擇器件：從Sources中選取Pulse Generator作為方波信號(hào)源，從Math Operations中選取Product作為乘法器，從Sinks中選取Scope作為示波器；再?gòu)腄SP模塊的DSP Sources中選取sine wave作為載波信號(hào)。2ASK信號(hào)調(diào)制的模

42、型方框圖由sine wave信號(hào)源、方波信號(hào)源、相乘器等模塊組建成功，simulink模型如圖4.1所示。圖4.1 2ASK信號(hào)調(diào)制仿真模型其中正弦信號(hào)是載波信號(hào)，方波代表S（t）序列的信號(hào)源，正弦信號(hào)和方波相乘后就得到2ASK信號(hào)，也就是二進(jìn)制鍵控信號(hào)。若一個(gè)信號(hào)狀態(tài)始終為零，相當(dāng)于處在斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)常稱(chēng)為通斷鍵控信號(hào)。二進(jìn)制振幅鍵控方式是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的，也是最簡(jiǎn)單的。這種方法最初用于電報(bào)系統(tǒng)，但是由于它在抗噪聲的能力上較差，故在數(shù)字通信中用的不多。不過(guò)，二進(jìn)制振幅鍵控常常作為研究其他數(shù)字調(diào)制方式的基礎(chǔ)，熟悉它也是必要的。(2) 參數(shù)設(shè)置。建立好模型之后就要設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，以達(dá)到系統(tǒng)的最

43、佳仿真。從正弦信號(hào)源開(kāi)始依次的仿真參數(shù)設(shè)置如下圖所示。圖4.2所示，其中sin函數(shù)是幅度為2、頻率為1Hz、采樣周期為0.005的雙精度DSP信號(hào)。圖4.3所示的方波是基于采樣的，其幅度設(shè)置為2、周期為3、脈沖持續(xù)設(shè)置2、采樣時(shí)間為1。圖4.2 正弦信號(hào)參數(shù)設(shè)置圖4.3 方波信號(hào)源的參數(shù)設(shè)置(3) 系統(tǒng)仿真及各點(diǎn)波形圖。經(jīng)過(guò)參數(shù)的設(shè)置后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。下面是示波器顯示的各點(diǎn)的波形圖。第一個(gè)波形是方波信號(hào)源輸出的方波；第二個(gè)波形正弦信號(hào)源輸出的頻率為1Hz的正弦波；第三個(gè)是方波與正弦波經(jīng)過(guò)乘法器后輸出的2ASK信號(hào)。圖4.4 仿真各點(diǎn)波形圖4.1.2 2ASK信號(hào)解調(diào)仿真(1) 建立Si

44、mulink模型。2ASK的解調(diào)分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)法，下面采用相干解調(diào)法對(duì)2ASK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。相干解調(diào)也叫同步解調(diào)，就是將已調(diào)信號(hào)恢復(fù)出載波，再用載波信號(hào)同已調(diào)信號(hào)相乘，經(jīng)過(guò)低通濾波器和抽樣判決器恢復(fù)出原始信號(hào)S(t)。同樣先從Simulink模塊選擇器件：從Sources中選取Pulse Generator作為方波信號(hào)源，從Math Operations中選取Product作為乘法器，從Sinks中選取Scope作為示波器；再?gòu)腄SP工具箱的DSP Sources中選取sine wave作為載波信號(hào)，方波信號(hào)與正弦波信號(hào)相成后生成2ASK信號(hào)。2ASK信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后再經(jīng)過(guò)判決器

45、便可解調(diào)出原始信號(hào)。Simulink模型如下。圖4.5 2ASK解調(diào)模型(2) 參數(shù)設(shè)置。建立好模型之后，開(kāi)始設(shè)置各點(diǎn)的參數(shù)，由于低通濾波器是濾去高頻載波的，才能恢復(fù)出原始信號(hào)，所以為了使已調(diào)信號(hào)的頻譜有明顯的搬移，使視覺(jué)有更直觀的印象，就要使載波和信息源的頻率有明顯的差別，所以載波的頻率設(shè)置的要相對(duì)高一些，這里設(shè)置為150Hz。為了更好的恢復(fù)出信源信號(hào)，所以在此直接使用原載波信號(hào)作為同步載波信號(hào)。下面是主要部件的參數(shù)設(shè)置。圖4.6 低通濾波器的參數(shù)設(shè)置將圖4.2中正弦信號(hào)的頻率設(shè)置為150Hz，其他參數(shù)不變。(3) 系統(tǒng)仿真及各點(diǎn)波形。仿真波形如圖4.7所示，由上到下的順序：第一個(gè)波形是原始

46、信號(hào)，第二個(gè)是載波信號(hào)，第三調(diào)制后的2ASK信號(hào)，第四個(gè)是2ASK信號(hào)與載波信號(hào)相乘后得到的信號(hào)，第五個(gè)是經(jīng)過(guò)低通濾波器的波形，第六個(gè)是經(jīng)抽樣判決器后解調(diào)出的原始信號(hào)。(4) 誤碼率分析。由于在解調(diào)過(guò)程中沒(méi)有信道和噪聲，所以誤碼率相對(duì)較小，一般是由于碼間串?dāng)_或是參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題，可以得出此系統(tǒng)的誤碼率為0.3636。圖4.7 解調(diào)波形圖4.2 2FSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)4.2.1 2FSK信號(hào)調(diào)制仿真(1) 建立系統(tǒng)模型。2FSK信號(hào)是由頻率分別為和的兩個(gè)載波對(duì)信號(hào)源進(jìn)行頻率上的控制而形成的，其中和是兩個(gè)頻率有明顯差別的且都遠(yuǎn)大于信號(hào)源頻率的載波信號(hào)。2FSK信號(hào)產(chǎn)生的simulink仿真模型圖如

47、下。圖4.8 2FSK信號(hào)simulink調(diào)制模型(2) 參數(shù)設(shè)置。其中sine wave和sine wave1是兩個(gè)頻率分別為f1和f2的載波，Pulse Generator模塊是信號(hào)源，NOT實(shí)現(xiàn)方波的反相，經(jīng)相乘器和相加器生成2FSK。本來(lái)信號(hào)源s(t)序列是用隨機(jī)的“0”、“1”信號(hào)產(chǎn)生，在此為了方便仿真就選擇了基于采樣的Pulse Generator信號(hào)模塊其參數(shù)設(shè)置如圖4.9。圖4.9 信號(hào)源模塊參數(shù)圖4.10 載波sin wave參數(shù)設(shè)置圖4.10所示，其幅度為2，頻率f1=1Hz，采樣時(shí)間為0.002，載波為單精度信號(hào)。圖4.11 載波sin wave1參數(shù)設(shè)置圖4.11所示，

48、該載波是幅度為2、頻率為2Hz、采樣時(shí)間為0.002的單精度信號(hào)。(3) 系統(tǒng)仿真及波形。經(jīng)過(guò)以上參數(shù)的設(shè)置后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，其各點(diǎn)的時(shí)間波形如圖4.12。第一個(gè)波形是原始信號(hào)，第二個(gè)是正弦載波周期為1Hz的載波信號(hào)，第三個(gè)是周期為2Hz的正弦載波，第四個(gè)就是調(diào)制后的2FSK信號(hào)。圖4.12 2FSK信號(hào)調(diào)制波形圖4.2.2 2FSK信號(hào)解調(diào)仿真(1) 2FSK解調(diào)系統(tǒng)模型。其中From File是一個(gè)封裝模塊，就是2FSK信號(hào)的調(diào)制模塊，兩個(gè)帶通濾波器分別將2FSK信號(hào)上下分頻為和，再經(jīng)過(guò)與載波相乘，經(jīng)過(guò)低通濾波后兩路信號(hào)相加，再經(jīng)抽樣判決器解調(diào)出原始信號(hào)。圖4.13 2FSK解調(diào)框圖

49、2FSK是數(shù)字通信中用得較為廣泛的一種方式。在話(huà)帶內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，國(guó)際電報(bào)電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì)（CCITT）推薦在話(huà)音頻帶內(nèi)低于1200bit/s數(shù)據(jù)率時(shí)使用FSK方式。在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)也被廣泛采用。(2) 參數(shù)設(shè)置。圖4.14和圖4.15是上下兩路進(jìn)行分頻的帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置，具體設(shè)置見(jiàn)圖。圖4.14 2FSK信號(hào)f1帶通濾波器參數(shù)設(shè)置圖4.15 2FSK信號(hào)帶通濾波器參數(shù)設(shè)置(3) 系統(tǒng)仿真及各點(diǎn)波形。圖4.16 2FSK信號(hào)解調(diào)仿真波形4.3 2PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)4.3.1 2PSK信號(hào)調(diào)制仿真(1) 2PSK信號(hào)系統(tǒng)模型。二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信

50、號(hào)離散變化時(shí),則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號(hào)。在此用已調(diào)信號(hào)載波的 0和 180分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的“1”和“0”。用兩個(gè)反相的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，其系統(tǒng)框圖如圖4.17。圖4.17 2PSK信號(hào)調(diào)制框圖其中Sine Wave1和Sine Wave2是反相的載波，正弦脈沖作為信號(hào)源。(2) 參數(shù)設(shè)置。圖4.18 Sine Wave1參數(shù)設(shè)置圖4.19 Sine Wave2參數(shù)設(shè)置圖4.20脈沖信號(hào)的參數(shù)設(shè)置脈沖信號(hào)是幅度為2、周期為1、占空比為50%的時(shí)鐘的信號(hào)。(3) 仿真波形。如圖4.21所示。圖4.21 2PSK調(diào)制信號(hào)波形圖4.3.2 2PSK信號(hào)解調(diào)仿真(1) 建立Sim

51、ulink模型。2PSK信號(hào)與本地載波相乘后進(jìn)入低通濾波器，在經(jīng)過(guò)抽樣判決器解調(diào)出原始信號(hào)。圖4.22 2PSK信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)模型(2) 參數(shù)設(shè)置。各個(gè)模塊設(shè)置與前面基本相同，只是將信號(hào)源參數(shù)稍作調(diào)整，便于做誤碼分析。信號(hào)源參數(shù)設(shè)置如圖4.23。圖4.23 信號(hào)源參數(shù)設(shè)置(3) 仿真波形。圖4.24所示為2PSK信號(hào)解調(diào)的各點(diǎn)波形。圖4.24 2PSK信號(hào)解調(diào)波形(4) 結(jié)果分析。由圖4.22可看出其誤碼率為0.6364，由于參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)的不準(zhǔn)確性和碼間影響，所以誤碼率稍微偏大。4.4 本章小結(jié)仿真是衡量系統(tǒng)性能的工具，它通過(guò)仿真模型的仿真結(jié)果來(lái)推斷原系統(tǒng)的性能，從而為新的系統(tǒng)建立或原系統(tǒng)的改

52、造提供可靠的參考。仿真是科學(xué)研究和工程建設(shè)中不可缺少的方法。實(shí)際的通信系統(tǒng)是一個(gè)功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)這個(gè)系統(tǒng)做出任何的改變都可影響到整個(gè)系統(tǒng)性能和穩(wěn)定。因此在對(duì)原有的通信系統(tǒng)做出改進(jìn)或建立一個(gè)新系統(tǒng)之前通常對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。通過(guò)仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和系統(tǒng)設(shè)置，然后再應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，這個(gè)過(guò)程就是通信仿真。本章通過(guò)運(yùn)用Simulink仿真工具箱對(duì)BASK、BFSK、BPSK進(jìn)行建模、參數(shù)設(shè)置，并且對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單的誤碼分析，通過(guò)仿真對(duì)數(shù)字調(diào)制解調(diào)有一個(gè)直觀的了解，為今后運(yùn)用Simulink軟件仿真和在通信領(lǐng)域繼續(xù)學(xué)習(xí)研究打下良好基礎(chǔ)。東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第5章 結(jié)論第5章 結(jié)論調(diào)制與解調(diào)是通信系統(tǒng)中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，針對(duì)不同的信道環(huán)境選擇不同的調(diào)制與解調(diào)方式可以有效地提高通信系統(tǒng)中的頻帶利用率，改善接收信號(hào)的誤碼率。所謂調(diào)制就是根據(jù)輸入信號(hào)改變傳輸信號(hào)，使之能夠在特定的頻率范圍之內(nèi)和特定條件的信道中傳輸?shù)倪^(guò)程。解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，它是把某種特定形態(tài)的傳輸波形還原為發(fā)送端調(diào)制前