基于MATLAB的數(shù)字通信系統(tǒng)仿真設計

1、 安康學院 學年論文設計題 目 基于MATLAB的數(shù)字通信系統(tǒng)仿真設計 學生姓名 學號 所在院(系) 專業(yè)班級 指導教師 2013 年 6 月 23 日安康學院學年論文（設計） 基于MATLAB的模擬通信系統(tǒng)仿真設計（作者：張小文）（安康學院電子與信息工程系電子信息工程專業(yè)10級，陜西 安康 725000）指導教師：朱燕【摘要】通信是通過某種媒體進行的信息傳遞，目的是傳輸信息，通信系統(tǒng)是用以完成信息傳輸過程的技術系統(tǒng)的總稱，作用是將信息從信源發(fā)送到一個或多個目的地。調(diào)制與解調(diào)在信息的傳輸過程中占據(jù)著重要的地位，是不可或缺的，因此研究系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程就極為重要。MATLAB是集數(shù)值計算、圖形

2、繪制、圖像處理及系統(tǒng)仿真等強大功能于一體的科學計算語言，它強大的矩陣運算和圖形可視化的功能以及豐富的工具箱，為通信系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程的分析提供了極大的方便。 本論文首先介紹了通信系統(tǒng)的概念，進而引出調(diào)制和解調(diào)，然后介紹了我們常用的幾種調(diào)制和解調(diào)的方法。由于MATLAB具有的強大功能所以詳細介紹了MATLAB通信系統(tǒng)工具箱，并給出了基于MATLAB的通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)的實現(xiàn)，運用MATLAB仿真軟件進行仿真?！娟P鍵詞】通信系統(tǒng)；調(diào)制與解調(diào)； MATLAB；2FSK；2ASK；2PSK；2DPSKDigital Communication System Simulation Based On

3、MATLAB Author: Zhang Xiaowen（Grade10,Class2, Electronic and Information Engineering ，Department of electronics and Information Engineering .，Ankang University，Ankang 725000，Shaanxi）Tutor： Zhu YanAbstract：Communication is through a media for transportation. Communication system which is used to compl

4、ete the process of information transmission systems ,in general, is to send the information from the source to one or more destinations.Modulation and demodulation occupied an important position in the transmission of information which is essential, so the research about the modulation and demodulat

5、ion process in the communication system is extremely important. MATLAB is a numerical computation, graphics rendering, image processing and system simulation and other powerful features in one of the scientific computing language, it is a powerful matrix calculation and graphical visualization featu

6、res and a rich toolbox provides a great convenience for the communication system of modulation and demodulation process. This paper introduces the concept of the communication system, and then leads to modulation and demodulation, and then introduced several of our commonly used method of modulation

7、 and demodulation. As the power of MATLAB so we introduced the communication system toolbox in the MATLAB. We gives several examples about the communication system based on MATLAB modulation and demodulation and use the software of MATLAB to simulate them.Key words：Communication Systems; Modulation

8、and demodulation; MATLAB;2FSK；2ASK；2PSK；2DPSK0 引言通信按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸，在當今高度信息化得社會，信息和通信已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的“命脈”。信息作為一種資源，只有通過廣泛的傳播與交流，才能產(chǎn)生利用價值，促進社會成員之間的合作，推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益。而通信作為傳輸信息的手段或方式，與傳感技術、計算機技術相互融合，已經(jīng)成為21世紀國際社會和世界經(jīng)濟發(fā)展的強大推動力，所以未來的通信對人們的生活方式和社會的發(fā)展將會產(chǎn)生更加重大和意義深遠的影響。在信息傳輸過程中，要求天線的尺寸要和信號的波長相比擬，信號才能有效的被輻射。對于語音

9、信號來說，相應的天線尺寸要在幾十公里以上，實際上不可能實現(xiàn)，所以需要經(jīng)過調(diào)制將信號頻譜搬移到較高的頻率范圍，如果不進行調(diào)制就把信號直接輻射出去，那么各電臺所發(fā)出信號的頻率就會相同。調(diào)制作用的實質就是使相同頻率范圍的信號分別依托于不同頻率的載波上，接收機就可以分離出所需的頻率信號，不致互相干擾。有時信號過于復雜，人工計算其調(diào)制和解調(diào)過程較難實現(xiàn)，對其結果的分析又缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，影響了所得結果在實際生活中的應用，美國MathWorks公司開發(fā)的MATLAB解決了這一問題。它應用于自動控制、數(shù)學計算、信號分析、信號處理等諸多領域,也是國內(nèi)高校和研究部門進行許多科學研究的重要工具。MATLAB的

10、出現(xiàn)給通信系統(tǒng)的分析提供了極大的方便。 1 MATLAB簡介 美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實驗室“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。開發(fā)的最早的目的是幫助學校的老師和學生更好的授課和學習。Matlab是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，也是目前在動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應用最廣泛的工具之一 。確切的說，Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采

11、樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。在Simulink環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進行簡單的點擊和拖動就能完成建模，并可直接進行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結果。但是Simulink不能脫離MATLAB而獨立工作。Matlab將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應用于科學計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領域的分析、仿真和設計工作，而且利用Matlab產(chǎn)品的開放式結構，可以非常容易地對Matlab的功能進行擴充，從而在不斷深化對問題認識的同時，不斷完善Matlab產(chǎn)品以提高產(chǎn)品

12、自身的競爭能力。利用M語言還開發(fā)了相應的Matlab專業(yè)工具箱函數(shù)供用戶直接使用。這些工具箱應用的算法是開放的可擴展的，用戶不僅可以查看其中的算法，還可以針對一些算法進行修改，甚至允許開發(fā)自己的算法擴充工具箱的功能。目前Matlab產(chǎn)品的工具箱有四十多個，分別涵蓋了數(shù)據(jù)獲取、科學計算、控制系統(tǒng)設計與分析、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、金融財務分析以及生物遺傳工程等專業(yè)領域。 2 二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理及實現(xiàn) 數(shù)字通信系統(tǒng), 按調(diào)制方式可以分為基帶傳輸和帶通傳輸。數(shù)字基帶信號的功率一般處于從零開始到某一頻率（如06M）低頻段，因而在很多實際的通信（如無線信道）中就不能直接進行傳輸，需要借助載波調(diào)

13、制進行頻譜搬移，將數(shù)字基帶信號變換成適合信道傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號進行傳輸，這種傳輸方式，稱為數(shù)字信號的頻帶傳輸或調(diào)制傳輸、載波傳輸。所謂調(diào)制，是用基帶信號對載波波形的某參量進行控制，使該參量隨基帶信號的規(guī)律變化從而攜帶消息。對數(shù)字信號進行調(diào)制可以便于信號的傳輸；實現(xiàn)信道復用；改變信號占據(jù)的帶寬；改善系統(tǒng)的性能。數(shù)字基帶通信系統(tǒng)中四種基本的調(diào)制方式分別稱為振幅鍵控（ASK，Amplitude-Shift keying）、移頻鍵控（ FSK，F(xiàn)requency-Shift keying）、移相鍵控(PSK，Phase-Shift keying )和差分移相鍵（DPSK，Different Phase

14、-Shift keying）。本次課程設計對這四種調(diào)制方式進行了仿真。 2.1 二進制振幅鍵控采用的流程圖如圖2-1所示:圖 2-1 2ASK調(diào)制解調(diào)框圖 2.1.1 ASK調(diào)制原理2ASK二進制振幅調(diào)制就是用二進制數(shù)字基帶信號控制正弦載波的幅度，使載波振幅隨著二進制數(shù)字基帶信號而變化，而其頻率和初始相位保持不變。信息比特是通過載波的幅度來傳遞的。其信號表達式為：，S(t)為單極性數(shù)字基帶信號。由于調(diào)制信號只有0或1兩個電平，相乘的結果相當于將載頻或者關斷，或者接通，它的實際意義是當調(diào)制的數(shù)字信號“1”時，傳輸載波；當調(diào)制的數(shù)字信號為“0”時，不傳輸載波。2ASK信號的時間波形e2ASK(t)

15、隨二進制基帶信號S(t)通斷變化。所以又被稱為通斷鍵控信號。典型波形如圖2-2所示。 圖 2-2 典型2ASK波形e2ASK(t)為已調(diào)信號，它的幅度受s(t)控制，也就是說它的幅度上攜帶有s(t)的信息。2ASK信號的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制法（相乘器法）和鍵控法。模擬調(diào)制法就是用基帶信號與載波相乘，進而把基帶信號調(diào)制到載波上進行傳輸。鍵控法由s(t)來控制電路的開關進而進行調(diào)制。兩種方法的調(diào)制如圖2-3和圖2-4所示。 圖 2-3 模擬調(diào)制法（相乘器法） 圖 2-4 鍵控法 2.1.2 ASK解調(diào)原理 2ASK有兩種基本解調(diào)方法：相干解調(diào)法（同步檢測法）和非相干解調(diào)法（包絡檢波法）。相

16、干解調(diào)需要將載頻位置的已調(diào)信號頻譜重新搬回原始基帶位置，因此用相乘器與載波相乘來實現(xiàn)。相乘后的信號只要濾除高頻部分就可以了。為確保無失真還原信號，必須在接收端提供一個與調(diào)制載波嚴格同步的本地載波，這是整個解調(diào)過程能否順利完好進行的關鍵。本次設計采用相干解調(diào)法。兩種解調(diào)原理圖如圖2-5和圖2-6所示。 圖 2-5 相干解調(diào)法（同步檢測法） 圖 2-6 非相干解調(diào)法（包絡檢波法） 2.1.3 仿真結果及分析通過編寫M文件程序（見附錄），產(chǎn)生隨機信號，按圖2-1順序對每一模塊編程后。程序中注有需注意語句及解釋。運行程序，實現(xiàn)2ASK的調(diào)制與解調(diào)過程。本次設計采用模擬調(diào)制法（相乘器法）和相干解調(diào)法。仿

17、真后調(diào)制過程及解調(diào)過程的圖形分別如圖2-7和圖2-8所示。圖 2-7 2ASK調(diào)制過程仿真圖圖 2-8 2ASK解調(diào)過程仿真圖由圖可以看出，產(chǎn)生的數(shù)字隨機信號為“0100100001”，經(jīng)載波調(diào)制后信號為“1”的時間內(nèi)有正弦波形，信號為“0”的時間內(nèi)無波形。經(jīng)過加隨機噪聲，相干解調(diào)后，恢復出原始信號，與基帶信號一致，因此達到本次設計目的。2.2 二進制移頻鍵控所用流程圖如圖 2-9所示: 圖 2-9 2FSK調(diào)制解調(diào)框圖 2.2.1 FSK調(diào)制原理一個FSK信號可以看成是兩個不同載波的2ASK信號的疊加。其解調(diào)和解調(diào)方法和FSK差不多。2FSK信號的頻譜可以看成是f1和f2的兩個2ASK頻譜的

18、組合。頻移鍵控是利用載波的頻率來傳遞數(shù)字信號，在2FSK中，載波的頻率隨著二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化，頻移鍵控是利用載波的頻移變化來傳遞數(shù)字信息的。在2FSK中，載波的頻率隨基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。故其表達式為：典型波形如圖 2-10所示:圖 2-10 2FSK典型波形圖2FSK的調(diào)制方式有兩種，即模擬調(diào)頻法和鍵控法。本次設計采用鍵控法。鍵控法中可以用二進制“1”來對應于載頻f1，而“0”用來對應于另一頻率f2，而這個可以用受矩形脈沖序列控制的開關電路對兩個不同的獨立的頻率源f1、f2進行選擇通。鍵控法原理圖如圖2-11示圖 2-11 2FSK鍵控法原理圖 2.2

19、.2 FSK解調(diào)原理2FSK的解調(diào)方式有兩種：相干解調(diào)方式和非相干解調(diào)方式。非相干解調(diào)是經(jīng)過調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號通過兩個頻率不同的帶通濾波器f1、f2濾出不需要的信號，然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號分別通過包絡檢波器檢波，最后將兩種信號同時輸入到抽樣判決器同時外加抽樣脈沖，最后解調(diào)出來的信號就是調(diào)制前的輸入信號。其原理圖如圖2-12所示。 圖 2-12 2FSK非相干解調(diào)原理圖 相干解調(diào)是根據(jù)已調(diào)信號由兩個載波f1、f2調(diào)制而成，則先用兩個分別對f1、f2帶通的濾波器對已調(diào)信號進行濾波，然后再分別將濾波后的信號與相應的載波f1、f2相乘進行相干解調(diào)，再分別低通濾波、用抽樣信號進行抽樣判決器即

20、可。原理圖如圖3-14所示。 圖 2-13 2FSK相干解調(diào)原理圖 2.2.3 仿真結果及分析通過編寫M文件程序（見附錄），產(chǎn)生隨機信號，按流程圖2.2.1順序對每一模塊編程后。程序中注有需注意語句及解釋。運行程序，實現(xiàn)2FSK的調(diào)制與解調(diào)過程。本次設計中采用鍵控法調(diào)制法和相干解調(diào)法。仿真后調(diào)制過程及解調(diào)過程的圖形分別如圖2-14、圖2-15和圖2-16所示。由圖可以看出，產(chǎn)生的隨機信號為“1011001001”，經(jīng)過反相產(chǎn)生反碼，并分別與兩個載波相乘，經(jīng)過加入隨機噪聲后波形如圖2-15所示。在解調(diào)時，分別與對應的載波相乘。解調(diào)出基帶信號，可以看出實現(xiàn)了本次設計目的。 圖 2-14 2FSK鍵

21、控法調(diào)制過程仿真圖 圖 2-15 2FSK鍵控法調(diào)制過程仿真圖 圖 2-16 2FSK相干解調(diào)過程仿真圖 2.3 二進制相移鍵控 所用流程圖如圖2-17所示: 圖 2-17 2PSK調(diào)制解調(diào)框圖 2.3.1 PSK調(diào)制原理在二進制數(shù)字調(diào)制中，當正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化時，則產(chǎn)生二進制移相鍵控(2PSK)信號。2PSK信號調(diào)制有兩種方法，即模擬調(diào)制法和鍵控法。通常用已調(diào)信號載波的 0°和 180°分別表示二進制數(shù)字基帶信號的 1 和 0，模擬調(diào)制法用兩個反相的載波信號進行調(diào)制。2PSK以載波的相位變化作為參考基準的，當基帶信號為0時相位相對于初始相位為0&#

22、176;，當基帶信號為1時相對于初始相位為180°。鍵控法，是用載波的相位來攜帶二進制信息的調(diào)制方式。通常用0°和180°來分別代表0和1。其時域表達式為：其中，2PSK的調(diào)制中an必須為雙極性碼。本次設計中采用模擬調(diào)制法。兩種方法原理圖分別如圖2-18和圖2-19所示。 圖 2-18 模擬調(diào)制法原理圖圖 2-19 鍵控法原理圖 2.3.2 PSK解調(diào)原理由于2PSK的幅度是恒定的，必須進行相干解調(diào)。經(jīng)過帶通濾波的信號在相乘器中與本地載波相乘，然后用低通濾波器濾除高頻分量，在進行抽樣判決。判決器是按極性來判決的。即正抽樣值判為1，負抽樣值判為0。2PSK信號的相干

23、解調(diào)原理圖如圖2-20所示，各點的波形如圖2-21所示。由于2PSK信號的載波回復過程中存在著180°的相位模糊，即恢復的本地載波與所需相干載波可能相同，也可能相反，這種相位關系的不確定性將會造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號與發(fā)送的基帶信號正好相反，即“1”變成“0”嗎“0”變成“1”，判決器輸出數(shù)字信號全部出錯。這種現(xiàn)象稱為2PSK方式的“倒”現(xiàn)象或“反相工作”。但在本次仿真中是直接給其同頻同相的載波信號，所以不存在此問題。圖 2-20 2PSK的相干解調(diào)原理圖 圖 2-21 相干解調(diào)中各點波形圖 2.3.3 仿真結果及分析 通過編寫M文件程序（見附錄），產(chǎn)生隨機信號，按流程圖2-17所示

24、順序對每一模塊編程后。程序中注有需注意語句及解釋。運行程序，實現(xiàn)2PSK的調(diào)制與解調(diào)過程。本次設計采用模擬調(diào)制法和相干解調(diào)法。仿真后調(diào)制過程及解調(diào)過程的圖形分別如圖2-22和圖2-23示。 圖 2-22 2PSK模擬調(diào)制方法過程仿真圖 圖 2-23 2PSK相干解調(diào)過程仿真圖由圖可以看出，產(chǎn)生的隨機信號為“0011001100”，經(jīng)過反相產(chǎn)生反碼，并將原碼跟反碼一起合成雙極性碼，與載波相乘后加入隨機噪聲。在解調(diào)時，與對應的載波相乘經(jīng)過低通濾波、抽樣判決后，解調(diào)出基帶信號與原基帶信號一致，可以看出實現(xiàn)了本次設計目的。 2.4 二進制差分相移鍵控 所用流程圖如圖2-24所示: 圖2-24 2DPS

25、K調(diào)制解調(diào)框圖2.4.1 DPSK調(diào)制原理二進制差分相移鍵控。2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來表示數(shù)字信息。假設前后相鄰碼元的載波相位差為，可定義一種數(shù)字信息與之間的關系為：為前一碼元的相位。實現(xiàn)二進制差分相移鍵控的最常用的方法是：先對二進制數(shù)字基帶信號進行差分編碼，然后對變換出的差分碼進行絕對調(diào)相即可。2DPSK調(diào)制原理圖如圖2-25所示。 圖 2-25 2DPSK調(diào)制原理框圖 2.4.2 DPSK解調(diào)原理 2DPSK信號解調(diào)有相干解調(diào)方式和差分相干解調(diào)。用差分相干解調(diào)這種方法解調(diào)時不需要恢復本地載波，只要將DPSK信號精確地延遲一個碼元時間間隔，然后與DPSK信號相乘，相

26、乘的結果就反映了前后碼元的相對相位關系，經(jīng)低通濾波后直接抽樣判決即可恢復出原始的數(shù)字信息，而不需要在進行差分解碼。相干解調(diào)碼變換法及相干解調(diào)法的解調(diào)原理是，先對2DPSK信號進行相干解調(diào)，恢復出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發(fā)送的二進制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生相位模糊，解調(diào)出的相對碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊的問題。本次設計采用相干解調(diào)。兩種解調(diào)方式的原理圖如圖2-26和圖2-27所示。 圖 2-26 2DPSK差分相干解調(diào)原理圖 圖 2-27 2DPSK相干解調(diào)原理圖2DPSK相干解調(diào)各點波形

27、圖如圖 2-28所示。圖 2-28 2DPSK相干解調(diào)各點波形圖2.4.3 仿真結果及分析 通過編寫M文件程序（見附錄），產(chǎn)生隨機信號，按流程圖2-24所示順序對每一模塊編程后。程序中注有需注意語句及解釋。本次設計采用相干解調(diào)法。運行程序，實現(xiàn)2DPSK的調(diào)制與解調(diào)過程。仿真后調(diào)制過程及解調(diào)過程的圖形分別如圖2-29、圖2-30和圖2-31所示。由圖可以看出，產(chǎn)生的絕對隨機碼為“0100111010”，經(jīng)碼差分變化產(chǎn)生相對碼，經(jīng)反相產(chǎn)生相對碼反碼，分別與兩個載波相乘后加入隨機噪聲。在解調(diào)時，分別與對應的載波相乘經(jīng)過低通濾波、抽樣判決后，解調(diào)出基帶信號與原基帶信號一致，可以看出實現(xiàn)了本次設計目的

28、。圖 2-29 2DPSK調(diào)制過程仿真圖圖 2-30 2DPSK調(diào)制過程仿真圖圖 2-31 2DPSK相干解調(diào)過程仿真圖 3 總結與體會通過本次課程設計，我對課本上數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)特別是二進制頻移鍵控（2FSK）有了重新的認識。對2FSK調(diào)制數(shù)字基帶信號加深了理解。對于使用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號、添加高斯白噪聲、使用相干解調(diào)、抽樣判決等，我比較系統(tǒng)地認識了數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)。本課程設計使用的MATLAB仿真軟件和Simulink仿真環(huán)境，通過寫其源程序代碼，加深了我對每一步進行的理解，即要明白每一步都是怎么來的。通過使用Simulink仿真環(huán)境，我可以直觀地放置相應的模塊，搭建通信系統(tǒng)，并能夠動態(tài)的顯示仿真結果，使學習設計不再枯燥3.1程序設計與系統(tǒng)實施。MATLAB提供了程序設計仿真環(huán)境，可以通過編寫代碼完成某些模塊的仿真。同時利用其提供的畫圖功能，可以使人直觀地觀察程序設計及調(diào)試的結果。每一步都得十分細心，需要具體到一個小小的標點符號，否則程序就會在調(diào)試中出錯。本設計中，根據(jù)設計規(guī)劃包括基帶信號的產(chǎn)生和調(diào)制、加入高斯白噪聲、帶通濾波和低通濾波、相干解調(diào)、計算誤碼率等。本過程使我將學習過但并