毕业论文-基于matlab的数字通信系统调制解调研究

毕业论文-基于matlab的数字通信系统调制解调研究内容摘要：

种工具。 4． Matlab 数学函数库是对 Matlab 使用的各种数学算法的总称，包括各种初等函数的算法和高层数学算法。 5． 应用程序接口 API 是一个函数库，让用户能够在 Matlab 环境中使用 C 程序或 Fortran 程序。 滨州学院本科毕业设计（论文） 6 Simulink 简介 Simulink 是 Matlab 中的一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，附带了许多专业仿真模块库，是一个对动态系统进行建模、仿真和仿真结果分析的软件包。 可以说，在通用系统的仿真领域， Simulink 是无所不包的 [4]。 使用 Simulink 可以方便的对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统级仿真，使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来，建立直观的功能强大的系统模型，不必编写 Matlab 仿真程序，使仿真建模过程更为简化，更加适应于大型系统的建 模和仿真。 SIMULINK 的专业仿真模块库都已经通过权威专家和专业测试机构的评测，具有很高的可信度和稳定性。 在建模前，最好先根据需要绘制模型图。 当在建模过程中遇到较为复杂的系统时，需要根据层次结构来绘制框图，先将大系统中的一些具有独立功能的部分封装成一些子系统，再利用这些子系统来构造整个系统。 Simulink 模块库包含有 Sources（ 输入源 ） 、 Sinks（ 输出方式 ） 、 Linear（线性环节）、 Nonlinear（非线性环节）等具有不同功能的 SIMULINK 库模块，而且每个子模型库中包含相应的功能模块， 用户可以根据特定的需要创建自己的模块。 Matlab 与 Simulink 的联系 我们可以通过 Matlab 命令来打开 Simulink 模型并进行仿真。 在 Matlab 命令窗口中，使用 open ，然后使用 sim()就可以启动对模型 的仿真，实现 Simulink 仿真的自动化 [5]。 Matlab 提供了许多途径用于与 Simulink 的数据交互，从而实现 Matlab 编程与Simulink 模型相结合的综合仿真，使仿真更为人性化，满足使用者的不同需求 [6]。 滨州学院本科毕业设计（论文） 7 第三章 数字通信系统 数字通信系统的概念 数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，相比模拟通信系统，具有频谱利用率高，能够提供多种业务服务，抗噪声、抗干扰、抗多径衰落能力强，能实现更加有效、灵活的网络管理和控制，便于实现通信的安全保密，可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量等优点 [7]。 因此，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代通信技术的主流。 数字通信设计主要有信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调、同步以及加密与解密等许多技术问题。 数字通信系统的 组成 最简单的数字通信系统模型由信源、信道和信宿三个基本部分组成，但实际的数字通信系统模型要比这复杂得多。 一般的数字通信系统模型如图 所示。 图 数字通信系统模型 1． 信源的作用是把各种消息转换成原始的电信号，模拟信源输出的是连续的模拟信号，数字信源输出的是离散的数字信号，模拟信源送出的信号经数字化处理后可变为数字信号。 2． 信源编码有提高信息传输的有效性和完成模 /数 （ A/D） 转换两个基本功能。 提高信息传输有效性即通过某种数据压缩技术减少 码元数目和降低码元速度，完成模 /数转换即信源编码器将信源给出的模拟信号转换成数字信号。 信源译码是信源编码的逆过程。 3． 在特殊的情况下，需要保证信息的秘密性和安全性，因此就需要对传输的数信息源 信源编码 加密 信道编码 数字调制 信道 数字调制 信道译码 解密 信源译码 受信者 噪声源 滨州学院本科毕业设计（论文） 8 字序列进行加密处理，并且在接收端用与且只能用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，这样就能恢复原来的信息且保证了信息的安全。 4． 信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。 信道编码器通过对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分，组成 “ 抗干扰编码 ” ，来减小数字信号在信道传输时因受到噪声等影响而引起的差错。 按照相应的 逆规则，信道译码器在接收端对信号进行解码，发现和纠正错误。 5． 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，将易受信道影响的基带信号转变成适合在信道中传输的带通信号。 基本的数字调制方式有振幅键控 （ ASK） 、频移键控（ FSK）、绝对相移键控 （ PSK） 、相对相移键控 （ DPSK）。 这些调制方式各有优缺点，需要根据实际需求选择合适的种类。 在接收端用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。 6． 信道即传输介质，是发送设备到接受设备之间信号传输所经过的媒介。 在无线信道中，信道可以是自由空间；在有线信道中可以是明线、电缆 和光纤。 信道既给信号以通路，也会对信号产生干扰。 信道的固有特性和干扰特性直接关系到通信的质量。 7． 信宿即受信者，它的功能与信源相反，需要把原始电信号还原成与之相应的消息。 通信系统的分类与通信方式 现在的通信系统成熟且功能强大，种类多样。 1． 根据通信业务的类型，通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。 由于电话通信网最为普及，因此其他一些通信业务也常通过公用电话通信网传输。 2． 根据信号是否经过调制，通信系统可以分为基带传输系统和带通传输系统。 基带传输系统是将没有经 过调制的信号直接传送，带通传输是先对信号加以调制然后再进行传输。 3． 根据信道中传输的是模拟信号还是数字信号，通信系统可以相应的分为模拟通信系统和数字通信系统。 模拟信号和数字信号都是电信号，只是模拟信号的参量取值连续，而数字信号的参量尽可能取有限个值。 滨州学院本科毕业设计（论文） 9 4． 根据传输介质，通信系统可以分为有线通信系统和无线通信系统两大类。 有线通信是用导线作为介质来进行通信，无线通信是依靠电磁波在空间中传递消息。 5． 按通信设备额工作频率或波长不同，可以分为长波通信、中波通信、短波通信、红外线通信等。 6． 按照 信号的复用方式，传输多路信号可以分为频分复用、时分复用和码分复用三种复用方式。 无线通信的传输方式分为单向传输（广播式）和双向传输（应答式）。 单向传输只应用于无线电寻呼系统，双向传输分为单工、双工和半双工三种工作方式。 单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信；双工通信是指通信双方可同时进行消息的传输；半双工通信的移动台采用单工的 “ 按讲 ” 方式，即按下按讲开关，发射机才工作，而接收机总是工作的。 滨州学院本科毕业设计（论文） 10 第四章 信号的调制与解调 调制的意义和类别 由于 信号比较敏感，易受信 道中噪声等因素的影响，不能直接在信道中传输，因此就需要对要传输的模拟信号或数字信号进行调制，将其转换成适合在信道中传输的高频信号。 解调是调制的逆过程，作用是在接收端将已调信号中的调制信号恢复出来。 调制对通信系统有重要的作用，采用合适的调制方式可以提高系统的有效性和可靠性。 1． 通过调制，把基带信号的频谱搬移到较高的载波频率上，使已调信号的频谱与信道的带通特性相匹配，这样就能提高传输性能，以较小的发射功率与较短的天线来辐射电磁波。 2． 把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，从而实现信号的多路复用，提高信道利 用率。 3． 展宽信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，可以实现传输带宽与信噪比之间的互换。 广义的调制分为基带调制和带通调制（载波调制）。 载波调制就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。 调制信号是指来自信源的消息信号，未受调制的周期性振荡信号称为载波，载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。 根据载波是连续波还是脉冲序列，调制方式有连续波调制和脉冲调制。 调制信号是模拟信号的连续波调制称为模拟调制；调制信号是数字信号的连续波调制称为数字调制。 最常 用的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。 常见的幅度调制包括调幅 (AM)、双边带调制 (DSB)、单边带调制 (SSB)和残留边带调制 (VSB)等。 幅度已调信号的幅度随基带信号的规律相应的呈现正比的变化，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单的线性搬移，由于这种搬移是线性的，因此幅度调制又称为线性调制。 角度调制有频率调制 (FM)和相位调制 (PM)。 角度已调信号的频滨州学院本科毕业设计（论文） 11 谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，会产生新的频率成分，是非线性变换，因此角度调制又称为非线性调制。 这里的线性并不意味着已调信号与调制信 号之间符合线性变换关系，事实上，任何调制过程都是非线性的变换过程。 数字调制可以分为二进制调制和多进制调制。 在二进制调制中，信号参量只有两种可能的取值，而在多进制调制中，信号参量可以有多种取值。 常见的二进制调制方式有二进制振幅键控 (2ASK)、二进制频移键控 (2FSK)和二进制相移键控(2PSK)。 随着科技的进步，一些改进的、现代的、特殊的调制方式如正交振幅调制(QAM)、最小频移键控 (MSK)、高斯滤波最小频移键控 (GMSK)、正交频分复用 (OFDM)等也在快速发展并日益显示出其优势。 模拟信号的 调制与解调 幅度调制 设正弦型载波为 c(t)=Acos(wct+ ) 式中： A 为载波幅度； wc为载波角频率； 为载波初始相位。 根据调制的定义，幅度调制信号可以表示为 s(t)=Am(t)coswct 式中： m(t)为基带调制信号。 由以上表示式可知，在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律呈正比变化；在频谱结构上，它的频谱完全是 基带信号的频谱在频域内的简单搬移。 1． 调幅 标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅 (AM)。 m(t) sm(t) A0 coswct 图 AM 调制模型 如图所示，假设调制信号 m(t)的平均值为 0，将其叠加一个直流偏量 A0后与载波相乘，即可形成调幅信号。 它的时域表示式为 SAM(t)=[A0+m(t)]coswct = A0coswct+m(t)coswct 式中： A0为外加直流分量； m(t)可以是确知信号或随机信号。 滨州学院本科毕业设计（论文） 12 AM 信号的频谱由载频分量、上边带和下边带三部分组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像，它的带宽是基带信号带宽fH的 2 倍， B=2fH。 当满足条件 │m(t)│≤A0时， AM波的包络与调制信号 m(t)的形状一样，这时，用包络检波的方法就很容易恢复出原始信号；如果上述条件没有满足，就会出现 “ 过调幅 ” 现象，此时如果继续采用包络检波就会发生失真，因此需要用到同步检波。 2． 双边带调制 双边带信号 (DSB)是将 AM 调制模型 图 41 中的直流 A0去掉，得到的一种高调制效率的调制方式。 它的时域表示 为 SDSB(t)=m(t)coswct 式中，假设 m(t)的平均值为 0。 与 AM 信号相比， DSB 信号不存在载波分量，调制效率是 100%，全部功率都用于信息传输。 由于 DSB 信号的包络与调制信号的变化规律不一致，所以不能采用包络检波来恢复调制信号。 因此， DSB 信号需要采用相干解调来进行解调。 3． 单边带调制 单边带调制 (SSB)是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的，因为 DSB 信号的两个边带中的任意一个都包含了 M(w)的所有频谱成分，所以仅传输其中一个即可。 因此， SSB 不仅比 DSB 节省发送功率，而且还节省一半的传输频带。 SSB 信号的时域表示为 SSSB(t)= 21 m(t)coswCt 21 M(t)sinwCt 式中， M(t)为 m(t)的希尔伯特变换。 根据滤波方法的不同，产生 SSB 信号的方法有滤波法和相移法。 （ 1）滤波法 滤波法是产生 SSB 信号最直观的方法，需要先产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，将不要的边带滤除，就可以得到单边带信号。 它的原理图如下图所示。 m(t) SDSB(t) SSSB(t) 载波 c(t) 图 滤波法 SSB 信号调制器 实现滤波器的难易程度与过渡带相对载频的归一化值有关，该值越小，边带滤 H(w) 滨州学院本科毕业设计（论文） 13 波器就越难实现。 在不太高的载频时，滤 波器不难实现，但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法就不可能实现单边带调制了，这时就需要采用多级 DSB 调制及边带滤波的方法。 当调制信号中含有。