精品论文]基于matlab的基本数字调制解调系统的设计

精品论文]基于matlab的基本数字调制解调系统的设计内容摘要：

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 [8,9]。 Simulink 简介 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。 系统还可以是 多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。 Simulink 工作环境经 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 [9,21]。 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。 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 [10,19]。 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东北大学 本科毕业设计（论文） 第 2章 仿 真软件简介 9 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 的所有工具及 Simulink 本身的应用工具箱都包含这些工具 [16,17]。 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。 本章小结 本章介绍了 MATLAB 软件的功能与组成， 由于它使用简单，扩充方便 ， 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。 本章也介绍了 Simulink 工具箱，Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 ， 是一个用来对动态系统 进行建模、仿真和分析的软件包。 本文的设计就是运用 Simulink 软件进行建模、仿真的。 东北大学 本科毕业设计（论文） 第 2章 仿 真软件简介 10 东北大学 本科毕业设计（论文） 第 3章 数字频带传输系统 11 第 3章 数字频带传输系统 数字调制系统 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。 数字调制系统的基本结构 图 如图 所示。 信 道调 制 器噪 声 源解 调 器基 带 信 号 输 出基 带 信 号 输 入 图 数字调制系统的基本结构 图 数字调制与模拟调制原理是相同的，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)。 二进制振幅键控 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 （ 2ASK）。 设发送的二进制符号序列由 “ 0” ,“ 1” 序列组成 ,发送 “ 0” 符号的概率为 P,发 送 “ 1” 符号的概率为 1P,且相互独立。 该二进制符号序列可表示为 ： ( ) ( )nss t a g t n Tn （ ） 其中： 0P{1 1 Pna  ， 发 送 概 率 为， 发 送 概 率 为 （ ） sT 是二进制基带信号时间间隔 ,g(t)是持续时间为 sT 的矩形脉冲 ： 东北大学 本科毕业设计（论文） 第 3章 数字频带传输系统 12 s1 0 t Tg(t) { t ， 0， 其 他 （ ） 则二进制振幅键控信号可表示为： 2 ( ) ( ) c o sA S K n s ce t a g t n T tn  （ ） 二进制振幅键控信号时间波形如图 所示。 由图 可以看出 2ASK 信号的时间波形随二进制基带信号 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 所示，图 （ a）是采用模拟相乘的方法实现，图 （ b）是采用数字键控方法实现的 [1,12,13]。 由图 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 所示。 2ASK 信号 相干解调过程的时间波形如图 所示。 载 波 信 号2 A S K 信 号S ( t )1 0 1 1 0 0 1ttt 图 二进制振幅键控信号时间波型 乘 法 器c o s c t二 进 制 不 归 零信 号S （ t ）2 ()A S Ket (a) c o s c t开 关 电 路 2 ()A S KS （ t ） (b) 图 二进制振幅键控信号调制器原理框图 东北大学 本科毕业设计（论文） 第 3章 数字频带传输系统 13 全 波 整 流 器带 通 滤 波 器 低 通 滤 波 器 抽 样 判 决 器定 时 脉 冲2 ()A S Ket （ a） 相 乘 器带 通 滤 波 器 低 通 滤 波 器 抽 样 判 决 器定 时 脉 冲2 ()A S Ketc o s c t （ b） 图 二进制振幅键控信号解调器原理框图 (a)非相干解调方式 (b)相干解调方式 1 1 0 0 1 0 1 0 图 信号 相干解调过程的时间波形 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 1f 和 2f 两 个频率点间变化 ,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 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东北大学 本科毕业设计（论文） 第 3章 数字频带传输系统 14 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 1f ,“ 0” 符号对应于载波频率 2f ,则二进制移频键控信号的时域表达式为 ： 2 1 2( ) ( ) c os ( ) ( ) c os ( )n s n bFSK n ne t a g t nT t b g t nT tnn                      （ ） 其中： 0P{1 1 Pna  ， 发 送 概 率 为， 发 送 概 率 为 （ ） 0Pb{1Pn  ， 发 送 概 率 为 1， 发 送 概 率 为 （ ） 载 波 信 号1 0 1 1 0 0 1ttttt2 F S K 信 号载 波 信 号abcdefg 图 二进制移频键控信号的时间波形 由上式 可知 na 与 nb 是反码，即若 na =1，则 nb =0，若 na =0，则 nb =1，于是nb = na ，因此二进制频移键控信号的时域表达式可简化为 ： 2 1 2( ) ( ) c o s ( ) c o sFS K n s n se t a g t n T t b g t n T tnn                 （ ） 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 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 sT 期间输出 1f 或2f 两个载波之一。 东北大学 本科毕业设计（论文） 第 3章 数字频带传输系统 15 选 通 开 关振 荡 器 1f 1相 加 器反 相 器选 通 开 关2 ()F S Ket振 荡 器 2f 2基 带 信号 图 数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图 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法 ,有非相干解调方法也有相 干解调方法。 采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图 所示。 其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号 ,分别进行解调 ,通过对上下抽样值进行比较最终判决出输出信号。 相干解调过程的时间波形如图 所示。 包 络 检 波 器带 通 滤 波 器抽 样 判 决 器包 络 检 波 器2 ()F S Ket带 通 滤 波 器12 输 出定 时 脉 冲 (a) 低 通 滤 波 器带 通 滤 波 器抽 样 判 决 器低 通 滤 波 器带 通 滤 波 器12 定 时 脉 冲相 乘 器相 乘 器输 入输出1c o s t2c o s t (b) 图 二进制移频键控信号解调器原理图 (a) 非相干解调 (b)相干解调 东北大学 本科毕业设计（论文） 第 3章 数字频带传输系统 16 图 相干解调过程的时间波形 还有一种过零 检测法 ，它的原理是 二进制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而异 ,通过检测过零点数从而得到频率的变化。 输入信号经过限幅后产生矩形波 ， 经微分 、 整流 、 波形整形 、 形成与频率变化相关的矩形脉冲波 ， 经低通滤波器滤除高次谐波 ， 便恢复出与原数字信号对应的基带数字信号。 二进制 移相 键控 二进制 移相 键控，简记为 2PSK 或 BPSK。 2PSK 信号码元的“ 0”和“ 1”分别用两个不同的初始相位 “ 0” 和 “  ” 来表示，而其振幅和频率保持不变。 故 2PSK 信号表示式可写出： 0( ) c os( )s t A t () 式中当发送“ 0”时，  =0；当发送“ 1”时  = 。 这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式 ,称为二进制 移相 键控 方式。 二进制 移相 键控信号的典型时间波形如图。 二进制相移键控信号的时间波形 二进制 移相 键控信号的调制原理图如图 所示。 其中图 (a)是采用模拟调制的东北大学 本科毕业设计（论文） 第 3章 数字频带传输系统 17 方法产生 2PSK 信号 ,图 (b)是采用数字键控的方法产生 2PS。