教学案例设计]基于matlab的psk通信系统仿真

教学案例设计]基于matlab的psk通信系统仿真内容摘要：

巨人肩膀上的工具”。 研发人员借助MATLAB 软件能迅速测试设想构想，综合评测系统性能，快速设计更好方案来确保更高技术要求。 同时 MATLAB 也是国 家教委重点提倡的一种计算工具。 MATLAB 软件是美国 Math works 公司的产品， MATLAB 是英文 MATrix LABoratory(矩阵实验室 )的缩写。 从 1984 年推出了它的第一个 DOS 版本至今，一经推出了 版。 Matrix Laboratory 意为“矩阵实验室”，从它的本意可以知道，最初的 MATLAB 只是一个数学计算工具。 但现在的 MATLAB 已经远不仅仅是一个“矩阵实验室”，它已经成为一个集概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体的集成环境，它拥有许多衍生的子集工具。 新的版本集 成了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等等的常用功能。 在 MATLAB 环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB 提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，南京工业大学本科生毕业设计（ 论文 ） 11 在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，所谓交互式语言，是指人们给出一条命令，立即就可以得出该命令的结果。 该语言无需像 C 和 Fortran 语言那样，首先要求使用者去编写源程序，然后对之进行编译、连接，最终形成可执行文件。 这无疑会 给使用者带来了极大的方便，因此，利用 MATLAB 可以节省大量的编程时间。 2020 年 6 月 Mathworks 公司正式推出 MATLAB Release 13，即MATLAB ／ Simulink 这是目前应用最广的版本。 MATLAB 主要由 C 语言编写而成，采用 LAPACK 为底层支持软件包。 MATLAB 的编程非常简单，它有着比其他任何计算机高级语言更高的编程效率、更好的代码可读性和移植性，以致被誉为“第四代”计算机语言， MATLAB是所有 MathWorks 公司产品的数值分析和图形基础环境。 此外 MATLAB 还拥有强大的 2D 和 3D 甚至动态图形的绘制功能，这样用户可以更直观、更迅速的进行多种算法的比较，从中找出最好的方案。 从通信系统分析与设计、滤波器设计、信号处理、小波分析、神经网络到控制系统、模糊控制等方面来看， MATLAB 提供了大量的面向专业领域的工具箱。 通过工具箱，以往需要复杂编程的算法开发任务往往只需一个函数就能实现，而且工具箱是开放的可扩展集，用户可以查看或修改其中的算法，甚至开发自己的算法。 目前， MATLAB 已经广泛地应用于工程设计的各个领域，如电子、通信等领域；它已成为国际上最流行的计 算机仿真软件设计工具。 现在的 MATLAB 不再仅仅是一个矩阵实验室，而是一种实用的、功能强大的、不断更新的高级计算机编程语言。 MATLAB 的主要特点 (1)科学计算 MATLAB 是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许采用数学形式的语言编写程序。 用 MATLAB 编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，第 二 章 MATLAB 仿真技术 — — 12 因此 MATLAB 语言被称为“演算纸式”科学计算语言。 MATLAB 拥有五百多种数学、统计及工程函数，可使用户立刻实现所需强大的数学计算功能。 (2)先进的可视化工具 MATLAB 提供功能强大的、交互 式的二维绘图和三维绘图功能。 可使用户创建富有表现力的彩色图形。 (3)直观灵活的语言 MATLAB 不仅仅是是一套打好包的函数库，同时也是一种高级的、面向对象的编程语言。 (4)开放性、可扩展性强 M 文件是可见的 MATLAB 程序，所以用户可以查看源代码。 开放的系统设计使用户能够检查算法的正确性，修改已存在的函数，或者加入自己的新部件。 (5)特殊应用工具箱 MATLAB 的工具箱加强了对工程及科学种特殊应用的支持。 工具箱也和MATLAB 一样是完全用户化的，可扩展性强。 将某个或某几个工具箱与MATLAB 联合使用， 可以得到一个功能强大的计算组合包，满足用户的特殊要求。 (6)使用方便 MATLAB 语言是一种解释型语言，执行之前不需要进行专门的编译。 一般情况下，在采用任何高级语言编写和调试程序时需要经历 4 个阶段，即编辑、编译、链接以及执行调试，并且这四个步骤之间是顺次执行的。 MATLAB 语言与其他语言相比，较好地解决了上述的问题。 (7)强大的图形处理功能 MATLAB 强大的功能 MATLAB 有哪些功能。 南京工业大学本科生毕业设计（ 论文 ） 13 MATLAB 之所以成为世界顶级的科学计算与数学应用软件 ,是因为它随着版本的升级与不断完善而具有愈来 愈强大的功能。 (1)数值计算功能。 MATLAB 出色的数值计算功能是使之优于其他数学应用软件的决定性因素之一。 (2)符号计算功能。 MATLAB 符号运算的独特之处 :无须事先对变量赋值 ,而所得的结果以标准的符号形式表达 ,符号计算的整个过程以字符进行。 (3)数据分析功能。 MATLAB 可以给计算数据以二维、三维乃至四维的图形表现。 这不仅使数据间的关系清晰明了 ,而且对于揭示其内在本质有着非常重要的作用。 (4)动态仿真功能。 MATLAB 提供了一个模拟动态系统的交互程序SIMULINK 用户通过简单的鼠标操作 ,就可建立起直观的系统模型 ,并进行仿真。 (5)图形文字统一处理功能。 MATLAB Notebook 成功地将 Microsoft Word 与MATLAB 集成为一个整体 ,为文字处理、科学计算、工程设计营造了一个完美统一的工作环境。 它既拥有 Word 强大的文字处理功能 ,又能从 Word 访问MATLAB 的数据计算和可视化结果。 MATLAB 系统的组成 MATLAB 由什么构成。 (1)编程语言：它是以矩阵和数组为基本单位的编程语言。 具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。 利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。 (2)工作环境： 包括了一系列的应用工具，提供编写和调试程序的环境。 (3)图形处理：这是 MATLAB 图形系统的基础，包括绘制二维和三维图形，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层 MATLAB 命令，以及开发 GUI 应用程序的各种工具。 第 二 章 MATLAB 仿真技术 — — 14 (4)数学函数库：包括了大量的数学函数，也包括复杂的功能。 这是对 MATLAB 使用的各种数学算法的总称。 (5)应用程序接口 (API)：提供接口程序， 使 MATLAB 可以与用其他语言编写的程序进行交互。 MATLAB 的仿真应用及应用领域 现在从电子通信、自动控制图形分析处理到航天工业、汽车工业，甚至是财务工程。 MATLAB 都凭借其强大的功能获得了极大的用武之地。 广大学生可以使用 MATLAB 来帮助进行信号处理、通信原理、线性系统、自动控制等课程的学习；科研工作者可以使用 MATLAB 进行理论研究和算法开发；工程师可以使用MATLAB 进行系统级的设计与仿真。 如今 MATLAB 在系统级设计和仿真方面的强大能力已经获得了包括 Texas Instruments 和 Motorola这样的世界著名公司的认可， Texas Instruments 公司的工程师们使用 MATLAB 直接在可复用高层系统模型下面提炼实现细节，同时生成实时软件原型； Motorola 公司的 IC 设计师甚至认为 Simulink 的使用大大加快了产品设计的仿真速度，使仿真时间由原来的几小时、几天缩短到了几分钟。 MATLAB 的主要应用领域包括： (1)仿真和建模 (2)实时仿真 (3)自动控制 (4)信号处理与通信 (5)数据分析 /科学计算 (6)算法开发 (7)图形和可视化法 Simulink 相 关内容 Simulink 简介 南京工业大学本科生毕业设计（ 论文 ） 15 什么是 Simulik，一般应用，发展趋势，仿真原理 近几年，在学术界和工业领域， Simulink 已成为在动态系统领域建模和仿真方面分， Simulink 具有相对独立的功能和使用方法。 确切的说，它是一个用来对动态系统进行建模、应用最广泛的软件包之一。 它的魅力在于强大的功能和简便的操作。 作为 MATLAB 的重要组成部仿真和分析的软件包。 它 支 持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。 在 Simulink 环境中，利用鼠标就可 以在模型窗口中直观地 画出系统模型，然后直接进行仿真。 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就像你用手和纸来画一样容易。 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 包含有 SINKS（输出方式）、 SOURCE（输入源）、 LINEAR（线性环节）、 NONLINEAR（非线性环节）、 CONNECTIONS（连接与接口）和 EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模，用户也可以定制和创建用户自己的模块。 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。 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。 菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。 采用 SCOPE 模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。 除此之外，用户还可 以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。 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平衡点分析工具、 MATLAB 的许多工具及MATLAB 的应用工具箱。 由于 MATLAB 和 SIMULINK 的集成在一起的，因此第 二 章 MATLAB 仿真技术 — — 16 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。 Smulink 仿真原理 Simulink 通过利用模块组合的方法可以方便用户快速、准确地创建动态系统的计算机模型。 它可以用来模拟线性与非线性系统，连续与非连续系统，或者这些混合的系统，是强大的系 统仿真工具。 1. 典型的模型结构 Simulink 的每一个模块实际上都是一个系统、一个典型的 Simulink 模块包括输入、状态和输出三个部分： (1)输入模块：即信号源模块，包括常数信号源、函数信号发生器和用户自定义信号； (2)状态模块：即被模拟的系统模块，它是 Simulink 的中心模块，是系统建模的核心和主要部分； 输出模块：即信号显示模块，它能够以图形方式、文件格式进行显示， 也可以在 MATLAB 的工作空间显示，输出模块主要集中在 Sinks 库。 在 Simulink中，模块都是用矢量来表示这三个部分的，如图 21所示 图 21矢量表示 Simulink模块图 2. Simulink 仿真过程 Simulink 仿真分为两个阶段：初始化和模型执行。 初始化阶段 : 初始化阶段需要完成的主要工作及其步骤如下： (1) 对模型的参数进行估计，得到它们实际计算的值。 (2) 展开模型的各个层次。 南京工业大学本科生毕业设计（ 论文 ） 17 (3) 按照更新的次序对模块进行排序。 (4) 确定那些非显示化的信号属性，并检查每个模块是否能够接受连接到它们输入端的 信号。 (5) 确定所有非显示化的信号采样时间模块的采样时间。 (6) 分配和初始化存储空间，以便存储每个模块的状态和当前值的输出。 模型执行阶段 : 对于一般的仿真模型是通过采用数值积分来来进行仿真的，计算数积分可以采用以下两步来进行： (1) 按照秩序计算每个模块的积分。 (2) 根据当前输入和状态来决定状态的微分，得到微分矢量，然后把它返回给解法器，以计算下一个采样点的状态矢量。 本章小结 本章主要介绍 MATLAB 和 Simulink 两种仿真技术的概念，仿真原理。 在通信系统中的应用。 两种仿真的技术的强大功能以及今后的发展。 第 三 章 PSK 调制系统 — — 18 第三章 PSK 调制系统 在通信和信息传输系统、工业自动化或电子工程技术中，调制和解调应用最为广泛。 而调制和解调的基本原理是利用信号与系统的频域分析和傅里叶变换的基本性质，将信号的频谱进行搬移，使之满足一定需要，从而完成信号的传输或处理。 调制与解调又分模拟和数字两种，在现代通信中，调制器的载波信号几乎都是正弦信号，数字基带信号通过调制器改变正弦载波信号。