基于simulink的数字调制解调仿真与设计Word下载.docx
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系统还可以使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,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)。
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。
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,适用于因果关系的问题研究。
仿真的结果还可以存放到Matlab的工作空间里做事后处理由于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。
2通信系统及数字频带传输系统原理
2.1通信技术的历史和发展
2.1.1通信的概念
通信就是克服距离上的障碍,从一地向另一地传递和交换消息。
消息是信息源所产生的,是信息的物理表现,例如,语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。
消息有模拟消息(如语音、图像等)以及数字消息(如数据、文字等)之分。
所有消息必须在转换成电信号(通常简称为信号)后才能在通信系统中传输。
所以,信号(Signal)是传输消息的手段,信号是消息的物质载体。
相应的信号可分为模拟信号和数字信号,模拟信号的自变量可以是连续的或离散的,但幅度是连续的,如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。
数字信号的自变量可以是连续的或离散的,但幅度是离散的,如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。
通信的目的是传递消息,但对受信者有用的是消息中包含的有效内容,也即信息(Information)。
消息是具体的、表面的,而信息是抽象的、本质的,且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。
通信技术,特别是数字通信技术近年来发展非常迅速,它的应用越来越广泛。
通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术,它要将大量有用的信息无失真,高效率地进行传输,同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。
当今的通信不仅要有效地传递信息,而且还有储存、处理、采集及显示等功能,通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。
通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和,包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者),它的一般模型如图2-1-1所示。
↑
图2-1-1通信系统一般模型
通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。
数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统,其模型如图2-1-2所示。
↑
图2-1-2数字通信系统模型
模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统,其模型如图2-1-3所示。
↑
图2-1-3模拟通信系统模型
数字通信系统较模拟通信系统而言,具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。
2.2数字频带传输系统
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。
图2-2-1数字调制系统的基本结构
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。
3数字调制系统的原理及仿真设计
3.1二进制振幅键控(2ASK)
3.1.1二进制振幅键控(2ASK)的原理
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。
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1-P,且相互独立。
该二进制符号序列可表示为:
(3-1-1)
其中:
(3-1-2)
Ts是二进制基带信号时间间隔,g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲:
(3-1-3)
则二进制振幅键控信号可表示为:
(3-1-4)
二进制振幅键控信号时间波型如图3-1-1所示。
由图4-1可以看出2ASK信号的时间波形e2ASK(t)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3-1-2所示,图(a)是采用模拟相乘的方法实现,图(b)是采用数字键控的方法实现。
由图3-1-1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3-1-3所示。
2ASK信号非相干解调过程的时间波形如图3-1-4所示。
图3-1-1二进制振幅键控信号时间波型
图3-1-2二进制振幅键控信号调制器原理框图
图3-1-3二进制振幅键控信号解调器原理框图
图3-1-4二进制振幅键控信号时间波型
3.1.22ASK基于simulink的调制与解调仿真设计
1.调制仿真
(1)建立模型方框图
2ASK信号调制的模型方框图由DSP模块中的sinwave信号源、方波信号源、相乘器等模块组成,Simulink模型图如下所示:
图3-1-52ASK信号调制的模型方框图
其中正弦信号是载波信号,方波代表S(t)序列的信号塬,正弦信号和方波相乘后就得到键控2ASK信号。
(2)参数设置
建立好模型之后就要设置系统参数,以达到系统的最佳仿真。
从正弦信号源开始依次的仿真参数设置如下:
图3-1-6正弦信号参数设置
其中sin函数是幅度为2频率为1Hz采样周期为0.002的双精度DSP信号。
图3-1-7方波信号源的参数设置
方波信号是基于采样的,其幅度设置为2,周期为3,占1比为2/3。
(3)系统仿真及各点波形图
经过上面参数的设置后,就可以进行系统的仿真下面是示波器显示的各点的波形图:
图3-1-8各点的时间波形图
由上图可以看出信息源和载波信号相乘之后就产生了受幅度控制的2ASK信号。
2.解调仿真
2ASK的解调分为相干解调和非相干解调法,采用相干解调法对2ASK信号进行解调。
(1)建立simulink模型方框图
相干解调也叫同步解调,就是用已调信号恢复出载波——既同步载波。
再用载波和已调信号相乘,经过低通滤波器和抽样判决器恢复出S(t)信号,simulink模型图如下:
图3-1-92ASK相干解调的simulink模型方框图
由于低通滤波器是滤去高频的载波,所以为了使已调信号的频谱有明显的搬移,就要使载波和信息源的频率有明显的差别,在此直接使用原载波信号作为同步载波信号。
下面是低通滤波器的参数设置:
图3-1-10低通滤波器的参数设置图
图3-1-112ASK信号解调的各点时间波形图
(3)系统仿真及各点时间波形图
由图3-1-11可以看出由于载波频率的提高使的示波器在波形显示上出现了一定的困难,不过要想显示调制部分的理想波形只要调整示波器的显示范围即可。
(4)误码率分析
由于在解调过程中没有信道和噪声,所以误码率相对较小,一般是由于码间串扰或是参数设置的问题,由3-1-11图可以看出此系统的误码率为0.3636。
3.2二进制频移键控(2FSK)
3.2.1二进制频移键控(2FSK)的原理
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f1和f2两个频率点间变化,则产生二进制频移键控信号(2FSK信号)。
二进制频移键控信号的时间波形如图4-2-1所示,图中波形g可分解为波形e和波形f,即二进制频移键控信号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f1,0符号对应于载波频率f2,则二进制频移键控信号的时域表达式为:
(3-2-1)
(3-2-2)
(3-2-3)
图3-2-1二进制移频键控信号的时间波形
由图3-2-1可看出bn是an的反码,即若an=1,则=0,若an=0,则bn=1,于是bn=
,θn和
分别代表第n个信号码元的初始相位.在二进制频移键控信号中,
和θn不携带信息,通常可令
和θn为零.因此,二进制频移键控信号的时域表达式可简化为
(3-2-4)
二进制频移键控信号的产生,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3-2-2是数字键控法实现二进制频移键控信号的原理图。
二进制频移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3-2-3所示,非相干解调过程的时间波形如图3-2-4所示。
图3-2-2二进制移频键控信号解调器原理图
图3-2-3非相干解调和相干解调两种方法的原理图
图3-2-42FSK非相干解调过程的时间波形
3.2.22FSK的调制与解调仿真
1.调制仿真
2FSK信号是由频率分别为f1和f2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的,其中f1和f2是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号,2FSK信号产生的simulink仿真模型图如下所示:
图3-2-52FSK信号的simulink模型方框图
其中sinwave和sinwave1是两个频率分别为f1和f2的载波,PulseGenerator模块是信号源,NOT实现方波的反相,最后经过相乘器和相加器生成2FSK信号,各参数设置如下:
载波f1的参设:
其中幅度为2,f1=1Hz,采样时间为0.002s,在此选择载波为单精度信号。
图3-2-6载波sinwave的参数设置
图3-2-7载波sinwave1的参数设置
f2的参数设置如图3-2-7所示。
其中载波是幅度为2,f2=2,采样时间为0.002s的单精度信号。
本来信号源s(t)序列是用随机的0和1信号产生,在此为了方便仿真就选择了基于采样的PulseGenerator信号模块其参数设置如下:
图3-2-8PulseGenerator信号模块参数设置
其中方波是幅度为1,周期为3,占1比为1/3的基于采样的信号。
图3-2-92FSK信号调制各点的时间波形
经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真,其各点的时间波形如图3-2-9所示。
可以看出经过f1和f2两个载波的调制,2FSK信号有明显的频率上的差别。
2.解调仿真
解调方框图如下所示:
图3-2-102FSK信号解调方框图
经过系统的仿真可以观察出系统的误码率为0.7273,如下图所示:
图3-2-112FSK相干解调误码率
经过系统仿真后的各点时间波形如图3-2-12所示:
图3-2-122FSK信号解调各点时间波形
3.3二进制相移键控(2PSK)
3.3.1二进制相移键控(2PSK)的原理
在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控(2PSK)信号。
通常用已调信号载波的0°
和180°
分别表示二进制数字基带信号的1和0二进制移相键控信号的时域表达式为:
e2PSK(t)=g(t-nTs)]cosωct(3-1-1)
其中,an与2ASK和2FSK时的不同,在2PSK调制中,an应选择双极性,即:
(3-1-3)
若g(t)是脉宽为Ts,高度为1的矩形脉冲时,则有:
e2PSK(t)=cosωct发送概率为P
e2PSK(t)=-cosωct发送概率为1-P(3-1-4)
由式(3-1-4)可看出,当发送二进制符号1时,已调信号e2PSK(t)取0°
相位,发送二进制符号时,e2PSK(t)取180°
相位。
图3-3-1二进制移相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3-3-2所示。
2PSK信号的解调通常都是采用相干解调,解调器原理图如图3-3-3所示,相干解调各点时间波形如图3-3-4所示。
当恢复的相干载波产生180°
倒相时,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反,解调器输出数字基带信号全部出错。
这种现象通常称为"
倒π"
现象。
图3-3-22PSK信号的调制原理图
图3-3-32PSK信号的解调原理图
图3-3-42PSK信号相干解调各点时间波形
3.3.22PSK的调制与解调仿真
在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控(2PSK)信号.在此用已调信号载波的0°
分别表示二进制数字基带信号的1和0用两个反相的载波信号进行调制,其方框图如下:
图3-3-62PSK信号调制的simulink的模型图
图3-3-7Sinwave信号参数设置
图3-3-8Sinwave1信号的参数设置
由图3-3-7和3-3-8可看出两个载波是幅度为3频率为4Hz采样时间为0.002s的反相信号。
图3-3-9脉冲信号的参数设置
脉冲信号是幅度为2周期为1占空比为50%的基于时间的信号。
图3-3-102PSK调制的各点时间波形
(1)建立simulink模型方框图如下:
图3-3-112PSK解调框图
(2)各点的时间波形如下所示:
图3-3-122PSK解调各点的时间波形
3.4QPSK设计原理
3.4.1QPSK星座图
QPSK是QuadraturePhaseShiftKeying的简称,意为正交移相键控,是数字调制的
一种方式。
它规定了四种载波相位,分别为0,
(或者
,
),星座图如图3-4-1所示。
(a)
(b)
图3-4-1QPSK星座图
3.4.2QPSK的调制
因为输入信息是二进制序列,所以需要将二进制数据变换成四进制数据,才能和四进制的载波相位配合起来。
采取的办法是将二进制数字序列中每两个序列分成一组,共四种组合(00,01,10,11),每一组称为双比特码元。
每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成,它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。
QPSK每次调制可传输两个信息比特。
本次课程设计主要采用正交调制法调制。
图3-4-2正交调制
图3-4-3QPSK调制仿真图
查阅资料,熟悉simulink的工作环境,理解simulink的模块功能,根据图3-4-2的方框图搭建QPSK调制电路如图3-4-3所示,采用Buffer和Demux将信号源进行串并转换,UnipolartoBipolar实现电平转换。
3.4.3QPSK的解调
QPSK信号可以用两个正交的载波信号实现相干解调,它的相干解调器如图3-4-4所示,正交路分别设置两个匹配滤波器,得到I(t)和Q(t),经电平判决和并转串即可恢复出原始信息。
图3-4-4QPSK相干解调图
根据图3-4-4的方框图搭建QPSK解调电路如图3-4-5所示,载波采用调制时的载波信号,解调后的信号经位定时后判决得到并行二进制序列,再经并转串输出二进制序列。
图3-4-5QPSK解调仿真电路
3.4.4QPSK设计结果及分析
信号调制解调后的时域波形图如图3-4-6所示,由于仿真时示波器采样时间过少时会造成波形失真,而信号频率很高时仿真时间过长,所以采用数据低传输速率,载波也采用低频信号进行模拟仿真。
图3-4-6QPSK调制时域波形图
从模拟仿真图中可以看出QPSK调制过程产生了四种相位,与理论相符合。
QPSK的误码主要来源于高斯信道的噪声干扰,以及信号的码间串扰。
其次由于位定时不准确也会造成抽样判决错误,导致信号与原始信号不同,产生误码。
4总结
利用MATLAB软件完成了一个完整的数字频带传输系统的课程设计,充分发挥了SIMULINK功能强大,建模简单,参数易于调整的特点。
结果表明,基于SIMULINK仿真模型,能够反映数字通信系统的动态工作过程,其可视化界面具有很好的演示效果,为通信系统的设计和研究提供了强有力的工具,也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。
在通信原理的教学过程中,一直注重理论的教学,但是深奥的理论难以理解,很有必要以某种可见的、图形化的形式来加深对理论的理解。
MATLAB的引入带来了直观的感受,提供了完整的动态系统设计、仿真和可视化的分析环境,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统以及各种速率的系统,主要用于电路与通信系统的设计和仿真。
通过MATLAB语言对2ASK、2FSK、2PSK以及QPSK信号的仿真与设计,使得分析数字频带调制系统变得直观简单。
通信原理对于我们通信工程来说是一门很重要的课程,无论是这次的通信原理课程设计还是其他工程或是毕业设计,乃至今后的实习和工作中,都是一个温故而知新的过程,技术的更新是非常迅速的,但是理论基础是根本,是必不可少的,只有学好基础知识才有可能谈其他创新和发展。
经过这次设计,我学会了许多东西,学会了严密的思考,构想及怎样把计划付诸于实际行动之中。
同时与社会的不断高速发展的步伐相比,我认识到自己所学的知识和技能还远远不足,有些实际性的问题还不能够解决,缺少很多有实际运用价值的知识储备,缺乏应有的动手解决实际问题的能力,缺乏些高效利用及筛选大量资料的能力,缺乏资源共享及应有的团队合作精神,有待进一步提高,我应当学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。
总之,这一次的课程设计已经结束,其中我品尝了成功的喜悦,也感受了失败的懊恼,令我受益匪浅。
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