基于Matlab的数字信号处理系统.docx
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基于Matlab的数字信号处理系统
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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1.设计(论文)的内容包括:
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图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
目录
第一章绪论2
1.1通信系统概述2
1.2数字通信系统2
1.3数字通信系统的特点2
第二章基础技术4
2.1SystemView软件简介4
2.2SystemView软件特点5
第三章二进制振幅键控(2ASK)的设计6
3.12ASK的调制与解调基本原理6
3.22ASK调制仿真模型8
3.32ASK非相干解调仿真模型9
3.42ASK相干解调仿真模型10
3.52ASK调制解调整体仿真模型11
第四章二进制频移键控(2FSK)的设计12
4.12FSK的调制与解调基本原理12
4.22FSK调制仿真模型14
4.32FSK非相干解调模型15
4.42FSK相干解调模型16
4.52FSK调制解调整体仿真模型17
第五章二进制相移键控(2PSK)的设计18
5.12PSK的调制与解调基本原理18
5.22PSK调制仿真模型19
5.32PSK解调仿真模型20
5.42PSK调制解调整体仿真模型21
第六章二进制差分相移键控(2DPSK)的设计22
6.12DPSK的调制与解调基本原理22
6.22DPSK的调制仿真模型24
6.32DPSK的相干解调仿真模型25
6.42DPSK的差分相干解调仿真模型26
6.52DPSK调制解调整体仿真模型27
第七章多进制振幅键控(4ASK)的设计28
7.14ASK的调制与解调基本原理28
7.24ASK的调制仿真模型29
7.34ASK解调仿真模型30
第八章多进制频移键控(4FSK)的设计31
8.14FSK的调制与解调基本原理31
第九章QAM的调制与解调33
9.1QAM的调制与解调基本原理33
9.2QAM的调制与解调的仿真波形图34
第十章总结与体会35
第九章谢辞36
参考文献37
第一章绪论
1.1通信系统概述
随着社会生产力的发展,人们对传递消息的要求越来越高,通信,则承载着这个重要的任务。
通信系统就是信息传输系统。
通信中要进行消息的传递,必须有发送者和接收者,发送者和接收者可以是人也可以是各种通信终端设备。
换言之,通信可以在人与人之间,也可以在人与机器活机器与机器之间进行。
通信系统必须包含三部分:
一是发送端;二是接收端;三是收发两端之间的信道。
1.2数字通信系统
通信系统主要分为模拟通信系统和数字通信系统。
数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信数字通信的基本特征是,它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性,从而使数字通信具有许多特殊的问题。
在模拟通信中强调变换的线性特性,即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性;而在数字通信中,则强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。
数字调制常用的方法有2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK调制等。
经过调制不仅可以进行频谱搬移,把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上,从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号,而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响。
调制方式往往决定着一个通信系统的性能。
1.3数字通信系统的特点
数字通信系统的优点如下:
1、抗干扰能力强
由于在数字通信中,传输的信号幅度是离散的,以二进制为例,信号的取值只有两个,这样接收端只需判别两种状态。
信号在传输过程中受到噪声的干扰,必然会使波形失真,接收端对其进行抽样判决,以辨别是两种状态中的哪一个。
只要噪声的大小不足以影响判决的正确性,就能正确接收(再生)。
而在模拟通信中,传输的信号幅度是连续变化的,一旦叠加上噪声,即使噪声很小,也很难消除它。
2、差错可控
数字信号在传输过程中出现的错误(差错),可通过纠错编码技术来控制,以提高传输的可靠性。
3、易加密
数字信号与模拟信号相比,它容易加密和解密。
因此,数字通信保密性好。
4、易于与现代技术相结合
由于计算机技术、数字存贮技术、数字交换技术以及数字处理技术等现代技术飞速发展,许多设备、终端接口均是数字信号,因此极易与数字通信系统相连接。
数字通信系统的缺点:
1、频带利用率不高
系统的频带利用率,可用系统允许最大传输带宽(信道的带宽)与每路信号的有效带宽之比来数字通信中,数字信号占用的频带宽,以电话为例,一路模拟电话通常只占据4kHz带宽,但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据20~60kHz的带宽。
因此,如果系统传输带宽一定的话,模拟电话的频带利用率要高出数字电话的5~15倍。
2、系统设备比较复杂
数字通信中,要准确地恢复信号,接收端需要严格的同步系统,以保持收端和发端严格的节拍一致、编组一致。
因此,数字通信系统及设备一般都比较复杂,体积较大。
不过,随着新的宽带传输信道(如光导纤维)的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展,数字通信的这些缺点已经弱化。
随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用,数字通信在今后的通信方式中必将逐步取代模拟通信而占主导地位。
第二章基础技术
2.1SystemView软件简介
随着通信技术的发展日新月异,通信系统也日趋复杂。
因此,在通信系统的设计研发过程中,通信系统的软件仿真已成为必不可少的一部分。
为了使复杂的设计过程更加便捷高效,使得分析与设计所需的时间和费用降低。
美国Elanix公司推出的基于PC机Windows平台的SystemView动态系统仿真软件,是一个比较流行的,优秀的仿真软件。
SystemView是一个信号级的系统仿真软件,主要用于电路与通信系统的设计、仿真、能满足从信号处理、滤波器设计,到复杂的通信系统等要求。
SystemView借助大家熟悉的Windows窗口环境,以模块化和交互式的界面,为用户提供一个嵌入式的分析引擎。
SystemView由两个窗口组成,分别是系统设计窗口的分析窗口。
系统设计窗口,包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计工作区。
所有系统的设计、搭建等基本操作,都是在设计窗口内完成。
分析窗口包括标题栏、菜单栏、工具条、流动条、活动图形窗口和提示信息栏。
提示信息栏显示分析窗口的状态信息、坐标信息和指示分析的进度;活动图形窗口显示输出的各种图形,如波形等。
分析窗口是用户观察SystemView数据输出的基本工具,在窗口界面中,有多种选项可以增强显示的灵活性和系统的用途等功能。
在分析窗口最为重要的是接收计算器,利用这个工具我们可以获得输出的各种数据和频域参数,并对其进行分析、处理、比较,或进一步的组合运算。
例如信号的频谱图就可以很方便的在此窗口观察到。
使用SystemView,我们不用关心项目的设计思想和过程,而不用花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。
我们只用鼠标点击器图标即可完成系统的建模、设计和测试,而不用学习复杂的计算机程序编制,也不必担心程序中是否存在编程错误。
2.2SystemView软件特点
1.能仿真大量的应用系统。
能在DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。
具有大量的可选择的库,允许用户有选择地增加通讯、逻辑、DSP和射频/模拟功能模块。
特别适合于无线电话、无绳电话、调制解调器以及卫星通信系统等的设计;课进行各种系统是与/频域分析和谱分析;对射频/模拟电路进行理论分析和失真分析。
2.快速方便的动态系统设计与仿真。
SystemView图标库包括几百种信号源、接收端、操作符合功能块,提供从DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等应用。
信号源和接收端图标允许在SystemView内部生成和分析信号,并提供可外部处理的各种文件格式和输入/输出数据接口。
3.在报告中方便地加入SystemView的结论。
SystemView通过Notes(注释)很容易在屏幕上描述系统;生成的SystemView系统饿输出的波形图可以很方便地使用复制和粘贴命令插入微软word等文字处理器。
4.提供基于组织结构图方式的设计。
通过利用SystemView中的图符和MetaSystem(子系统)对象的无限制分层结构功能,SystemView能很容易地建立复杂的系统。
5.多速率系统和并行系统。
SystemView允许合并多种数据采样率输入的系统,以简化FIR滤波器的执行。
这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的痛ixnxitongd而设计于仿真,有利于提供整个系统的仿真速度,而在局部又不会降低仿真的精度。
同时还可以降低对计算机硬件配置的要求。
6.完备的滤波器和线性系统设计。
SystemView包含一个功能强大的、很容易使用的图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境,还包含大量的FIR/IIR滤波类型和FFT类型,并提供易于用DSP实现滤波器或线性系统的参数。
第三章二进制振幅键控(2ASK)的设计
3.12ASK的调制与解调基本原理
(1)调制
振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息,而其频率和初始相位保持不变。
在2ASK中,载波的幅度只有两种变化状态,分别对应二进制信息“0”或“1”。
一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通—断键控(OOK)。
其表达式为
2ASK信号的一般表达式为
其中
二进制振幅键控信号的产生通常有两种:
模拟调制法和键控法,相应的调制器如图3-1-1所示。
图(a)就是一般的模拟幅度调制的方法,用乘法器实现;图(b)是一种数字键控法,其中的开关电路受s(t)控制。
本次课设采用数字键控法。
图3-1-12ASK/OOK信号调制器原理框图
(2)解调
与AM信号的解调方法一样。
ASK/OOK信号也有两种基本的解调方法:
非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法),相应的接收系统组成方框图如图3-1-2所示。
与模拟信号的接收系统相比,这里增加了一个“抽样判决器”方框,这对提高数字信号的接收性能是必要的。
本次课设用的是相干解调。
图3-1-22ASK/OOK信号接收系统组成方框图
3.22ASK调制仿真模型
1.2ASK调制方框图如图3-2-1所示:
图3-2-12ASK调制方框图
模拟相乘模块由基带信号发生器,半波整流器,正弦信号发生器,和相乘器组成。
基带信号发生器用于产生双极性二进制信号,半波整流器用于将双极性信号整流为单极性信号,基带信号和正弦载波经相乘器生成2ASK信号。
键控法由基带信号发生器,半波整流器,正弦信号发生器和键控开关。
基带信号发生器和半波整流器用于产生单极性二进制的基带信号,基带信号通过选通键控开关让正弦载波通过或截至从而产生2ASK信号。
2.仿真波形图如图3-2-2所示:
图3-2-2仿真波形图
3.32ASK非相干解调仿真模型
1.2ASK非相干解调方框图如图3-3-1所示:
图3-3-12ASK非相干解调方框图
2ASK非相干解调解调模块由带通滤波器,全波整流器,低通滤波器,和抽样判决器组成。
其中带通滤波器的作用是让有用的2ASK信号通过。
全波整流器和低通滤波器起包络检波的作用,抽样判决器用于将模拟的包络信号转换为二进制数字信号。
值得注意的是带通滤波器带宽的设置要满足以下两个条件:
一,以载波的频率为中心;二,带宽要大于等于基带信号码速率的两倍。
抽样判决的门限值应设为2ASK信号幅值的一半。
2.2ASK非相干解调仿真波形图如图3-3-2所示:
图3-3-22ASK非相干解调仿真波形图
3.42ASK相干解调仿真模型
1.2ASK相干解调方框图如图3-4-1所示:
图3-4-12ASK相干解调方框图
2ASK相干解调模块由带通滤波器,相乘器,本地载波发生器,低通滤波器和抽样判决器组成。
其中带通滤波器的作用是让有用的信号通过,本地载波发生器用于产生与载波同频的本地载波,本地载波与2ASK信号相乘将2ASK信号转换为单极性的信号,低通滤波器用于滤除高频成分,抽样判决器用于将模拟的信号转换为二进制的数字信号。
值得注意的是在输出的2ASK信号的幅值为1V时,相干解调的抽样判决的门限电平应设为300e-3v,而非相干解调的则应设为500e-3V。
(这是因为此2ASK时信号的幅值小于1V,非相干解调中信号全波整流相当于将信号幅值翻倍,而相干解调中信号经过相乘其相当于将信号的幅值平方。
所以相干解调的抽样电平较小)。
2.2ASK相干解调仿真波形图如图3-4-2所示:
图3-4-22ASK相干解调仿真波形图
3.52ASK调制解调整体仿真模型
1.2ASK调制解调整体方框图如图3-5-1所示:
图3-5-12ASK调制解调整体方框图
2.2ASK相干解调仿真波形图如图3-5-2所示:
图3-5-22ASK相干解调仿真波形图
小结:
2ASK信号的调制与解调中要注意以下三个问题:
一,注意单极性信号的产生方法(设置补偿值,利用全波整流)。
二,注意带通滤波器与低通滤波器截止频率的设置(尤其注意带通滤波器)。
三,注意判决门限电平的设置(相干解调的较小)。
第四章二进制频移键控(2FSK)的设计
4.12FSK的调制与解调基本原理
(1)调制
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。
在2FSK中,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。
故其表达式为
2FSK信号的产生方法主要有两种。
一种可以采用模拟调频电路来实现;另一种可以采用键控法实现,即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通,使其在每一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一,如图4-1-1所示。
本次课设用的是键控法实现。
图4-1-12FSK信号调制器原理框图
(2)解调
2FSK信号的常用解调方法是采用如图4-1-2所示的非相干解调(包络检波)和相干解调。
其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调, 然后进行判决。
这里的抽样判决时直接比较两路信号抽样值得大小,可以不专门设置门限。
判决规则应与调制规则相呼应,调制时若规定“1”符号对应载波 频率f1,则接收时上支路的样值较大,应判为“1”;反之则判为“0”。
图4-1-22FSK信号相干解调解调原理图
图4-1-32FSK信号相干解调解调原理图
4.22FSK调制仿真模型
1.2FSK调制框图如图4-2-1所示:
图4-2-1键控法生成2FSK信号
2FSK键控法的调制模块由基带信号发生器,半波整流器,两个正弦载波发生器,反转器,相乘器,相加器组成。
其中基带信号发生器用来产生双极性基带信号,半波整流器用于将双极性信号化为单极性信号。
反转器用于将基带信号反转,间接地起到了选择的作用。
两个正弦载波发生器用于产生两个频率不同的正弦载波。
相乘器将基带信号与正弦载波相乘。
相加器用于将两路信号相加生成2FSK信号
2.2ASK调制的仿真波形如图4-2-2所示:
图4-2-22ASK调制的仿真波形图
4.32FSK非相干解调模型
1.2FSK非相干解调框图如图4-3-1所示:
图4-3-12FSK的非相干解调框图
2FSK的非相干解调框图由带通滤波器,全波整流器,低通滤波器,抽样保持器和比较器组成。
其中带通滤波器的作用是让有用的2FSK信号通过。
全波整流器和低通滤波器起包络检波的作用,抽样保持器用于对模拟信号进行抽样,比较器用于将上下两路信号进行比较。
值得注意的是2FSK的抽样判决是对两路信号的抽样判决,所以不能使用Buffer作为抽样判决器,而是先使用SampleHold进行抽样保持,再用Compare进行比较,由于是上下两路信号的比较,所以就不用专门设置判决电平。
2,2FSK非相干解调的仿真波形图如图4-3-2所示
图4-3-22FSK非相干解调仿真波形图
4.42FSK相干解调模型
1.2FSK相干解调框图如图4-4-1所示:
图4-4-12FSK的相干解调框图
2FSK的相干解调模块由带通滤波器,本地载波发生器,相乘器,低通滤波器,抽样保持器,判决器组成。
其中其中带通滤波器的作用是让有用的2FSK信号通过。
本地载波发生器用于产生与原始两个载波同频的载波信号,相乘器用于将两个本地载波和带通输出信号进行相乘,抽样保持器用于对模拟信号进行抽样,比较器用于将上下两路信号进行比较。
2,2FSK相干解调的仿真波形图如图4-4-2所示
图4-4-22FSK相干解调的仿真波形
4.52FSK调制解调整体仿真模型
1.2FSK调制解调整体方框图如图4-5-1所示:
图4-5-12FSK调制
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