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基于MATLAB通信系统的设计仿真


基于 MATLAB 的通信系统的设计与仿真
系别 专业 姓 名 学 号 电气工程系 电子信息工程 刘得陇
25
钟立华

指导教师姓名

选题关键词:PSK 调制、NRZ 码型、AWGN 信道 关键词介绍 PSK 调制:2PSK 数字调制原理
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.

NRZ 码型:不归零码(NRZ,Non-Return to Zero)
基带传输时,需要解决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号同步问题。 对 于传输数字信号来说,最简单最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字,也 即数字信号由矩形脉冲组成。按数字编码方式,可以划分为单极性码和双极性码,单极性码 使用正(或负)的电压表示数据;双极性码是二进制码,1 为反转,0 为保持零电平。根据 信号是否归零,还可以划分为归零码和非归零码,归零码码元中间的信号回归到 0 电平,例 如“1”为正电平,“0”为负电平, 每个数据表示完毕后,都会回归到零电平状态,而非 归零码没有回归到零电平的过程,例如“1”为高电平,“0”为低电平。

AWGN 信道:
不考虑通信信道信号时,由宽频带范围描述的统计随机无线噪声。 AWGN,在通信上指的是一种通道模型(channel model),此通道模型唯一的信号减损是 来自于宽带(Bandwidth)的线性加成或是稳定谱密度(以每赫兹瓦特的带宽表示)与高斯 分布振幅的白噪声。 白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声,即其功率谱密度为常数。

一、课题说明
通信是通过某种媒体进行的信息传递, 目的是传输信息, 通信系统是用以完成信息传输 过程的技术系统的总称, 作用是将信息从信源发送到一个或多个目的地。 调制与解调在信息 的传输过程中占据着重要的地位, 是不可或缺的, 因此研究系统的调制和解调过程就极为重 要。MATLAB 是集数值计算、图形绘制、图像处理及系统仿真等强大功能于一体的科学 计算语言,它强大的矩阵运算和图形可视化的功能以及丰富的工具箱,为 通信系统的 调制和解调过程的分析提供了极大的方便。 现代社会发展要求通信系统功能越来越强, 性能越来越高, 构成越来越复杂; 另一方面, 要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期,降低成本,提高水平。这样尖锐对立的两个方 面的要求, 只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。 通信系统仿真贯 穿通信系统工程设计的全过程,对通信系统的发展起着举足轻重的作用。 本报告针对通信系统仿真的探讨主要做了以下的工作: (1)介绍了通信系统仿真的相关内容,包括通信系统仿真的一般步骤。 (2)对通信系统中的主要环节,如模拟信号的数字传输系统进行了详细的阐述。 (3)在理解通信系统理论的基础上,利用 Simulink 强大的仿真功能,对 PSK 通信系统进行了 模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示,并且给出了具体的分析。

二、基本原理
1、通信系统仿真的一般步骤 通信系统仿真一般分成 3 个步骤,即仿真建模、仿真实验和仿真分析。应该注意的是, 通信系统仿真是一个螺旋式发展的过程, 因此, 这 3 个步骤可能需要循环多次才能达到想要 的结果。

当前 系统

仿真建模

仿真实验

仿真分析

结论分析 改 造后 的系统

研究方式图示
2.数字通信系统 数字通信系统(Digital Communication System,DCS)是利用数字信号来传递信息的 通信系统,如图 3 所示。数字通信所涉及的技术问题很多,其中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。

信 息 源

信 源 编 码

加 密

信 道 编 码

数 字 调 制

噪声源

信道

受 信 者

信 源 译 码

解 密

信 道 译 码

数 字 解 调

数字通信系统模型

与模拟通信相比,数字通信具有许多优良的特性: (1) 抗干扰能力强, 且噪声不积累。 数字通信系统中传输的是离散取值的数字波形, 接收端的目标不是精确的还原被传输的波形,而是从收到噪声干扰的信号中判 决出发送端所发送的是哪一个波形。 (2) 传输差错可控。在数字同喜系统中,可以通过信道编码技术进行检错与纠错, 降低误码率,提高传输质量。 (3) 便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。这种数字处 理的灵活性表现为可以将来自不同信源的信号综合到一起传输。 (4) 易于集成,使通信设备微型化,重量轻。 (5) 易于加密处理,且保密性好。 数字通信的缺点是,一般需要较大的传输带宽,设备复杂。近年来,随着大规模集成电路的 出现,数字系统的设备复杂程度和技术难度大大降低了,数字传输方式日益受到欢迎。数字 处理的灵活性使得数字传输系统中传输的数字信息既可以来自计算机、 电传机等数据终端的 各种数字代码,也可以来自模拟信号经过数字化处理后的脉冲编码(PCM)信号等。原理 上,数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输,但在世纪传输中,视系统的要求和信道 情况,一般需要进行不同形式的编码,并且选用一组取值有限的离散波形来表示,这些取值 离散的波形可以是未经调制的电信号, 也可以是调制后的信号。 未经调制的数字信号所占据 的频谱是从零频或很低频率开始,称为数字基带信号

注: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。

注:PSK 数字调制原理 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。

2PSK 原理图

2PSK 信号的解调原理图

三、数字通信2PSK系统建模
1、建模基本步骤 通信系统仿真的基本步骤如下: (1)建立数学模型:根据通信系统的基本原理,确定总的系统功能,并将各部分功能 模块化,找出各部分之间的关系。 (2)仿真系统:根据建立的模型按系统流程框图模型连接,组建要仿真的通信系统模 型。 (3)设置、调整参数:参数设置包括运行系统参数设置和功能模块运行参数设置。 (4)设置观察窗口,分析仿真数据和波形:在系统模型的关键点处设置观测输出模块, 用于观测仿真系统的运行情况,以便及时调整参数,分析结果。 2、系统仿真的软件实现 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°和 180°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:

SCOPE 产生波形自上至下顺序分别为:sine wave、伯努利发生信号、反向载波、PSK 波形

其中元件图与元件参数设置分别如下: A.正弦载波

B.正弦反向载波

C.带通滤波器

D.信号发生器

E.误码计算器

F.乘法器

G.误码显示器

整体模块图:

发射模块加入高斯白噪声:

四、仿真源代码
a=[1 1 0 0 1 1 0 0] l=linspace(0,2*pi,50); f=sin(2*l); t=linspace(0,10*pi,400); out=1:400; b=1:400; d=1:400; c=1:7; w=1:400; for i=1:7 if a(i)==0 for j=1:50 out(j+50*(i-1))=f(j); end else for j=1:50 out(j+50*(i-1))=-f(j); end end end for i=1:7 for j=1:50 m=0;n=0; if out(j+50*(i-1))-f(j)==0 m=m+1; end if out(j+50*(i-1))+f(j)==0 n=n+1; end

end if m>n c(i)=0; else c(i)=1; end end c for i=1:7 for j=1:50 b(j+50*(i-1))=a(i); d(j+50*(i-1))=c(i); w(j+50*(i-1))=f(j); end end subplot(3,1,1),plot(t,b),axis([0 10*pi -0.2 1.2]), xlabel('t'),ylabel('调制信号'); subplot(3,1,2),plot(t,w),axis([0 10*pi -1.2 1.2]), xlabel('t'),ylabel('载波'); subplot(3,1,3),plot(t,out),axis([0 10*pi -1.2 1.2]),xlabel('t'),ylabel(' PSK 波形');

运行波形:

function[r,x,y]=raychan(n) %n 为路径数 x,y 分别为叠加后信号实部和虚部,r 为信号包络 t=1; v=50; lamda=1/3; %t,v,lamda 初始化一个值 alpha=rand(1,n); %产生 n 条路径的幅度向量 phi=2*pi*rand(1,n); %产生 n 条路径的相位向量 theta=2*pi*rand(1,n); %产生 n 条路径的多普勒频移的角度向量 s=alpha.*(exp(j.*(phi+2*pi*v*t/lamda*cos(theta))))*ones(1,n)'; %s 为 n 条 路 径 的 叠 加 x=real(s); y=imag(s); r=sqrt(x^2+y^2); end 解调模块: a=[1 1 0 0 1 1 0 0] b=-pi:0.1*pi: pi*10 t=pskmod(a,2);%t=pskmod(a,8,ini_phase) plot(t,b),axis([0 10*pi -0.2 1.2]), xlabel('t'),ylabel('已调信号'); figure z=pskdemod(t,2);%z=pskdemod(t,8,ini_phase) plot(z,b),axis([0 10*pi -0.2 1.2]), xlabel('t'),ylabel('还原信号'); hold off

五、常见报错:

解决方案:

直接加入高斯白噪声,与加法器相与。

六、总结与分析
为期 2 周的课程设计到此结束。期间收获颇丰! 刚接触课程设计选题时,是没什么头绪的。由于个人知识基础知识不够牢固,在初始阶 段耗费了大量的时间摸索、尝试。但是,事实证明,实践的过程也就是学习的过程。 在课程设计期间,虽然停课 2 周,但是反而比以往更加紧凑充实。往返于图书馆实验室

之间,查阅了几乎学校所有的相关书籍,也在网络上找到了大量的相关资料。经过长时间的 阅读、学习。了解了现代通信原理中通信系统的基本架构、PSK 信号调制方式、通信系统 信道类型参数、通信接收模块、simulink 仿真、M 文件语句等知识点。但是也在实践、探索 的过程中发现不少问题,比如说仿真时总是报错,再比如对信号的解调不熟悉。 但所幸的是,经过努力这些问题都得到了解决。我们也在课程设计中,不仅学到了新知 识,也巩固了旧知识!

七、参考文献
《基于 MATLAB 的通信系统仿真》(北京航空航天大学大学出版社) 《通信系统中 MATLAB 基础仿真与应用》 (西安电子科技大学出版社) 《通信原理及 MATLABsimulink 仿真》 (人民邮电出版社)


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