基于MATLAB的通信系统的设计与仿真

2011届学士学位论文基于MATLAB的通信系统的设计与仿真学院、专业物理与电子信息学院电子信息工程研究方向系统仿真学生姓名学号指导教师姓名指导教师职称教授2011年4月29日II基于MATLAB的通信系统的设计与仿真摘要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。本论文首先介绍了通信系统的概念，进而引出调制和解调，然后介绍了我们常用的几种调制和解调的方法。由于MATLAB具有的强大功能所以详细介绍了MATLAB通信系统工具箱，并给出了基于MATLAB的通信系统的调制与解调的实现，运用MATLAB仿真软件进行仿真。关键词通信系统；调制与解调；MATLABIIISimulationAndDesignOfCommunicationSystemsBasedOnMATLABAbstractCommunicationisthroughamediafortransportation.Communicationsystemwhichisusedtocompletetheprocessofinformationtransmissionsystems,ingeneral,istosendtheinformationfromthesourcetooneormoredestinations.Modulationanddemodulationoccupiedanimportantpositioninthetransmissionofinformationwhichisessential,sotheresearchaboutthemodulationanddemodulationprocessinthecommunicationsystemisextremelyimportant.MATLABisanumericalcomputation,graphicsrendering,imageprocessingandsystemsimulationandotherpowerfulfeaturesinoneofthescientificcomputinglanguage,itisapowerfulmatrixcalculationandgraphicalvisualizationfeaturesandarichtoolboxprovidesagreatconvenienceforthecommunicationsystemofmodulationanddemodulationprocess.Thispaperintroducestheconceptofthecommunicationsystem,andthenleadstomodulationanddemodulation,andthenintroducedseveralofourcommonlyusedmethodofmodulationanddemodulation.AsthepowerofMATLABsoweintroducedthecommunicationsystemtoolboxintheMATLAB.WegivesseveralexamplesaboutthecommunicationsystembasedonMATLABmodulationanddemodulationandusethesoftwareofMATLABtosimulatethem.KeywordsCommunicationSystems;Modulationanddemodulation;MATLABIV目录1引言.......................................................................................................12通信系统的调制与解调......................................................................22.1通信系统的概念...............................................................................22.2调制和解调的概念...........................................................................42.3幅度调制和相干解调的原理...........................................................53MATLAB通信系统工具箱................................................................74基于MATLAB的模拟调制和解调实例...........................................84.1用MATLAB分析双边带幅度调制（DSM-AM）........................84.2用MATLAB分析相干解调过程.................................................10总结...........................................................................................................12参考文献...................................................................................................13致谢.......................................................................................................1411引言通信按照传统的理解就是信息的传输，在当今高度信息化得社会，信息和通信已经成为现代社会的“命脉”。信息作为一种资源，只有通过广泛的传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经济效益。而通信作为传输信息的手段或方式，与传感技术、计算机技术相互融合，已经成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力，所以未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。在信息传输过程中，要求天线的尺寸要和信号的波长相比拟，信号才能有效的被辐射。对于语音信号来说，相应的天线尺寸要在几十公里以上，实际上不可能实现，所以需要经过调制将信号频谱搬移到较高的频率范围，如果不进行调制就把信号直接辐射出去，那么各电台所发出信号的频率就会相同。调制作用的实质就是使相同频率范围的信号分别依托于不同频率的载波上，接收机就可以分离出所需的频率信号，不致互相干扰。有时信号过于复杂，人工计算其调制和解调过程较难实现，对其结果的分析又缺乏可视化的直观表现，影响了所得结果在实际生活中的应用，美国MathWorks公司开发的MATLAB解决了这一问题。它应用于自动控制、数学计算、信号分析、信号处理等诸多领域,也是国内高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。MATLAB的出现给通信系统的分析提供了极大的方便。本文主要包括三部分：第一部分介绍了通信系统的调制和解调，第二部分介绍了MATLAB通信工具箱，第三部分给出了基于MATLAB的通信系统的分析。22通信系统的调制与解调2.1通信系统的概念通信是为了传输信息，通信系统就是将信息从信源发送到一个或多个目的地，对于电通信来说，首先要把消息转变成电信号，然后经过发送设备，将信号送入信道，在接收端利用接受设备对接收信号作相应的处理后，送给信宿再转换为原来的消息，这一过程可利用图1所示的通信系统一般模型来概括。（发送端）（接收端）图1通信系统的一般模型通信(Communication)传输的消息是多种多样的，可以分成两大类：一类称为连续消息；另一类称为离散消息。消息的传递是通过它的物理载体电信号来实现的，按信号参量的取值不同，可以把信号分为两类：模拟信号和数字信号。通常按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应的可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。1．模拟通信系统模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，其模型如图2所示，其中包含两种重要变换。第一种变换是，在发送端把连续消息变换成原始电信号，在接收端进行相反的变换，这种变换由信源和信宿来完成，通常称为原始电信号为基带信号，基带的意思是指信号的频谱从零频附近开始。有些信道可以直接传输基带信号，而以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传输这些信号。因此，模拟通信系统中常常需要进行第二种变换：把基带信号变换成适合在信道中传输的信号，并在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换的通常是调制器和解调器[1]。图2模拟通信系统模型型信息源发送设备信道接收设备噪声源受信者受信者模拟信息源解调器调制器噪声源信道32.数字通信系统数字通信系统（DigitalCommunicationSystem,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。图3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。信息源信源编码加密信道编码数字调制信道噪声源数字解调信道译码解密信源译码受信者42.2调制和解调的概念调制：把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程，广义的调制分为基带调制和带通调制（也称为载波调制）。在无线通信中和其他大多数场合，调制均指载波调制【2】。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。解调：将已调信号中的调制信号恢复出来，是调制