通信原理课程设计基于MATLAB的二进制数字系统的调制(包括2ask-2fsk-2psk-2dpsk

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第1页共33页课程设计(论文)说明书题目：二进制数字调制系统的实现院（系）：信息与通信学院专业：通信工程桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第2页共33页摘要MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。论文中介绍了《通信原理》课程中数字频带传输系统的工作原理，并用MATLAB软件编写M文件实现产生数字基带信号及对其进行四种方式的调制、解调的系统仿真。关键词：数字频带传输系统；MATLAB软件；数字调制桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第3页共33页目录引言…………………………………………………………………………………………11MATLAB简介……………………………………………………………………………12二进制数字调制系统的原理及实现………………………………………………22.1二进制振幅键控…………………………………………………………………………22.1.1ASK调制原理……………………………………………………………………………22.1.2ASK解调原理……………………………………………………………………………32.1.3仿真结果及分析………………………………………………………………………42.2二进制移频键控…………………………………………………………………………42.2.1FSK调制原理……………………………………………………………………………52.2.2FSK解调原理……………………………………………………………………………62.2.3仿真结果及分析………………………………………………………………………62.3二进制相移键控…………………………………………………………………………82.3.1PSK调制原理……………………………………………………………………………82.3.2PSK解调原理……………………………………………………………………………92.3.3仿真结果及分析………………………………………………………………………92.4二进制差分相移键控…………………………………………………………………102.4.1DPSK调制原理…………………………………………………………………………112.4.2DPSK解调原理…………………………………………………………………………112.4.3仿真结果及分析………………………………………………………………………123心得体会………………………………………………………………………………13谢辞………………………………………………………………………………………15参考文献…………………………………………………………………………………16附录………………………………………………………………………………………17桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第4页共33页引言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。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。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。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。本文利用MATLAB软件来仿真二进制数字调制系统，包括2ASK，2FSK，2PSK，2DPSK调制、解调过程。1MATLAB简介美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“MatrixLaboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。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。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。Matlab将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用Matlab产品的开放式结构，可以非常容易地对Matlab的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善Matlab产品以提高产品自身的竞争能力。利用M语言还开发了相应的Matlab专业工具箱函数供用户直接使用。这些工具箱应用的算法是开放的可扩展的，用户不仅可以查看其中的算法，还可以针对一些算法进行修改，甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。目前Matlab产品的工具箱有四十多个，分别涵盖了数据获取、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第5页共33页2二进制数字调制系统的原理及实现数字通信系统,按调制方式可以分为基带传输和带通传输。数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率（如0～6M）低频段，因而在很多实际的通信（如无线信道）中就不能直接进行传输，需要借助载波调制进行频谱搬移，将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传输，这种传输方式，称为数字信号的频带传输或调制传输、载波传输。所谓调制，是用基带信号对载波波形的某参量进行控制，使该参量随基带信号的规律变化从而携带消息。对数字信号进行调制可以便于信号的传输；实现信道复用；改变信号占据的带宽；改善系统的性能。数字基带通信系统中四种基本的调制方式分别称为振幅键控（ASK，Amplitude-Shiftkeying）、移频键控（FSK，Frequency-Shiftkeying）、移相键控(PSK，Phase-Shiftkeying)和差分移相键（DPSK，DifferentPhase-Shiftkeying）。本次课程设计对这四种调制方式进行了仿真。2.1二进制振幅键控本次设计采用的流程图如图2-1所示。图2-12ASK调制解调框图2.1.1ASK调制原理2ASK二进制振幅调制就是用二进制数字基带信号控制正弦载波的幅度，使载波振幅随着二进制数字基带信号而变化，而其频率和初始相位保持不变。信息比特是通过载波的幅度来传递的。其信号表达式为：0()()coscetStt，S(t)为单极性数字基带信号。由于调制信号只有0或1两个电平，相乘的结果相当于将载频或者关断，或者接通，它的实际意义是当调制的数字信号“1”时，传输载波；当调制的数字信号为“0”时，不传输载波。2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号S(t)通断变化。所以又被称为通断键控信号。典型波形如图2-2所示。图2-2典型2ASK波形桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第6页共33页e2ASK(t)为已调信号，它的幅度受s(t)控制，也就是说它的幅度上携带有s(t)的信息。2ASK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法。模拟调制法就是用基带信号与载波相乘，进而把基带信号调制到载波上进行传输。键控法由s(t)来控制电路的开关进而进行调制。两种方法的调制如图2-3和图2-4所示。图2-3模拟调制法（相乘器法）图2-4键控法2.1.2ASK解调原理2ASK有两种基本解调方法：相干解调法（同步检测法）和非相干解调法（包络检波法）。相干解调需要将载频位置的已调信号频谱重新搬回原始基带位置，因此用相乘器与载波相乘来实现。相乘后的信号只要滤除高频部分就可以了。为确保无失真还原信号，必须在接收端提供一个与调制载波严格同步的本地载波，这是整个解调过程能否顺利完好进行的关键。本次设计采用相干解调法。两种解调原理图如图2-5和图2-6所示。图2-5相干解调法（同步检测法）图2-6非相干解调法（包络检波法）桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第7页共33页2.1.3仿真结果及分析通过编写M文件程序（见附录），产生随机信号，按图2-1顺序对每一模块编程后。程序中注有需注意语句及解释。运行程序，实现2ASK的调制与解调过程。本次设计采用模拟调制法（相乘器法）和相干解调法。仿真后调制过程及解调过程的图形分别如图2-7和图2-8所示。图2-72ASK调制过程仿真图图2-82ASK解调过程仿真图由图可以看出，产生的数字随机信号为“0100100001”，经载波调制后信号为“1”的时间内有正弦波形，信号为“0”的时间内无波形。经过加随机噪声，相干解调后，恢复出原始信号，与基带信号一致，因此达到本次设计目的。2.2二进制移频键控本次设计所用流程图如图2-9所示。图2-92FSK调制解调框图键控法FSK发生器乘法器低通滤波器抽样判决器cosct()nt()st桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第8页共33页2.2.1FSK调制原理一个FSK信号可以看成是两个不同载波的2ASK信号的叠加。其解调和解调方法和FSK差不多。2FSK信号的频谱可以看成是f1和f2的两个2ASK频谱的组合。频移键控是利用载波的频率来传递数字信号，在2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。在2FSK中，载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为：122cos()()cos()nFSKnAtetAt典型波形如图2-10所示。图2-102FSK典型波形图2FSK的调制方式有两种，即模拟调频法和键控法。本次设计采用键控法。键控法中可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一频率f2，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源f1、f2进行选择通。键控法原理图如图2-11示图2-112FSK键控法原理图1011001taks1(t)cos(w1t+θn)s2(t)s1(t)cos(w1t+θn)cos(w2t+φn)s2(t)cos(w2t+φn)2FSK信号tttttt载波f1载波f2二进制数据2FSK输出信号2FSK的调制原理图桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第9页共33页2.2.2FSK解调原理2FSK的解调方式有两种：相干解调方式和非相干解调方式。非相干解调是经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f1、f2滤出不需要的信号，然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波，最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲，最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。其原理图如图2-12所示。图2-122FSK非相干解调原理图相干解调是根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成，则先用两个分别对f1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。原理图如图3