基于Matlab的窄带调制设计综述

1、目录第一章绪论 21.1设计目的及意义 21.2设计要求 21.3设计内容 3第二章Simulink介绍 42.1 Matlab 介绍 42.2 Simuli nk 介绍 4第三章二进制振幅控件系统设计 63.1 2ASK的调制及解调原理 63.1.1 调制原理 63.1.2解调原理 83.2 2ASK 仿真 93.2.1 2ASK调制电路仿真 93.2.2 2ASK解调仿真 103.3结果分析 11第四章 二进制频移键控系统设计 124.1 2FSK的调制和解调原理及方法 124.1.1调制原理及方法 124.1.2 解调原理及方法 134.2 2FSK 的仿真 14第五章课程设计总结 19

2、参考文献 20附录I 21附录II 2630第一章绪论1.1设计目的及意义本次设计主要对 Simuli nk为基础平台，对数字频带信号的 2ASK 2FSK的调制和解调进行仿真，对数字传输系统的调制和解 调原理深入学习，并对基带进行电路设计和建模仿真。通过本设 计使学生更好的掌握数字通信原理的调制和解调的原理，同时具 备Matlab仿真和建模的能力和数字电路设计的能力。根据设计任务的具体要求，掌握软件设计、调试的具体方法、 步骤和技巧。对一个实际课题的软件设计有基本了解，能进一步 掌握高级语言程序设计基本概念，掌握基本的程序设计方法，拓展知识面，激发在此领域中继续学习和研究的兴趣，为学习后续

3、课程做准备。本次课程设计介绍了数字通信系统中常见的 2ASK2FSK调制 原理，调制方法，给出它的计算公式，原理框图。对2ASK信号用 相干解调法进行了解调，对2FSK用非相干解调法进行了解调。最后并用 Simulink对2ASK调 制系统和解调系统，2FSK调制系统和解调系统分别进行了仿真， 做出实验总结。在仿真软件设计中采用了 Mathworks公司的Matlab作为仿真 工具,其仿真平台Simulink具有可视化建模和动态仿真的功能用 Simuli nk构造仿真系统方法简单直观开发的仿真系统使用时间 流动态仿真可以准确描述真实系统的每一细节并且在仿真进行的 同时具有较强的交互功能易于使用

4、另外该软件还具有较好的可扩 展性和可维护性。1.2设计要求1）基本要求:(1) 学习Simulink仿真软件：验证实验结果；(2) 对需要仿真的通信系统各功能模块的工作原理进行分析;(3) 提出系统的设计方案，选用合适的模块；(4) 对所设计系统进行仿真，并对仿真过程进行屏幕录像；(5) 结合实验箱的试验对仿真结果进行分析。2)课程设计论文编写要求：(1) 要按照设计报告的规格打印；(2) 课程设计包括目录、绪论、正文；(3) 装订按学校的统一要求完成。1.3设计内容用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率或相位中的某 个参数，产生相应的数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调 制。也可以用数字

5、基带信号同时改变正弦型载波幅度、频率或相 位中的某几个参数，产生新型的数字调制。本课程设计旨在根据所学的通信原理知识，并基于MATLAB软件，设计一 2FSK数字通信系统。2FSK数字通信系统，即频移键控的数字调制通信 系统。可以基于 MATLA仿真软件以及Simulink仿真环境设计该 系统。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。因此，一个2FSK信号的波形可以看成是两个 不同载频的2ASK信号的叠加。可以利用频率的变化传递数字基带信号，通过 调制解调还原数字基带信号，实现课程设计目标。本次课程设计就是让学生在掌握

6、数字频带传输系统基础理论和Matlab编程和知识上的基础之上，利用 Matlab实现2ASK和 2FSK的调试。熟悉Simulink建模；设计2ASK数字调制器，完成对调制和解调的仿真电路设计；设计2ASK数字解调器，完成对2FSK调制解调的仿真电路设 计。第二章Simulink介绍2.1 Matlab 介绍Simulink 是Matlab中的一部分，首先简单介绍一下 Matlab。 Matlab是Matrix Laboratory的缩写，意为矩阵实验室。它具有 强大的矩阵处理功能和绘图功能，进还能进行文字处理，绘图， 建模仿真等功能。Matlab已经发展成为多学科、多种工作平台的 功能强大的

7、大型软件。Matlab的帮助功能很强大，自带有详细 的帮助手册，基于HTM的完整的帮助功能，也可以用 help命令 来得到帮助信息。程序语法与 C语言类似，设计自由度大，方便 我们编程。Matlab有高级的程序环境，但程序环境很简单易用。 Matlab源程序具有很大的开放性。Matlab有强大的的图形绘制功 能。Matlab还拥有功能强大的各种工具箱。这些工具箱都是由该 领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科 范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研究，能极大地促 进我们的学习研究工作。2.2 Simuli nk 介绍Simulink是Matlab中一个用来对动态系统进行建

8、模、仿真 和分析的软件包。Simuli nk提供了一种图形化的交互环境来建 模、分析和仿真各种动态系统，只需 用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型，甚至不需要 编写一行代码。使用简单方便。Simuli nk 框图提供了交互性很强的仿真环境， 既可以通过下拉菜单执行仿真，也可以通过命令行进行仿真。菜 单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真如蒙特卡罗仿真非常有用。 Simuli nk的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能：采用MATLA、FORTRA和C代码生成自定义模块库，并拥有自己的图 标和界面。因此用户可以将使用 FORTRA或C编写的代码链接进 来，或者购买使用

9、第三方开发提供的模块库进行更高级的系统设 计、仿真与分析。Simuli nk的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能：采用MATLAB FORTRA和 C代码生成自定义模块库，并拥有自己的图 标和界面。因此用户可以将使用FORTRA或C编写的代码链接进来，或者购买使用第三 方开发提供的模块库进行更高级的系统设计、仿真与分析。由于Simulink可以直接利用MATLA的诸多资源与功能，因 而用户可以直接在Simulink下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工 作。工具箱提供的高级的设计和分析能力可以融入仿真过程。Simuli nk具有以下特点：(1) 基于矩阵的数值计算。(2) 高级编程语言

10、。(3) 图形与可视化。第三章二进制振幅控件系统设计3.1 2ASK的调制及解调原理3.1.1调制原理在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。使 载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号 中的“ 1”或“ 0”，这样就可以得到2ASK信号，这种二进制振幅键控方式称为 通一断键控(00)个二进制的振幅键控信号可以表示成一个 单极性矩形脉冲序列与一 个正弦型载波的相乘，即：兔=三乞畐廿一迅)3$ GJ这里，g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲，而an的取值服从 下述关系：0,舉率为p鸟嘅率为(1- P)贝2ASK信号的产生方法比较简单。首先，因2ASK信号的

11、特征是 对载波的“通-断键控”，用一个模拟开关作为调制载波的输出通 /断控制门，由二进制序列控制门的通断，=1时开关导通；=0时开关截止，这种调制方式称为通-断键控法。其次，2ASK信号可视为S(t)与载波的乘积，故用模拟乘法器 实现2ASK调制也是很容易想到的另一种方式，称其为乘积法或模拟幅度调制 法。如图3.1和3.2所示或）一乘法器叫COSW 4图3.1模拟幅度调制方法幵关电跑I图3.2键控方法通过调制生成的2ASK波形如图3.3所示：图3.3 2ASK信号时域波形电21011QFsZTsMs3.1.2解调原理ASK信号有两种基本的解调方式：非相干解调（包络检波法） 和相干解调（同步检测

12、法）。相应的原理框图如图3.4、3.5所示图3.4非相干解调原理框图图3.5相干解调原理框图二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的，也是最简单 的。这种方法最初用于电报系统，但是抗噪声能力比较差，因此 在数字通信中使用的不多。但是它是研究其他数字调制方式的基 础，因此应该熟悉它。3.2 2ASK 仿真3.2.1 2ASK调制电路仿真在设计完电路后对电路的原理进行仿真测试，点击Startsimulati on按钮即可开始仿真，然后双击示波器就可以看见波形。2ASK调制结果如图3.6到3.8所示：图3.6正弦波图 3.7 2ASK 波形图3.8基带波形3.2.2 2ASK解调仿真2ASK解调电路

13、仿真方法同调制电路，结果如图 3.9到3.12 :图3.11抽样判决后波形3.3结果分析在调制结果波形中，在基带波形为1的地方，对应的2ASK波 形有和载波相同的正弦波，基带波形为 0处，对应的2ASK波形也 为0,符合二进制振幅键控的特点，说明该电路实现了 2ASK波形 的调制。从解调结果波形，可以看出，2ASK波形经过与载波相乘，低 通滤波后，已经有了基带波形的大致形状，但是有很多纹波，再 经过抽样量化之后，就能调制出基带波形了。调制后波形和调制 前一样，说明电路工作正常。e皿=弋图4.1 2FSK信号时间波形第四章二进制频移键控系统设计4.1 2FSK的调制和解调原理及方法4.1.1调制

14、原理及方法频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息，而其振幅 保持不变。在2FSK中,载波的频率随二进制基带信号在f i和f 2两个频率点之间变化。其表达式为：血3（绍+发送于时 畀+仇）发送W时由图可见，2FSK信号的波形（a）可以分解为波形（b）和波 形（c）,也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK 信号的叠加。4.1.2解调原理及方法2FSK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，相应的调制器如图4.2。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。图4.2 2FSK调制框图2FS

15、K信号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），相应的接收系统方框图如图：(a)非相干解调(包络检波)(b)相干解调(同步检波)图4.3 2FSK信号的接收系统组成方框图4.2 2FSK的仿真1、2FSK信号调制图如图4.4所示。图4.4 2FSK调制图Toke n8为随机数字信号，F=30Hz,A=500e-3,Toke n9为延迟，Toke n7,12为载波信号，频率和幅度分别为：75Hz,1V;150Hz,1V,Token10,13,14,15为观测点，且Token 14输出为2FSK调制信号；Toke n10输出：Taint sn.Toke n13输出:

16、Toke n15:2FSK调制信号（Token14输出）Tin in Smwik2. 2FSK信号解调的仿真如图3.1为2FSK信号的非相干解调电路，输入随机数字信号频率为 10Hz,载波分别为 90H 和 120Hz,Token0,1,3,15,20,32 组成2FSK 调制电路，Token4,5,24,25,12,27,28,29,14,10组成 2FSK信号非相干解调电路。rc=sxinr(=5Mx呼外非相干解调矩R茨朋冲120壯Kjtiv 正如HFc=110HiLFc=130Hz14Token4为加法器，Token24,27带通滤波器，25, 28为全流整波器,12, 29为低通滤波器

17、，14为抽样判决器，10和32为观测分析点Toke n32:2FSK非相干解调输出:上图为非相干解调法得到的输出波形，可见其与输入波形出入不 大。第五章课程设计总结通过实验，基本掌握了 Simulink的基本功能和使用方法，对 数字基带传输系统有了一定的了解，加深了对2ASK和2FSK信号的 调制原理的认识，理解了如何对他们进行解调，掌握了 2ASK信号 相干解调法和2FSK非相干解调法，通过使用 Simulink仿真，对 个调制和解调电路中各元件的特性有了较为全面的理解。对于2ASK信号，由调制时通过仿真所得结果可知，调制信号 变化规律与输入随机数字信号基本一致，只是调制信号存在一定 的相位

18、差，表明载波信号和随机信号参数设置符合要求。在解调 系统中，由仿真结果可知，输入随机数字信号与相干解调输出信 号变化规律完全一致，不存在相位差等，表明参数设置正确。对于2FSK信号，在调制时，由仿真结果可知，调制信号变化 规律与输入随机数字信号基本一致，也存在一定相位差，但这是 允许的。在解调时，由仿真结果可知，非相干解调输出信号与输 入数字随机信号变化规律几乎是一致的，但是由于通信系统往往 存在码间串扰和噪声干扰，使解调系统的输出与输入随机信号有 些差别，但这是允许的。通过进行设计我发现，没有熟悉的理论知识搞设计是困难的。 在设计每一步时，必须搞清楚每一步是干什么的，怎么进行，这 些都需要理

19、论进行指导。当哪一步不会弄时，我就去查书，将书 中的理论细细研读，这样通过本课程设计我又把书中相关的部分 细细看了几遍，对书中的理论有了更深的认识。因为多次调试， 结果越来越接近理论情况下的结果，可见实验其实就是对理论的 验证。所以，清楚地掌握理论是进行设计的关键步骤。本课程设计只是在数字通信系统下的软件系统仿真，若放在 实际环境中肯定有许多需要改进的地方，甚至根本行不通。因为 理论下的设计是基于理想的环境中的，现实中的环境充满干扰因 素，如噪声并非理想化的高斯白噪声、信源及信道本身存在系统 误差、滤波器不可能实现理想化等等。所以，若要将系统应用于 现实世界，还需要根据具体的环境改进该系统。参

20、考文献1 曹弋，MATLA教程及实训，机械工业出版社，2008.52 李贺兵，Simulink通信仿真教程,国防工业出版社，2006.53 刘波、文忠、曾涯，MATLAB信号处理，电子工业出版社，2006.14 施阳、严卫生、李俊、郑会永，MATLA语言精要及动态仿真 工具SIMULINK，西安：西北工业大学出版社，1998，6781丁玉美、高西全、彭学愚，数字信号处理，西安：西安电子科技大学出版社，1994, 265268附录I1、function y=snrz(x)%本函数实现将输入的一段二进制代码编为相应的单极性非归零码输出 %输入x为二进制码，输出y为编出的单极性非归零码t0=300;

21、t=O:1/tO:le ngth(x);for i=1:le ngth(x)if(x(i)=1)for j=1:t0y(i-1)*tO+j)=1;endelsefor j=1:t0y(i-1)*t0+j)=0;endendendy=y,x(i);M=max(y);m=mi n(y);subplot(2,1,1)plot(t,y);grid onaxis(0,i,m-0.1,M+0.1);%使用title命令标记各码元对应的二元信息title(1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1);2、function y=srz(x)%本函数实现将输入的一段二进制代码编为相应的单极性归零码输出%输入

22、x为二进制码，输出y为编出的单极性归零码t0=200;t=0:1/t0:le ngth(x);for i=1:le ngth(x)if(x(i)=1)for j=1:t0/2y(t0/2*(2*i-2)+j)=1;y(t0/2*(2*i-1)+j)=0;endelsefor j=1:t0/2y(t0*(i-1)+j)=0;endendendy=y,x(i)；M=max(y);m=mi n(y);subplot(211)plot(t,y);grid on;axis(0,i,m-0.1,M+0.1);%使用title命令标记各码元对应的二元信息3、function y=dnrz(x)t0=300;

23、t=O:1/tO:le ngth(x);for i=1:le ngth(x)if (x(i)=1)for j=1:t0y(i-1)*t0+j)=1;endelsefor j=1:t0y(i-1)*t0+j)=-1;endendendy=y,x(i);M=max(y);m=mi n(y);subplot(211);plot(t,y);grid on;axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title(1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1);4、function y=drz(x)t0=300;t=O:1/tO:le ngth(x);for i=1:le ngth(x)if (x(i)

24、=1)for j=1:t0/2y(t0/2*(2*i-2)+j)=1;y(t0/2*(2*i-1)+j)=0;endelsefor j=1:t0/2y(t0/2*(2*i-2)+j)=-1; y(t0/2*(2*i-1)+j)=0;endendendy=y,x(i);M=max(y);m=mi n(y);subplot(211);plot(t,y);grid on;axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title(1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1);5、function askdigital(s,f)t=0:2*pi/99:2*pi;cp=;mod=;bit=;for n=

25、1:le ngth(s);if s(n)=0;cp仁 zeros(1,100);bit 仁zeros(1,100);else s(n)=1;cp1=on es(1,100);bit 1=o nes(1,100);endc=si n( f*t);cp=cp cp1;mod=mod c;bit=bit bitl;endask=cp.*mod;subplot(2,1,1);plot(bit,Li neWidth,1.5);grid on; ylabel(Bi nary Sin gal);axis(0 100*le ngth(s) -2.5 2.5); subplot(2,1,2);plot(ask,Li neWidth,1.5);grid on; ylabel(ASK modulatio n);axis(0 100*le ngth(s) -2.5 2.5);6、function fskdigital(s,f0,f1) t=0:2*pi/99:2*pi; cp=;mod=;bit=;for n=1:le ngth(s);if s(n)=0;cp1=on