第八讲数字通信系统的仿真

1、 实际的通信系统需要完成从信源到信宿的全部实际的通信系统需要完成从信源到信宿的全部功能，如果对这个系统做任何改动都可能影响整个功能，如果对这个系统做任何改动都可能影响整个系统的性能和稳定性。因此，在对原通信系统进行系统的性能和稳定性。因此，在对原通信系统进行修改时，需要进行建模和仿真，通过仿真结果衡量修改时，需要进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，在选择合理的系统配置和参数设置，方案的可行性，在选择合理的系统配置和参数设置，应用于实际系统中。应用于实际系统中。Communications Blockset（工具箱）：（工具箱）： 信源决定通信系统的信号类型，不同信源构成不信源决定通信

2、系统的信号类型，不同信源构成不同的系统。同的系统。信源的分类：信源的分类：v 根据信号的特点，可分为数字信号源和模拟信号源；根据信号的特点，可分为数字信号源和模拟信号源；根据信号是否周期出现，信源信号可分为周期信号源和根据信号是否周期出现，信源信号可分为周期信号源和非周期信号源。非周期信号源。下面针对下面针对Matlab中的几种主要的信源进行讨论。中的几种主要的信源进行讨论。8.2.1 锯齿波信号锯齿波信号周期信号：周期信号：指每隔固定的时间间隔指每隔固定的时间间隔T，周而复始重现的信，周而复始重现的信号，可表示为：号，可表示为：x（t）= x（t+nT）。）。锯齿波信号由锯齿波信号由Repe

3、ating Sequence（重复序列）模块（重复序列）模块产生。产生。使用模块的两个参数使用模块的两个参数Time values和和Out values，可以得到任意的锯齿波波形。，可以得到任意的锯齿波波形。锯齿波信号产生的仿真框图锯齿波信号产生的仿真框图是连续时间是连续时间Source blocks，采样周期为，采样周期为0，产生一个连续时间信号。产生一个连续时间信号。锯齿波信号的时域图和频域图锯齿波信号的时域图和频域图举例说明举例说明8.2.2 方波信号方波信号方波信号由方波信号由Signal Generator（信号发生器）产生，信（信号发生器）产生，信号发生器能产生三种不同的波形：正

4、弦波、方波和锯齿号发生器能产生三种不同的波形：正弦波、方波和锯齿波。波。方波信号产生的仿真框图方波信号产生的仿真框图与零阶采样保持电路与零阶采样保持电路的采样时间参数设定的采样时间参数设定相同。相同。方波信号的时域图和频域图方波信号的时域图和频域图举例说明举例说明思考题：由信号发生器产生锯齿波信号进行仿真。思考题：由信号发生器产生锯齿波信号进行仿真。8.2.3 脉冲信号脉冲信号脉冲信号由脉冲信号由Bernoulli Binary Generator（伯努利二进制（伯努利二进制发生器）产生。发生器）产生。产生一个采样周期为产生一个采样周期为30的随机方波信号。的随机方波信号。上升沿模块提取方波上

5、升沿模块提取方波信号的上升沿。信号的上升沿。零阶采样保持电路的零阶采样保持电路的采样时间决定了输出采样时间决定了输出脉冲的脉宽。脉冲的脉宽。对基于采样的输出信号，表示对基于采样的输出信号，表示向量元素的周期；对于基于帧向量元素的周期；对于基于帧的矩阵，表示的周期。的矩阵，表示的周期。关系操作符模块对它关系操作符模块对它的两个输入实现各种的两个输入实现各种指定的比较。指定的比较。存储器模块：将上一存储器模块：将上一仿真时间步的输入转仿真时间步的输入转换为当前的输出，等换为当前的输出，等效于对输入信号进行效于对输入信号进行积分和采样保持。积分和采样保持。输出脉冲的脉宽为输出脉冲的脉宽为15，由采样

6、保持电路的取由采样保持电路的取样时间决定。样时间决定。8.2.4 扫频信号扫频信号由由Chirp Signal（扫频信号）模块（扫频信号）模块产生一个正弦信产生一个正弦信号，其频率随着时间的变化而线性增长。号，其频率随着时间的变化而线性增长。例：扫频信号产生的仿真框图例：扫频信号产生的仿真框图初始频率，默认值为初始频率，默认值为0.1Hz。目标时间：信号频率达到目标时间：信号频率达到Frequency at target time的时间，的时间，在次之后频率会按同样的速率在次之后频率会按同样的速率连续变化，默认值连续变化，默认值100。在目标时间时信号达到的频率，在目标时间时信号达到的频率，默

7、认值为默认值为1。这三个参数决定了模块的输出，可以是标量或阵列，所有这三个参数决定了模块的输出，可以是标量或阵列，所有阵列参数必须有相同的维数。阵列参数必须有相同的维数。扫频信号的时域图和频域图扫频信号的时域图和频域图思考题：思考题： 扫频信号仿真时，若设置信号源初始频率扫频信号仿真时，若设置信号源初始频率0.1Hz，目标时间目标时间100秒，目标时间信号频率为秒，目标时间信号频率为100Hz，仿真运，仿真运行起始时间行起始时间0s，结束时间，结束时间10s（100s），频谱仪设置正），频谱仪设置正确，那么在实验过程中，能观测到的最高频率是多少？确，那么在实验过程中，能观测到的最高频率是多少？

8、8.2.5 压控振荡器压控振荡器 压控振荡器（压控振荡器（VCO）：输出信号的频率随输入信）：输出信号的频率随输入信号幅度的变化而变化的设备。号幅度的变化而变化的设备。工作原理：工作原理：0( )cos(22( )tcccy tAf tkud可以看出：输出信号可以看出：输出信号y（t）的频率取决于输入信号电压）的频率取决于输入信号电压u（t）的大小，因此称为压控振荡器。）的大小，因此称为压控振荡器。 影响影响VCO的参数还有信号幅度的参数还有信号幅度Ac、中心振荡频率、中心振荡频率fc、输入信号灵敏度、输入信号灵敏度kc、初始相位、初始相位。（5.1）对式对式5.1进行变换，取输出相角进行变换

9、，取输出相角为为022( ) ( )tccf tkud 对输出信号的相角对输出信号的相角微分，得到输出信号角频率微分，得到输出信号角频率和频率和频率f分别为：分别为：22( )/2( )ccccfk u tffk u t可以看出：可以看出：VCO输出信号的频率输出信号的频率f与输入信号幅度与输入信号幅度u（t）成正比。成正比。 因此，通过因此，通过改变输入信号的幅度大小改变输入信号的幅度大小就可以准确地就可以准确地控制输出信号的频率。控制输出信号的频率。例：做一个压控振荡器的仿真。其中，例：做一个压控振荡器的仿真。其中，fc30kHz，kc10kHz/V，u（t）0.2V，VCO的振荡频率为的

10、振荡频率为32kHz。输出信号的幅度。输出信号的幅度。输入信号为输入信号为0时，振时，振荡器的输入频率。荡器的输入频率。输入信号灵敏度：输入信号灵敏度：决定了输入电压与决定了输入电压与输出电压信号频率输出电压信号频率和振荡频率差的比和振荡频率差的比例。例。( )ccffku t压控振荡器输出信号的时域图和频域图压控振荡器输出信号的时域图和频域图U（t）0.2Vf32kHzU（t）2Vf50kHz 如何将信源输出的信息在接受端的信宿处精确或近如何将信源输出的信息在接受端的信宿处精确或近似地复制出来，是通信系统需要解决的根本问题。似地复制出来，是通信系统需要解决的根本问题。什么是信源编码？什么是信

11、源编码？ 信源编码利用信源的统计特性，解除信源的相关信源编码利用信源的统计特性，解除信源的相关性，去掉信源的冗余信息，从而达到压缩信源的信息率，性，去掉信源的冗余信息，从而达到压缩信源的信息率，提高通信系统的有效性。提高通信系统的有效性。 因此，信源编码是产生信源有效数据的源头。因此，信源编码是产生信源有效数据的源头。 对语音信号而言，在传输中既可采用模拟调制，对语音信号而言，在传输中既可采用模拟调制，也可采用数字调制。也可采用数字调制。模拟调制：模拟调制：直接对语音信号进行幅度或频率调制，实直接对语音信号进行幅度或频率调制，实 现简单。现简单。数字调制：数字调制：语音信号先通过量化编码器，把

12、连续的语语音信号先通过量化编码器，把连续的语音信号转换为离散的数字信号，再对数字信号进行调音信号转换为离散的数字信号，再对数字信号进行调制。接受端通过相反的变换过程，由量化解码器把数制。接受端通过相反的变换过程，由量化解码器把数字序列还原成语音信号。字序列还原成语音信号。本节将通过仿真演示如何进行信号的模本节将通过仿真演示如何进行信号的模/数转换。数转换。8.3.1 取样及取样定律取样及取样定律 在数字通信系统中传输模拟信号，首先进行模在数字通信系统中传输模拟信号，首先进行模/数转数转换。换。 发送端先将模拟信号取样，转换为离散的取样值，发送端先将模拟信号取样，转换为离散的取样值，再将取样值量

13、化为有限的量化值，并经过编码变换成数再将取样值量化为有限的量化值，并经过编码变换成数字信号，用数字通信方式传输。接收端把接收的数字信字信号，用数字通信方式传输。接收端把接收的数字信号恢复成模拟信号。号恢复成模拟信号。 采样频率越高，量化级越多，越能表现信号的细采样频率越高，量化级越多，越能表现信号的细节。节。例例1：模拟信号取样转换为离散样值信号的仿真。将一：模拟信号取样转换为离散样值信号的仿真。将一个正弦信号转换为离散信号。个正弦信号转换为离散信号。脉冲信号发脉冲信号发生器产生采生器产生采样脉冲序列。样脉冲序列。取样定律：取样定律：对某一带宽有限的时间连续信号进行采样，对某一带宽有限的时间连

14、续信号进行采样，若采样频率达到两倍以上的信号最高工作频率，则根据若采样频率达到两倍以上的信号最高工作频率，则根据这些抽样值可以还原出原始信号。这些抽样值可以还原出原始信号。注意示波器采注意示波器采样时间的设置。样时间的设置。连续、离散正弦及脉冲信号波形的示波器显示图连续、离散正弦及脉冲信号波形的示波器显示图例例2：将一个连续锯齿信号转换为离散信号。：将一个连续锯齿信号转换为离散信号。连续、离散锯齿波及采样脉冲信连续、离散锯齿波及采样脉冲信号波形的示波器显示图号波形的示波器显示图采样后的锯齿波信号是锯齿波信号与采样脉冲序列的采样后的锯齿波信号是锯齿波信号与采样脉冲序列的乘积。乘积。离散锯齿信号波

15、形的频谱显示图离散锯齿信号波形的频谱显示图采样后的信号的频谱是锯齿波信号的频谱与采样脉冲采样后的信号的频谱是锯齿波信号的频谱与采样脉冲序列的频谱（间隔为序列的频谱（间隔为40Hz的序列谱线）的卷积。的序列谱线）的卷积。结论：结论： 在各种不同信号的傅里叶分析中，周期性和离在各种不同信号的傅里叶分析中，周期性和离散性之间存在着一种对偶关系，即：散性之间存在着一种对偶关系，即：如果信号在如果信号在时时域是周期域是周期的，则它在的，则它在频域的频谱就是离散频域的频谱就是离散的；的；反之，反之，如果信号在如果信号在时域是离散时域是离散的，则它在的，则它在频域的频谱就是频域的频谱就是周期周期的。的。 由

16、于离散时间周期信号在时域中既具有周期性，由于离散时间周期信号在时域中既具有周期性，又具有离散性，因此，它在频域中的频谱也具有离又具有离散性，因此，它在频域中的频谱也具有离散性和周期性这两个特性。散性和周期性这两个特性。8.3.2 量化及编码量化及编码 因此，为完成模因此，为完成模/数，当模拟信号进行抽样后，要数，当模拟信号进行抽样后，要进行进行量化量化。 模拟信号进行抽样后，其抽样值还是随信号幅度连模拟信号进行抽样后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的。当其通过噪声信道传输时，接收端不能准确续变化的。当其通过噪声信道传输时，接收端不能准确地估值所发送的抽样。若发送端用预先规定的有限个电地估值所发

17、送的抽样。若发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端可平来表示抽样，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端可准确地估值所发送的抽样。准确地估值所发送的抽样。编码：编码：把信号的抽样量化值转换成代码的过程，其相反把信号的抽样量化值转换成代码的过程，其相反的过程称为译码。的过程称为译码。量化：量化：把连续的信号样值转换成离散的由有限个电把连续的信号样值转换成离散的由有限个电平组成的序列，或者说，就是将一个有连续幅度值平组成的序列，或者说，就是将一个有连续幅度值的信号映射成幅度离散的信号的过程。的信号映射成幅度离散的信号的过程。Matlab提供了量化编码器，作用就采样量化编

18、码产生提供了量化编码器，作用就采样量化编码产生抽样量化后的输出。量化解码器作用与量化编码器相反，抽样量化后的输出。量化解码器作用与量化编码器相反，把量化后的信号还原为原始信号。把量化后的信号还原为原始信号。例：模拟信号量化仿真。例：模拟信号量化仿真。采样量化编码器：采样量化编码器：输出端口输出端口1：输出（编码后的）数：输出（编码后的）数字信号字信号输出端口输出端口2：输出信号的量化电平：输出信号的量化电平输出端口输出端口3：输出信号的量化误差：输出信号的量化误差输入信号采样值输入信号采样值按按15级量化后的级量化后的量化电平量化电平量化误差的均方量化误差的均方值值量化后的数字信量化后的数字信

19、号号整数数字信号转换为整数数字信号转换为二进制的编码值二进制的编码值量化解码器量化解码器整数变二进制数整数变二进制数转换器转换器量化间隔：是长度为量化间隔：是长度为n的实的实向量，元素严格递增的。向量，元素严格递增的。量化码本：长度为量化码本：长度为n1，表，表示每个量化区间得量化值。示每个量化区间得量化值。输入信号向量长度。输入信号向量长度。输出的采样时间。输出的采样时间。量化码本必须与输入信号的量化码本必须与输入信号的量化编码器使用的码本相同。量化编码器使用的码本相同。是一个实数向量。是一个实数向量。量化解码器：量化解码器：从一个被量化的信号恢复信息，将量化间从一个被量化的信号恢复信息，将

20、量化间隔转换成相应的量化值。隔转换成相应的量化值。量化解码器得输出信号等于量化编码器得第二个输出端量化解码器得输出信号等于量化编码器得第二个输出端口的输出信号。口的输出信号。示波器显示仿真示波器显示仿真上：信源编码前的正弦信号上：信源编码前的正弦信号下：信源编码后的正弦信号下：信源编码后的正弦信号指令窗显示指令窗显示s s1 s2 s3 s4的部分结果的部分结果输入信号输入信号采样值采样值15级量化级量化电平电平量化均方量化均方误差误差量化后数量化后数字信号字信号习题：习题：使用量化编码器使用量化编码器Sampled Quantizer Encode模块模块对一个实数向量进行量化的仿真。对一个

21、实数向量进行量化的仿真。上图中：上图中：Signal From Workspace模块将实数序列设为模块将实数序列设为2.4，1，0.2，0，0.2，1，1.2，1.9，2，2.9，3，3.5；Sampled Quantizer Encode模块的参数设置为：模块的参数设置为：量化间隔：量化间隔：0，1，3；量化码本：量化码本：1，0.5，2，3问：编码后的信号是什么？问：编码后的信号是什么？解：解：X=2.4，1，0.2，0，0.2，1，1.2，1.9，2，2.9，3，3.5V=0，1，3C=1，0.5，2，3计算得：计算得：y=0，0，0，0，1，1，2，2，2，2，2，3编码后得信号值为

22、：编码后得信号值为：X1=1，1，1，1，0.5，0.5，2，2，2，2，2，3实数序列量化仿真波形图实数序列量化仿真波形图 从信源产生的原始信号（基带信号）具有频率较低从信源产生的原始信号（基带信号）具有频率较低的频谱分量，在许多信道中不适宜传输，因次，在发送的频谱分量，在许多信道中不适宜传输，因次，在发送端要将基带信号调制在载波上，在接收端进行解调。端要将基带信号调制在载波上，在接收端进行解调。什么是调制？什么是调制？调制：按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载调制：按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。波某些参数的过程。调制的分类：调制的分类： 模拟调制模拟调制 数

23、字调制数字调制幅度调制幅度调制 频率调制频率调制 相位调制相位调制双边带幅度调制双边带幅度调制 单边带调制单边带调制双边带抑制载波幅度调制双边带抑制载波幅度调制基带调制基带调制 频带调制频带调制载频信号的幅度、频率、相位随欲载频信号的幅度、频率、相位随欲传输的模拟输入信号的变化而相应传输的模拟输入信号的变化而相应变化的调制方式。变化的调制方式。8.4.1 AM幅度调制幅度调制1、双边带幅度调制（、双边带幅度调制（DSB）DSB幅度调制的输入信号是幅度调制的输入信号是u（t），输出信号是），输出信号是y（t），），若若 u（t）u0cost，则则0( )( ( )cos(2)( )(cos()c

24、os(2)cccacacy tu tUf ty tUmtf tumU（88）其中，其中，是输入信号偏移，是输入信号偏移，f fc c是载波频率，是载波频率， 初始相位，初始相位，Uc载波幅度，载波幅度，m调制指数。调制指数。 1 1，传输载波，传输载波， 0 0，不传输载波。，不传输载波。由（由（88）式得：）式得：( )(1cos)cos( )coscos()cos()22ccccccy tUmttmmy tUttt从上式可看出，幅度调制结果含有：载频从上式可看出，幅度调制结果含有：载频c、上边带（上边带（ c ）、下边带（）、下边带（ c ）载波载波下边带下边带上边带上边带 相对振幅相对振

25、幅cc-c +正弦调制得调幅波频谱正弦调制得调幅波频谱例：双边带幅度调制仿真。例：双边带幅度调制仿真。双边带频带幅度调制器双边带频带幅度调制器双边带幅度解调器，通过双边带幅度解调器，通过包络检测对信号进行解调，包络检测对信号进行解调，再用低通滤波器滤除残余再用低通滤波器滤除残余高频成分。高频成分。双边带通带幅度调制模块：双边带通带幅度调制模块：功能：功能：对输入信号进行双边对输入信号进行双边带幅度调制。带幅度调制。如果输入为时间函数如果输入为时间函数u(t)，那么输出为：，那么输出为： ( )cos(2)cu tkf t式中：式中：k为模块参数为模块参数Input signal offset，

26、fc为模块参数为模块参数Carrier frequency，为参数为参数Initial phase。通常将通常将k的值设为输入信号的值设为输入信号u（t）负值部分最小值的绝）负值部分最小值的绝对值。对值。信源参数信源参数输入信号偏移。输入信号偏移。载波频率。载波频率。载波的初始相位。载波的初始相位。双边带频带幅度调制双边带频带幅度调制模块参数设置模块参数设置低通滤波器传函的分子多项式，用一低通滤波器传函的分子多项式，用一个向量形式表示，按降幂的顺序排列个向量形式表示，按降幂的顺序排列分子参数。分子参数。与调制模块中的参数与调制模块中的参数Input signal offset 含义相同。含义相

27、同。低通滤波器传函的分母多项式，用一低通滤波器传函的分母多项式，用一个向量形式表示，按降幂的顺序排列个向量形式表示，按降幂的顺序排列分母参数。对于分母参数。对于FIR滤波器，这项参滤波器，这项参数设为数设为1。输出信号的采样输出信号的采样时间。时间。输入采样时间的倒数是调输入采样时间的倒数是调制载频的制载频的4倍。则载频可位倍。则载频可位于频谱仪显示窗中心。于频谱仪显示窗中心。解调波形解调波形原始波形原始波形调制波形调制波形（载波幅度随调制信（载波幅度随调制信号变化规律而变化）号变化规律而变化）DSB幅度调制后信号幅度调制后信号的频谱图的频谱图（0.18-0.008、0.18、0.180.00

28、8Hz）例：双边带抑制载波幅度调制仿真。例：双边带抑制载波幅度调制仿真。2、双边带抑制载波幅度调制（、双边带抑制载波幅度调制（VSB）双边带抑制载波幅度调制：双边带抑制载波幅度调制： 为提高调制效率，在双边带幅度调制的基础上抑制载为提高调制效率，在双边带幅度调制的基础上抑制载波分量，使总功率全部包含在双边带中。波分量，使总功率全部包含在双边带中。输入采样时间的倒数是载输入采样时间的倒数是载波频率的波频率的4倍。则载频可位倍。则载频可位于频谱仪显示窗中心于频谱仪显示窗中心载波频率。载波频率。载波的初始相位。载波的初始相位。双边带抑制载波幅度双边带抑制载波幅度调制后信号的频谱图调制后信号的频谱图双

29、边带抑制载波幅度双边带抑制载波幅度调制后信号的时域图调制后信号的时域图3、单边带幅度调制（、单边带幅度调制（SSB） SSB调制：调制： 双边带抑制载波调制虽然抑制了载波，提高了双边带抑制载波调制虽然抑制了载波，提高了调制效率，但调制后的频带宽度仍是基带信号带宽调制效率，但调制后的频带宽度仍是基带信号带宽的的2倍（倍（2）。上、下边带完全对称，所携带信息）。上、下边带完全对称，所携带信息完全相同，因此，从信息传输角度看，只传输一个完全相同，因此，从信息传输角度看，只传输一个边带就可以了。边带就可以了。 SSB调制后的频带宽度只有调制后的频带宽度只有DSB调制信号的调制信号的一半，所以具有更高的

30、频率利用率。一半，所以具有更高的频率利用率。例：单边带频带幅度调制的系统仿真。例：单边带频带幅度调制的系统仿真。滤波器法滤波器法双边带频带幅度双边带频带幅度调制器模块。调制器模块。模拟滤波器设计模拟滤波器设计模块。模块。模拟滤波器设计：模拟滤波器设计：功能：功能：能设计并实现一个能设计并实现一个Butterworth、Chebyshev type 1、Chebyshev type 2或或Elliptic的低通、高通、带通和带阻滤波器。的低通、高通、带通和带阻滤波器。通带低端频率通带低端频率：F c-F=1000-100Hz（下边下边频）频）模拟滤波器的阶模拟滤波器的阶数。数。通带高端频率：通带高端频率：F c+F=1000+100Hz（下（下边边频）频）输入采样时间的倒数是载输入采样时间的倒数是载波频率的波频率的4倍。则载频可位倍。则载频可位于频谱仪显示窗中心于频谱仪显示窗中心单边带频带幅度调制单边带频带幅度调制后信号的时域图后信号的时域图单边带频带幅度调制单边带频带幅度调制后信号的频谱图（含后信号