模拟通信系统与数字通信系统的设计与仿真

1、广西科技大学课程设计说明书课题名称:模拟通信系统与数字通信系统的设计与仿真院(系:计算机科学与通信工程学院专业:通信工程班级:121班学生姓名:王永源学号:201200402016指导教师:陈艳2015年1月20日目录第一章课程设计的任务说明 (11.1课程设计目的 (11.2课程设计要求 (1第二章MATLAB/SIMULINK简介 (3第三章设计原理 (53.1通信系统设计一般模型 (53.2模拟通信系统 (53.3数字通信系统 (5第四章DSB的基本原理与实现 (64.1DSB信号的模型 (64.2DSB信号调制过程分析 (7第五章PCM的基本原理与实现 (85.1PCM原理 (85.2

2、PCM编码介绍 (85.3PCM编码电路设计 (12第六章2ASK的基本原理及实现 (166.2ASK调制基本原理 (166.22ASK的产生 (166.32ASK解调 (176.42ASK功率谱及带宽 (18第七章Smulink的模型建立和仿真 (197.1模拟通信系统仿真图 (197.2数字通信系统仿真图 (227.3模拟通信系统仿真效果图 (237.4数字通信系统仿真效果图 (26第八章结束语 (27参考文献 (28第一章课程设计任务说明1.1课程设计的目的(1通过利用matlab simulink,熟悉matlab simulink仿真工具。(2通过课程设计来更好的掌握课本相关知识,熟

3、悉模拟DSB、SSB、VSB和数字2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK的调制与解调方法。(3通过实验掌握模拟信号转换为数字信号的方法和步骤。(4更好的了解通信原理的相关知识,磨练自己分析问题、查阅资料、巩固知识、创新等各方面能力。1.2课程设计的要求(1输入:输入模拟信号(例如正弦型单音频信号等,给出其时域波形和功率谱密度。(2调制:对输入的模拟信号进行DSB、SSB、PM(三选一调制;给出调制后信号的时域波形和功率谱密度。(3信道:假定信道属于加性高斯信道,或自行设计。(4解调:DSB、SSB、PM(与所选调制方式相对应解调,仿真获得该系统的输出波形,并得到该模拟传输系统的性能指标,即该

4、系统的输出信噪比随输入信噪比的变化曲线。 图1-1模拟信号调制解调模型图(1输入:首先输入模拟信号,给出此模拟信号的时域波形。(2数字化:将模拟信号进行数字化,得到数字信号,可以选择PCM编码。(3调制:可以选择简单的二进制数字调制方式,例如振幅键控(2ASK、相移监控(2PSK、频移键控(2FSK,差分相移键控(DPSK等,给出调制后信号的时域波形。(4信道:假定信道属于加性高斯信道,或自行设计。(5解调:相应的2ASK、2PSK、2FSK,DPSK解调,仿真获得解调输出波形。(6PCM解码:给出解码后的模拟信号的时域波形,并与输入信号进行比较。(7系统性能分析:比较在不同调制方式下,该数字

5、频带传输系统的性能指标,即该系统的输出误码率随输入信噪比的变化曲线。 图1-2模拟信号数字调制解调框图第二章MATLAB/SIMULINK简介美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”(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。从Matlab诞生开始,由于其高度的集成性及应用的方便性,在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便,能非常快的实现科研人员的设想,极大的节约了科研人员的时间,受到了大多数科研人员的支持,经过一代代人的努力,目前已发展到了7.X版本。Matlab是一种解释性执行

6、语言,具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单,扩充方便,尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能,使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说,哪怕是你真正理解了一个工具箱,那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识,这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面,它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口,同时因为有最丰富的函数库(工具箱,所以计算的功能实现也很简单,进一步受到了科研工作者的欢迎。另外,Matlab 和其他高级语言也具

7、有良好的接口,可以方便的实现与其他语言的混合编程,进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可以说,Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一,掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。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。Simulink工作环境进过几年的发展,已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simuli

8、nk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。它的主要特点在于:1、建模方便、快捷;2、易于进行模型分析;3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink模块库(或函数库包含有Sinks(输出方式、Sources(输入源、Linear(线性环节、Nonlinear(非线性环节、Connection(连接与接口和Extra(其他环节等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块(

9、或库函数,而且每个子模型库中包含有相应的功能模块,用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构,因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型,然后用鼠标双击其中的子系统模块,来查看其下一级的内容,以此类推,从而可以看到整个模型的细节,帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后,用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便,而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。采用Scope模块和其他的显示模块,可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿

10、真结果,若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果,这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具,MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的,因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。第三章设计原理3.1通信系统一般模型通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和,包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者,其模型如下图所示: 图3-1通信系统一般

11、模式框图3.2模拟通信系统模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统,其模型如下图所示: 图3-2模拟信号通信系统模型框图3.3数字通信系统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,其模型如下图所示: 图3-3数字信号通信系统模型框图第四章DSB 的基本原理与实现4.1DSB 信号的模型在AM 信号中,载波分量并不携带信息,信息完全由边带传送。如果将载波抑制,只需在将直流0A 去掉,即可输出抑制载波双边带信号,简称双边带信号(DSB。DSB 调制器模型如图4-1所示: 图4-1DSB 调制器模型图其中,设正弦载波为0(cos(c c t A

12、t =+式中,A 为载波幅度;c 为载波角频率;0为初始相位(假定0为0。调制过程是一个频谱搬移的过程,它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频的信号频谱再搬回来,并且不失真地恢复出原始基带信号。双边带解调通常采用相干解调的方式,它使用一个同步解调器,即由相乘器和低通滤波器组成。在解调过程中,输入信号和噪声可以分别单独解调。相干解调的原理框图如图4-2所示: 图4-2相干解调原理框图相干解调器的数学模型信号传输信道为高斯白噪声信道,其功率为2n。4.2DSB 信号调制过程分析假定调制信号(m t 的平均值为0,与载波相乘,即可形成DSB 信号,其时域表达式为(cos DSB c

13、s m t t=式中,(m t 的平均值为0。DSB 的频谱为(1(2DSB c c s M M =+-DSB 信号的包络不再与调制信号的变化规律一致,因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号,需采用相干解调(同步检波。另外,在调制信号(m t 的过零点处,高频载波相位有180°的突变。除了不再含有载频分量离散谱外,DSB 信号的频谱与AM 信号的频谱完全相同,仍由上下对称的两个边带组成。所以DSB 信号的带宽与AM 信号的带宽相同,也为基带信号带宽的两倍,即2DSB AM HB B f =式中,H f 为调制信号的最高频率。第五章PCM 的基本原理与实现5.1PCM 原理脉冲编码调

14、制,是把模拟信号抽样、量化、编码成二进制符号的过程。原理框图如下图所示:抽样保持量化器编码器信道译码器低通滤波器模拟信号输入PCM 信号输出干扰PCM 信号输入模拟信号输出冲激脉冲图5-1PCM 原理方框图5.2PCM 编码介绍在编码器中由冲激脉冲对模拟信号抽样,得到在抽样时刻上的信号抽样值。这个抽样值仍是模拟量。在它量化之前,通常由保持电路(holding circuit将其作短暂保存,以便电路有时间对其量化。在实际电路中,常把抽样和保持电路作在一起,称为抽样保持电路。图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量,然后在编码器中进行二进制编码。这样,每个二进制码组就代表一个量化后的信号抽样值。

15、图中的译码器的原理和编码过程相反。其中,量化与编码的组合称为模/数变换器(A/D 变换器;译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A 变换器。抽样是对模拟信号进行周期性的扫描,把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息,即能无失真地恢复出原模拟信号,抽样速率的下限由抽样定理确定。量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散,即指定Q 规定的电平,把抽样值用最接近的电平表示。编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。图1是PCM 单路抽样、量化、编码波形图。律与A 律压缩特性律:(美、日A 律:(我国、欧洲式中,x 为归一

16、化输入,y 为归一化输出,A、为压缩系数。数字压扩技术:一种通过大量的数字电路形成若干段折线,并用这些折线来近似A 律或律压扩特性,从而达到压扩目的方法。即对数压扩特性的折线近似法。折线压扩特性:既不同于均匀量化的直线,又不同于对数压扩特性的光滑曲线。总的来说用折线作压扩特性是非均匀量化的,但它既有非均匀量化(不同折线有不同斜率,又有均匀量化(在同一折线的小范围内。两种常用数字压扩技术:(1A 律13折线压扩13折线近似逼近A=87.6的A 律压扩特性;(2律15折线压扩15折线近似逼近=255的律压扩特性。采用折线压扩的特点:基本上保持了连续压扩特性曲线的优点,又便于数字电路的实现实际中A

17、律常采用13折线近似如图5-2所示11(1(11(1-+±=x x n y <+±+=1|1|n 111|0n 11x x A A x A Ax y 图5-2A律13折线图其具体分法如下:先将X轴的区间0,1一分为二,其中点为1/2,取区间1/2,1作为第八段;区间0,1/2再一分为二,其中点为1/4,取区间1/4,1/2作为第七段;区间0,1/4再一分为二,其中点为1/8,取区间1/8,1/4作为第六段;区间0,1/8一分为二,中点为1/16,取区间1/16,1/8作为第五段;区间0,1/16一分为二,中点为1/32,取区间1/32,1/16作为第四段;区间0,1/

18、32一分为二,中点为1/64,取区间1/64,1/32作为第三段;区间0,1/64一分为二,中点为1/128,区间1/128,1/64作为第二段;区间0,1/128作为第一段。然后将Y轴的0,1区间均匀地分成八段,从第一段到第八段分别为0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分别与X轴对应。二进制码可以经受较高的噪声电平的干扰,并易于再生,因此PCM中一般采用二进制码。对于Q个量化电平,可以用k位二进制码来表示,称其中每一种组合为一个码字。在点对点之间通信或短距离通信中,采用k=7位码已基本能满足质量

19、要求。而对于干线远程的全网通信,一般要经过多次转接,要有较高的质量要求,目前国际上多采用8位编码PCM设备。码型指的是把量化后的所有量化级,按其量化电平的大小次序排列起来,并列出各对应的码字,这种对应关系的整体就称为码型。在PCM中常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码(又称格雷码。码位的安排:目前国际上普遍采用8位非线性编码。例如PCM30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4096个量化单位(最小的量化间隔称为一个量化单位,在4096单位的输入幅度范围内,被分成256个量化级,因此须用8位码表示每一个量化级。用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如表5-3所示:表5-

20、38位非线性编码的码组结构极性码段落码段内码M1M2M3M4M5M6M7M8其中,第1位码M1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性,称为极性码。从折叠二进制码的规律可知,对于两个极性不同,但绝对值相同的样值脉冲,用折叠码表示时,除极性码M1不同外,其余几位码是完全一样的。因此在编码过程中,只要将样值脉冲的极性判出后,编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。这8段折线共包含128个量化级,正好用剩下的7位码(M2,M8就能表示出来。5.3PCM编码电路设计 图5-413折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果测试模型和仿真

21、结果如图5-4所示。以A-Law Compressor作压缩器,Relay 模块的门限值设置为0,其输出即可作为PCM编码输出的最高位极性码。样值取值绝对值后,用增益模块将样值放大到0-127,然后用间隔为1的Quantizer 进行四舍五入取整,最后将整数编码为7位二进制序列,作为PCM编码的低7位。其中各模块的具体参数设置如下: 图5-5A-Law Compressor 图5-6Abs 图5-7Relay 图5-8Quantizer 图5-9Integer to Bit Converter 图5-11Display 图5-12Mux 图5-13Saturation第六章2ASK 的基本原理

22、及实现6.12ASK 调制基本原理振幅键控(也称振幅键移,记作ASK,二进制数字振幅键控通常记作2ASK。2ASK 是利用载波的幅度变化来传递数字信息,而其频率和初始相位保持不变。对于振幅键控这样的线性调制来说,在二进制里,2ASK 是利用代表数字信息“0”或“1”的基带基带矩形脉冲去键控一个连续的载波,有载波输出表示发送“1”,无载波输出表示发送“0”。根据线性调制的原理,一个二进制的振幅调制信号可以表示完成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的乘积。其信号表达式为:(1-1S(t为单极性数字基带信号。6.22ASK 的产生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

23、幅随着二进制数字基带信号而变化。 图6-12ASK 信号调制器原理框图tt S t e c Ask cos (2= 图6-22ASK信号时间波形图6-2是用相乘器实现的2ASK调制器及2ASK信号产生过程的波形示意图。输入是二进制单极性全占空数字基带信号s(t,载波是c(t,输出是已调信号S2ASK(t。6.32ASK解调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。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,但由于它在抗噪声的能力上较差,故在数字系统中应用不多。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。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。带通滤波器恰好使2ASK信号完整地通过,经包络检测后,输出其包络。低通滤波器的作用是滤出高频杂波,使基带信号(包络通过。抽样判决器包括抽样判决及码元形成器。定时抽样脉冲(位同步信号是很窄的脉冲,通常位于每个码元的宽度。不计噪声影响时,带通滤波器输出信号为2ASK信号。解调过程如图6-2所示: 图6-32ASK非相干解调方式图 图6-42ASK信号非相干解调过程的时间波形6.42ASK的功率谱和带宽2ASK信号的功率谱示意图如图6-5所示: 图