通信系统仿真

1、题目题目 基于 SIMULINK 的通信系统仿真 摘要摘要在模拟通信系统中，由模拟信源产生的携带信息的消息经过传感器转换成电信号，模拟基带信号在经过调制将低通频谱搬移到载波频率上适应信道，最终解调还原成电信号；在数字传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变为频带信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。本文应用了幅度调制以及键控法产生调制与解调信号。本论文中主要通过对 SIMULINK 工具箱的学习和使用，利用其丰富的模板以及本科对通信原理知识的掌握，完成了 AM、DSB、SSB、2ASK、2FSK、2PSK 三种模拟信号和三种数字信号的调制与解调，以及用 SIMULINK 进行设计

2、和仿真。首先我进行了两种通信系统的建模以及不同信号系统的原理研究，然后将学习总结出的相应理论与 SIMULINK 中丰富的模块相结合实现仿真系统的建模,并且调整参数直到仿真波形输出，观察效果，最终对设计结论进行总结。关键词 通信系统 调制 SIMULINK 目录1. 前言 .11.1 选题的意义和目的.11.2 通信系统及其仿真技术.23. 现代通信系统的介绍 .73.1 通信系统的一般模型.73.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型.73.2.1 模拟通信系统模型.73.2.2 数字通信系统模型.83.3 模拟通信和数字通信的区别和优缺点.94. 通信系统的仿真原理及框图 .124.1 模

3、拟通信系统的仿真原理.124.1.1 DSB 信号的调制解调原理 .12 4.2 数字通信系统的仿真原理.164.2.1 ASK 信号的调制解调原理 .165. 通信系统仿真结果及分析 .215.1 模拟通信系统结果分析.215.1.1 DSB 模拟通信系统 .215.2 仿真结果框图.245.2.1 DSB 模拟系统仿真结果 .245.3 数字通信系统结果分析.285.3.1 ASK 数字通信系统 .285.4 仿真结果框图.355.4.1 ASK 数字系统仿真结果 .3501. 前言1.1 选题的意义和目的随着现代通信系统的飞速发展,计算机仿真已经成为分析和设计通信系统的主要工具,在通信系

4、统的研发和教学中具有越来越重要的意义。计算机仿真是衡量系统性能的工具,它通过构建模型运行结果来分析实物系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。通过仿真,可以降低新系统失败的可能性,消除系统中潜在的瓶颈,优化系统的整体性能。因此,仿真是通信系统研究和工程建设中不可缺少的环节。仿真也称模拟,在本质上,系统的计算机仿真就是根据实际的物理系统的运行原理建立相应的数学描述并进行计算机数值求解。根据实际的目标问题提出相应的数学描述,通常可以表达为一系列数学方程以及一系列边界条件。把系统的数学描述称为系统的仿真模型。用计算机语言重新表达的数学模型称为系统的计算机仿真模型。对用户而言,使用仿

5、真软件的平台不同,所建立的计算机仿真模型形式也不同,可以是字符形式的一系列程序代码,也可以是图形化的一些列一组信号流程图、系统方框图或者状态转移图。在当代社会中，信息的交换日益频繁，随着通信技术和计算机技术的发展及它们的密切结合，通信能克服对空间和时间的限制，大量的、远距离的信息传递和存取已成为可能。展望未来，通信技术正在向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向迅速发展，各种新的电信业务也应运而生，正沿着信息服务多种领域广泛延伸。Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操

6、作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。从理论上对通信系统进行深入细致的研究是非常必要的，本文对通信系统中的一些重要环节，如数字信号的调制解调，模拟信号的数字化传输等有着深入的研究学习。本文在深刻理解通信系统理论的基础上，利用 MATLAB 提供的通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，对通信系统中的典型信号进行了模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示。通过系统的仿真与

7、分析可以看出 Simulink 在系统建模和仿1真中的巨大优势，是学习、研究和设计通信系统强有力的工具。1.2 国内外研究现状在国外通信技术的发展中，通信系统的仿真技术是一个技术重点。着重关注模拟通信系统中的调制解调系统的基本原理以及抗噪声性能，并在 MATLAB 软件平台上仿真实现几种常见的调制方式。最常用最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。利用 MATLAB 对模拟调制系统进行仿真，将结合 MATALB模块和 Simulink 工具箱的实现，并对仿真结果进行分析，从而更深入地掌握模拟调制系统的相关知识。通信系统的一般模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和

8、称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成（通常也称为一般模型） 。利用系统仿真可以迅速构建一个通信系统模型，为通信和信号处理系统的设计和分析提供一个便捷，高效且精准的评估平台。可以将软件模型和硬件原型输出的数据以及从真实系统的信号相互结合起来，从而使设计过程和评估过程统一起来，协同工作，使得设计中的错误得以及时的修正，最终使得设计结果与实际系统的运行环境相吻合，保证后期产品化过程的顺利进行。在我国，现代社会发展要求通信系统功能越来越强,性能越来越高,构成越来越复杂;另一方面,要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期,降低成本,提高水平。如此要求只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术

9、和工具才能实现。利用系统建模和软件仿真技术，几乎可以对所有的设计细节进行分层次的建模和评估，而且模型无需针对解析分析简化，因此评价结果更加精准，更接近实际的运行情况。 ，随着超大规模集成电路工艺的成熟以及计算机和数字信号处理技术的充分发展，数字通信发展迅速，大多数的模拟通信系统已被数字通信系统所取代。尽管在未来的一段时间内数字通信系统还不能完全取代模拟通信系统那个，但通信朝着数字化方向发展是不会改变的，这是有数字通信和模拟通信自身的特点所决定的。 从宏观看，世界通信方式，仍以电话为主，在电话通信中，则以程控交换和移动电话发展最快。目前模拟通信系统还在使用，但由于人们对各种通信业务的需求迅速增加

10、，数字通信正向着小型化、智能化、高速大容量的方向迅速发展，最终必将取代模拟通信。从中我们可以看出通信在我们生活中的重要，它给我们带来了各种各样的消息，如果有一天它消失了，我不敢想象世界会变成怎样。23. 现代通信系统的介绍3.1 通信系统的一般模型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。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图象等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图象等）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。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的

11、物质载体。通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information) 。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。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) ，它的一般模型如图 3-1。图 3-1 通信系统一般模型3.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型3.2.1 模拟通信系统模型在模拟通信系统中， 信源（信息源，也称发终端）的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号是指

12、没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数3字信号来说，发送设备又常常包含信源 编码和信道编码等。信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线 的，甚至还可以包含某些设备。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。在接收端，接

13、收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。信宿（也称受信者或收终端）是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。 如图 3-2 所示：图 3-2 模拟通信系统一般模型3.2.2 数字通信系统模型在数字通信系统中， 信源，信道，调制器，解调器，收信者和模拟的一样，加密器，编码器看名字就能猜出功能了吧，需要说明的是，图中调制器 / 解调器、加密器 / 解密器、编码器 / 译码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件和要求。但在一个系统中，如果发端有调制 / 加密 / 编码，

14、则收端必须有解调 / 解密 / 译码。通常把有调制器 / 解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。 数字基带传输通信系统与频带传输系统相对应，我们把没有调制器 / 解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图所示。图中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。模拟信号数字化传输通信系统上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号，实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化的模拟信号。那么要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发端将模拟信号数字化，即4进行 A/D 转换；在接收端需进行相反 的转换，即 D/A

15、 转换。实现模拟信号数字化传输的系统如图 3-3 所示。图 3-3 数字通信系统一般模型 图 3-4 数字通信系统仿真模型3.3 模拟通信和数字通信的区别和优缺点根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。什么是模拟通信呢？比如在电话通信中，用户线上传送的电信号是随着用户声音大小的变化而变化的。这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号称为模拟信号。在用户线上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信” 。 数字信号与模拟信号不同，5它是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号。电报信号就属于数字信号。现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种(用 0 和 1 代表)

16、的波形，称为“二进制信号” 。 “数字通信”是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。 数字通信与模拟通信相比具有明显的优点：首先是抗干扰能力强。数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中的，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无，以保证通信的可靠性。其次是远距离传输仍能保证质量。因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。此外，它还便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，便于实现通信网的计算机管理等优点。 实现数字通信，必须

17、使发送端发出的模拟信号变为数字信号，这个过程称为“模数变换” 。模拟信号数字化最基本的方法有三个过程，第一步是“抽样” ，就是对连续的模拟信号进行离散化处理，通常是以相等的时间间隔来抽取模拟信号的样值。第二步是“量化” ，将模拟信号样值变换到最接近的数字值。因抽样后的样值在时间上虽是离散的，但在幅度上仍是连续的，量化过程就是把幅度上连续的抽样也变为离散的。第三步是“编码” ，就是把量化后的样值信号用一组二进制数字代码来表示，最终完成模拟信号的数字化。数字信号送入数字网进行传输。接收端则是一个还原过程，把收到的数字信号变为模拟信号，即“数据摸变换” ，从而再现声音或图像。 如果发送端发出的信号本

18、来就是数字信号，则用不着进行模数变换过程，数字信号可直接进入数字网进行传输。区别在于调制方式不同。模拟通信，技术很成熟，就是将模拟信号与载波进行调制，使其带有一定载波特性，又不失模拟信号的独特性，接受端通过低通滤波器，还原初始模拟信号。而数字信号，首先进行采样，对于采样幅值进行编码（0，1 编码） ，然后进行调制，相移键控等。接受端还原即可。区别在于，由于数字通信其传输数字抽样信号，在接受端可以得到还原，所以信号传输率高。而模拟信号，是对于信号的直接调制，与载波相乘，当传输途中有干扰时，对于系统的冲击，是不可修复的，所以造成失桢。数字通信的主要优点:（1）抗干扰能力强由于在数字通信中，传输的信

19、号幅度是离散的，以二进制为例，信号的取值只有两个，这样接收端只需判别两种状态。信号在传输过程中受6到噪声的干扰，必然会使波形失真，接收端对其进行抽样判决，以辨别是两种状态中的哪一个。只要噪声的大小不足以影响判决的正确性，就能正确接收（再生） 。而在模拟通信中，传输的信号幅度是连续变化的，一旦叠加上噪声，即使噪声很小，也很难消除它。数字通信抗噪声性能好，还表现在微波中继通信时，它可以消除噪声积累。这是因为数字信号在每次再生后，只要不发生错码，它仍然像信源中发出的信号一样，没有噪声叠加在上面。因此中继站再多，数字通信仍具有良好的通信质量。而模拟通信中继时，只能增加信号能量（对信号放大） ，而不能消

20、除噪声。（2）差错可控数字信号在传输过程中出现的错误（差错） ，可通过纠错编码技术来控制，以提高传输的可靠性。（3）易加密数字信号与模拟信号相比，它容易加密和解密。因此，数字通信保密性好。（4）易于与现代技术相结合由于计算机技术、数字存贮技术、数字交换技术以及数字处理技术等现代技术飞速发展，许多设备、终端接口均是数字信号，因此极易与数字通信系统相连接。数字通信的缺点相对于模拟通信来说，数字通信主要有以下两个缺点：（1）频带利用率不高系统的频带利用率，可用系统允许最大传输带宽（信道的带宽）与每路信号的有效带宽之比来表征。数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例，一路模拟电话通常只占据 4kH

21、z 带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据 20 60kHz 的带宽。因此，如果系统传输带宽一定的话，模拟电话的频带利用率要高出数字电话的 5 15 倍。（2）系统设备比较复杂数字通信中，要准确地恢复信号，接收端需要严格的同步系统，以保持收端和发端严格的节拍一致、编组一致。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。不过，随着新的宽带传输信道（如光导纤维）的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用，数字通信在今后的通信方式中必将逐步取代模拟通信而占主导地位。74. 通信系统的仿真原理及框图4.1 模拟

22、通信系统的仿真原理 调制的作用: (1)实现信号的频谱搬移，适应在频带信道内的传输； (2)当频带信道带宽远大于信号带宽时，可以将多路基带信号调制到互不重叠的 频带上，充分利用信道带宽，实现频分复用（FDM)； (3)不同的调制方式具有不同的有效性和可靠性（如 FM 的可靠性好而有效性差，AM 有效性好而可靠性差） ，可以根据需要选用合适的调制方法。4.1.1 DSB 信号的调制解调原理调制原理：在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络（1） ，调制信号中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号（DSB） 。每当信源信号极性发生变化时，调制信号的相位都会发生一次突变 。

23、 式（4-3）ttmtSCDSBcos 调制的目的就是进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。 DSB 调制原理框图如图 4-3:m(t)SDSB(t)cos ct 图 4-3 DSB 调制原理框图DSB 信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，频域上就是卷积，表示式为： 式（4-4） CCDSBMMS21（1）经调制后，调制信号的带宽变为原基带信号的 2 倍：模拟基带信号带宽为 W，则调制信号的带宽为 2W；（2) 调制信号中不含离散的载频分量：因为原模拟基带信号中不含离散直流分量。8（3) 包含上下两个边带，且携带相同信息（双边带） ； (4

24、) 不论是确定信号的频谱，还是随机信号的功率谱，都是基带信号频谱/功率谱的线性搬移。因而被称为线性调制。解调原理：DSB 只能进行相干解调，其原理框图与 AM 信号相干解调时完全相同，利用恢复的载波与信号相乘，将频谱搬移到基带，还原出原基带信号。 LPFm0(t)cosctSDSB(t) 图 4-4 DSB 解调原理框图 (1) 当恢复载波与原载波频率不完全一样时，解调信号是原基带信号与低频正弦波的乘积； (2) 若恢复载波与原载波频率相同，而相位不同时，输出信号达不到最大值。4.2 数字通信系统的仿真原理 数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直

25、接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。通常使用键控法来实现数字调制，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控。数字调制：（1）数字信号通过正弦载波调制成频带信号；（2）数字信号控制正弦载波的某个参量；（3）键控信号：对载波参量的离散调制。4.2.1 ASK 信号的调制解调原理 调制原理：数字信号对载波振幅调制称为振幅键控即 ASK（AmplitudeShift Keying） ，OOK 就是用单极性不归零码控制正弦载波的开启与关闭，实现非常简单，

26、抗噪声性能不好。ASK 实现方法：乘法器实现法。乘法器实现法的输入是随机信息序列，经过基带信号形成器，产生波形序列，乘法器用来进行频谱搬移，相乘后的9信号通过带通滤波器滤除高频谐波和低频干扰。脉冲成型低通滤波器nbnnTta)(an取值为1或0tAccos)(tgT)(tSooknbTnnTtgatb)()(图 4-8 ASK 乘法器实现法框图解调原理：ASK 的解调：包络检波法。由于 AM 信号波形的包络与输入基带信号成正比，故也可以用包络检波的方法恢复原始调制信号。包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成。包络检波框图如图 4-1： 带通滤波全波整流低通滤波抽样判决S(t)A(t)

27、 图 4-1 ASK 包络检波框图105. 通信系统仿真结果及分析5.1 模拟通信系统结果分析5.1.1 DSB 模拟通信系统5.1.1.1 DSB 相干解调框图图 5-1 DSB 相干解调框图信源参数参数：幅度 1 频率 10rad/s载波参数：幅度 1 频率 100rad/sBPF 参数：下限频率 90rad/s 上限频率 110rad/sLPF 参数：截止频率 10rad/s高斯白噪声参数：均值 0 标准差 0.015.2 仿真结果框图5.2.1 DSB 模拟系统仿真结果5.2.1.1 DSB 相干解调波形上：解调波形 下：信源波形11图 5-2 DSB 相干解调波形5.2.1.2 DS

28、B 在调制过程中的调制波形上：调制波形 下：信源波形图 5-3 DSB 调制波形从波形图可以看出 DSB，由于系统模型经历多个模块，会造成一定的时延。解调过后的信号波形不仅有相位的延迟，而且在幅度上也低于信源波形。125.3 数字通信系统结果分析5.3.1 ASK 数字通信系统 5.3.1.1 ASK 模拟相乘法、包络检波解调框图图 5-4 ASK 模拟相乘法、包络检波解调框图信源参数：0 码概率 0.5 采样时间 1s载波参数：幅度 1 频率 100rad/s高斯白噪声参数：均值 0 标准差 0.001BPF 参数：下限频率 90rad/s 上限频率 110rad/sLPF 参数：截止频率

29、10rad/s判决器参数：门限 0.25全波整流器参数：下限 0 上限 inf5.4 仿真结果框图5.4.1 ASK 数字系统仿真结果5.4.1.1 ASK 模拟相乘法调制包络检波法解调波形上：信源波形 下：解调信号波形13图 5-5 ASK 模拟相乘法调制包络检波法解调波形仿真结果可知，相比而言，ASK 调制在解调时对于滤波器与噪声参数的设置最为敏感，在理论值情况下，其解调波形边沿仍存在不规则形状。146. 结论在本次毕业设计的过程中，我对于对通信系统仿真的各个环节进行了一定范围的学习和实践，利用 SIMULINK 工具包分别实现模拟和数字系统的仿真，并且在调整参数后以及输出波形和理论的比较

30、得出以下结论：模拟通信系统：1.AM 信号波形的包络与输入基带信号成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。但为了保证包络检波时不发生失真，即确保使调制信号不产生相位突变，必须满足直流分量大于等于信源幅度，否则将出现过调幅现象而带来失真。DSB 信号的包络不再与 m(t)成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB 信号的频谱与 AM 信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。2.相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。3.包络检波解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位

31、的载波信号，大大降低实现难度。4.系统存在延迟，且解调后信号幅度变小，最好能对其进行放大。5.高斯白噪声模块只能模拟噪声，而不能完全替代信号环境，可以考虑使用信道模块进行替换。数字通信系统：1.ASK 信号解调时对于滤波器参数敏感，应注意根据实际调整滤波器参数。而且，与其他数字调制方式相比，ASK 对噪声更为敏感。2.DPSK 进行码变换时应注意，相对码由绝对码与相对码前一码元模二加得来，而非绝对码与其自身前一码元模二加得来。详情见本报告第四部分 DPSK 调制原理。3.PSK 信号无法通过包络检波进行解调。4.通信系统存在时延，解调信号波形与信源波形存在相位差。从接到题目到设计结束的过程中经

32、历了很多，总的来说可以概括为以下几点。 （1）查资料，结合任务书写开题报告。拿到论题后，我和小组的成员首先去见了我们的指导老师，听取了丁老师给我们对该课题大概的讲解的和一些重要建议，15先找相关方面的资料并对论题进行分析。接着便是看与此有关的资料，读懂这方面的知识，从而列出该设计的具体步骤。 （2）遇到困难，锲而不舍。从前在学习过程中碰见点困难就想着去找老师同学询问，只在一些大的方面给了我一些提示，细节必须由自己来完成。丁老师还不断提醒我设计方向，而对于一些小的方面，一些细节性的问题要求我们自己去思考。这样就提高了我们的独立思考和动手实践能力，这对我们以后不管是进入社会工作还是继续学习深造都有极其重要的帮助。 （3）