2022年通信原理-课程设计-MATLAB-Simulink-ASK .pdf

通信原理课程设计题目 基于MATLABSimulink的2ASK 仿真学院(部)电子信息工程学院专业电子信息工程学生姓名苏文昊学号 200810312237 年级 2008 级指导教师石琳职称 副教授 2010年 12 月名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 21 页 -1 目录第一章课程设计的任务说明.2 1.1 课程设计的目的.2 1.2 课程设计的要求.2 第二章MATLAB/SIMULINK简介 .3 第三章通信技术的历史和发展.4 3.1 通信的概念.4 3.2 通信的发展史简介.5 3.3 通信技术的发展现状和趋势.5 第四章 2ASK 的基本原理和实现.6 4.1 2ASK 的产生 .6 4.2 2ASK 的功率谱和带宽.7 4.3 2ASK 信号的解调及抗噪声性能分析.7 第五章Smulink 的模型建立和仿真.11 5.1 建立模型方框图.11 5.2 参数设置 .12 5.3 仿真波形图.16 5.4 不同信噪比下的误码率.18 总结.19 参考文献.20 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 21 页 -2 第一章课程设计的任务说明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，熟悉2ASK 的调制与解调。（3）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）掌握课程设计涉汲到的相关知识，相关概念、原理清晰，明了。（2）仿真图设计合理、能够正确运行。（3）按照要求撰写课程设计报告。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 21 页 -3 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。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（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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 21 页 -4 第三章 通信技术的历史和发展3.1 通信的概念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、图形和图像等都是消息(Message)。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。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。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。通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。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3-1-2 所示。信息源发送 设备信 道接收 设备受信 者噪 声 源图 3-1-2 通信系统一般模型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，其模型如图3-1-2 所示，信数信信数信信源道字受道源字信息编编调解译译信源码码调码码者制道器器器器器器噪 声 源图 3-1-2 数字通信系统模型名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 21 页 -5 模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图3-1-3 所示。信息源调 制 器信 道解 调器受 信 者噪声 源图 3-1-3 模拟通信系统模型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。3.2 通信的发展史简介远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。1837 年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866 年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876 年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20 世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937 年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20 世纪 60 年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在 70 年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90 年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。3.3 通信技术的发展现状和趋势进入 20 世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是在 20 世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。（2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。（4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。例如，2003 年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到2005 年底移动电话用户近4 亿。随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 21 页 -6 第四章 2ASK 的基本原理和实现4.1 2ASK 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，使载波振幅随着二进制数字基带信号而变化。由于二进制数字信号只有两个不同的码元，因此幅度受控后的正弦波也只有两个不同的振幅，如图4-1-1 所示。s(t)为调制信号，持续时间为ST,在二进制中，码元宽度等于比特宽度，所以在二进制数字调制中有ST=bT。ASKS2(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。图 4-1-1 二进制振幅调制波形产生已调信号ASKS2(t)的部件称为2ASK 调制器。图4-1-2 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ASKS2(t)。图 4-1-2 2ASK 调制器及2ASK 信号的产生名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 21 页 -7 4.2 2ASK 的功率谱和带宽2ASK 信号的功率谱示意图如图4-2-1 所示：图 4-2-1ASK 信号的功率谱由图可知，2ASK 信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，其频谱的主要带宽是二进制基带信号频谱主瓣宽度的两倍，即ASKB2=2sf式中sf是数字基带信号的带宽，在数值上等于数字基带信号的码元速率。4.3 2ASK 信号的解调及抗噪声性能分析2ASK信号的解调有两种方法即相干解调和包络解调。在此次课程设计中采用相干解调法。相干解调也称为同步解调，因为这种解调方式需要一个和发送载波同频同相的本地载波。为说明图4-3-1 中的 2ASK 信号的相干解调器框图中所示部件能从已调2ASK 信号中检测出原发送信息，在忽略噪声的情况下画了方框图中各点的波形，如图4-3-2 所示。图 4-3-1 2ASK 信号的相干解调器名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 21 页 -8 图 4-3-2 2ASK 相干解调器各点波形示意图带通滤波器让信号通过的同时尽可能地滤除带外噪声，在不考虑噪声时，图2-3-2 中a 点波形就是接收的2ASK 信号。位定时信号由位定时提取电路提供。当取样值大于门限时，判决发送信号为“1”；当取样值小于门限时，判决发送信号为“0”，判决发送信号为“1”；当取样值小于门限时，判决发送信号为“0”，判决得到的信号如图2-3-2（e）所示。但实际通信中是有噪声的，噪声会使判决产生错误。下面对噪声引起的误码率进行数学分析。在此次课程设计中，假信信道为高斯白噪声信道。下面分两种情况加以讨论。1）发“1”码发“1”码时，输入的2ASK 信号为tfac2cos，它能顺利地通过带通滤波器。n(t)为均值为零均值高斯白噪声，经带通滤波器后变为窄带高斯噪声，用)(tni表示，为:因此，发“1”码时，带通滤波器的输出为经乘法器，输出为经低通滤波器滤后，高频成分被滤除。设输出信号为x(t),则名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 21 页 -9 其中 x(t)用于取样判决。需要说明的是，忽略系数1/2 不会影响误码率的计算结果。2）发“0”码发“0”码时，2ASK 信号为 0，带通滤波器只输出噪声,所以乘法器的输出为忽略系数1/2 后，低通滤波器的输出为x(t)=)(tni此输出用于取样判断。综合上述分析，可得3）概率密度函数及误码率由上分析可知，发“0”码和发“1”码时，用于判决的取样值的概率密度函数分别为样值的曲线示意图如图4-3-3 所示：图 4-3-3 取样值概率密度函数示意图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 21 页 -10 当 P(0)=P(1)时，最佳门限应选在两条曲线的交点处。由于这两条曲线形状完全相同，所以判决门限TV=2a根据图 4-3-3 及上式可得2ASK 相干解调器的误码率公式为式中，r 定义为：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 21 页 -11 第五章Smulink 的模型建立和仿真5.1 建立模型方框图2ASK 信号调制与解调的模型方框图如下所示，各模块的名称已标注在图上。上半部分为调制部分，下半部分为解调部分。图 5-1-1 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 21 页 -12 5.2 参数设置建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。正弦载波参数设置：图 5-2-1 正弦载波是幅度为2 频率为 4Hz 采样周期为0.002 的信号。设置依据：实际上载波的频率应该很高，但这里为了调制时便于波形的对比观察，故设为4HZ。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 21 页 -13 伯努利二进制随机数产生器参数设置：图 5-2-2 Bernoulli Random Binary Generator(伯努利二进制随机数产生器)是基于采样的，其幅度设置为 2，周期为 3，占 1 比为 2/3。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 21 页 -14 带通滤波器参数设置：图 5-2-3带通滤波器参数：带通范围为27HZ 设置依据：载波频率为4HZ，而基带号带宽为1HZ，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为27HZ。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 21 页 -15 低通滤波器参数设置图 5-2-4低通滤波器参数设置：截止频率为1HZ 设置依据：二进制序列的带宽为1HZ，故取 1HZ。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 21 页 -16 取样判决器参数设置：图 5-2-5取样判决器参数设置：门限值取为0.5，取样时间为1 设置依据：由前面的理论分析知判决门限为二元信号幅度的一半，故门限值取为0.5。5.3 仿真波形图为了把所有波形图放在一页进行对比，故转下页。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 21 页 -17 调制部分：解调部分：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 21 页 -18 5.4 不同信噪比下的误码率1)信噪比设为90:图 5-4-1此时误码率为:2）当信噪比设为60 时：图 5-4-2此时误码率为：结果分析：由此可见，随着信噪比的降低，误码率是急剧上升的。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 21 页 -19 总结通过理论指导与仿真实践，我完成了这次设计的任务，其运行结果如前面所示，较好的完成了这次课程设计。由于信道干扰及码间干扰的影响，存在着一定的误码率。当信道的信噪比提高时，误码率下降。这次课程设计使用SIMULINK对 2ASK 系统建模仿真，使我对数字键控的概念又有了更深的了解，而且也熟悉了SIMULINK软件的操作，在此感谢指导老师对我的帮助。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 21 页 -20 参考文献1 黄葆华，杨晓静等 通信原理西安：西安电子科技大学出版社，2007 2 胡晓冬，董辰辉 MATLAB 从入门到精通北京：人民邮电出版社，2010 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 21 页 -