电信毕业设计.pdf

目 录 摘 要1 Abstract1 1 绪论1 1.1通信技术发展现状和趋势1 1.2模拟调制及其意义2 1.3 Simulink 简介3 2 模拟通信系统模型4 3 模拟调制解调的原理5 3.1 AM 调制解调的原理5 3.2 DSB 调制解调的原理5 3.3 SSB 调制解调的原理6 4 模拟通信系统的 Simulink 仿真及结果显示 6 4.1 AM模拟通信系统的仿真及结果显示6 4.2 DSB 模拟通信系统的仿真及结果显示8 4.3 SSB 模拟通信系统的仿真及结果显示9 5 性能分析 13 6 结论14 参考文献14 致谢15 1 基于 Simulink 的模拟通信系统设计 摘 要：模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，在通信系统中有着至关重要的作用。本文首先介绍了通信系统发展现状和趋势、Simulink 的相关概念等，然后介绍了模拟通信系统的模型及原理。利用Simulink 对模拟信号中的 AM、DSB 和 SSB 进行模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示。通过性能分析可以看出 Simulink 在系统建模和仿真中的巨大优势，是学习、研究和设计通信系统强有力的工具。关键词：Simulink；模拟通信系统；仿真 Analog Communication System Design Based on Simulink Abstract：Simulation of communication systems employ analog signal to transfer information communication system，and it has a vital roleThis paper first introduces the communication system development and the current trend，such as the concept of Simulink related，and then introduces the model and principle of the simulation of communication system Using Simulink for simulation in the signal of AM、DSB and SSB to build model，design system，demonstrate simulation and show resultsWe can see that Simulink has huge advantage in system modeling and simulation by the analysis of performance，and it is a powerful tool in learning、research and design of communication system Key words：Simulink；Analog communication system；Simulation 1 绪论 1.1 通信技术发展现状和趋势 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：（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得以实现。（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。2（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2。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。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)。通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统3。1.2 模拟调制及其意义 最常用和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。常见的调幅，双边带和单边带调制就是幅度调制的几个典型实例。基带信号对载波调制是为了实现下列一个或多个目标：第一，在无线传输中，信号是以电磁波的形式辐射到空间的。为了获得较高的辐射率，天线的尺寸必须与发射信号的波长相比拟4。而基带信号包含较低频率分量的波长较长，致使天线过长而难以实现。例如，天线长度一般应大于四分之一波长，对于 3000Hz 的基带信号，如果不通过载波而直接耦合到天线发送，则需要尺寸为 25km 的天线。显然，这是无法实现的。但若通过调制，把基带信号频谱搬移至较高的载波频率上，是已调信号频谱与新到的带通特性相匹配，这样就可以提高传输性能，以较小的发送功率和较短的天线来辐射电磁波。如在 GSM 体制移动通信使用的 9000MHz 频段，所需天线尺寸仅为8cm。第二，把多个基带信号搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。第三，扩展信号带宽，提高系统抗干扰，抗衰落能力，还可以实现信号带宽与传输信噪比之间的转换。因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的作用和影响。采用什么样的调制方式将直接影响着通信系统的性能5。3 1.3 Simulink 简介 Simulink是MATLAB提供的用于动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。Smiulink提供了专门用于显示输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。同时，通过Smiulink的存储模块，仿真数据可以方便地以各种形式保存在工作区或文件中，供用户在仿真结束之后对数据进行分析和处理。另外，Simulink把具有特定功能的代码组织成模块的方式，并且这些模块可以组织成具有等级结构的子系统，因此具有内在的模块化设计要求。基于上述优点，Simulink成为一种通用的仿真建模工具，广泛应用于通信系统仿真、数字信号处理、模糊逻辑、神经网络、机械控制和虚拟现实等领域6。根据输出信号与输入信号的关系，Simulink 提供 3 种类型的模块:连续模块、离散模块和混合模块。连续模块是指输出信号随着输入信号发生连续变化的模块，离散模块则是输出信号以固定间隔变化的模块。对于连续模块，Smiulink 采用积分方式计算输出信号的数值，因此，连续模块主要涉及导数的计算及其积分。离散模块的输出信号在下一个抽样时刻到来之前保持恒定，这时候 Smiulnik 只需以一定的间隔计算输出信号的数值。混合模块是根据输入信号的类型来确定输出信号类型的，它既能够产生连续输出信号，也能够产生离散输出信号7。Simulink 仿真有以下特点：（1）交互建模 Simulink 提供了大量的功能模块，方便用户快速地建立动态系统模型，建模时只需要使用鼠标拖放库中的功能模块并将它们连接起来。用户可以通过将模块组成子系统建立多级模型。对块和连接的数目没有限制。（2）交互仿真 Simulink 框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真，或使用命令行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示。有了 Simulink，用户可以在仿真的同时，采用交互或批处理的方式，方便地更换参数来进“What-if”分析。（3）能够扩充和定制 Simulink 的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能：采用 MATLAB，Fortran和 C 代码生成自定义块库，并拥有自己的图标和界面；然后将用户原有的 Fortran 或C 编写的代码连接进来。4（4）与 MATLAB 和工具箱集成 由于 Simulink 可以直接利用 MATLAB 的数学、图形和编程功能，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通过 Simulink 的屏蔽手段在仿真过程中执行。（5）专用模型库（Blocksets）Simulink 的模型库可以通过专用元件集进一步扩展。DSP Blockset 可以用于 DSP算法的开发。Fixed-Point Blockset 扩展了 Simulink，用于建立和模拟数字控制系统和数字滤波器8。2 模拟通信系统模型 模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。系统中需要两种变换。首先，发送端的连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原来的连续消息。由于原始电信号通常具有很低的频谱分量，一般不宜直接传输，因此常常需要有第二种变换：将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换。这种变换和反变换通常称为调制和解调。经过调制后的信号称为已调信号，有三个基本特征：一是携带有效信息；二是适合在信道中传输；三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频9。已调信号又称频带信号。原始电信号又称基带信号，其基本特征是：频谱从零频附近开始，如语音信号为3003400Hz，图像信号为06MHz。需要指出的是：消息从发送端到接收端的传递过程中，不仅仅只有上述两种变换，实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。模拟通信系统模型如图1所示：图1 模拟通信系统模型 模拟通信系统的发送端包括信号调制和多址接入两部分。多址接入是一种共享技术，依靠信号的按序发送，多个终端可以共享同一个信道资源。模拟通信系统的接收端包括信号滤波器组和信号解调两部分10。模拟信息源 噪声源 调制器 信道 解调器 受信者 5 3 模拟调制解调的原理 模拟调制在通信系统中的作用至关重要，它的主要作用和目的是：（1）将基带信号（调制信号）变换成适合在信道中传输的已调信号；（2）实现信道的多路复用；（3）改善系统的抗噪声性能。所谓调制，是指按调制信号的变化规律去控制高频载波的某个参数的过程。根据正弦载波受调参数的不同，模拟调制分为：幅度调制和角度调制。幅度调制是指高频载波的振幅按照基带信号振幅瞬时值变化规律而变化的调制方式。它是一种线性调制。角度调制是指高频载波的频率或相位按照基带信号的变化规律而变化的一种调制方式。它是一种非线性调制11。3.1 AM 调制解调的原理 AM 调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。AM 信号的时域和频域的表达式分别为：ttmtAttmccccoscoscosAts00AM （1）c0-21)(MMAScccAM （2）式中，0A为外加的直流分量；tm可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即0tm。AM 信号的解调是把接收到的已调信号tsAM还原为调制信号tm。AM 信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调12。AM 相干解调的关键在于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。AM 信号波形的包络与输入基带信号tm成正比，故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。3.2 DSB 调制解调的原理 在幅度调制的一般模型中，调制信号tm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）。DSB 信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，其时域和频域表示式分别为：ttmcDSBcosts （3）6 cDSBMMSc21 （4）DSB 只能进行相干解调，其原理与 AM 信号相干解调时完全相同13。3.3 SSB 调制解调的原理 SSB 调制分为滤波法和相移法。滤波法 SSB 调制原理中的 SSBH为单边带滤波器。产生 SSB 信号最直观方法的是，将 SSBH设计成具有理想高通特性 HH或理想低通特性 LH的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除另一个边带。产生上边带信号时 SSBH即为 HH，产生下边带信号时 SSBH即为 LH 14。滤波法 SSB 调制的频域表达式为：SSBcSSBDSBSSBHMMHSSc21 (5)相移法 SSB 调制时域表达式如下。式中，“”对应上边带信号，“+”对应下边带信号，tm表示把tm的所有频率成分均相移2，称tm是tm的希尔伯特变换15。ttmttmtccSSBsin21cos21s （6）4 模拟通信系统的 Simulink 仿真及结果显示 4.1 AM 模拟通信系统的仿真及结果显示 4.1.1 AM 相干解调（1）仿真框图 图 2 AM 相干解调仿真框图（2）参数设置 信源参数参数：幅度 1，频率 10rad/s 7 载波参数：幅度 1，频率 100rad/s BPF 参数：下限频率 90rad/s，上限频率 110rad/s LPF 参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值 0，标准差 0.01（3）仿真结果 图 3 AM 相干解调波形 4.1.2 AM 包络检波解调（1）仿真框图 图 4 AM 包络检波解调仿真框图（2）参数设置 信源参数：幅度 1，频率 10rad/s 载波参数：幅度 1，频率 100rad/s BPF 参数：下限频率 90rad/s，上限频率 110rad/s LPF 参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值 0，标准差 0.01 全波整流器参数参数：下限 0，上限 inf（3）仿真结果 8 图 5 AM 包络检波解调波形 4.2 DSB 模拟通信系统的仿真及结果显示(1)仿真框图 图 6 DSB 仿真框图（2）参数设置 信源参数参数：幅度 1，频率 10rad/s 载波参数：幅度 1，频率 100rad/s BPF 参数：下限频率 90rad/s，上限频率 110rad/s LPF 参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值 0，标准差 0.01（3）仿真结果 9 图 7 DSB 解调波形 4.3 SSB 模拟通信系统的仿真及结果显示 4.3.1 滤波法 USB(1)仿真框图 图 8 滤波法 USB 仿真框图（2）参数设置 信源参数参数：幅度 1，频率 10rad/s 载波参数：幅度 1，频率 100rad/s USB 的 BPF 参数：下限频率 100rad/s，上限频率 110rad/s LPF 参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值 0，标准差 0.01（3）仿真结果 10 图 9 滤波法 USB 解调波形 4.3.2 滤波法 LSB(1)仿真框图 图 10 滤波法 LSB 仿真框图（2）参数设置 信源参数参数：幅度 1，频率 10rad/s 载波参数：幅度 1，频率 100rad/s LSB 的 BPF 参数：下限频率 90rad/s，上限频率 100rad/s LPF 参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值 0，标准差 0.01（3）仿真结果 11 图 11 滤波法 LSB 解调波形 4.3.3 相移法 USB(1)仿真框图 图 12 相移法 USB 仿真框图（2）参数设置 信源参数参数：幅度 1，频率 10rad/s 信源的希尔伯特变换参数：幅度 1，频率 10rad/s，相位 3*pi/2 载波参数：幅度 1，频率 100rad/s USB 的 BPF 参数：下限频率 100rad/s，上限频率 110rad/s LPF 参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值 0，标准差 0.01（3）仿真结果 12 图 13 相移法 USB 解调波形 4.3.4 相移法 LSB(1)仿真框图 图 14 相移法 LSB 仿真框图（2）参数设置 信源参数参数：幅度 1，频率 10rad/s 信源的希尔伯特变换参数：幅度 1，频率 10rad/s，相位 3*pi/2 载波参数：幅度 1，频率 100rad/s LSB 的 BPF 参数：下限频率 90rad/s，上限频率 100rad/s LPF 参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值 0，标准差 0.01（3）仿真结果 13 图 15 相移法 LSB 解调波形 5 性能分析 从波形图可以看出，不论是 AM、SSB、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。AM 解调时，应注意滤除直流分量，AM 相干解调减去的直流分量与计算结果相符，然而 AM 包络检波需要减去一个工程值，这个数值并非计算所能得出，需要进行仿真尝试得出。（1）AM 信号波形的包络与输入基带信号tm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，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。（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的载波信号，大大降低实现难度。（4）相移法形成 SSB 信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号的所有频率分量严格相移2，这一点即使近似达到也是困难的。（5）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。（6）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。6 结论 经过本次毕业设计，我深深感到模拟通信系统仿真这一领域要探讨的内容还非常多，自己探讨的内容在很多地方还需要不断改进，有以下两个方面是可以继续改进或 14 深入分析的：（1）本文在深刻理解模拟通信系统理论的基础上设计了具体的仿真模型，但是这些模型主要是针对模拟通信系统某一方面的性能而设计的，虽然能说明一定问题，但整体规模比较小，今后应该按照协议的规范，构建较大规模、较复杂的通信系统仿真模型。（2）本文所使用的仿真软件是具有可视化、模块化等特性的仿真工具 Simulink。在 Simulink 中，仿真模型表现为若干仿真模块的集合以及这些模块之间的连接关系，使得仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，同时有利于仿真模型的扩充。但还有其他仿真性能优异的仿真软件，所以，在今后设计仿真模型时，可利用多种仿真软件，发挥各个仿真软件的长处，使得系统仿真效果更好。参考文献：1 沈振元，聂志泉，赵学荷通信系统原理M西安：西安电子科技大学出版社，1993：63-67 2 樊昌信通信原理教程M北京：电子工业出版社，2008：80-86 3 周开利 基于 MATLABSIMULINK 的模拟通信系统仿真J信息技术，2003，27(12)：1-3 4 姚俊，马松辉Simulink建模与仿真M西安电子科技大学出版社，2002：35-38 5 齐欢，王小平系统建模与仿真M北京：清华大学出版社，2004：24-27 6 孙屹Simulink通信仿真开发手册M北京：国防工业出版社，2004：13-15 7 施阳，严卫生，李俊等MATLAB语言精要及动态仿真工具 SIMULINKM西北工业大学出版社，1998：92-96 8 Bejjani E，Bouquier J F，Cacqueray B de Adaptive channel delays selection for WCDMA mobile system JIn proc IEEE VTC 99，Amsterdam，the netherlands，1999：203-207 9 邵玉斌Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析M北京:清华大学出版社，2008：91-93 10 李贺冰Simulink通信仿真教程M北京:国防工业出版社，2006：56-58 11 邵佳，董辰辉MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲M北京：电子工业出版社，2005：25-30 12 薛定宇，陈阳泉基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用M北京：清华大学出版社，2002：44-49 13 Gallager R GLowDensity ParityCheck CodesMCambridge，MR：MIT Press，1963：24-32 15 14 史庆军，刘军福，曾长安基于 MATLAB 的通信系统动态仿真研究J佳木斯大学学报，2000，18(3)：270-271 15 Soi I M，et alA Review of computer_communication Network Classification SchemesJIEEE Communication Magazine，1981，19(2)：24-32 致谢 本文是在老师的精心指导和严格要求下完成的，在选题、系统方案设计以及系统调试过程中，老师都给予了精心的指导。我感到做设计以来，不仅在专业应用上有了长足的进步和提高，而且老师严谨的治学态度，务实的工作作风和高度负责的工作态度也使我终身受益。在此，向老师表示衷心的感谢！我还要感谢在大学中给我们授课的所有老师们，是他们让我学到了很多很多知识，让我看到了世界的精彩，让我学会了做人做事。大学期间的点点滴滴将构成我一生中最宝贵的财富。