通信系統(tǒng)課程方案設(shè)計書模版

1、成績評定表學生姓名康繼龍班級學號1003030220專業(yè)電子信息工程課程設(shè)計題目PCM編碼仿真評語組長簽字：成績?nèi)掌?012 年7月1日課程設(shè)計任務(wù)書學院信息科學與工程專業(yè)電子信息工程學生姓名張超班級學號0903030226課程設(shè)計題目PM系統(tǒng)仿真實踐教學要求與任務(wù)：利用MATLAB/Simulink進行編程和仿真，仿真的內(nèi)容可以是關(guān)于信 源、信源編碼、模擬調(diào)制、數(shù)子調(diào)制、多兀調(diào)制、差錯控制、多址技術(shù)、 信道仿真及具體通信電路的仿真實現(xiàn)。也可以用MATLAB編程對通信的某一具體環(huán)節(jié)進行仿真。工作計劃與進度安排：2012年06月25日選題目查閱資料2012年06月26 日 編寫軟件源程序或建立仿

2、真模塊圖2012年06月27日調(diào)試程序或仿真模型2012年06月28日性能分析及驗收2012年06月29 日 撰寫課程設(shè)計報告、答辯指導教師：2012年6月21日專業(yè)負責人：2012年6月21日學院教學副院長：2012年6月21日在通信技術(shù)的發(fā)展中，通信系統(tǒng)的仿真技術(shù)是一個技術(shù)重點。本文將著重討 論模擬通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的基本原理以及抗噪聲性能，并在MATLAB件平臺上仿真實現(xiàn)幾種常見的模擬調(diào)制方式。最常用最重要的模擬調(diào)制方式是用 正弦波作為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。常見的調(diào)幅（ AM、雙邊帶（DSB、 殘留邊帶（VSB和單邊帶（SSB等調(diào)制就是幅度調(diào)制的幾個典型實例；而頻率 調(diào)制（FM

3、就是角度調(diào)制中被廣泛采用的一種。在線性調(diào)制系統(tǒng)中，文中將以調(diào) 幅（AM、雙邊帶（DSB和單邊帶（SSB為說明對象，從原理等方面進行分析 闡述并進行仿真分析；而在非線性調(diào)制中，以常用的調(diào)頻（FM和調(diào)相（PM）為說 明對象，說明其調(diào)制原理，并進行舉例仿真分析。利用MATLAB寸模擬調(diào)制系統(tǒng)進行仿真，將結(jié)合MATAL模塊和Simulink工具箱的實現(xiàn)，并對仿真結(jié)果進行分 析，從而更深入地掌握模擬調(diào)制系統(tǒng)的相關(guān)知識。矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。關(guān)鍵詞：MATLAB 調(diào)相（PM 調(diào)制解調(diào) 仿真 頻譜分析1課程設(shè)計目的12課程設(shè)計要求13相關(guān)知識14課程設(shè)計分析55仿真106結(jié)果分析147參考文獻14IIPCM

4、系統(tǒng)仿真程序設(shè)計1. 課程設(shè)計目的(1) 加深對PCM編碼基本理論知識的理解。(2) 培養(yǎng)獨立開展科研的能力和編程能力。(3) 掌握用MATLABS現(xiàn)信號的PCh編碼仿真(4) 掌握MATLA軟件的使用。2. 課程設(shè)計要求(1) 掌握PCM編碼的相關(guān)知識、概念清晰。(2) 掌握MATLAB使用方法，利用軟件繪制圖像(3) 程序設(shè)計合理、能夠正確運行。3. 相關(guān)知識3.1模擬通信系統(tǒng)簡介通信系統(tǒng)是為了有效可靠的傳輸信息，信息由信源發(fā)出，以語言、圖 像、數(shù)據(jù)為媒體，通過電(光)信號將信息傳輸，由信宿接收。通信系統(tǒng)又可 分為數(shù)字通信與模擬通信。信源是模擬信號，信道中傳輸?shù)囊彩悄M信號 的系統(tǒng)為模擬通

5、信。模擬通信系統(tǒng)的模型如圖1所示。聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈。圖1模擬通信系統(tǒng)模型3.2 PCM編碼的概念連忙個很小的條統(tǒng).用示波器觀察正弦倍號的平方的波形.in3-1所示 系統(tǒng)中所濫的模塊：止效波檢塊，示波器松塊.圖3.1-1 jES仿真電路3.3 MATLAB 簡介基本功能MATLAB是很實用的數(shù)學軟件它在數(shù)學類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值運算方面首屈一指。MATLA列以進行運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建 用戶界面、連接接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè) 計、信號處理與通訊、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。MATLAB勺基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程

6、中常用的形式十分相似，故用 MATLAB來解算問題要比用 C, FORTRAN!語言完成 相同的事情簡捷得多， 并且mathwork也吸收了像 Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲?MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。3.3.2 MATLAB 產(chǎn)品應(yīng)用MATLAB產(chǎn)品族可以用來進行以下各種工作:數(shù)值分析數(shù)值和符號計算工程與科學繪圖控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真數(shù)字信號處理技術(shù)通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真3.3.3 MATLAB 特點此

7、高級語言可用于技術(shù)計算此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進行管理交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計及求解問題二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面3.3.4 MATLAB系列工具優(yōu)勢（1）友好的工作平臺和編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空 間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB勺商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標準界面，人機交互性更

8、強，操作更簡單。而且新版本的matlaBS供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系 統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤 及進行出錯原因分析。彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。(2) 簡單易用的程序語言MATLAB-個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、 輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí) 行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應(yīng)用程序(M文件)后再一起運行。新版本的 MATLAE語言是基于最為流行的 C+語言基礎(chǔ)上的，因 此語法特征與 C+語言極為相似，而且更加簡單，更加符合

9、科技人員對數(shù) 學表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這 種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是MATLAB能夠深入到科學研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。(3) 強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力MATLAB!一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù) 學運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。 函數(shù)中所使用的算法都 是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常 情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他 初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。 廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。

10、3.4 SIMULINK 簡介SIMULINK是 MATLAB件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件 包，它與MATLA語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。在simulink環(huán)境中，利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地“畫” 出系統(tǒng)模型，然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口， 采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。而所謂模型化圖形輸入是指 SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng) 模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊

11、的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl檔進行存?。?，進而進行仿真與分析。SIMILINK模塊庫 按功能進行分類，包括以下8類子庫：Continuous （連續(xù)模塊），Discrete （離 散模塊），F(xiàn)unction&Tables （函數(shù)和平臺模塊），Math （數(shù)學模塊），Nonlin ear （非線性模塊），Signals&Systems （信號和系統(tǒng)模塊），Sinks （接收器模 塊），Sources （輸入源模塊）。鵝婭盡損鶴慘歷蘢鴛賴。4. 課程設(shè)計分析4.1 PCM編碼分析建立 個很小的系統(tǒng)，用示波潘

12、觀察正最f門;的平方的波形*如F8 3-1所示 聚統(tǒng)中所需的模決：正強波樓塊.示波器模塊K 3. 1-1匸弦仿貞電跖設(shè)高頻載波為uc =Ucm C0S3 ct，調(diào)制信號為U Q (t)，則調(diào)相信號的瞬時相位C+Kp (t)= 3 Ct+KpU Q (t) d瞬時角頻率 3 (t) =調(diào)相信號 uPM=Ucmcos3 Ct+K puQ (t)這里KPM稱為相移指數(shù)，這種調(diào)制方式，載波的幅度和角頻率不變，而瞬時相位偏移是調(diào)制信號f(t)的線性函數(shù)，稱為相位調(diào)制?；[叢媽羥為贍債蟶練淨調(diào)相與調(diào)(頻有著相當密切的關(guān)系我們知道相位與頻率有如下關(guān)系式:3 =dt = 3 C+KPMf(t) (t)= 2 d

13、t = 3 C t+K PM所以在調(diào)相時可以先將調(diào)制信號進行微分后在進行頻率調(diào)制， 這樣等效于調(diào) 相，此方法稱為間接調(diào)相，與此相對應(yīng)，上述方法稱為直接調(diào)相。調(diào)相信號的產(chǎn)預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。生如圖2-6所示：圖2-6 PM調(diào)相信號的產(chǎn)生實現(xiàn)相位調(diào)制的基本原理是使角頻率為 3 c的高頻載波uc(t)通過一個可控 相移網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相移 受調(diào)制電壓uQ (t)控制，滿足=Kp uQ (t)的 關(guān)系，所以網(wǎng)絡(luò)輸出就是調(diào)相信號，可控相移網(wǎng)絡(luò)調(diào)相原理圖如圖2-7所示：滲釤 嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。圖2-7可控相移網(wǎng)絡(luò)調(diào)相原理圖4.2 PM與FM的比較正弦波振湯器4血1可控相移網(wǎng)絡(luò)4UQ 4FM瞬時頻率：

14、(t o kFU (t)(2) 瞬時相位：t(t) = ot kF 0u(t)dto(3) 最大頻偏：m -kF | U (t)扁我尸5(4) 最大相位：mf =嘰=kF | 0 u/t)dt |= kF 英0max； i表達式：Ufm (t) =u cos (t)t=u cos ot kf 0u (t)dt ；=U cos國ot + 叮 sin Ot + 申o=U cos t mf sin t oPM(t) =o kp 如dt(t) =：t kpU(t)M m = kp I du$t) |max = k pU 淫mp - ：m 二 kp|U(t)|max 二 kpUUpm (t)二u cos

15、(t)=U cosf ot kpU(t):。二 U cosf ot kpUi COSto=U cosf ot mpcosito4.3幾種不同的模擬調(diào)制方式假定所有調(diào)制系統(tǒng)在接收機輸入端具有相等的信號功率，且加性噪聲都是均 值為0、雙邊功率譜密度為/2的高斯白噪聲，基帶信號帶寬為，在所有系統(tǒng)都滿 足鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。例如，為正弦型信號。綜合前面的分析，可總結(jié)各種模擬調(diào)制方式的信號帶寬、制度增益、輸出信噪比、設(shè)備（調(diào)制與解調(diào)）復雜程度、主要應(yīng)用等如下表所示。表中還進一步假設(shè)了 AM為100%調(diào)制。擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。調(diào)制方式信號帶寬制度増益設(shè)備復雜度主要應(yīng)用DSB2幾2中等；要求相干 解調(diào)，

16、常DSB 倍號一扭常輸一 個傭頻點對點的專用 通信，祇帶寬 信號多路復用 系統(tǒng)SSB幾1較大要求相干 解調(diào)，調(diào)制器也 較復雜短波無線電廣 播，話音頻分 多路通信SB略大于幾近似SSB近似SSB較大1要求相干 解調(diào)，調(diào)制器需 要對稱濾波數(shù)據(jù)傳輸：商 用電視廣播AM2人2313色較小1調(diào)制與解 調(diào)（包絡(luò)檢液）簡 單中短液無線電 廣播FM2阿+1）人3m（Kf+l）3丄馱 _ 那:一2 M中等；調(diào)制器有 點復雜，解調(diào)器 轉(zhuǎn)簡單微波中姒超 短液小功率電 臺庫帶八 衛(wèi)星通信、調(diào) 頻立體聲廣播（寬帶）4.4幾種模擬調(diào)制的性能比較就抗噪性能而言，WBFMR好，DSB SSB VSB次之，AM最差。NBFM與

17、AM 接近。圖3-33示出了各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能曲線，圖中的圓點表示門限點。門限點以下，曲線迅速下跌；門限點以上，DSB SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM( = 6)的信噪比比 AM高22dB贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。就頻帶禾I用率而言，SSB最好，VSB與SSB接近，DSB AM NBFM次之，WBFM 最差。4.5幾種模擬調(diào)制的特點及應(yīng)用AM調(diào)制的優(yōu)點是接收設(shè)備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾能力差，信 號帶寬較寬，頻帶利用率不高。因此， AM制式用于通信質(zhì)量要求不高的場合， 目前主要用在中波和短波的調(diào)幅廣播中。 壇搏鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。DSB調(diào)制的優(yōu)點是功率利用率高，但帶寬與 A

18、M相同，頻帶利用率不高，接 收要求同步解調(diào)，設(shè)備較復雜。只用于點對點的專用通信及低帶寬信號多路復用 系統(tǒng)。蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。SSB調(diào)制的優(yōu)點是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和抗選擇 性衰落能力均優(yōu)于AM而帶寬只有AM的一半；缺點是發(fā)送和接收設(shè)備都復雜。 SSB制式普遍用在頻帶比較擁擠的場合，如短波波段的無線電廣播和頻分多路復 用系統(tǒng)中。買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。FM波的幅度恒定不變，這使得它對非線性器件不甚敏感，給FM帶來了抗快衰落能力。利用自動增益控制和帶通限幅還可以消除快衰落造成的幅度變化效 應(yīng)。這些特點使得NBFM寸微波中繼系統(tǒng)頗具吸引力。 WBF的抗干擾能力強，可 以實現(xiàn)帶寬

19、與信噪比的互換，因而WBF廣泛應(yīng)用于長距離高質(zhì)量的通信系統(tǒng)中， 如空間和衛(wèi)星通信、調(diào)頻立體聲廣播、短波電臺等。WBFM勺缺點是頻帶利用率低，存在門限效應(yīng)，因此在接收信號弱、干擾大的情況下宜采用NBF M這就是小型通信機常米用 NBFM勺原因。綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。5. 仿真5.1傅里葉變換代碼%求傅里葉變換的子函數(shù)function M,m,df=fftseq(m,ts,df)fs=1/ts;if nargin=2 n 1=0;譎飴憂錦。else n 1=fs/df;endn 2=le ngth(m);n=2A(max( nextpow2( n1), nextpow2( n2);貓蠆驢繪燈鮒誅髏

20、貺廡。M=fft(m, n);m=m,zeros(1, n-n 2);df=fs/n;%nargin為輸入?yún)⒘康膫€數(shù) 驅(qū)躓髏彥浹綏%nextpow2(n)取n最接近的較大2次幕%M為信號m的傅里葉變換，n為快速傅里葉變換的點數(shù)，及基n-FFT變換鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。%構(gòu)建新的m信號%重新定義頻率分辨率%上述m文件以“ fftseq.m”保存5.2求信號相角的子函數(shù)代碼在實現(xiàn)相位解調(diào)時要調(diào)用兩個子函數(shù)，分述如下：%求信號相角的子函數(shù)，這是調(diào)頻、調(diào)相都要用到的方法fun cti on v,phi=e nv_phas(x,ts,fO) if n argout=2z=loweq(x,ts,fO);p

21、hi=a ngle(z);endv=abs(hilbert(x);話騖。%n argout為輸出變數(shù)的個數(shù)%產(chǎn)生調(diào)制信號的正交分量%an gle是對一個復數(shù)求相角的函數(shù)%abs用來求復數(shù) hilbert(x)的模構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦%上述m文件以“ env_phas.n”保存。5.3產(chǎn)生調(diào)制信號的正交分量fun cti on x1=loweq(x,ts,f0) t=0:ts:ts*(le ngth(x)-1); z=hilbert(x);輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。x1=z.*exp(-j*2*pi*f0*t);%希爾伯特變換對的利用-通過實部來求虛部%產(chǎn)生信號z的正交分量，%并將z信號與它的正交分量加

22、在一起%上述m文件以“ loweq.m”保存5.4主程序%主程序t0=0.2;ts=0.001;fs=1/ts;fc=300;t=-t0/2:ts:t0/2;kf=100;df=0.25;m=si n( 100*t);in t_m(1)=0;for i=1:le ngth(t)-1in t_m(i+1)=i nt_m(i)+m(i)*ts; endM,m,df1=fftseq(m,ts,df);嚌儼淒。M=M/fs;f=0:df1:df1*(le ngth(m)-1)-fs/2; u=cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*i nt_m);U,u,df1=fftseq(u,ts,df);癇

23、婦脛糴。U=U/fs;v,phase=e nv_phas(u,ts,fc); phi=un wrap(phase);dem=(1/(2*pi*kf)*(diff(phi)*fs);%信號的持續(xù)時間，用來定義時間向量%抽樣間隔%抽樣頻率%載波頻率,fc可以任意改變%時間向量%偏差常數(shù)%所需的頻率分辨率，用在求傅里葉變換時，它表示FFT的最小頻率間隔堯側(cè)閏繭絳闕絢勵蜆贅。%調(diào)制信號，m(t)可以任意更改%求信號m(t)的積分%對調(diào)制信號m(t)求傅里葉變換 識饒鎂錕縊灩筧%縮放，便于在頻譜圖上整體觀察%時間向量對應(yīng)的頻率向量%調(diào)制后的信號%對調(diào)制后的信號u求傅里葉變換凍鈹鋨勞臘錯%縮放%通過調(diào)用子程序env_phas和loweq來實現(xiàn) 解調(diào)功能%解調(diào)，求出u的相位%校正相位角，使相位在整體上連續(xù)，便于 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。后面對該相位角求導%對校正后的相位求導%再經(jīng)一些線性變換來恢復原調(diào)制信號subplot