基于Matlab的窄帶調(diào)制設(shè)計

1、目錄第一章 緒論21.1設(shè)計目的及意義21.2設(shè)計要求21.3設(shè)計內(nèi)容3第二章Simulink介紹42.1 Matlab介紹42.2 Simulink介紹4第三章 二進(jìn)制振幅控件系統(tǒng)設(shè)計63.1 2ASK的調(diào)制及解調(diào)原理63.1.1 調(diào)制原理63.1.2 解調(diào)原理83.2 2ASK仿真93.2.1 2ASK調(diào)制電路仿真93.2.2 2ASK解調(diào)仿真103.3 結(jié)果分析11第四章 二進(jìn)制頻移鍵控系統(tǒng)設(shè)計124.1 2FSK的調(diào)制和解調(diào)原理及方法124.1.1 調(diào)制原理及方法124.1.2 解調(diào)原理及方法134.2 2FSK的仿真14第五章 課程設(shè)計總結(jié)19參考文獻(xiàn)20附錄I21附錄II26第一章

2、 緒論1.1設(shè)計目的及意義本次設(shè)計主要對Simulink為基礎(chǔ)平臺，對數(shù)字頻帶信號的2ASK、2FSK的調(diào)制和解調(diào)進(jìn)行仿真，對數(shù)字傳輸系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)原理深入學(xué)習(xí)，并對基帶進(jìn)行電路設(shè)計和建模仿真。通過本設(shè)計使學(xué)生更好的掌握數(shù)字通信原理的調(diào)制和解調(diào)的原理，同時具備Matlab仿真和建模的能力和數(shù)字電路設(shè)計的能力。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的具體要求，掌握軟件設(shè)計、調(diào)試的具體方法、步驟和技巧。 對一個實際課題的軟件設(shè)計有基本了解，能進(jìn)一步掌握高級語言程序設(shè)計基本概念， 掌握基本的程序設(shè)計方法，拓展知識面，激發(fā)在此領(lǐng)域中繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究的興趣，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程做準(zhǔn)備。 本次課程設(shè)計介紹了數(shù)字通信系統(tǒng)中常見的2ASK、

3、2FSK調(diào)制原理，調(diào)制方法，給出它的計算公式，原理框圖。對2ASK信號用相干解調(diào)法進(jìn)行了解調(diào)，對2FSK用非相干解調(diào)法進(jìn)行了解調(diào)。最后并用Simulink對2ASK調(diào)制系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)，2FSK調(diào)制系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)分別進(jìn)行了仿真，做出實驗總結(jié)。 在仿真軟件設(shè)計中采用了Mathworks公司的Matlab作為仿真工具,其仿真平臺Simulink具有可視化建模和動態(tài)仿真的功能用Simulink構(gòu)造仿真系統(tǒng)方法簡單直觀開發(fā)的仿真系統(tǒng)使用時間流動態(tài)仿真可以準(zhǔn)確描述真實系統(tǒng)的每一細(xì)節(jié)并且在仿真進(jìn)行的同時具有較強的交互功能易于使用另外該軟件還具有較好的可擴展性和可維護性。1.2設(shè)計要求1)基本要求：(1)學(xué)習(xí)

4、Simulink仿真軟件：驗證實驗結(jié)果；(2)對需要仿真的通信系統(tǒng)各功能模塊的工作原理進(jìn)行分析；(3)提出系統(tǒng)的設(shè)計方案，選用合適的模塊；(4)對所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對仿真過程進(jìn)行屏幕錄像；(5)結(jié)合實驗箱的試驗對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。2)課程設(shè)計論文編寫要求:(1)要按照設(shè)計報告的規(guī)格打印；(2)課程設(shè)計包括目錄、緒論、正文；(3)裝訂按學(xué)校的統(tǒng)一要求完成。1.3設(shè)計內(nèi)容 用數(shù)字基帶信號改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某個參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。也可以用數(shù)字基帶信號同時改變正弦型載波幅度、頻率或相位中的某幾個參數(shù)，產(chǎn)生新型的數(shù)字調(diào)制。 本課程設(shè)計旨在根據(jù)所

5、學(xué)的通信原理知識，并基于MATLAB軟件，設(shè)計一2FSK 數(shù)字通信系統(tǒng)。2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)，即頻移鍵控的數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)?？梢曰贛ATLAB仿真軟件以及Simulink仿真環(huán)境設(shè)計該系統(tǒng)。頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。因此，一個2FSK信號的波形可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加?？梢岳妙l率的變化傳遞數(shù)字基帶信號，通過調(diào)制解調(diào)還原數(shù)字基帶信號，實現(xiàn)課程設(shè)計目標(biāo)。本次課程設(shè)計就是讓學(xué)生在掌握數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和Matlab編程和知識上的基礎(chǔ)之上，利用Matlab實現(xiàn)2ASK和2FSK的調(diào)試。熟

6、悉Simulink建模；設(shè)計2ASK數(shù)字調(diào)制器，完成對調(diào)制和解調(diào)的仿真電路設(shè)計；設(shè)計2ASK數(shù)字解調(diào)器，完成對2FSK調(diào)制解調(diào)的仿真電路設(shè)計。第二章Simulink介紹2.1 Matlab介紹 Simulink是Matlab中的一部分，首先簡單介紹一下Matlab。Matlab是Matrix Laboratory的縮寫，意為矩陣實驗室。它具有強大的矩陣處理功能和繪圖功能，進(jìn)還能進(jìn)行文字處理，繪圖，建模仿真等功能。Matlab已經(jīng)發(fā)展成為多學(xué)科、多種工作平臺的功能強大的大型軟件。 Matlab的幫助功能很強大，自帶有詳細(xì)的幫助手冊，基于HTML的完整的幫助功能，也可以用help命令來得到幫助信息

7、。程序語法與C語言類似，設(shè)計自由度大，方便我們編程。Matlab有高級的程序環(huán)境，但程序環(huán)境很簡單易用。Matlab源程序具有很大的開放性。Matlab有強大的的圖形繪制功能。Matlab還擁有功能強大的各種工具箱。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高，精，尖的研究，能極大地促進(jìn)我們的學(xué)習(xí)研究工作。2.2 Simulink介紹 Simulink是Matlab中一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。Simulink提供了一種圖形化的交互環(huán)境來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)，只需用鼠標(biāo)拖動的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型

8、，甚至不需要編寫一行代碼。使用簡單方便。 Simulink框圖提供了交互性很強的仿真環(huán)境，既可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過命令行進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真如蒙特卡羅仿真非常有用。Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB、FORTRAN和C代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進(jìn)來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進(jìn)行更高級的系統(tǒng)設(shè)計、仿真與分析。 Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB、FORTRAN和C代碼生成自定義模

9、塊庫，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進(jìn)來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進(jìn)行更高級的系統(tǒng)設(shè)計、仿真與分析。 由于Simulink可以直接利用MATLAB的諸多資源與功能，因而用戶可以直接在Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級的設(shè)計和分析能力可以融入仿真過程。 Simulink具有以下特點：(1) 基于矩陣的數(shù)值計算。 (2) 高級編程語言。(3) 圖形與可視化。第三章 二進(jìn)制振幅控件系統(tǒng)設(shè)計3.1 2ASK的調(diào)制及解調(diào)原理3.1.1 調(diào)制原理 在振幅鍵控中載波幅度是隨著基帶信號的變化而變化的。使載波在二

10、進(jìn)制基帶信號1或0的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無來代表信號中的“1”或“0”，這樣就可以得到2ASK信號，這種二進(jìn)制振幅鍵控方式稱為通斷鍵控（OOK）。一個二進(jìn)制的振幅鍵控信號可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦型載波的相乘，即： 這里，g(t)是持續(xù)時間為Ts的矩形脈沖，而的取值服從下述關(guān)系： 則： 2ASK信號的產(chǎn)生方法比較簡單。首先，因2ASK信號的特征是對載波的“通斷鍵控”，用一個模擬開關(guān)作為調(diào)制載波的輸出通/斷控制門，由二進(jìn)制序列控制門的通斷，1時開關(guān)導(dǎo)通；0時開關(guān)截止，這種調(diào)制方式稱為通斷鍵控法。其次，2ASK信號可視為S(t)與載波的乘積，故用模擬乘法器實現(xiàn)2ASK調(diào)

11、制也是很容易想到的另一種方式，稱其為乘積法或模擬幅度調(diào)制法。如圖3.1和3.2所示。圖3.1 模擬幅度調(diào)制方法圖3.2 鍵控方法通過調(diào)制生成的2ASK波形如圖3.3所示： 圖3.3 2ASK信號時域波形3.1.2 解調(diào)原理 ASK信號有兩種基本的解調(diào)方式：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測法）。相應(yīng)的原理框圖如圖3.4、3.5所示。圖3.4 非相干解調(diào)原理框圖圖3.5 相干解調(diào)原理框圖 二進(jìn)制振幅鍵控方式是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的，也是最簡單的。這種方法最初用于電報系統(tǒng)，但是抗噪聲能力比較差，因此在數(shù)字通信中使用的不多。但是它是研究其他數(shù)字調(diào)制方式的基礎(chǔ)，因此應(yīng)該熟悉它。3.2 2ASK

12、仿真3.2.1 2ASK調(diào)制電路仿真在設(shè)計完電路后對電路的原理進(jìn)行仿真測試，點擊Start simulation按鈕即可開始仿真，然后雙擊示波器就可以看見波形。2ASK調(diào)制結(jié)果如圖3.6到3.8所示：圖3.6 正弦波圖3.7 2ASK波形圖3.8 基帶波形3.2.2 2ASK解調(diào)仿真 2ASK解調(diào)電路仿真方法同調(diào)制電路，結(jié)果如圖3.9到3.12：圖3.9 2ASK波形圖3.10 低通濾波后波形圖3.11 抽樣判決后波形3.3 結(jié)果分析 在調(diào)制結(jié)果波形中，在基帶波形為1的地方，對應(yīng)的2ASK波形有和載波相同的正弦波，基帶波形為0處，對應(yīng)的2ASK波形也為0，符合二進(jìn)制振幅鍵控的特點，說明該電路實

13、現(xiàn)了2ASK波形的調(diào)制。 從解調(diào)結(jié)果波形，可以看出，2ASK波形經(jīng)過與載波相乘，低通濾波后，已經(jīng)有了基帶波形的大致形狀，但是有很多紋波，再經(jīng)過抽樣量化之后，就能調(diào)制出基帶波形了。調(diào)制后波形和調(diào)制前一樣，說明電路工作正常。第四章 二進(jìn)制頻移鍵控系統(tǒng)設(shè)計4.1 2FSK的調(diào)制和解調(diào)原理及方法4.1.1 調(diào)制原理及方法頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息，而其振幅保持不變。在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在和兩個頻率點之間變化。其表達(dá)式為： 圖4.1 2FSK信號時間波形 由圖可見，2FSK信號的波形（a）可以分解為波形（b）和波形（c）,也就是說，一個2FSK信號可以看成是兩個不同載

14、頻的2ASK信號的疊加。4.1.2 解調(diào)原理及方法2FSK信號的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制法（相乘器法）和鍵控法，相應(yīng)的調(diào)制器如圖4.2。圖（a）就是一般的模擬幅度調(diào)制的方法，用乘法器實現(xiàn)；圖（b）是一種數(shù)字鍵控法，其中的開關(guān)電路受s(t)控制。圖4.2 2FSK調(diào)制框圖2FSK信號有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測法），相應(yīng)的接收系統(tǒng)方框圖如圖：(a) 非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）（b）相干解調(diào)（同步檢波）圖4.3 2FSK信號的接收系統(tǒng)組成方框圖4.2 2FSK的仿真1、2FSK信號調(diào)制圖如圖4.4所示。圖4.4 2FSK調(diào)制圖Token8為隨機數(shù)字信號，F(xiàn)=3

15、0Hz,A=500e-3,Token9為延遲，Token7,12為載波信號，頻率和幅度分別為：75Hz,1V;150Hz,1V，Token10,13,14,15為觀測點，且Token 14輸出為2FSK調(diào)制信號；Token10輸出：Token13輸出：Token15: 2FSK調(diào)制信號（Token14輸出）:22FSK信號解調(diào)的仿真如圖3.1為2FSK信號的非相干解調(diào)電路，輸入隨機數(shù)字信號頻率為10Hz,載波分別為90H和120Hz,Token0,1,3,15,20,32組成2FSK調(diào)制電路，Token4,5,24,25,12,27,28,29,14,10組成2FSK信號非相干解調(diào)電路。Tok

16、en4為加法器，Token24,27帶通濾波器，25，28為全流整波器，12，29為低通濾波器，14為抽樣判決器，10和32為觀測分析點。Token32:2FSK非相干解調(diào)輸出：上圖為非相干解調(diào)法得到的輸出波形，可見其與輸入波形出入不大。第五章 課程設(shè)計總結(jié) 通過實驗，基本掌握了Simulink的基本功能和使用方法，對數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)有了一定的了解，加深了對2ASK和2FSK信號的調(diào)制原理的認(rèn)識，理解了如何對他們進(jìn)行解調(diào)，掌握了2ASK信號相干解調(diào)法和2FSK非相干解調(diào)法，通過使用Simulink仿真，對個調(diào)制和解調(diào)電路中各元件的特性有了較為全面的理解。 對于2ASK信號，由調(diào)制時通過仿真所得

17、結(jié)果可知，調(diào)制信號變化規(guī)律與輸入隨機數(shù)字信號基本一致，只是調(diào)制信號存在一定的相位差，表明載波信號和隨機信號參數(shù)設(shè)置符合要求。在解調(diào)系統(tǒng)中，由仿真結(jié)果可知，輸入隨機數(shù)字信號與相干解調(diào)輸出信號變化規(guī)律完全一致，不存在相位差等，表明參數(shù)設(shè)置正確。 對于2FSK信號，在調(diào)制時，由仿真結(jié)果可知，調(diào)制信號變化規(guī)律與輸入隨機數(shù)字信號基本一致，也存在一定相位差，但這是允許的。在解調(diào)時，由仿真結(jié)果可知，非相干解調(diào)輸出信號與輸入數(shù)字隨機信號變化規(guī)律幾乎是一致的，但是由于通信系統(tǒng)往往存在碼間串?dāng)_和噪聲干擾，使解調(diào)系統(tǒng)的輸出與輸入隨機信號有些差別，但這是允許的。通過進(jìn)行設(shè)計我發(fā)現(xiàn)，沒有熟悉的理論知識搞設(shè)計是困難的。在

18、設(shè)計每一步時，必須搞清楚每一步是干什么的，怎么進(jìn)行，這些都需要理論進(jìn)行指導(dǎo)。當(dāng)哪一步不會弄時，我就去查書，將書中的理論細(xì)細(xì)研讀，這樣通過本課程設(shè)計我又把書中相關(guān)的部分細(xì)細(xì)看了幾遍，對書中的理論有了更深的認(rèn)識。因為多次調(diào)試，結(jié)果越來越接近理論情況下的結(jié)果，可見實驗其實就是對理論的驗證。所以，清楚地掌握理論是進(jìn)行設(shè)計的關(guān)鍵步驟。 本課程設(shè)計只是在數(shù)字通信系統(tǒng)下的軟件系統(tǒng)仿真，若放在實際環(huán)境中肯定有許多需要改進(jìn)的地方，甚至根本行不通。因為理論下的設(shè)計是基于理想的環(huán)境中的，現(xiàn)實中的環(huán)境充滿干擾因素，如噪聲并非理想化的高斯白噪聲、信源及信道本身存在系統(tǒng)誤差、濾波器不可能實現(xiàn)理想化等等。所以，若要將系統(tǒng)應(yīng)

19、用于現(xiàn)實世界，還需要根據(jù)具體的環(huán)境改進(jìn)該系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1曹弋，MATLAB教程及實訓(xùn)，機械工業(yè)出版社，2008.5 2李賀兵，Simulink通信仿真教程，國防工業(yè)出版社，2006.5 3劉波、文忠、曾涯，MATLAB信號處理，電子工業(yè)出版社，2006.14施陽、嚴(yán)衛(wèi)生、李俊、鄭會永，MATLAB語言精要及動態(tài)仿真工具SIMULINK，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998，67815丁玉美、高西全、彭學(xué)愚，數(shù)字信號處理，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994，265268附錄I1、function y=snrz(x)%本函數(shù)實現(xiàn)將輸入的一段二進(jìn)制代碼編為相應(yīng)的單極性非歸零碼輸出%輸入x為二進(jìn)制碼

20、，輸出y為編出的單極性非歸零碼t0=300;t=0:1/t0:length(x);for i=1:length(x) if(x(i)=1) for j=1:t0 y(i-1)*t0+j)=1; end else for j=1:t0 y(i-1)*t0+j)=0; end endend y=y,x(i); M=max(y); m=min(y); subplot(2,1,1) plot(t,y);grid on axis(0,i,m-0.1,M+0.1); %使用title命令標(biāo)記各碼元對應(yīng)的二元信息 title(1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1);2、function y=srz

21、(x)%本函數(shù)實現(xiàn)將輸入的一段二進(jìn)制代碼編為相應(yīng)的單極性歸零碼輸出%輸入x為二進(jìn)制碼，輸出y為編出的單極性歸零碼t0=200;t=0:1/t0:length(x);for i=1:length(x) if(x(i)=1) for j=1:t0/2 y(t0/2*(2*i-2)+j)=1; y(t0/2*(2*i-1)+j)=0; end else for j=1:t0/2 y(t0*(i-1)+j)=0; end endend y=y,x(i); M=max(y); m=min(y); subplot(211) plot(t,y); grid on; axis(0,i,m-0.1,M+0.1)

22、; %使用title命令標(biāo)記各碼元對應(yīng)的二元信息3、function y=dnrz(x)t0=300;t=0:1/t0:length(x);for i=1:length(x) if (x(i)=1) for j=1:t0 y(i-1)*t0+j)=1; end else for j=1:t0 y(i-1)*t0+j)=-1; end endendy=y,x(i);M=max(y);m=min(y);subplot(211);plot(t,y);grid on;axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title(1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1);4、function y=dr

23、z(x)t0=300;t=0:1/t0:length(x);for i=1:length(x) if (x(i)=1) for j=1:t0/2 y(t0/2*(2*i-2)+j)=1; y(t0/2*(2*i-1)+j)=0; end else for j=1:t0/2 y(t0/2*(2*i-2)+j)=-1; y(t0/2*(2*i-1)+j)=0; end endendy=y,x(i);M=max(y);m=min(y);subplot(211);plot(t,y);grid on;axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title(1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1)

24、;5、function askdigital(s,f)t=0:2*pi/99:2*pi;cp=;mod=;bit=;for n=1:length(s);if s(n)=0;cp1=zeros(1,100);bit1=zeros(1,100);else s(n)=1;cp1=ones(1,100);bit1=ones(1,100);endc=sin(f*t);cp=cp cp1;mod=mod c;bit=bit bit1;end ask=cp.*mod;subplot(2,1,1);plot(bit,LineWidth,1.5);grid on;ylabel(Binary Singal);axis(0 100*length(s) -2.5 2.5);subplot(2,1,2);plot(ask,LineWidth,1.5);grid on;ylabel(ASK modulation);axis(0 100*length(s) -2.5 2.5);6、function fskdigital(s,f0,f1)t=0:2*pi/99:2*pi;cp=;mod=;bit=;for n=1