通信原理课程设计基于MATLAB的二进制数字系统的调制包括2ask2fsk2psk2dpskWord格式.docx

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论文中介绍了《通信原理》课程中数字频带传输系统的工作原理MATLAB软件M文件实现产生数字基带信号及对其进行四种方式的调制解调的系统仿真

关键词数字传输系统MATLAB软件

引言1

1MATLAB简介1

2二进制数字调制系统的原理及实现2

21二进制振幅键控2

com调制原理2

com解调原理3

com果及分析4

22二进制移频键控4

com调制原理5

com解调原理6

com果及分析6

23二进制相移键控8

com调制原理8

com解调原理9

com果及分析9

24二进制差分相移键控10

comK调制原理11

comK解调原理11

com果及分析12

3心得体会13

谢辞15

参考文献16

附录17

引言

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

本文利用MATLAB软件来仿真二进制数字调制系统包括2ASK2FSK2PSK2DPSK调制解调过程

Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室MatrixLaboratory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但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作

Matlab将高性能的数值计算和可视化集成在一起并提供了大量的内置函数从而被广泛地应用于科学计算控制系统信息处理等领域的分析仿真和设计工作而且利用Matlab产品的开放式结构可以非常容易地对Matlab的功能进行扩充从而在不断深化对问题认识的同时不断完善Matlab产品以提高产品自身的竞争能力

利用M语言还开发了相应的Matlab专业工具箱函数供用户直接使用这些工具箱应用的算法是开放的可扩展的用户不仅可以查看其中的算法还可以针对一些算法进行修改甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能目前Matlab产品的工具箱有四十多个分别涵盖了数据获取科学计算控制系统设计与分析数字信号处理数字图像处理金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域

2二进制数字调制系统的原理及实现

数字通信系统按调制方式可以分为基带传输和带通传输数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率如0～6M低频段因而在很多实际的通信如无线信道中就不能直接进行传输需要借助载波调制进行频谱搬移将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传输这种传输方式称为数字信号的频带传输或调制传输载波传输所谓调制是用基带信号对载波波形的某参量进行控制使该参量随基带信号的规律变化从而携带消息对数字信号进行调制可以便于信号的传输实现信道复用改变信号占据的带宽改善系统的性能

数字基带通信系统中四种基本的调制方式分别称为振幅键控ASKAmplitude-Shiftkeying移频键控FSKFrequency-Shiftkeying移相键控PSKPhase-Shiftkeying和差分移相键DPSKDifferentPhase-Shiftkeying本次课程设计对这四种调制方式进行了仿真

21二进制振幅键控

本次设计采用的流程图如图2-1所示

图-12ASK调制解调框图

St为单极性数字基带信号由于调制信号只有0或1两个电平相乘的结果相当于将载频或者关断或者接通它的实际意义是当调制的数字信号1时传输载波当调制的数字信号为0时不传输载波2ASK信号的时间波形e2ASKt随二进制基带信号St通断变化所以又被称为通断键控信号典型波形如图2-2所示

图2-2典型2ASK波形

e2ASKt为已调信号它的幅度受st控制也就是说它的幅度上携带有st的信息2ASK信号的产生方法通常有两种模拟调制法相乘器法和键控法模拟调制法就是用基带信号与载波相乘进而把基带信号调制到载波上进行传输键控法由st来控制电路的开关进而进行调制两种方法的调制如图2-3和图2-4所示

图-3模拟调制法相乘器法

图-4键控法

2ASK有两种基本解调方法相干解调法同步检测法和非相干解调法包络检波法相干解调需要将载频位置的已调信号频谱重新搬回原始基带位置因此用相乘器与载波相乘来实现相乘后的信号只要滤除高频部分就可以了为确保无失真还原信号必须在接收端提供一个与调制载波严格同步的本地载波这是整个解调过程能否顺利完好进行的关键本次设计采用相干解调法两种解调原理图如图2-5和图2-6所示

图-5相干解调法同步检测法

图-6非相干解调法包络检波法

通过编写M文件程序见附录产生随机信号按图2-1顺序对每一模块编程后程序中注有需注意语句及解释运行程序实现2ASK的调制与解调过程本次设计采用模拟调制法相乘器法和相干解调法仿真后调制过程及解调过程的图形分别如图2-7和图2-8所示

图2-2ASK调制过程仿真图

图2-2ASK解调过程仿真图

图2-92FSK调制解调框图

comFSK调制原理

一个FSK信号可以看成是两个不同载波的2ASK信号的叠加其解调和解调方法和FSK差不多2FSK信号的频谱可以看成是f1和f2的两个2ASK频谱的组合

频移键控是利用载波的频率来传递数字信号在2FSK中载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的在2FSK中载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化故其表达式为

典型波形如图2-10所示

图2-102FSK典型波形图

2FSK的调制方式有两种即模拟调频法和键控法本次设计采用键控法键控法中可以用二进制1来对应于载频f1而0用来对应于另一频率f2而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源f1f2进行选择通键控法原理图如图2-11示

图2-112FSK键控法原理图

comFSK解调原理

2FSK的解调方式有两种相干解调方式和非相干解调方式非相干解调是经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f1f2滤出不需要的信号然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲最后解调出来的信号就是调制前的输入信号其原理图如图2-12所示

图2-122FSK非相干解调原理图

相干解调是根据已调信号由两个载波f1f2调制而成则先用两个分别对f1f2带通的滤波器对已调信号进行滤波然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1f2相乘进行相干解调再分别低通滤波用抽样信号进行抽样判决器即可原理图如图3-14所示

图2-132FSK相干通过编写M文件程序见附录产生随机信号按com每一模块编程后程序中注有需注意语句及解释运行程序实现2FSK的调制与解调过程本次设计中采用键控法调制法和相干解调法

仿真后调制过程及解调过程的图形分别如图2-14图2-15和图2-16所示

由图可以看出产生的随机信号为1011001001经过反相产生反码并分别与两个载波相乘经过加入随机噪声后波形如图2-15所示在解调时分别与对应的载图2-142FSK键控法调制过程仿真图

图2-152FSK键控法调制过程仿真图

图2-162FSK相干解调过程仿真图

图2-172PSK调制解调框图

2PSK信号2PSK信号调制有两种方法即模拟调制法和键控法通常用已调信号载波的0°

和180°

分别表示二进制数字基带信号的1和0模拟调制法用两个反相的载波信号进行调制2PSK以载波的相位变化作为参考基准的当基带信号为0时相位相对于初始相位为0°

当基带信号为1时相对于初始相位为180°

键控法是用载波的相位来携带二进制信息的调制方式通常用0°

和180°

来分别代表0和1其时域表达式为

其中2PSK的调制中an必须为双极性码本次设计中采用模拟调制法两种方法原理图分别如图2-18和图2-19所示

图2-18模拟调制法原理图

图2-19键控法原理图

图2-202PSK的相干解调原理图

图2-21相干解调中各点波形图

通过编写M文件程序见附录产生随机信号按流程图2-17所示顺序对每一模块编程后程序中注有需注意语句及解释运行程序实现2PSK的调制与解调过程本次设计采用模拟调制法和相干解调法仿真后调制过程及解调过程的图形分别如图2-22和图2-23示

图2-222PSK模拟调制方法过程仿真图

图2-232PSK相干解调过程仿真图

图2-242DPSK调制解调框图

二进制差分相移键控2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息假设前后相邻码元的载波相位差为可定义一种数字信息与之间的关系为

为前一码元的相位

图2-252DPSK调制原理框图

2DPSK信号解调有相干解调方式和差分相干解调用差分相干解调这种方法解调时不需要恢复本地载波只要将DPSK信号精确地延迟一个码元时间间隔然后与DPSK信号相乘相乘的结果就反映了前后码元的相对相位关系经低通滤波后直接抽样判决即可恢复出原始的数字信息而不需要在进行差分解码

相干解调码变换法及相干解调法的解调原理是先对2DPSK信号进行相干解调恢复出相对码再通过码反变换器变换为绝对码从而恢复出发送的二进制数字信息

在解调过程中若相干载波产生相位模糊解调出的相对码将产生倒置现象但是经过码反变换器后输出的绝对码不会发生任何倒置现象从而解决了载波相位模糊的问题本次设计采用相干解调两种解调方式的原理图如图2-26和图2-27所示

2DPSK相干解调各点波形图如图2-28所示

图2-262DPSK差分相干解调原理图

图2-282DPSK相干解调各点波形图

com仿真结果及分析

通过编写M文件程序见附录产生随机信号按流程图2-24所示顺序对每一模块编程后程序中注有需注意语句及解释本次设计采用相干解调法运行程序实现2DPSK的调制与解调过程仿真后调制过程及