精品基于Matlab的数字通信系统调制解调研究毕业论文设计Word下载.docx
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作者签名:
二〇年月日
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作者签名:
基于Matlab的数字通信系统调制解调研究
摘要
当今，随着通信技术日新月异的发展，尤其是数字通信的快速普及，使得通信技术日新月异。
现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好，因此通信系统也日趋复杂。
在各种通信系统的设计研发环节中，软件仿真已成为必不可少的部分。
应用Matlab＼Simulink的计算机仿真具有经济、安全、可靠、编程简易以及实验周期短等特点。
因此，本文就以Matlab为软件平台，利用其通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，尤其是Matlab语言的Simulink动态系统仿真软件包，对数字调制解调系统进行仿真，并且对仿真结果进行误差分析，从而对现代数字通信有更加明确的认识和直观的了解。
重点对2ASK、2PSK、2FSK进行性能比较，在实际通信系统中，根据具体情况选择最合适的调制方式，进一步促进数字通信的发展。
本文首先介绍了课题研究的背景和进行数字通信仿真的意义，然后介绍对数字通信系统进行仿真所使用的Matlab＼Simulink软件以及这些软件在使用时的注意事项和采用的一些方法，随后又介绍了数字调制系统的原理并据此进行数字调制解调系统的仿真，最后对仿真结果进行误差分析，对设计进行总结归纳。
关键词：
数字通信系统；
调制解调；
Matlab；
Simulink；
仿真
ResearchofModulationandDemodulationinDigitalCommunicationSystemBasedontheMatlab
Abstract
Nowadays,withtherapiddevelopmentofcommunicationtechnology,especiallytherapidspreadofthedigitalcommunication,makescommunicationtechnologyisdevelopingrapidly.Moderncommunicationsystemrequirementscommunicationdistance,communicationcapacity,transmissionqualityisgood,becausethiscommunicationsystemhasbecomemoreandmorecomplex.Inallkindsofcommunicationsystemdesignr&
dlink,thesoftwarehasbecomeanindispensablepartof.Applicationofcomputersimulation,SimulinkMatlabhaseconomic,safe,reliable,easyprogrammingandthecycleisshort,etc.
Therefore,thispaperisusingMatlabsoftwareplatform,Useitscommunicationtoolboxandsignalprocessingtoolboxmodule,especiallyMatlablanguagedynamicsystemsimulationsoftwarepackageofsimulinkondigitaldemodulationsystem,andsimulationresultsofsimulationanderroranalysis,andthemoderndigitalcommunicationhavemoreexplicitrecognitionandintuitiveunderstanding.Emphasison2ASK,2PSK,2FSKperformancecomparison,inactualcommunicationsystem,accordingtothespecificcircumstancestoselectthemostappropriatemodulationmode,andfurtherpromotethedevelopmentofdigitalcommunication.
Thispaperfirstlyintroducesthebackgroundofthesubjectresearchandthemeaningofdigitalcommunicationsimulation,andthenintroducedtodigitalcommunicationsystemsimulationofMatlab/Simulinkusedbythesoftwareusedinthesoftwareandthemattersneedingattentionandsomemethodsused,thenintroducesdigitalmodulationsystemandbasedontheprincipleofdigitaldemodulationsystemsimulation,finallytheresultsforerrorwasanalyzed,thedesignwassummarized,summedupinthedigitaldemodulationofthesimulationtothemattersofattentionwhen,totheaspectsoflearningandprovidesomereferenceforresearchersandtheirownexperience.
Keywords：
Digitalcommunicationsystem；
Demodulation；
Simulation
第一章绪论1
1.1研究的目的和意义1
1.1.1研究目的1
1.1.2研究意义2
1.2国内外研究现状2
第二章仿真的意义和仿真软件4
2.1仿真的意义4
2.2仿真软件Matlab简介4
2.3Simulink简介6
2.4Matlab与Simulink的联系6
第三章数字通信系统7
3.1数字通信系统的概念7
3.2数字通信系统的组成7
3.3通信系统的分类与通信方式8
第四章信号的调制与解调10
4.1调制的意义和类别10
4.2模拟信号的调制与解调11
4.2.1幅度调制11
4.2.2角度调制13
4.3数字信号的调制与解调14
4.3.1数字频率调制14
4.3.2数字相位调制15
4.3.3正交振幅调制17
第五章系统设计与仿真19
5.12ASK信号的调制与解调19
5.1.12ASK信号调制仿真19
5.1.22ASK信号解调仿真21
5.22FSK信号的调制与解调23
5.2.12FSK信号调制仿真23
5.2.22FSK信号解调仿真26
5.32PSK信号的调制与解调28
5.3.12PSK信号调制仿真28
5.3.22PSK信号解调仿真30
结论33
参考文献34
谢辞35
第一章绪论
1.1研究的目的和意义
信息是一种资源，通过广泛的传播与交流，能促进社会成员之间的合作，推动生产力的发展和社会的进步。
在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”，因此人们对信息传递的速度、质量等要求也越来越高。
现代通信可以分为模拟通信和数字通信两类，与模拟通信相比，数字通信具有抗干扰能力强、噪声不积累、传输差错可控、易于集成和加密、便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换和储存等优点，而其缺点相比其优点来说则不重要，因此数字通信的应用必将越来越广泛。
作为现代通信系统的关键技术之一的调制解调技术是人们重点研究的方向。
应用Matlab＼Simulink的计算机仿真具有经济、安全、可靠、编程简易以及实验周期短等特点，因此基于Matlab的数字通信系通调制解调研究具有重要意义。
1.1.1研究目的
二进制数字信号调制最基础的三个方面是二进制振幅键控2ASK、二进制频移键控2FSK和二进制相移键控2PSK，由于2PSK体制中存在相位不确定性，又发展出差分相移键控2DPSK。
ASK是一种应用最早的基本调制方式，优点是设备简单，频谱利用率较高，但它也是受噪声影响最大的调制技术，抗噪声性能差。
2FSK在数字通信中应用较为广泛，优点是抗干扰能力强，不受信道参数变化的影响，但其占用频带较宽，频带利用率较低。
PSK和DPSK是高传输效率的调制方式，其抗噪声能力比ASK和FSK都要好而且不易受信道特性变化的影响，但2PSK系统会出现倒π现象，实际中很少采用，而多采用差分相移键控DPSK[1]。
通过此次的调制与解调仿真，使我们对2ASK、2FSK、2PSK调制与解调的工作原理以及Simulink软件有了比较深刻的认识和了解。
进而改善这几种数字调制方式在实际应用中存在的如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等不足之处。
1.1.2研究意义
对数字通信系统仿真的意义在于促进了信息技术与此方面知识的整合，同时对在一定程度上克服仪器设备的不足，构造、组合新型通信系统，根据实际情况选择合适的调制方式，加强使用者的综合素质也具有重要意义。
本课题根据现代数字通信发展具体实际情况，对数字信号在传输过程中的调制解调过程利用Matlab/Simulink软件进行设计和仿真。
加深对数字通信系统的认识，提前了解信号在传输过程中可能遇到的问题，从而及早采用适当的方法加以预防和克服，使得通信系统在实际应用中运行的更为顺利，更好的保重人们能及时的发出和收到可靠、安全、高质量的信息。
同时通过发现和解决数学通信系统在仿真中遇到的棘手的问题，促进国际通信技术的发展。
1.2国内外研究现状
近几年，通信技术飞速发展，从二十世纪九十年代初以来，全球向信息密集的工作方式和生活方式转变。
从传统的电话、电报、电视、收音机到如今的移动电话、传真、卫星通信，这些通信方式使数据和信息的传递速率得到很大的提高。
在设计数字传输系统时，调制技术作为实现高效通信的关键问题，是通信技术中研究的重点之一。
随着科技的发展，现代调制技术在模拟电话网络、卫星通信、蜂窝移动通信、视频广播系统、宽带接入网等方面都取得了迅速的发展。
电话网络是最为普及而且资源最为丰富的传输网络，它的调制方式在经历了FSK、4-DOSK、QAM后，现在主要以脉冲编码调制（PCM）为主，最高传输速率可以达到56kbps。
近几年，随着科技与经济的迅速发展，卫星通信在通信方式中也逐渐占有重要地位。
1965年，国际卫星通信组织成立，并发射了第一课静止国际通信卫星，由此开启了卫星通信的大门。
我国的同步通信卫星是在1984年4月升空并投入使用。
由于卫星通信具有非线性特性，以BOSK、QPSK、OQPSK、π/4-QPSK为主的恒定包络调制技术得到了广泛的应用。
同时，以QPSK、SQAM等为主的非恒定包络调制技术在经过改进后，以频谱集中、抗非线性失真、误码性能好、频谱利用率高等特点引起了人们的普遍关注。
亚洲是世界上的蜂窝系统发展速度最快的地区，现代蜂窝移动通信系统中，调制方式主要以PSK、固定电平QAM和可变电平QAM为主。
其中，可变电平的星形QAM能提供可变的传输速率，根据信道情况选用合适的调制方式。
当信道失真严重时，多采用4PSK方式；
当SNR较高时，多采用32或64电平的星形QAM方式。
视频广播（DVB）系统自1992年出现以来，如今已普及全球并发展为DVB-S系统、DVB-C系统和DVB-T系统。
其中，DVB-S系统多采用BPSK和QPSK方式对信号进行调制，DVB-C系统则多采用16、64、256电平的QAM调制方式和VSB（残留边带调制）方式对信号进行调制。
因为宽带接入网技术已经成为通信发展的前沿技术，所以利用电缆调制解调器在有线电视混合光缆同轴网上传送数据，用其做为互联网的宽带接入网是现有有线电视网宽带技术发展的热点。
利用同轴电缆进行数据传输时多采用QPSK、QAM和VSB等调制方式；
利用双绞线进行数据传输时则多采用QAM、CAM（无载波幅度相位调制）、DMT和DWMT等调制方式。
近几年，随着人类外太空探索步伐的不断前进，深空通信数字调制技术也得到了迅速的发展。
目前，卫星通信系统多采用BPSK和QPSK等调制方式，但这两种方式在卫星通信中容易产生频谱扩展。
基于此，经过大量的研究，CCSDS（时空系统咨询委员会）建议采用与深空网络接收机结构相兼容的宽带有效调制技术，JPL（喷气推进实验室）也研究出一系列的深空探测任务调制方案。
第二章仿真的意义和仿真软件
2.1仿真的意义
在当代，信息科学发展迅速，用于研发、测试的仪器更新速度也正在加快，随着科技含量的提高，价格也越来越昂贵。
受经济条件的限制，许多从事研究与开发的工程技术人员不能够拥有先进的仪器设备，采用仿真的方法可以在一定程度上克服因缺乏合适的仪器设备而带来的问题。
再者，由于现代通信系统功能强大且都比较复杂，在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或根本无法实现时，仿真技术就成为必然的选择。
电子与通信领域与计算机技术有着密切的联系，因此计算机仿真可以用于大部分电子工程、现代通信技术和通信系统的实验研究工作，成为现代电子系统和通信系统研究的主要手段。
本质上，只要能构造出系统的数学模型，Matlab/Simulink就可以对任意的系统进行仿真，而且在实际应用中，Matlab/Simulink特别适合于针对电子通信系统模块的系统级仿真[2]。
传统的研究开发工作是从购买元件，做印制电路板，搭建电路，配置相应的仪器做实验开始的，这样的方法复杂而且容易造成资源的浪费。
现代通信设备和通信系统的设计步骤是：
需求分析、方案设计、建模、仿真实验、制作芯片、设备制造和系统集成。
建模、仿真技术在研究、开发领域举足轻重，直接影响到研发、设计通信设备和通信系统的成败。
2.2仿真软件Matlab简介
Matlab是美国MathWorks公司于1967年推出的矩阵实验室MatrixLaboratory的缩写，是一种跨平台的，用于矩阵数值计算的简单高效的数学语言[3]。
MATLAB的编程语句接近数学描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其他如C、C++、Fortran等计算机高级语言望尘莫及的。
Matlab使人们摆脱了常规计算机编程的繁琐，从而让人们能够把大部分的时间、精力放到研究问题的数学建模上，使科学研究的效率得到了极大的提高。
目前，Matlab已经被理工科大学广泛采用，成为几乎各门专业课程进行虚拟实验的有效工具。
在科研部门，Matlab成为全世界科技人员进行学术交流首选的共同语言，国内外有关著名论文的大部分数值结果和图形都是用Matlab完成的。
与其他计算机高级语言相比，Matlab独特的优势主要表现在：
1．Matlab是一种跨平台的数学语言。
采用Matlab编写的程序可以在目前所有的操作系统上运行，不依赖于计算机类型和操作系统类型。
2．Matlab是一种超高级语言。
Matlab平台本身是用C语言写成的，汇聚了许多专业数学家和过程学者多年编写的最新的数学算法库，在编程效率，程序的可读性、可靠性和可移植性上远远超过了其他的计算机高级语言。
3．Matlab语法简单，编程风格接近数学语言描述，是数学算法开发和验证的最佳工具。
在其他计算机高级语言中需使用许多语句才能实现的功能，如矩阵分解和求逆、快速傅里叶变换等，在Matlab中用简单的几句指令即可实现，且其数值算法的可信度和可靠性都很高。
此外，Matlab还有计算精度高，绘图功能强大，具有串口操作、声音输入/输出等硬件操控能力，执行效率比其他语言高等特点。
Matlab系统由语言体系、工作环境、图形系统、数学函数库和应用程序接口五个主要部分组成。
1．Matlab是高层次的矩阵/数组语言，具有条件控制、函数调用、面向对象等程序语言特性，利用它既可以完成算法设计和算法实验的基本步骤，也可以开发复杂的应用程序。
2．Matlab的工作环境是对其管理功能的总称，包括管理工作空间中的变量数据输入、输出的方式和方法，和开发、调试、管理M文件的各种工具。
3．图形系统不仅包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图像显示等功能需要的高层Matlab命令，也包括用户对图形、图像进行特性控制的低层Matlab命令以及开发图形用户界面GUI应用程序的各种工具。
4．Matlab数学函数库是对Matlab使用的各种数学算法的总称，包括各种初等函数的算法和高层数学算法。
5．应用程序接口API是一个函数库，让用户能够在Matlab环境中使用C程序或Fortran程序。
2.3Simulink简介
Simulink是Matlab中的一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，附带了许多专业仿真模块库，是一个对动态系统进行建模、仿真和仿真结果分析的软件包。
可以说，在通用系统的仿真领域，Simulink是无所不包的[4]。
使用Simulink可以方便的对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统级仿真，使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来，建立直观的功能强大的系统模型，不必编写Matlab仿真程序，使仿真建模过程更为简化，更加适应于大型系统的建模和仿真。
SIMULINK的专业仿真模块库都已经通过权威专家和专业测试机构的评测，具有很高的可信度和稳定性。
在建模前，最好先根据需要绘制模型图。
当在建模过程中遇到较为复杂的系统时，需要根据层次结构来绘制框图，先将大系统中的一些具有独立功能的部分封装成一些子系统，再利用这些子系统来构造整个系统。
Simulink模块库包含有Sources（输入源）、Sinks（输出方式）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）等具有不同功能的SIMULINK库模块，而且每个子模型库中包含相应的功能模块，用户可以根据特定的需要创建自己的模块。
2.4Matlab与Simulink的联系
我们可以通过Matlab命令来打开Simulink模型并进行仿真。
在Matlab命令窗口中，使用openlizila.mdl，然后使用sim（lizila.mdl）就可以启动对模型lizila.mdl的仿真，实现Simulink仿真的自动化[5]。
Matlab提供了许多途径用于与Simulink的数据交互，从而实现Matlab编程与Simulink模型相结合的综合仿真，使仿真更为人性化，满足使用者的不同需求[6]。
第三章数字通信系统
3.1数字通信系统的概念
数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，相比模拟通信系统，具有频谱利用率高，能够提供多种业务服务，抗噪声、抗干扰、抗多径衰落能力强，能实现更加有效、灵活的网络管理和控制，便于实现通信的安全保密，可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量等优点[7]。
因此，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代通信技术的主流。
数字通信设计主要有信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调、同步以及加密与解密等许多技术问题。
3.2数字通信系统的组成
最简单的数字通信系统模型由信源、信道和信宿三个基本部分组成，但实际的数字通信系统模型要比这复杂得多。
一般的数字通信系统模型如图3.1所示。
图3.1数字通信系统模型
1．信源的作用是把各种消息转换成原始的电信号，模拟信源输出的是连续的模拟信号，数字信源输出的是离散的数字信号，模拟信源送出的信号经数字化处理后可变为数字信号。
2．信源编码有提高信息传输的有效性和完成模/数（A/D）转换两个基本功能。
提高信息传输有效性即通过某种数据压缩技术减少码元数目和降低码元速度，完成模/数转换即信源编码器将信源给出的模拟信号转换成数字信号。
信源译码是信源编码的逆过程。
3．在特殊的情况下，需要保证信息的秘密性和安全性，因此就需要对传输的数字序列进行加密处理，并且在接收端用与且只能用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，这样就能恢复原来的信息且保证了信息的安全。
4．信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。
信道编码器通过对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分，组成“抗干扰编码”，来减小数字信号在信道传输时因受到噪声等影响而引起的差错。
按照相应的逆规则，信道译码器在接收端对信号进行解码，发现和纠正错误。
5．数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，将易受信道影响的基带信号转变成适合在信道中传输的带通信号。
基本的数字调制方式有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）、相对相移键控（DPSK）。
这些调制方式各有优缺点，需要根据实际需求选择合适的种类。
在接收端用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。
6．信道即传输介质，是发送设备到接受设备之间信号传输所经过的媒介。
在无线信道中，信道可以是自由空间；
在有线信道中可以是明线、电缆和光纤。
信道既给信号以通路，也会对信号产生干扰。
信道的固有特性和干扰特性直接关系到通信的质量。
7．信宿即受信者，它的功能与信源相反，需要把原始电信号还原成与之相应的消息。
3.3通信系统的分类与通信方式
现在的通信系统成熟且功能强大，种类多样。
1．根据通信业务的类型，通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。
由于电话通信网最为普及，因此其他一些通信业务也常通过公用电话通信网传输。
2．根据信号是否经过调制，通信系统可以分为基带传输系统和带通传输系统。
基带传输系统是将没有经过调制的信号直接传送，带通传输是先对信号加以调制然后再进行传输。
3．根据信道中传输的是模拟信号还是数字信号，通信系统可以相应的分为模拟通信系统和数字通
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