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单片机论文
第1章绪论
数字信号发生器是基于软硬件实现的一种波形发生仪器。
在工工程实践中需要检测和分析的各种复杂信号均可分解成各简单信号之和，而这些简单信号皆可由数字信号发生器模拟产生，因此它在工程分析和实验教学有着广泛的应用。
在生成任意波形时域信号的过程中，分为硬件、软件两种设计方法。
Matlab仿真属于通过软件编程实现。
本次课程设计就是利用MATLAB系统仿真和Simulink两种方法来实现对ASK、PSK、FSK信号的仿真：
设计一个采用调制的数字通信系统，给定载波频率，产生二进制随机数据，并仿真其对应的三种信号的调制波形，分析其频谱。
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。
它的主要特点在于：
1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。
它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。
第二章数字信号的三种调制信号
数字信号分为基带信号和带通信号（调制信号）。
在实际应用中，远距离的传输信道往往是带通型的，必须如模拟信号调制一样，用数字基带信号f（t）去调制载波，得到数字调制信号s（t），然后通过带通信道进行传输。
这称为数字信号的调制传输。
用数字信号f（n）去改变载波的幅度、频率和相位以进行调制，得到数字的调幅、调频和调相信号。
对载波的幅度、频率和相位进行调制得到的信号，分别称为幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等。
2.1ASK调制信号
调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。
在2ASK调制中，载波的幅度只有两种变化状态，即利用数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续的输出。
有载波输出时表示“1”，无载波输出时表示发送“0”。
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。
图2-1ASK信号的工作原理图
ASK信号的一般时域表达式为：
（2－1）
式中，Ts为码元间隔，g（t）为持续时间[－Ts/2，Ts/2]内任意波形形状的脉冲（分析时一般设为归一化矩形脉冲），而S（t）就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列,
为符合下列关系的二进制序列的第n个码元：
（2－2）
为了更深入掌握ASK信号的性质，除时域分析外，还应进行频域分析。
由于二进制序列一般为随机序列，其频域分析的对象应为信号功率谱密度。
图2-2ASK信号的功率谱密度示意图
2.2PSK调制信号
对信号的调制我们一般有两种方法。
数字调制技术的两种方法为模拟相乘法和键控法。
利用模拟调制的方法趋势线数字调制，即把数字调制看成是迷你调制的一个特列，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；利用数字信号的离散取值特点通过开关监控载波，从而实现数字调制。
这种方法通常称为键控法，比如对载波的相位进行监控，便可获得相移键控（psk）基本的调制方式。
在PSK调制时，载波的相位随调制信号状态不同而改变。
如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，此时它们就处于“同相”状态;如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为“反相”。
一般把信号振荡一次（一周）作为360度。
如果相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。
二进制相移键控中，载波的相位随调制信号1或0而改变，通常用相位0和180°来分别表示1或0。
表达式：
（2－3）
2psk信号波形为：
图2-3时域波形图
此次实验采用模拟相乘法，调制原理图如下图所示：
图2-4PSK调制原理框图
2.3FSK调制信号
数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。
数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。
2FSK信号便是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。
图2-4FSK调制原理框图
典型波形如下图所示。
由图可见,2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。
因此2FSK信号的时域表达式又可以写成：
（2-4）
图2-5数字调制FSK波形图
第三章系统仿真
3.1PSK仿真
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°。
为此，首先我们需要一个随机信号，再将其与载波相乘，得到2PSK调制信号。
程序编写如下：
clearall;
closeall;
A=1;
fc=2;%2Hz
N_sample=8;
N=500;%码元数
Ts=1;%1Baud/s
dt=Ts/fc/N_sample;%波形采样间隔
t=0:
dt:
N*Ts-dt;
Lt=length（t）;
%产生二进制信号源
d=sign（randn（1,N））;
X=length（（d+1）/2）;
dd=zeros（fc*N_sample,X）;
dd（1,:
）=（d+1）/2;
dd=reshape（dd,1,fc*N_sample*X）
gt=ones（1,fc*N_sample）;%NRZ波形
figure
（1）
subplot（411）;%输入NRZ信号波形（单极性）
d_NRZ=conv（dd,gt）;
plot（t,d_NRZ（1:
length（t）））;
axis（[01001.2]）;ylabel（'输入信号'）;
%2PSK信号
d_2psk=2*d_NRZ-1;
s_2psk=d_2psk（1:
Lt）.*ht;
subplot（413）;
plot（t,s_2psk）;
axis（[010-1.21.2]）;ylabel（'2PSK'）;
图3-1PSK信号调制图
图3-2傅里叶频域分析图
对调制后的信号加白噪声，解调后可以得到二进制信号。
图3-3加白噪声后信号波形图
图3-4解调后得到的信号波形图
分析：
由图可以看出当基带信号由1变为0或者由0变为1时，对应的2psk信号的波形会反相。
且2PSK信号的频谱只是基带信号频谱在频域上的搬移，幅度有所变化。
3.2ASK仿真
2ASK信号的产生方法通常有两种：
模拟调制和键控法。
解调有相干解调和非相干解调。
P=1时f（t）=Acoswt;P=0时f（t）=0;其功率谱密度是基带信号功率谱的线性搬移。
仿真流程图如下：
图3-5ASK流程图
在CommandWindow窗口中输入ASK信号的程序，程序如下：
clearall;
closeall;
A=1;
fc=2;%2Hz
N_sample=8;
N=500;%码元数
Ts=1;%1Baud/s
dt=Ts/fc/N_sample;%波形采样间隔
t=0:
dt:
N*Ts-dt;
Lt=length（t）;
%产生二进制信号源
d=sign（randn（1,N））;
X=length（（d+1）/2）;
dd=zeros（fc*N_sample,X）;
dd（1,:
）=（d+1）/2;
dd=reshape（dd,1,fc*N_sample*X）
gt=ones（1,fc*N_sample）;%NRZ波形
figure
（1）
subplot（411）;%输入NRZ信号波形（单极性）
d_NRZ=conv（dd,gt）;
plot（t,d_NRZ（1:
length（t）））;
axis（[01001.2]）;ylabel（'输入信号'）;
%ASK信号
ht=A*cos（2*pi*fc*t）;
s_2ask=d_NRZ（1:
Lt）.*ht;
subplot（412）;
plot（t,s_2ask）;
axis（[010-1.21.2]）;ylabel（'OOK'）;
图3-6ASK信号调制波形图
图3-7信号加噪声后的波形图
图3-8解调后的波形图
结果分析：
由图可以看出，2ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息的，载波的幅度有两种变化状态，分别对应二进制信息的“0”和“1”。
3.3FSK仿真
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ASK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。
2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列，可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频w2的已调波形，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w1、f2进行选择通。
程序编写如下：
clearall;
closeall;
A=1;
fc=2;%2Hz
N_sample=8;
N=500;%码元数
Ts=1;%1Baud/s
dt=Ts/fc/N_sample;%波形采样间隔
t=0:
dt:
N*Ts-dt;
Lt=length（t）;
%产生二进制信号源
d=sign（randn（1,N））;
X=length（（d+1）/2）;
dd=zeros（fc*N_sample,X）;
dd（1,:
）=（d+1）/2;
dd=reshape（dd,1,fc*N_sample*X）
gt=ones（1,fc*N_sample）;%NRZ波形
figure
（1）
subplot（411）;%输入NRZ信号波形（单极性）
d_NRZ=conv（dd,gt）;
plot（t,d_NRZ（1:
length（t）））;
axis（[01001.2]）;ylabel（'输入信号'）;
%2FSK信号
sd_2fsk=2*d_NRZ-1;
s_2fsk=A*cos（2*pi*fc*t+2*pi*sd_2fsk（1:
length（t））.*t）;
subplot（414）;
plot（t,s_2fsk）;
axis（[010-1.21.2]）;ylabel（'t'）;ylabel（'2PSK'）;
对FSK信号进行调制。
图3-9FSK信号调制图
图3-10加噪声后信号波形图
图3-11解调后的波形图
结果分析：
在二进制为1时，其输出为f1的余弦波，在二进制为0时，其输出为f2的余弦波。
第四章Simlink仿真
4.1ASK仿真
2ASK信号的调制部分由DSP模块中的sinwave信号源、方波信号源、相乘器等模块组成；2ASK的解调分为相干解调和非相干解调法。
基带信号经过低通滤波后再与载波相乘进行调制，经过调制后的信号送入信道传输，在传输过程中，有用信号会受到各种信道噪声影响，我们用白噪声模拟信道噪声。
在接收端先经过通带滤波器提取信号，再采用相干解调和抽样判决恢复基带信号。
下面采用相干解调法对2ASK信号进行解调，相干解调也叫同步解调，就是用已调信号恢复出载波，既同步载波，再用载波和已调信号相乘，经过低通滤波器和抽样判决器恢复出S（t）信号。
Simulink模型图如下所示：
图4-1ASK模型图
由ASK信号的调制模型图，可以得到ASK的波形如图：
图4-2仿真波形图
由于在解调过程中没有信道和噪声，所以误码率相对较小，一般是由于码间串扰或是参数设置的问题，此系统的误码率为0.3636。
4.2FSK仿真
下图是FSK的调制模型图，根据模型图利用Simlink仿真。
图4-3FSK模型图
得到FSK的信号波形。
图4-4FSK信号波形图
4.3PSK仿真
在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控（2PSK）信号.在此用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0用两个反相的载波信号进行调制。
2PSK信号调制与解调的模型方框图如下所示。
其中Sinwave和Sinwave1是反相的载波，正弦脉冲作为信号源。
图4-52PSK信号调制的模型图
图4-62PSK信号解调框图
根据上图的PSK调制信号模型框图，simlink仿真结果如下图：
图4-7PSK信号波形图
总结
本次设计是对所学的Matlab的知识进行运用并掌握，课程设计涉及到仿真以及电路基础的有关知识。
在学习方面，通过查阅书籍，网上资料等方法了解了相关的知识并学习了Matlab的各个部分的功能和应用，在老师和同学的帮助下一步一步的了解数字信号发生器的原理，在操作Simulink方面做的不太好，反复好多次才熟悉了基本的仿真步骤。
但是由此也加深了自己的印象，加强了自己的能力。
在最初的电路设计中，由于没有设计经验，觉得无从下手，经过老师和同学的帮助，我的设计渐渐有了头绪，逐渐确立系统方案。
在制作的过程中遇到了很多困难，通过查阅相关资料逐一解决问题的同时自己也增长了知识，最终成功利用Matlab和其中的仿真工具Simulink完成了数字信号发生器的设计。
通过这次设计，我也发现自己的很多不足之处。
遇到的问题就应该完全领会设计中所涉及的知识后再动手操作，不急不躁。
同时，在课程设计期间我学到了很多Matlab有关的知识和技巧，而最重要的就是学到了科学试验中的不可缺少的毅力和耐心。
另一方面，自己的专业知识掌握的不牢固，对的了解还不够深。
对电路和器件认知还不够多，我希望自己的这些不足之处能在今后的学习中得到改善。
致谢
本次设计已经圆满完成，这次顺利的完成还得感谢老师一直陪这我们，用她丰富的经验和悉心的教导来帮助我们，尤其是在编程M文件遇到问题和在进行Simlink仿真时，模块电路的布置、连线和参数的选择之中的许许多多的问题，老师都耐心的一点一点的给我们讲解。
虽然最近多有不便，但是她坚持着。
我们也备受感染，虽然设计的时间很长，但是我们都不由自主的坚持下来了。
特别是想到老师一直在我们身边就更有奋斗坚持到底的意志。
同学们的设计理念更是给予了我很大的帮助，让本来一点头绪都没有的我一瞬间豁然开朗。
感谢帮助我们的老师和同学，致谢！
参考文献
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