通信原理课程设计.docx

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通信原理课程设计

数字加密信号PSK调制仿真

学生姓名：

XX指导老师：

XX

摘要本课程设计主要以Simulink为基础平台，对数字加密信号PSK的调制仿真。

Simulink是基于Matlab平台的著名仿真环境，作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具。

本设计主要利用Simulink建模，将加密后的PSK信号调制仿真，从而更加深刻理解PSK调制的工作原理，使我进一步巩固和理解了课堂上所学到的知识。

关键词Simulink；加密；2PSK；调制

1引言

本课程设计主要利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，按题目设计仿真模型图并运行，同时将模型中各点信号输入示波器，并用频谱仪对原始信号及最后输出信号运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。

并且需在在信号传输信道加上噪声源，模拟信号叠加噪声后的传输，观察分析加噪声前后信号波形的变化。

1.1课程设计目的

本次课程设计的目的是实现数字加密信号PSK调制仿真。

通过材料的收集和分析过程，理解PSK调制的具体过程和它在MATLAB中的实现方法。

在这个过程中，可以更加清晰地认识数字加密信号PSK调制的原理，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台。

利用自主的设计过程来锻炼自己独立思考，分析和解决问题的能力。

1.2课程设计要求

1）按题目构建仿真模型图，根据理论课中学习的原理，正确设置各模块参数，直至能正常运行。

2）将模型中各点信号输入示波器，根据显示结果分析所设计的模型是否正确，并用频谱仪观察分析前后信号频谱的变化。

3）在信号传输信道加上噪声源，模拟信号叠加噪声后的传输：

用高斯白噪声模拟非理想信道，并记录示波器和频谱仪的波形，观察分析加噪声前后信号波形的变化。

4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。

1.3设计平台

本次课程设计的平台是基于MATLAB的Simulink环境下的系统仿真。

2基本原理

2.1MATLAB简介

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

　　MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

　　MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

2.2Simulink简介

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。

Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。

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。

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。

Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。

用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。

用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。

在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。

菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。

采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。

仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。

模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。

由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。

但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。

2.32PSK调制的基本原理

2PSK信号产生的方法有两种：

模拟调制法和数字调制法。

图2-12PSK调制模拟相乘法原理框图

上图2-1是2PSK调制模拟相乘法原理框图。

信号源模块提供码速率96K的NRZ码和384K正弦载波。

在2ASK中数字基带信号是单极性的，而在2PSK中数字基带信号是双极性的。

故先将单极性NRZ码经码型变换电路转换为双极性NRZ码，然后与384K正弦载波相乘，便得2PSK调制信号。

乘法器的调制深度可由“调制深度调节”旋转电位器调节。

图2-22PSK调制数字键控法原理框图

上图2-2是2PSK调制数字键控法原理框图。

为便于实验观测，由信号源模块提供码速率为96Kbit/s的NRZ码数字基带信号和384KHz正弦载波信号，NRZ码为“1”的一个码元对应0相位起始的正弦载波的4个周期，NRZ码为“0”的一个码元对应π相位起始的正弦载波的4个周期。

实验中采用模拟开关作为正弦载波的输出通/断控制门，数字基带信号NRZ码用来控制门的通/断。

当NRZ码为高电平时，模拟开关1导通，模拟开关2截止，0相位起始的正弦载波通过门1输出；当NRZ码为低电平时，模拟开关2导通，模拟开关1截止，π相位起始的正弦载波通过门2输出。

门的输出即为2FSK调制信号，如图2-3所示。

图2-32PSK调制波形

2.4通信加密原理

数字通信的一个重要的优点是容易做到高度保密性的加密。

在这方面伪随机序列十分有用。

数字信号加密的基本原理图如图2-4所示。

图2-4利用伪随机序列加密的原理

将信源产生的二进制数字消息和一个周期很长的伪随机序列模2相加，这样就将原来的消息变成不可理解的另外一个序列将这种加密序列在信道中传输，被他人窃听后也不可理解其内容。

在接受端必须在加上一同样的伪随机序列，才能恢复原发的消息。

因为将此序列模2假如两次，就等于未加入。

3系统设计

3.1系统原理图

图3-1调制系统原理图

其中，sinewave1和sinewave2是反相的载波，方波作为信号源。

在这个过程中，伪随机序列PNSequenceGenerator提供加密信号。

并且在高斯白噪声条件下运行。

3.2各模块参数设定

图3-2Sinewave1信号参数设定

图3-3Sinewave2参数设定

由上面两个图可以看出两个载波是幅度为3频率为4Hz采样时间为0.002s的反相信号。

图3-4脉冲信号参数设定

脉冲信号是幅度为2周期为1占空比为50%的基于时间的信号。

图3-5伪随机序列参数设定

图3-6高斯白噪声参数设定

图3-7基带频谱参数设定

3.3调制结果

图3-8基带频谱波形

图3-9调制后频谱波形

图3-10示波器波形

其中，波形1是加密后的基带波形，波形2是sinewave2的波形波形3是sinewave1的波形，波形4是PSK加密信号，波形5是加高斯白噪声的PSK加密信号

4仿真电路分析与总结

在本次课程设计运用了MATLAB软件下Simulink建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和在老师和同学的帮助下总算得以解决。

问题及解决方法：

1），两个载波的幅度及频率不一致，导致调制失败。

经仔细检查后发现问题，并得以解决。

2），在加入高斯白噪声之后，示波器波形失真。

经老师指导后，改变其参数，问题解决。

5结束语

在这次为期2周的课程设计中，我主要是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台上设计数字加密信号PSK调制仿真,大二就已经学习了MATLAB这一强大应用工具，可是却没有进一步的学习，通过这次的课程设计,我不仅通信原理所学的知识理解更深刻了，也发现了自己的许多不足，不能很好的把理论与实践相结合.经过这次课程设计,我的动手能力和自学能力都得到了很大的提高。

通过为期2个星期的课程设计，我学到了很多。

它不仅很好地让我理解课本上的知识，利用相关知识进行仿真，更重要的是让我意识到，在课程设计的过程中，需要的不仅仅是相关的知识点，更重要的是细心和耐心。

细心能避免自己因错误而浪费大量时间来反复检查，浪费时间和精力，而且在设计过程中会遇到各种各样的问题，这就需要我们要用耐心，坚持下来，一步一步完成。

我想这可能是我本次课程设计最大的收获。

当然，在这个过程中，我也更加深入的了解到了系统仿真的重要性，并且进一步巩固和理解了老师在课堂上所讲的有关通信原理的知识。

由于个人能力有限，在设计和论文中可能存在种种的不足之处，希望指导老师予以指出，谢谢.

通过这段时间的亲生经历，我感觉自己学到了收集、整理资料、共同协作、分析及处理问题等许多方面的知识，感谢这期间黄红兵老师给予我的帮助和指导。

参考文献

[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理.第六版.北京：

国防工业出版社，2012

[2]达新宇．通信原理实验与课程设计．北京：

北京邮电大学出版社，2003

[3]徐远明.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安：

西安电子科技大学出版社，2005

[4]张化光,孙秋野.MATLAB/Simulink实用教程.北京：

人民邮电出版社，2009

[5]姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真基础.北京：

西安电子科技大学出版社，2002

[6]邓华．MATLAB通信仿真及应用实例详解．北京：

国防工业出版社，2003