数字通信系统的MATLAB设计与仿真本科毕业设计.docx
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数字通信系统的MATLAB设计与仿真本科毕业设计
毕业设计
题目：
数字通信系统的MATLAB设计与仿真
毕业设计（论文）任务书
题目：
数字通信系统的MATLAB设计与仿真
姓名系计算科学与技术专业通信工程班级0402学号200403040204矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
指导老师职称讲师教研室主任
一、基本任务及要求：
实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对通信系统作出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和工作效率。
因此，在构建一个新的通信系统或改进原有通信系统前，必须要对通信系统进行建模和仿真，从仿真结果衡量设计方案的可行性，选择最合理和高效的系统配置与参数设置，在应用到实际系统中。
可见，通信系统仿真在整个通信系统的构建中处于先导、验证、重要的地位。
通信系统仿真在一般分为3个步骤，即仿真建模、仿真实验、仿真分析。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
基本任务：
1.熟悉并掌握数字通信系统结构；
2.搭建起数字通信的基带、频带传输系统，采用合适的信源编码、信道编码和数字调制技术，实现有效、正确的信息传输；残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
3.仿真分析，学会观察仿真结果，并以此来调整系统参数或改变2中的所使用的各种通信技术。
基本要求：
掌握数字通信系统结构及常用技术；熟悉仿真语言。
二、进度安排及完成时间：
第1周：
老师讲解课题，明确课题任务与要求，学习资料收集检索方法并搜索收集所需中文资料。
第2周：
阅读资料、书籍，学习所需知识，撰写文献综述。
第3～5周：
毕业实习。
第6周：
完成毕业实习报告撰写；建立毕业设计实验环境；初步拟订设计方案；准备开题报告。
第7周：
撰写开题报告。
第8～13周：
具体设计、调试、修改、实现。
第14～15周：
撰写毕业论文（说明书），完成毕业答辩资格审查。
第16周：
毕业答辩准备、毕业答辩。
数字通信系统的MATLAB设计与仿真
摘要：
现代社会发展要求通信功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。
这样尖锐对立的两方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。
现代计算机科学技术快速发展，已经研发出新一代的可视化仿真软件。
这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
本文首先介绍了通信系统仿真的基本内容，包括通信系统仿真的一般步骤MATLAB中的一种可视化仿真工具Simulink以及S-函数的相关概念。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
从理论上对通信系统进行深入细致的研究是非常必要的。
本文对通信系统中的一些重要环节，包括信道、噪声、模拟信号的数字化传输、信道编码以及信号调制的原理、方法和过程进行了详细的阐述。
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
理论知识是用来指导具体实践的。
本文在深刻理解通信系统理论的基础上利用MATLAB强大的仿真功能，设计了许多具体的通信系统仿真模型。
在仿真模型设计过程中，本文对模型设计的目的、具体的结构组成、仿真流程以及仿真结果都给出了具体详实的分析和说明。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
最后，本文对所做的研究工作进行了总结，并且提出了今后的工作和研究方向。
关键词：
MATLAB；数字通信；系统设计。
DigitalCommunicationSystemDesignand
SimulationMATLAB
Abstract:
Thedevelopmentofmodernsocietyrequirescommunicationssystemhasmorepowerfulfunction,higherperformanceandcomplicatedstructure.Ontheotherhand,theresearchoftechnologyanddevelopmentofproductshouldtruncatecycle,cutcostsandincreaseproductionlevels.Wecanresolvetheconflictbyusingthecomputeraideddesigntechnologyandtools.Therapiddevelopmentofcomputersciencecausesthesuccessfulresearchanddevelopmentofnewgenerationvisualsimulationsoftware.Thesimulationsoftwareispowerfulwhichmakestheprocessofdesignandanalysisofcommunicationssystemsimulationmoreintuitionalandconvenient.Today,thecommunicationssystemsimulationisrapiddeveloping.疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
Thepaperfirstlyintroducesthebasiccontentofcommunicationssystemsimulation,whichincludecommonstepsofsimulation,visualsimulationtoolcalledSimulinkandtheconceptofS-function.镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
Itisnecessarytoresearchthetheoryofcommunicationssystemintensively.Thepaperexpandssomeimportantlinksofthecommunicationssystemwhichincludechannel,noise,digitaltransmissionofanalogsignal,channelencodeandsignalmodulation.榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。
Theoryaimstoguidepractice.Onthebaseofdeepcomprehensionofcommunicationssystemtheory,thepaperdesignsmanyconcretesimulationmodelsIntheprocessofmodelsdesign,thepaperanalysestheintention,configuration,simulationlinksandsimulationresults.邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。
Intheend,thepapersummarizesmaincontentoftheresearchandsomefollowingstudyandresearchobjectsaresuggested.嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。
KeyWords:
MATLAB,DigitalCommunication,SystemDesign该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。
前言
在过去的几十年里，通信和信号处理系统的复杂程度显著地提高了。
与此同时出现了一系列新的技术，如：
用于数字信号处理的价格不高但速度很快的硬件、光纤光学器件、集成光学设备和单片微波集成电路，这些对通信系统的实现均有重要影响。
通信系统复杂度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了，然而在商用产品中引入新技术要求设计能做到短时、高效、省力，而这些要求只有通过使用强大的计算机辅助分析和设计工具才能实现。
所以，通信系统仿真在通信系统工程设计中起着举足轻重的作用。
劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。
虽然软件实验不像硬件实验那样让人感到“真实”，但对于许多通信问题的研究来说的确非常有效。
与硬件实验相比，软件实验具有如下一些优点：
臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。
（1）软件实验具有广泛的适应性和极好的灵活性。
在硬件实验中改变系统参数也许意味着要重做硬件，而在软件实验中则是改一、两个数据，甚至只是在屏幕上按几下鼠标。
鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。
（2）软件实验更有助于我们较为全面地研究通信系统。
有许多问题，通过硬件实验来研究可能非常困难，但在软件实验中却易于解决。
穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。
（3）硬件实验的精确度取决于元器件及工艺水平，软件实验的精度取决于CPU的运算速度或者说是程序的运算量。
隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。
（4）软件实验建设开发周期短，成本低。
而且近年来，随着计算机硬件性能的不断提升和计算机软件技术的飞速发展，利用计算机进行实验系统仿真成为一种国际潮流。
国内也逐步开始了这一方面的工作，并正取得积极的成果。
浹繢腻叢着駕骠構砀湊。
第一章MATLAB与通信仿真
1.1MATLAB简介
Matlab软件系列产品是一套高效强大的工程技术数值运算和系统仿真软件，广泛应用于当今的航空航天、汽车制造、半导体创造、电子通信、医学研究、财经研究和高等教育答领域，被誉为“巨人肩膀上的工具”，研发人员借助Matlab软件能迅速测试设计构想，综合评测系统性能，快速设计出更好的方案来确保更高技术的要求。
同时，Matlab也是国家教委重点提倡的一种计算工具。
综合起来，Matlab有以下几个特点：
鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。
（1）友好的工作平台和编程环境
Matlab由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用Matlab的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括Matlab桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着Matlab的商业化以及软件本身的不断升级，Matlab的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。
而且新版本的Matlab提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。
简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。
（2）简单易用的程序语言
Matlab一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。
用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。
新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。
使之更利于非计算机专业的科技人员使用。
而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是Matlab能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。
（3）强大的科学计算机数据处理能力
Matlab是一个包含大量计算算法的集合。
其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。
函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。
在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。
在计算要求相同的情况下，使用Matlab的编程工作量会大大减少。
MATLAB的这些函数集合包括从最简单最基本的函数到诸如距阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。
函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。
（4）出色的图形处理功能
Matlab自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和距阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。
高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。
可用于科学计算和工程绘图。
新版本的Matlab对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使他不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），Matlab同样表现了出色的处理能力。
同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，Matlab也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。
另外新版本的Matlab还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。
薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。
（5）应用广泛的模块集合工具箱
Matlab对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。
一般来说，他们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。
目前，Matlab已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。
齡践砚语蜗铸转絹攤濼。
（6）实用的程序接口和发布平台
新版本的Matlab可以利用Matlab编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的Matlab程序自动转换为独立于Matlab运行的C和C++代码。
允许用户编写可以和Matlab进行交互的C或C＋＋语言程序。
另外，Matlab网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的Matlab数学和图形程序。
Matlab的一个重要特色就是他有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。
工具箱是Matlab函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。
绅薮疮颧訝标販繯轅赛。
（7）应用软件开发（包括用户界面）
在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5。
饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。
1.2通信仿真
仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能，从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。
通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能，因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。
烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。
实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变（如改变某个参数的设置、改变系统的结构等）都可能影响到整个系统的性能和稳定。
因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。
这个过程就是通信仿真。
鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。
1.2.1通信仿真的概念
通信仿真是衡量通信系统性能的工具。
通信仿真可以分成离散事件仿真和连续仿真。
在离散事件仿真中，仿真系统只对离散事件做出响应，而在连续仿真中，仿真系统对输入信号产生连续的输出信号。
离散事件仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间也比连续仿真少。
虽然离散事件仿真舍弃了一些仿真细节，在有些场合显得不够具体，但仍然是通信仿真的主要形式。
撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。
与一般的仿真过程类似，在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。
图1—1所示是关于通信系统仿真流程的一个示意图。
从图中可以看到，通信系统仿真是一个循环往复的过程，它从当前系统出发，通过分祈建立起一个能够在一定程度上描述原通信系统的仿真模型，然后通过仿真实验得到相关的数据。
通过对仿真数据的分析可以得到相应的结论，然后把这个结论应用到对当前通信系统的改造中。
如果改造后通信系统的性能并不像仿真结果那样令人满意，还需要重新实施通信系统仿真，这时候改造后的通信系统就成了当前系统，并且开始新一轮的通信系统仿真过程。
踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。
改造后的系统
实际系统仿真系统
图1.1通信系统仿真流程图
1.2.2通信仿真的基本步骤
通信仿真系统一般分为3个步骤，即：
仿真建模、仿真实验和仿真分析。
应该注意的是，通信仿真是一个螺旋式发展的过程，因此这3个步骤可能需要循环执行多次之后才能够获得令人满意的仿真结果。
婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。
1、仿真建模
仿真建模是根据实际通信系统建立仿真模型的过程，它是整个通信仿真过程中的—个关键步骤，因为仿真模型的好坏直接影响者仿真的结果以及仿真结果的真实性和可靠性。
譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。
仿真模型是对实际文件系统的一种模拟和抽象，但又不是完全的复制。
简单的仿真模型容易被理解和操作，但是由于它忽略了很多关于实际系统的细节，因而在一定程度上影响了仿真的可靠性。
如果仿真模型比较复杂，虽然它是对实际系统的—种忠实反映，但是其中包含了过多的相互作用因素，这些因素不仅需要消耗过多的仿真时间，而且使仿真结果的分析过程变的相当复杂。
因此，仿真模型的建立需要综合考虑其可行性和简单性。
在仿真建模过程中，我们可以先建立一个相对简单的仿真模型，然后再根据仿真结果和仿真过程的需要逐步增加仿真模型的复杂度。
俦聹执償閏号燴鈿膽賾。
仿真模型一般是一个数学模型。
数学模型有多种分类方式，包括确定性模型和随机模型，静态模型和动态模型。
确定性模型的输入变量和输出变量都有固定数值，而在随机模型中，至少有—个输入变量是随机的。
静态模型个需要考虑时间变化因素，动态模型的输入输出变量则需要考虑时间变化因素。
一般情况下通信仿真模型是一个随机动态系统。
缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。
在仿真建模过程中，首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标，并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。
例如，我们可以设定改造后系统或新系统在达到系统最大容量时的误码率，或者是通信系统的最大呼损率，等等。
骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。
有了这些具体的仿真目标之后，下一步是获取实际通信系统的各种运行参数，如通信系统占用的带宽及其频率分布，系统对于特定的输入信号产生的输出等。
同时，对于通信系统中的各个随机变量，可以采集这些变量的数据，然后通过数学工具来确定随机变量的分布特性。
癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。
有了上面的准备工作，下一步就可以通过仿真软件来建造仿真模型了。
最简单的工具是采用c语言等编程工具直接编写仿真程序，这种方法的优点是效率高，缺点则是不够灵活，没有一个易于实现的人机交互界面，不便于对仿真结果进行分析。
除此之外，还可以采用专门的仿真软件建造仿真模型，比较常用的仿真软件包括Matlab、0PNET、NS2等，这些软件具有各自不同的特点，适用于不同层次的通信仿真。
例如，物理层仿真通常采用Matlab，而网络层仿真则适用采用0PNET。
鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。
在完成仿真模型的软件实现之后，还需要对这个仿真模型的有效性进行初步的验证。
一种简便的验证方法是采用特定的已知输入信号，这个输入信号分别通过仿真模型和实际系统，产生两种输出信号。
如果仿真模型的输出信号与实际系统的输出信号比较吻合，说明这个仿真模型与原系统具有较好的相似性。
当这两种输出信号差别很大时，最好先检查一下仿真模型的内部连接和设置，找出造成这种差异的原因。
榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。
仿真建模的最后一步是做好仿真模型的文档工作，这是最容易被大家忽略的。
很多情况下，我们在完成系统的设计之后就迫不及待地运行仿真程序，待发现仿真结果与预期目标相差甚远时才回过头来焦头烂额地检查仿真模型的内部结构。
这时候，往往原先的很多参数设置和条件假设都变得不可理解，这非常不利于修改多数和结构，不利于找错和排错。
逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。
2、仿真实验
仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。
在仿真实验过程中，通常需要多次改变仿真模型输入信号的数值，以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。
需要强调的一点是，仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性，即能够从各个角度显著地改变仿真输出信号的数值。
幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。
实施仿真之前需要确定的另外一个因素是性能尺度。
性能尺度指的是能够衡量仿真过程中系统性能的输出信号的数值（或根据输出信号计算得到的数值），因此，在实施仿真之前，首先需要确定仿真过程中应该收集哪些仿真数据，这些数据以什么样的格式存在，以及收集多少数据。
誦终决懷区馱倆侧澩赜。
在明确了仿真系统对输入信号和输出信号的要求之后，最好把这些设置整理成一份简单的文档。
编写文档是一个好习惯，它能够帮助我们回亿起仿真设计过程的一些细节。
当然，文档的编写不一定要求很规范，并且文档大小应该视仿真设计的规模而定。
医涤侣綃噲睞齒办銩凛。
最后，还应该明确各个输入信号的初始设置以及仿真系统内部各个状态的初姑值。
仿真的运行实际上是计算机的计算过程，这个过程一般不需要人工干预，花费的时间由仿真的复杂度确定。
如果需要比较仿真系统在不同参数设置下的性能，应该使仿真系统在取不同参数值时具有相同的输入信号（或相同的随机输入信号），这样才能够保证分析和比较的客观性和可靠性。
舻当为遙头韪鳍哕晕糞。
对于需要较长时间的仿真，应该尽可能地使用批处理方式，使得仿真过程在完成—种参数配置的仿真之后能够自动启动针对下—个参数配置下—个仿真。
这种方式减少了仿真过程中的人工下颈，提高了系统利用率利仿真效率。
鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。
3、仿真分析
仿真分析是—个通信仿真流程中的最后—个步骤。
在仿真分析过程个，用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统件能的信息，这是这些信息只是一些原始数据，一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真系统件能的一个总体评价。
常用的系统性能尺度包括平均值、方差、标准差、最大值和最小值等，它们从不同的角度描绘了仿真系统的性能。
筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。
如果仿真过程需要一定的时间才能够达到平衡状态，在对输出数据进行分析和处理时一般要忽略最初的若干个数据，而只考虑平衡之后的输出。
对于仿真尺度不随时间变化的平衡系统（StationarySystem），还可能涉及到对输出变量稳定状态的求解。
韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。
另外一个需要注意的地方是，即使仿真过程中收集的数据正确无误，由此得到的仿真结果并不一定就是难确的。
造成这种结果的原因可能是输入信号恰好与仿真系统的内部特性相吻合，或者输入的随机信号不具有足够的代表性。
涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。
图表是最简洁的说明工具，它具有很强的直观性，便于分析和比较，因此仿真结果一般绘制成图表形式。
我们使用的仿真工具—股都具有很强的绘图功能，能够便捷的绘制各种类型的图表。
钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。
以上就是通信仿真的一个循环。
应该强调的是，仿真分析并不—定意味着通信仿真过程的完全结束。
如果仿真分析得到的结果达不到预期的目标，用户还需要重新修改通信仿真模型，这时候仿真分析就成为了另外一个循环的开始。
戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗
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