通信课程设计.docx

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通信课程设计

课程设计说明书

题目：

模拟频带通信系统的设计及仿真

院系：

光电工程学院

班级：

090106

学生姓名：

常凯

学号：

090106101

目录

1、引言

1.1、语音现状

1.2、该通讯系统所选择的信道光纤信道

2、通信系统

2.1、通信系统参数计算与系统设计

2.2、模拟通信系统仿真图解

3、MATLAB介绍

4、总结

5、参考文献

1.1语音现状

1.1.1横参信道举例

1有线信道

一般的有线信道均可看做是横参信道。

常见的有线信道有：

明线，对称电缆和同轴电缆等。

明显是平行而相互绝缘的架空线路，其传输损耗较小，通频带在0.3~2.7khz之间。

对称电缆是在同一保护套内有许多对互相绝缘的双导线的电缆，其传输损耗比明线大的多，通频带在12~250khz之间。

同轴电缆由同轴的两个导体组成，外导体是一个圆柱形的空管，通常由金属丝编织而成；内导体是金属线芯。

内外导体之间填充着介质。

通常在一个大的保护套内安装若干根同轴线管芯，还装入一些二芯绞线或四芯线组用作传输控制信号。

同轴线的外导体是接地的，对外界干扰起到屏蔽作用。

同轴电缆分小同轴电缆和中同轴电缆。

小同轴电缆的通频带在60~4100khz之间，增音段长度约为8km和4km；中同轴电缆的通频带在300~60000khz之间，增音段长度约为6km，4.5km和1.5km。

2光纤信道

光纤信道是以光导纤维（简称光纤）为传输媒质,以光波为载波的信道，具有极宽的通频带，能够提供极大的传输容量。

光纤的特点是：

损耗低，通频带宽，不怕腐蚀，质量轻以及不受电磁干扰等。

莉用光纤代替电缆可以节省大量有色金属。

目前的技术可以使光纤的损耗低于0.2db/km，随着科学技术的发展这个数据会下降。

由于光纤的物理性质非常稳定而且不受电磁干扰，因此光纤信道的性质非常稳定，可以看做是典型的横参信道。

3无线电视距中继信道

无线电视距中继通信工作在超短波和微波波段，利用定向天线实现视距直线传播。

由于直线距离一般在40~50km，因此需要中继放大方式实现长距离通信。

相邻中继站间距离为直线视距40~50km。

由于中继站之间采用定向天线实现点对点的传输，并且距离较短，因此传播条件比较稳定，可以看做是横参信道。

这种系统具有传输容量大，发射功率小，通信可靠稳定等特点。

4卫星信道

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继转发站实现的通信。

当人造地球卫星的运行轨道在赤道平面上，距离地面35860km时，其绕地球绕一周时间为24h，在地球上看到的该卫星是相对静止的，因此称其为地球同步卫星。

利用它作为中继站，可以实现地球上18000km范围内的多点通信。

采用三个适当配置的同步卫星作为中继站就可以几乎覆盖全球通信（除南北两极盲区外）。

同步卫星通信是电磁波直线传播，因此其通信传输性能稳定可靠，传输距离远，容量大，覆盖地域广，广泛用于传输多路电话电报图像数据和电视节目。

同步卫星中继信道可以看做是横参信道。

1.1.2随参信道举例

1短波电离层反射信道

波长为10~100m（频率为30~3MHZ）的无线电波成为短波。

短波可以沿地面传播，简称为地波传播；也可以由电离层反射传播，简称为天波传播。

由于地面的吸收作用，地波传播的距离较短，约为几十公里。

而天波传播由于经电离层一次或多次反射，传输距离可达几千公里甚至上万公里。

电离层为距离地面高60~600km的大气层。

在太阳辐射的紫外线和X射线的作用下，大气分子产生电离而形成电离层。

电离层能够反射短波电磁波。

由发送天线发出的短波信号经由电离层一次或多次反射传播到接收端，如同经过一次或多次无源中继。

很显然，这种中继不同于卫星通信中的通过通信卫星的中继方式，也不同于微波中继通信的中继方式。

它具有以下特点：

（1）由于电离层不是一个平面而是有一定厚度的，并且具有不同高度的两到四层（D.E.F1.F2）,所以发送天线发出的信号经不同高度的电离层反射到达接收端的信号是由许多经不同长度路径和损耗的信号之和，这种信号称为多径信号；这种现象称为多径传播。

（2）电离层的性质（例如电离层的电子密度，高度，厚度等）受太阳辐射和其他因素的影响，不断的随机变化。

例如，四层中的D和F1层白天存在，夜晚消失，电离层的电子密度随夜，季节以至年份而变化。

所以短波反射信道是典型的随参信道。

2.对流层散射信道

对流层是离地面10~12km的大气层。

在对流层中由于大气湍流运动等因素引起大气层的不均匀性。

当电磁波射入对流层时，这种不均匀性就会引起电磁波的散射，也就是漫反射，一部分电磁波向接收端方向散射时，起到了中继作用。

通常一跳的通信距离约为100~500km，对流层的性质受很多因素的影响随机变化；另外，对流层不是一个平面而是一个散体，电波信号经过对流层散射也会产生多径传播。

因此对流层散射信道也是随参信道。

1.2该通讯系统所选择的信道光纤信道

因为1光纤损耗低，通频带宽，不怕腐蚀质量轻2光源性能较好。

3光纤信道不受电磁干扰。

2通信系统的设计

2.1通信系统参数计算与系统设计

所谓调制就是把信号转换适合在信道中传输的形式的一种过程。

广义的调制分为基带调制和带通调制，狭义的调制是指载波调制。

载波调制就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律变化。

调制信号是指来自信源的消息（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。

未受调制的周期性振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。

载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。

解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。

我所设计的通信系统是采用模拟调制系统中的双边带（DSB）调制，解调为相干解调。

其模型如下图

m（t）输出

c（t）n（t）c（t）

图1

其中：

m（t）是原始信号，是余弦信号；c（t）是余弦载波，

c（t）=cos（wt）

所加的噪声是带限白噪声。

调制过程就是原始信号与载波相乘，即把原始信号放在载波上进行传输，调制以后的信号就变成了已调信号，已调信号在信道传输中往往会有噪声，因此在信道中加入带限白噪声，已调信号在传输中通过带通滤波器，然后进行解调，解调是采用相干解调的方法，即先与载波相乘然后再通过低通滤波器最后输出的信号即为原始信号。

系统参数；

（1）传输语音信号（4khz）

（2）载波频率（100khz）

（3）噪声功率谱密度（2*10-9w/hz）

（4）信号功率（8mw）

所以带宽B=2*fH=2*4=8khz

系统的传输速率Rb=RB*log2M=8000b/s

因为为二进制，所以M=2,

输出信噪比；S0/N0=8*10-3/2n0B=8*10-3/2*10-9*8000=500

因为双边带DSB:

信噪比增益G=2，所以输入信噪比；Si/Ni=250

带通滤波器

1582≤|w|≤672rad/s

H（w）=

0其他

低通滤波器

1|w|≤70rad/s

H（w）=

0其他

2.2模拟通信系统仿真图解

说明：

上图为模拟通信系统在matlab软件上的一个仿真图。

由于在实际的通信系统中信号（包括信源信号，载波信号，以及解调信号）的频率都很高。

这样高频率的信号在实际进行仿真时效果不是很明显，所以在这里对该通信系统的频率参数进行了1000：

1的放缩。

下面将实际通信系统的频率参数以及在模拟时所用到的频率参数列举如下；

1.实际通信系统的频率参数：

信源信号频率4KHz载波信号，解调信号频率100KHz

2.仿真时所设的频率参数：

信源信号频率4Hz载波信号，解调信号频率100Hz

另外将仿真时的各参数设置图，时域信号显示图，频域信号显示出如下

上图为信源信号的参数设置图，在这里使用了弧度制单位。

即在表示频率时用角频率表示其大小，单位是弧度每秒。

上图为载波的参数设置图。

在这里单位是弧度制。

故在此与上图设法雷同，在这里就不在赘述了。

并且由于解调波与载波为相干波，故参数设置两者相同，所以在这里就不在插图说明了

上图为信道噪声的参数设置，在这里由于影响通信系统的主要噪声是带限白噪声（实际中还存在其他形式的噪声形式，但其主要影响作用的噪声形式是带限白噪声），为了简化仿真部件，故在仿真时只选用了带限白噪声这一种噪声形式。

上图为带通滤波器的参数设置图。

采用的是弧度制单位。

上图为低通滤波器的参数设置图。

仍然采用的是弧度制单位。

在这里要说明的是，滤波器的参数设置（带通包括上下限截止频率，低通包括通过截止频率）非常重要。

这直接关系着所设计通信系统的成败与否。

具体在设置参数时是根据信源信号以及载波信号频率而定的。

具体的做法现列举如下：

1.带通滤波器：

在设置带通滤波器是上限截止频率是给中心频率加上一个稍大于信源信号频率的数，而下限截止频率则是减去一个稍大于信源信号频率的数。

2.低通滤波器：

在设置低通滤波器的截止频率时，是将截止频率设置成稍大于信源信号频率的数即可。

上面我们将模拟仿真通信系统的参数设置完成之后，接下来就是要观察输出波形了，如果输入的信源信号的波形函数与经过解调输出的输出信号输出波形相吻合的话，那就基本上可以说明了我们所设计的模拟仿真通信系统的可行性。

所以参数设置结束后接下来我们就该运行该系统，观察输出波形了。

上图窗口1为经带通滤波器的波形，窗口2为信号的波形，窗口3为加载波的波形。

上图窗口1为信号的波形，窗口2为解调后的波形，因为传播中有损耗，所以波形振幅减小。

窗口3为加噪声后的波形。

如上图所示此图为经过调制之后的信源信号的频谱。

3.MATLAB

3.1MATLAB介绍

MATLAB产品家族是美国MathWorks公司开发的用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境。

由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在MATLAB的主要应用方向—科学计算、建模仿真以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具，全球现有超过五十万的企业用户和上千万的个人用户，广泛的分布在航空航天，金融财务，机械化工，电信，教育等各个行业

在MATLAB产品家族中，MATLAB工具箱是整个体系的基座，它是一个语言编程型（M语言）开发平台，提供了体系中其他工具所需要的集成环境（比如M语言的解释器）。

同时由于MATLAB对矩阵和线性代数的支持使得工具箱本身也具有强大的数学计算能力。

MATLAB产品体系的演化历程中最重要的一个体系变更是引入了Simulink，用来对动态系统建模仿真。

其框图化的设计方式和良好的交互性，对工程人员本身计算机操作与编程的熟练程度的要求降到了最低，工程人员可以把更多的精力放到理论和技术的创新上去。

同时，MATLAB开放的体系结构允许用户在平台上进行自由扩展，目前在全世界范围内已经有大量的商业的或者免费的MATLAB二次开发产品发布（比如FEMLAB和PSS）。

换句话说，用户购买一套MATLAB，获得的是世界范围的专家支持。

而对于用户自己开发的算法包，MATLAB也提供了包括Compiler应用发布和Web网络发布在内的众多方式的发布途径，使得用户一方面能够充分地利用MATLAB的算法资源形成技术成果，同时又可以有效的保护自己的知识产权。

在这样一个产品体系中，我们可以看到，由于MATLAB及其丰富的Toolbox资源的支持，使得用户可以方便的进行具有开创性的建模与算法开发工作，并通过MATLAB强大的图形和可视化能力反映算法的性能和指标。

所得到的算法则可以在Simulink环境中以模块化的方式实现，通过全系统建模，进行全系统的动态仿真以得到算法在系统中的动态验证

另外随着MATLAB在行业内影响力的快速扩大，与MathWorks公司形成战略联合的公司和寻求与MATLAB进行接口的软硬件产品的也日益增多。

目前MATLAB所支持的第三方产品已经有三百余种，分布在科学计算、机械动力学设计、化工、信息工程，汽车、金融财务等各个学科领域，接口方式包括联合建模、数据共享、开发流程拼接等等。

从MATLAB的产品体系可以看到，应用MATLAB作为统一的集成开发平台结合第三方软硬件工具，可以实现从算法开发到系统仿真优化再到硬件实现的完整过程。

这一平台在工业领域的典型应用有：

·    控制器及控制对象的设计开发—快速控制原型及硬件在回路仿真（比如结合dSPACE硬件仿真机系统）

·    信号处理系统的设计开发—全系统仿真及快速原型验证（比如结合TIDSP）

·    通信系统设计开发—BitTrue和CycleTrue的算法验证（比如结合RadioLab3G和Candence）

·    机电液一体化设计开发—全系统联合仿真（比如结合Easy5和Adams）

总之，MathWorks致力于为工程师，科研工作者提供最好的语言，最好的工具和环境，扩大工程师的视野，提高生产率，增进学习能力，进行开创性的研究工作。

今天，MATLAB已经成为广大科研人员的最值得信赖的助手和朋友！

总结

通过本次的课程设计，我深刻体会到了课本理论知识与具体实际运用的不同，只有在掌握理论知识的前提下，才能运用到我们平常的实践中去，课本上的知识点多且散，必须牢记，才能自由运用。

而且更重要的是要对整个系统要有一个整体的把握，这就对我们提出了很高的要求。

那么现在我就把我个人在课程设计中所遇到的一些问题以及我的处理方法简要的介绍一下

1怎样去运行Simulink。

2如何将所需模块添加到模型中，了解并掌握了一些基本模块的用法。

3编辑模块组成模型，（这儿有几点要注意的1、修改模型的参数2、连线问题。

3、如何把频率转换成角频率。

）

4系统的仿真

这部分出现的问题较多，例如：

（1）输入波形和输出波形不同，

（2）在运行仿真时出现错误等等。

解决的方法：

（1）检查连线是否正确。

（2）带通和低通滤波器的参数调节的是否正确。

（在设置滤波器参数时是将截止频率设置成稍大于信源信号频率的数。

这样做的好处就是使信源信号可以全部通过，而不会因为滤波器的关系而丢失掉）（3）示波器参数调节的是否正确。

（4）相干解调的正旋波的频率、相位和振幅是否和载波的相同。

以上几个方面就是我个人在这次课程设计中遇到问题和从中学到的知识。

设计心得

短短一周的课程设计就这样结束了。

从这次课程设计中，我认识到了亲身实践是我们大学生活很有用也很必要的一步，通过课程设计能学到很多在课堂上学不到的东西。

在平时的课堂上我们仅仅知道该怎么去做，但没有亲自实践，只能是靠想象，所以有很多东西难以理解。

我发现很多知识都是以前在课本上学过的，当时印象并不怎么深刻，但是，一经课程设计，似乎都能很容易理解其原理，并能对其有更深的记忆。

总体来说，这次课程设计我受益匪浅。

在摸索该如何运用MAYLAB仿真课程实现所需功能的过程中，培养了我的逻辑思维能力，增加了实际动手的能力。

让我体会到了分析与设计系统的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。

总之，这次课程设计我收获颇多。

实践是获得知识的一种最好的手段！

在这里，我非常地感谢段老师的指导，没有您的指导，我们的课程设计也不会进行的如此顺利；也得感谢我的同学们，感谢他们给予我的帮助，才使得我们的课程设计很好的完成。

我忠心的感谢段老师，请允许我由衷的送上一句，老师，您辛苦了！

参考文献

1，《通信原理》樊昌信等编著北京：

国防工业出版社，2007

2，《通信原理》马海武等编著北京：

北京邮电大学出版社，2004

3，《MATLAB通信仿真及应用实例详解》邓华编著北京：

人民邮电出版社，2003

4，《MATLAB通信仿真开发手册》孙屹主编；李妍编著，北京：

国防工业出版社，2005

5,《MATLAB通信仿真与应用》刘敏，魏玲编著，北京：

国防工业出版社，2007

6，《MATLAB与simulink通信系统建模》邵玉斌编著，清华大学出版社，2010