二进制数字调制技术及扩频通信系统仿真研究.docx
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二进制数字调制技术及扩频通信系统仿真研究
长沙学院
课程设计说明书
题目
二进制数字调制技术及扩频通信系统仿真研究
系（部）
电子信息与电气工程
专业（班级）
12通信2班
姓名
徐华成
学号
2012043209
指导教师
冯璐、陈威兵、刘光灿、张刚林
起止日期
2014.12.29—2015.1.9
长沙学院课程设计鉴定表
姓名
徐华成
学号
2012043209
专业
通信工程
班级
2
设计题目
二进制数字调制技术及扩频通信系统仿真研究
指导教师
冯璐、陈威兵、刘光灿、张刚林
指导教师意见：
评定成绩：
教师签名：
日期：
答辩小组意见：
评定成绩：
答辩小组长签名：
日期：
教研室意见：
最终评定等级：
教研室主任签名：
日期：
说明
课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“中等”、“及格”、“不及格”五等。
目录
1.概述1
2.系统设计1
2.1二进数字制调制系统设计1
2.1.2二进制振幅键控2ASK1
2.1.2二进制频移键控2FSK2
2.2扩频通信系统设计2
3.系统仿真实现3
3.1二进制数字调制系统仿真3
3.1.1ASK程序编写及输出波形3
3.1.22FSK程序编写及输出波形6
3.2扩频通信系统仿真10
4.系统仿真结果分析11
4.1二进制数字调制系统误码率分析11
4.2扩频通信系统仿真结果11
5.结论与心得12
参考文献13
1.概述
通信（Communication）就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。
目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。
但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。
与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：
抗干扰能力强；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。
然而，凡是有利必有弊，数字通信也有缺点，它一般需要较大的带宽。
另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。
但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。
同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。
因此，数字通信的应用必将越来越广泛。
本课程设计主要是利用MATLAB设计一个2ASK与2FSK调制与相干解调通信系统，分别在理想信道和加入高斯白噪声运行，并把运行仿真波形输出，以及利用Simulink仿真平台设计扩频通信系统。
2.系统设计
2.1二进数字制调制系统设计
广义的调制分为基带调制和带通调制；在大部分场合中，往往将调制仅作侠义的理解，即常将带通调制简称为调制。
本次实验用到的就是带通调制。
带通调制通常需要一个正弦波作为载波，把基带数字信号调制到这个载波上，使这个载波的一个或几个参量上载有基带数字信号的信息，并且使已调信号的频谱位置适合在给定的带同信号中传输。
在无线电信道中，带通调制是必不可少来的。
因为若要使信号能够以电磁波的方式通过天线发射出去，信号所占的频带位置必须足够高，并且信号所占用的频带宽带不能超过天线的通频带，所以，基带信号必须调制一个频率很高的载波，使基带信号搬移到足够高的频率上，才能够从天线发射出去。
本次课程设计仅研究2ASK和2FSK.
2.1.2二进制振幅键控2ASK
二进制振幅键控信号码元为
，式中，
为载波的角频率；A（t）是随基带调制信号变化的时变振幅，即
产生二进制振幅键控信号的方法，或称为调制方法，主要有两种。
第一种方法采用相乘电路，用基带信号A（t）和载波cosw0t相乘就可得到已调信号输出。
第二种方法是采用开关电路，这里的开关由输入基带信号A（t）控制，用这种方法可以得到同样的输出波形。
在开关法当中，为了控制开关基带信号必须是矩形脉冲，这是二者的主要区别。
图1ASK波形
采用ASK进行信号调制，将二进制码元与余弦载波调制，之后模拟已调信号通过带有噪声信道的过程，最后通过相干解调将原信号鉴别出来。
2.1.2二进制频移键控2FSK
二进制频移键控信号码元的“1”“0”分别用两个不同频率的正弦波形来传送，而其振幅和初始相位不变。
故其表达式为：
式中，假如码元的初始相位分别为
和
，
和
为两个不同频率码元的角频率；A为一常数，表明码元的包络是矩形脉冲。
图2FSK波形
采用FSK进行信号调制，将二进制码元与两个不同频率余弦载波调制，之后模拟已调信号通过带有噪声信道的过程，最后通过相干解调将原信号鉴别出来。
2.2扩频通信系统设计
扩频是指将信号的频谱扩展至占用很宽的频带。
扩展频谱通信系统是将基带信号的频谱通过某种调制扩展到远大于原基带信号带宽的系统。
扩频技术分为三类：
（1）直接序列扩频，通常采用一段伪随机序列表示一个信息码元，对载波进行调制。
（2）跳频扩频，它使发射机的载频在一个信息码元的时间内，按照预定的规律，离散地快速跳变。
（3）线性调制，载频在一个信息码元时间内在一个宽的频段中线性地变化。
3.系统仿真实现
3.1二进制数字调制系统仿真
3.1.1ASK程序编写及输出波形
clc;
clear;
N=10;
x=randint（1,N）;%生成10个随机二进制
t=0:
0.001:
0.6;
y=cos（2*pi*50*t）;%余弦载波
subplot（421）;
%figure
（1）;
plot（x）;
xlabel（'x'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'二进制码元'）;
%axis（[0630002]）;
%gridon
subplot（422）;
%figure
（2）;
plot（y）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'余弦载波信号'）;
s=[];
fori=1:
N
ifx（i）==1
x1=ones（1,length（y））;%相乘法获得2ASK已调信号
m=x1.*y;
%m=y;%开关法获得2ASK已调信号
else
m=zeros（1,length（y））;
end
s=[sm];
end
subplot（423）
%figure（3）;
plot（s）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'ASK已调信号'）;
%axis（[05000-11]）;
Y=fft（s,512）;
Pyy=Y.*conj（Y）/512;
f=1000*（0:
256）/512;
subplot（424）;
%figure（4）;
plot（f,Pyy（1:
257））
title（'Frequencycontentofy'）;
xlabel（'frequency（Hz）'）;
xnoise=awgn（s,2）;%加高斯白噪声
subplot（425）;
plot（xnoise）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'ASK已调信号加噪声后'）;
%axis（[06300-11]）;
m1=[];
fori=1:
N
m1=[m1y];
end
dask=xnoise.*m1;%相干解调，乘以本地载波
subplot（426）;
%figure（6）;
plot（dask）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'相干解调过程波形'）;
Oder=30;%滤波器设计
f1=[00.150.21];
m2=[1100];
b=firls（Oder,f1,m2）;
[h,w]=freqz（b）;
x_fir=filter（b,1,dask）;
subplot（427）;
%figure（7）;
plot（x_fir）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'通过低通滤波器波形'）;
axis（[06300-0.51.5]）;
%抽样判决过程
fori=1:
N
if（x_fir（（i-1）*601+300）>0.2）
x2（i）=1;
else
x2（i）=0;
end
end
subplot（428）
plot（x2）;
title（'解调恢复的二进制信号'）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
图3ASK仿真
SNR=[03691215182124273033];
err=[0.1900.1250.0750.0370.0040000000];
plot（SNR,err）
title（'ASK与误码率随信噪比变化图'）;
xlabel（'信噪比'）;
ylabel（'误码率'）;
gridon
图4ASK误码率
3.1.22FSK程序编写及输出波形
clc;
clear;
N=10;
x=randint（1,N）;%生成100个随机二进制
t=0:
0.001:
0.6;
y=cos（2*pi*10*t）;%余弦载波
z=cos（2*pi*5*t）;
subplot（421）;
%figure
（1）;
plot（x）;
xlabel（'x'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'二进制码元'）;
%axis（[0630002]）;
%gridon
subplot（422）;
%figure
（2）;
plot（y）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'高频余弦载波信号'）;
subplot（423）;
%figure（3）;
plot（z）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'低频余弦载波信号'）;
s=[];
fori=1:
N
ifx（i）==1
x1=ones（1,length（y））;%相乘法获得2fSK已调信号
m=x1.*y;
%m=y;%开关法获得2fSK已调信号
else
x2=ones（1,length（z））;
m=x2.*z;
end
s=[sm];
end
subplot（424）;
%figure（4）;
plot（s）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'FSK已调信号'）;
%axis（[05000-11]）;
Y=fft（s）;
%Y=fft（s,512）;
%Pyy=Y.*conj（Y）/512;
%f=1000*（0:
256）/512;
subplot（425）;
%figure（5）;
%plot（f,Pyy（1:
257））
plot（abs（Y））
title（'Frequencycontentofy'）;
xlabel（'frequency（Hz）'）;
xnoise=awgn（s,25）;%加高斯白噪声
subplot（426）;
%figure（6）;
plot（xnoise）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'FSK已调信号加噪声后'）;
%axis（[06300-11]）;
m1=[];
fori=1:
N
m1=[m1y];
end
dask=xnoise.*m1;%相干解调，乘以本地载波
subplot（427）;
%figure（7）;
plot（dask）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'相干解调过程波形'）;
Oder=30;%滤波器设计
f1=[00.150.21];
m2=[1100];
b=firls（Oder,f1,m2）;
[h,w]=freqz（b）;
x_fir=filter（b,1,dask）;
subplot（428）;
%figure（8）;
plot（x_fir）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
title（'通过低通滤波器波形'）;
axis（[06300-0.51.5]）;
%抽样判决过程
fori=1:
N
if（x_fir（（i-1）*601+300）>0.2）
x2（i）=1;
else
x2（i）=0;
end
end
图5FSK仿真
SNR=[03691215182124273033];
err=[0.16300.11200.06700.02200.00300000000];
plot（SNR,err）
title（'FSK误码率随信噪比变化图'）;
xlabel（'信噪比'）;
ylabel（'误码率'）;
gridon
图6FSK误码率
3.2扩频通信系统仿真
运用SIMULINK仿真工具搭建直接扩频通信系统。
系统中应包括信元产生模块，伪随机码产生，进行直接序列扩频，使用BPSK调制方法调制后，分别运用高斯信道或瑞利衰落信道传输，再在接收端进行解调解码，并用示波器观察其输出波形，比较扩频前后的频谱特性。
本次课程设计所用的基于simulink的扩频通信系统的框图:
图7扩频通信系统
4.系统仿真结果分析
4.1二进制数字调制系统误码率分析
图8ASK和FSK误码率
由ASK和FSK的误码率曲线可看出：
（1）图形比较陡峭，随着信噪比的变大，其误码率越低，在信噪比为15dB的时候，ASK和FSK误码率同时降至0；
（2）在相同的信噪比的情况下，PSK的误码率较小，ASK的误码率较大。
4.2扩频通信系统仿真结果
图9扩频前图10扩频后
上图的频谱分析可知，扩频前的频带为0.5，扩频后的频带为0.2，频带差不多扩大了4倍，这样的扩频能够信号的安全性。
而且能量比较高，实现了扩频功能。
5.结论与心得
结论：
1、对于数字传输系统而言，最重要的性能指标就是误码率。
在相同信噪比条件下相干解调时，ASK的误码率要高于FSK的误码率。
在性能及可靠性方面，由于信道的不稳定性首先表现在信道的衰减随时间变化，其中ASK信号受其影响最直接，因而在有衰落的信道中其性能最差。
在实验中，判决门限的设定值很重要，错误的选择可能会导致实验得出错误的结果，经过调试之后，我选择的判决门限值为0.2，其误码率可以做到比较低。
2、扩频通信系统是本次课程设计的压轴，其重要性不言而喻，经过几次调试之后，将信源信号的长度进行修改为101时，误码率相对较低，扩频之后的信号能量更高，这样更有利于传输，抗衰变以及保密等优点。
心得：
本次课程设计为期2周，虽说时间较长，任务量不多，但期间由于元旦冲掉了3天，以及还要在课程设计的时间安排了专业考试，任务不可谓不重。
但在紧张之余，除了在老师上课的期间学习了matlab，我又在紧张的复习之余抽出了一些时间来对知识进行了加固。
课程设计的第一天，是最为基础但也是最为重要的。
老师首先给我们介绍了matlab的帮助系统——help。
如果有函数功能不懂的，直接将函数名输入进去搜素一下，就会把该函数的所有功能全都列出来，这个我们课外学习matlab提供了捷径，可能在一开始的时候看起来比较费劲，因为界面是纯英文的，但看多了就习惯了。
其次，老师还给我们演示了ASK的调制解调系统的仿真设计，并一行代码一行代码的给我们解释了一遍，老师非常负责的给予了我们的指导，使我们在课程设计中真正学到了不少东西，课后，在ASK的参照下，完成了FSK的仿真设计
最后，我们还做了扩频通信系统，与前边不相同的是，这里我们就不用输入代码了，我们直接对着原理框图进行设计就行了，设计人员已经把代码用模块的方法表示了出来，其功能非常强大。
但是，在设计的过程中，还要进行相关参数的修改，如对码元的长度，信噪比等都是可以修改的。
参考文献
[1]樊昌信.《通信原理教程》（第三版）.北京.电子工业出版社.2012.
[2]孙屹，吴磊.《Simulink通信仿真开发手册》,国防工业出版社,2003.
[3]曾一凡.《扩频通信原理》,机械工业出版社，2005年.
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