模拟通信系统的仿真实现.docx

模拟通信系统的仿真实现.docx

《模拟通信系统的仿真实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟通信系统的仿真实现.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

模拟通信系统的仿真实现

论文编码（原论文分类号）：

TP××

首都师范大学本科学生毕业论文

模拟通信系统的仿真实现

AnalogcommunicationsystemSimulation

论文作者吾买尔江.阿布来提

院系信息工程学院

专业电子信息工程系

学号**********

指导老师赵晓旭

完成日期2008年5月10日

中文提要

本论文内容主要包括通信系统的概述、模拟通信系统的基本内容和以及用MATLAB仿真软件来实现模拟通信系统的仿真。

模拟通信系统的基本内容主要有通信系统的基本模型，模拟信号的线性调制（AM、DSB、）与解调，非线性调制（FM、PM）与解调，本论文同时也对仿真软件（MATLAB）简单介绍，同时用仿真软件实现上述模拟通信系统的仿真。

关键词：

模拟调制AMDSBSSBFM仿真

Abstract

Papersmainlyincludinganoverviewofcommunicationssystems,analogcommunicationssystemandthebasiccontentsanduseMATLABsimulationsoftwaresimulationofcommunicationsystemstoachievethesimulation.Analogcommunicationsystemsarethemainelementsofthebasiccommunicationsystemmodel,thelinearanalogsignalmodulation（AM,DSB,）anddemodulator,non-linearmodulation（FM,PM）anddemodulator,thepaperalsoontheSimulationsoftware（MATLAB）abriefintroduction,whileusingsimulationsoftwaretoachievethesimulationofthecommunicationssystemsimulation.

Keywords:

AnalogmodulationAMDSBSSBFMSimulation

第一章引言

通信是通过某种媒体进行的信息传递。

没有通信，人类社会是不可想象的。

在古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警等方式进行信息传递。

到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了无线电，固定电话，移动电话，互联网甚至可视电话等各种通信方式。

通信技术拉近了人与人之间的距离，提高了经济的效率，深刻的改变了人类的生活方式和社会面貌。

21世纪是一个信息社会，信息交流将成为人们生活的基本需要。

现代通信系统是信息时代的生命线，通信是推动人类社会文明、进步与发展的巨大动力。

可见，通信是十分重要的。

通信系统可分为模拟通信和数字通信。

在数字信号通信快速发展以前主要是模拟信号通信，模拟通信是基础，有合理使用频带资源，通信质量高，简单等优点，因此是研究数字通信的基础，对研究通信系统有很大的重要性。

由于从信息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不适合直接进行传输。

因此，在通信系统的发送端通常需要有调制过程，而在接受端则需要有反调制过程——解调过程。

通常，调制可以分为模拟调制和数字调制两种方式。

在模拟调制中，调制信号的取值是连续的；而数字调制中的调制信号的取值则为离散的。

目前常见的模-数变换可以看成是一中用脉冲串作为载波的数字调制，又称为脉冲编码调制。

调制在通信系统中具有重要的作用。

通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成合适于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。

调制方式往往决定了一个通信系统的性能。

第二章通信系统及MATLAB的概述

2.1通信与通信系统

人类社会是建立在信息交流基础上的。

在人类社会中，人们总是离不开消息的传递。

通信的任务就是克服距离上的障碍，迅速而准确地传递消息，或者说通信就是从一地向另一地传递消息。

随着社会的发展和技术的进步，人们对传递消息的要求越来越高，人类通信交流的方式也越来越复杂。

由于点通信方式能使消息几乎在任意距离上实现迅速、有效、准确、可靠的传输，因此目前的通信越来越依赖于利用“电”来传递消息的这种“电通信”方式。

通信的目的是传递消息中包含的信息。

例如，语音、文字、图形、图像等都是消息。

人们接收消息，关心的是消息中包含的有效内容，即信息。

通信传输的消息是多种多样的，各种不同的消息可以分成两类：

一类称作离散消息，另一类称作连续消息。

离散消息是指消息的状态是可数的或是离散型的，比如符号、文字或数据等。

连续消息则是其状态连续变化的消息，如连续变化的语音、图像等。

为了传递消息，各种消息需要转换成电信号。

消息与电信号之间必须建立单一的对应关系，否则在接收端就无法复制出原来的消息。

如果电信号的参量携带着离散消息，则该参量必将是离散取值的，这样的信号就称为数字信号。

如果电信号的参量连续取值，则称这样的信号为模拟信号。

按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分成两类：

模拟通信系统和数字通信系统。

完成信息传递所需的所有设备的综合称为通信系统。

点与点通信系统的一般模型如图2-1。

图2-1通信系统的一般模型

1、信息源

信源是发出信息的源，它是信息的发生地，其作用是把各种可能消息转换成原始电信-号。

根据信源输出信号的性质不同可分为模拟信源和数字信源。

模拟信源（如电话机、电视摄像机）输出连续变化的模拟信号，又称连续信源;数字信源（如电传机、计算机等各种数字终端设备）输出离散的数字信号，又称离散信源。

2、发送设备

发送设备的基本功能是将信源与信道匹配起来，将信源输出的信号变换成适合信道传输的信号形式，然后送往信道。

因语声、图像等原始的消息不能以电磁波来传送，所以需要通过发送设备将原始的非电消息变换成电信号，并再对这种电信号进一步转换，使其变换成适合某种具体信道传输的电信号。

这种电信号同样载有原有的信息。

例如电话机的送话器，就是将语声变换成幅度连续变化的电话信号，再进一步转换后送到信道上去。

完成这种信号变换的方式多种多样，其中信道调制是最常见的变换方式。

另外，发送设备还包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密与纠错编码处理等。

3、信道

信道是指传输信号的通道，是发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介。

它可以是有线的，也可以是无线的，有线和无线均有多种传输媒质。

传输过程中必然会引入干扰与噪声。

信道的固有特性与引入的干扰特性直接关系到发送设备中变换方式的选取。

4、接收设备

接收设备的基本功能是完成变换器的反变换，即进行解调、译码、解码等等。

它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信号来。

对于多路复用信号，接收设备还具有解除多路复用和实现正确分路的功能。

5、信宿

信宿是传输信息的归宿是信息的接收者，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。

6、噪声源

噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

在模拟通信系统中，需要两种变换:

第一种变换送端的连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原连续消息。

这里所说的原始信号，由于它通常具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。

因此模拟通信系统里常需要有第二种变换调制和解调。

将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换。

经过调制后的信号成为已调信号，它有两个基本特征一是携带有消息二是适应在信道中传输。

发送端调制前和接收端解调后的信号成为基带信号。

因此，原始电信号又称为基带信号，而已调信号又称为频带信号。

模拟通信系统的模型如图2-2。

图2-2模拟通信系统的一般模型

2.2通信的方式

上述的通信系统是单向通信系统，但在大多数场合，信源兼为信宿，需要双向通信。

双向通信时，通信双方要有发送和接收设备，并需要各自的传输媒介。

这就涉及到通信方式与新到共享问题。

常见的通信方式分为单工通信、半双工通信、双工通信三种。

单工通信指消息只能单方面传输的工作方式，因此只占用一个信道。

半双工通信指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。

这种方式可以占用一个信道也可以占用两个信道。

半双工通信的本质是单工通信。

双工通信又称全双工通信，是指通信双方可以同时进行双向传输消息的工作方式。

2.3信息及其量度

通信的目的在于传递信息，每一消息信号中必定包含接收者所需要知道的信息。

“信息”在概念上与消息的意义相似，但其含义更普遍、更抽象。

消息以具体信号形式表现出来，而信息是消息中包含的有意义的、本质的内容。

消息的出现是随机的、无法预知的。

消息可以是各种各样的，但其内容可统一用信息去表述。

传输消息的多少可直观地用“信息量”来衡量。

概率论告诉我们事件的不确定程度，可以用其出现的概率来描述。

亦即事件出现的可能性越小，则概率就越小。

反之，则概率就越大。

据于这种认识我们得到，消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关，消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。

如果我们得到不是由一个事件构成而是由若干个独立事件构成的消息，那么这时我们得到的总的信息量，就是若干个独立事件的信息量的总和。

综上所述可以看出，为了计算信息量，消息中所含的信息量I与消息x出现的概率P（x）间的关系式应当反映如下规律：

（1）消息中包含的信息量I是出现该消息的概率P（x）的函数，即I=I[P（x）]

（2）消息的出现概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，且当P（x）=1时，I=0

（3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，

即I[P（x

）P（x

）……]=I[P（x

）]+I[P（x

）]+……

不难看出，若I与P（x）间的关系式为I=log

=－log

P（x）能满足上述要求，因此定义上式为消息x所含信息量。

产生消息的信源有两大类：

离散信源和连续信源。

因此，产生的消息也有两大类，即离散消息和连续消息。

离散消息是一种有限个状态的随机序列，可用离散型随机过程的统计特性来描述；连续信源可能产生的消息树目是无限的，其消息的取值也是无限的，必须用概率密度函数来描述。

连续消息的信息量可用概率密度来描述，可以证明，连续消息的平均信息量为H（x）=－

式中f（x）为连续消息出现的概率密度。

信息的传输必须经过信道，信道传输信息时有一定的容量，称为信道容量C，它是单位时间内信道上所能传输的最大信息量。

对于信道容量，可用香农信道容量公式来概括，即C=Blog

（1+

）（bit/s）（公式2-1）

由信道容量公式可知：

（1）提高信噪比可以增加信道容量。

（2）噪声功率N→0时，信道容量C→∞。

（3）增加信道带宽，可以提高信道容量，但并不能无限制地增加。

（4）信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以彼此转换。

2.4通信系统的分类

各种通信系统由于使用的波段、传输的信号、调制的方式等不同，故种类繁多。

可按以下不同角度，将通信系统进行分类。

按信源产生的消息的物理特性分类：

可分为电话通信、电报通信、图像通信和多媒体通信等系统。

按消息的传输媒质划分：

即按传输信道的不同可分为有线通信系统和无线通信系统。

按信道中传输的信号的特征分类：

可把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。

在模拟通信系统中，传输信号的参数取值是随时间连续变化的波形信号。

在数字通信系统中传输的信号是离散取值的脉冲信号。

从消息传输的方式来划分：

可分为单工通信、半双工通信和全双工通信系统。

按发送设备中调制的方式分类：

如果按照发送设备中是否采用调制来分，通信系统又有基带传输和调制传输两种。

所谓基带传输，就是将未经调治的信号直接传输，如音频市话、数字基带传输等。

调制传输是对各种信号变换方式后进行的传输的总称，又称载波传输。

这里所说的调制，主要指信道调制，它指的是用原始信号（又称调制信号或基带信号）改变或控制载波信号的一个或几个参数，使这些参数按原始信号的规律变化。

常用的调制方式如下：

连续波调制：

双边带调幅AM、抑制载波双边带调幅DSB、单边带调幅SSB、残留边带调幅VSB、频率调制FM、相位调制PM、振幅键控ASK、频率键控FSK、相位键控PSK等。

脉冲调制：

脉幅调制PAM、脉宽调制PDM、脉位调制PPM、脉码调制PCM、差分脉码调制DPCM等。

按传送信号的复用方式分类：

可分为频分复用、时分复用、码分复用及波分复用。

频分复用是用频谱的搬移的方法使不同的信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不同的信号占据不同的时间区间；码分复用则是用一组正交的码序列携带不同的信号。

2.5通信系统的性能指标

通信系统的性能指标从通信的目的和任务来看，其主要质量指标应是传输的有效性和可靠性。

有效性是在给定信道内能传输消息内容的多少，或者是说传输速度的问题；可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的质量问题。

两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。

1、有效性

在模拟通信系统中，通信的有效性常用信息传输时用的带宽B来衡量。

传输同样的信息，所占用带宽增加则有效性变低。

若能利用同一带宽传送多路信号，则有效性就高。

在数字通信系统中，通信的有效性常用码元传输速率、消息传输速率以及系统频带利用率等来衡量。

码元传输速率又称码元速率或传码率，用R

表示，它是指单位时间内系统传输的码元符号的数目。

消息传输速率又称为信息速率或传信率，用R

表示，它是指单位时间内系统传送的信息量的多少。

码元速率与信息速率的关系是明显的。

当码元符号为二进制时，每个码元符号包含的信息量就是一个比特，这时码元速率等于信息速率。

R

或

（公式2-2）

2、可靠性

在模拟通信系统中，通信的可靠性是用接收端输出的信噪比S/N来衡量的，即接收端输出信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比。

信噪比不仅能衡量输出信号的失真程度，而且能衡量噪声对信号干扰的大小。

输出信噪比大，说明信号的传输质量好，即系统的抗噪声能力强，可靠性高。

在数字通信系统中，描述通信可靠性的主要指标是误码率和误信率。

误码率是指接收端错误接收饿码元数目与传输的总码元数目的比值，它表明系统传错码元的概率。

误信率是指码元的信息量在传输过程中被丢失的概率。

在设计通信系统时，总希望有效性和可靠性都很高，但实际系统中这两个性能指标是相互制约的，相互矛盾的。

不同的系统对于可靠性和有效性的要求是不同的，所以在设计通信系统时，可两种性能的不同要求要合理安排、相互兼顾。

2.6MATLAB简单介绍

美国Mathwork公司于1967年推出了矩阵实验室“MatrixLaboratory”（缩写为Matlab）这就是matlab最早的雏形。

开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。

从matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中得到了极大的欢迎。

由于她使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了6.5版本。

MATLAB是一种用于科学工程的高效率高级语言。

分为总包和若干个工具箱。

MATLAB最初作为矩阵实验室（MatrixLaboratory），主要向用户提供一套非常完善的矩阵运算命令。

随着数值运算的演变，它逐渐发展为各种系统仿真、数字信号处理、科学可视化的通用标准语言。

随着MATLAB版本的不断更新，其功能也越来越强，使它具有强大的矩阵计算和数据可视化能力，可以实现数值分析优化统计、信号处理、自动控制等若干个领域的数学计算，还可以实现二维、三维图形绘制，科学计算可视化，图像处理等图形图像方面的处理。

可以方便地用于所有的科学和工程计算的各个方面。

同时MATLAB通信工具箱中提供了许多MATLAB函数和Simulink仿真模块，可以用来对通信系统进行仿真和分析。

这些函数和模块涉及通信系统的各个部分，用户可以根据需要进行选择，从而构筑自己的通信系统模型。

MATLAB能给用户提供最直接、最简洁的开发环境。

有简单易学、代码短小高效、计算功能强大、强大的图形表达功能、可扩展性能等优点。

在系统仿真、数字信号处理等各方面都有着广泛的应用。

下面将通过MATLAB来仿真模拟通信系统，并结合仿真结果进行分析。

第三章模拟调制系统

3.1模拟调制的介绍

由于从信息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不适合直接进行传输。

因此，在通信系统的发送端通常需要有调制过程，而在接受端则需要有反调制过程——解调过程。

通常，调制可以分为模拟调制和数字调制两种方式。

在模拟调制中，调制信号的取值是连续的；而数字调制中的调制信号的取值则为离散的。

目前常见的模-数变换可以看成是一中用脉冲串作为载波的数字调制，又称为脉冲编码调制。

调制在通信系统中具有重要的作用。

通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成合适于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。

调制方式往往决定了一个通信系统的性能。

模拟调制：

用来自信源的基带模拟信号去调制某载波。

载波：

确知的周期性波形－余弦波：

c（t）=Acos（0t+0）（公式3-1）

式中，A为振幅；

0为载波角频率；

0为初始相位。

定义：

调制信号m（t）－自信源来的信号

已调信号s（t）－调制后的载波称为已调信号

调制器－进行调制的部件

3.2模拟调制的目的、分类

调制的目的是为了使得信号适应信道传输、合并多路信号、提高抗干扰性。

模拟调制可以分为线性调制和非线性调制。

线性调制包括常规双边带调幅（AM）、单边带调制（SSB）、双边带调制（DSB）和残留边带调制（VSB）；非线性调制（或称为角度调制）包括频率调制（FM）和相位调制（PM）。

模拟调制的优点是设备简单，占有带宽较窄，但它的抗干扰性能差，中继时噪声累积。

FM调制和PM调制非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号

第四章幅度调制

4．1概述

所谓调制，就是用调制信号（基带）去控制或改变载波的一个或几个参数，使调制后的信号（已调信号）含有原来调制信号的全部信息，但载波的某些参数按调制信号的规律变化。

从频域上看，调制是一种频谱变换过程。

调制的目的在于使要传输的信号与信道相匹配，从而有效传输信号。

调制可以分为模拟调制和数字调制方式。

模拟通信的优点是直观且容易实现，是研究通信系统的基础。

缺点是保密性差和抗干扰能力弱。

调制的载波可以分为用正弦型信号作为载波和用脉冲串或一组数字信号作为载波。

载波为高频正弦信号的调制为正弦波调制，它又分为模拟调制和数字调制。

模拟调制可以分为线性调制和非线性调制。

线性调制的已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构相同。

线性调制的已调信号种类包括：

调幅信号、单边带信号、双边带信号、残留边带信号等。

非线性调制又称角度调制。

其已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构有很大的不同，除了频谱搬移之外，还增加了许多新的频率成分，所占用的饿频带宽度也可能大大增加。

非线性调制的已调信号种类包括调频信号和调相信号。

所谓振幅调制就是高频正弦载波的振幅随调制信号作线性变化的过程。

设载波为

，

、

、

分别为载波的振幅、角频率和初相位。

设调制信号为

，

、

、

分别为

的振幅、角频率和初相位。

为了简化取为0幅度调制器的一般模型如图4-1。

图4-1幅度调制的一般模型

图中，

为调制信号，

为已调信号，

为滤波器的冲激响应，则已调信号的时域和频域一般表达式分别为：

（公式4-1）

（公式4-2）

式中，

为调制信号

的频谱，

为载波角频率。

由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。

在一般模型图中，适当选择滤波器的特性

，便可得到各种幅度调制信号，例如：

常规双边带调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调制（SSB）信号等。

4．2常规双边带调幅（AM）

如果载波信号是单频正弦波，调制器输出的已调信号的包络与输入调制信号为线性关系，则称这种调制为常规调幅，或简称调幅（AM:

amplitudemodulation）。

这种调制方式在无线电广播系统中占有主要地位。

在常规双边带调幅中，输出已调信号的包络与输入调制信号成正比，其时域表达式为

（公式4-3）

式中

为外加的直流分量;

为基带调制信号，通常认为其平均值为0。

为载波的角频率，

为载波的初始相位，典型的波形图如图所示。

图4-2AM信号的波形图

由波形可知，用包络检波的方法便能恢复原始调制信号。

但为了包络检波时不发生失真，必须满足

（公式4-4）

否则将会出现过调幅现象而带来失真。

图4-3AM信号的调制仿真图

但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足

，否则将出现过调幅现象而带来失真。

定义调幅度m为调制电压与载波振幅之比。

为了使已调信号不失真，调幅度m应小于或等于1。

AM信号调制过程中不同调幅度的信号波形如图4-4所示。

图4-4正弦信号常规双边带调幅（AM）调幅度取不同值时的图

注：

蓝线表示调制信号，绿线表示已调信号

图4-5AM仿真图m=1

此时m=1，称为百分百调制，已调信号的包络恰好不失真。

此时m>1，出现过调现象，调制信号的包络出现严重的失真，在调制过程中，应尽量避免这现象，因为此时出现严重失真。

图4-6AM仿真图m>1

此时m>1，出现过调现象，调制信号的包络出现严重的失真，在调制过程中，应尽量避免这现象，因为此时出现严重失真。

图4-7AM仿真图m<1

分析：

要想使调幅波的振幅真实地反映调制信号地变化规律应使调幅度m≤1。

m>1叫过渡调制，是不允许的，使调幅波的振幅变化规律与调制信号的变化规律不一致，就会产生失真。

AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成。

上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。

显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。

故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即：

（公式4-5）

式中，

为调制信号

的带宽，

为调制信号的最高频率。

4．2．1AM信号的功率分配及调制效率

AM信号在1

电阻上的平均功率应等于

的均方值。

当

为确知信号时，

的均方值即为其平方的时间平均，即：

（公式4-6）

 因为调制信号不含直流分量，即

，且

，所以

（公式4-7）

式中，

为载波功率；

为边带功率，它是调制信号功率

的一半。

由此可见，常规双边带调幅信号的平均功率包括载波功率和边带功率两部分。

只有边带功率分量与调制信号有关，载波功率分量不携带信息。

为表征AM信号的功率利用程度，将AM信号的边带功率与平均功率之比定义为AM信号的调制效率，即：

（公式4-8）

显然，AM信号的调制效率总是小于1。

可见由于A

的存在，AM信号的调制效率是不