基于MATLAB的数字通信系统的技术仿真研究本科毕业论文.docx
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基于MATLAB的数字通信系统的技术仿真研究本科毕业论文
学号：
长春科技学院
毕业设计（论文）
基于MATLAB的数字通信系统的仿真技术研究
姓名:
学院：
信息工程学院
专业：
电子信息科学与技术
班级：
2009级2班
指导老师：
（助教）
2013年5月25日
摘要
随着通信系统复杂性的增加，传统的分析设计方法已经不能适应发展的需要。
如果每次都直接用真实系统进行实验，不仅耗资昂贵，费工费时，有时甚至难于找到
问题症结所在。
因此，解决上述问题的有效方法是采用计算机仿真技术和利用计算机
的高速运算处理能力。
本文首先简要介绍了数字通信系统一些基本原理，以及脉冲编码调制和基带传输
中所涉及到的原理、框图。
MATLAB是Mathworks公司推出的一套高效率的数值计
算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算·信号处理、和图形显示于一体，构成了
一个方便的、界面友好的用户环境。
在随后的两章中，更深入的阐述了脉冲编码调制和基带传输的一些基本原理、公
式，以及它们在MATLAB中的实现，并注重仿真工程应用的系统化，均严格按照各
种理论系统进行仿真过程的设计，使所有工程内容都可以找到理论根源。
【关键词】MATLAB脉冲编码调制基带传输仿真
Abstract
Withtheincreaseofcommunicationsystematiccomplexity,traditionalanalysisdesignmethodcannotfitinwiththeneedsofdevelopment.iftheexperimentiscarriedonthetruesystemdirectlyeachtime,whichnotonlycostsexpensively,takesalotoftime,sometimesevenitisdifficulttofindtheverycruxofthequestion.Therefore,theeffectivemethodistoadopttheemulationtechnologyofthecomputer.Sothatthecomputer'sabilityofhigh-speedcomputationcanbeusedmostly.
Inthisarticlethebasicprincipleofdigitalcommunicationsystemandsomeprinciplesandgraphsofpulsecodingmodulationaswellasbasebandtransmissionhavebeenintroducedatfirst.MATLABisasuitofhighefficiencyandvisualsoftwarewhichhasdevelopedbyMathworksCompany.Itcollectsdataanalysis,matrixoperation,signal
processandgraphtobuildaconvenientandinterface-friendlyenvironment.
Thereafter,thebasicprinciple,formulaofpulsecodingmodulationandbasebandtransmissionaswellashowtoachievethematMATLABhavebeenexpoundeddeeply.Especiallypayattentiontothesystematizeofusingtheemulationtechnology.Itdodesign
ofemulationallaccordingtoeachtheorysystem,everyprojectcontentcouldfindthesourceoftheory.
【Keywords】MATLABpulsecodingmodulationbasebandtransmission
引言
在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。
日新月异的现代通信技术不仅推动了社会信息化发展，也改变了人们的工作、学习和生活方式，高等院校也随之建立了通信工程或与之相关的专业，相应地，通信原理的教学也发展到了一个新的阶段，面临着许多新问题需要探索和研究，新的通信系统的出现很大程度上是以通信理论的发展为基础的。
通信原理是通信工程专业、电子信息专业的一门重要的专业基础课程，它以各种通信系统的基本理论为研究对象，内容涉及典型的现代通信系统各个组成部分的工作原理分析和设计方法。
掌握这门课程对于学生学习、研究有关具体通信系统的后续专业课程，以及将来从事相关的科研、生产和管理工作部是十分重要的。
通信原理与实际应用联系密切，又具有很强的理论性和抽象性，并且需要应用概率论、随机过程、信号与系统、模拟与数字电路等多门课程知识为基础，给学生的学习造成了一定的困难。
形成学习困难的原因是多方面的，但其中最主要的是学生缺乏一个直观认识通信系统的感性基础
为了解决该问题，使抽象的理论知识具体化、形象化，本课题旨在通过以MATLAB语言进行的仿真Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。
Matlab的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。
应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。
Matlab具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。
Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。
用户可以在Matlab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。
用于实现通信仿真的通信工具包（Communicationtoolbox,也叫Commlib,通信工具箱）是Matlab语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab环境下独立使用,也可以配合Simulink使用。
另外，Matlab的图形界面功能GUI（GraphicalUserInterface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。
因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对数字通信系统的脉冲编码调制和基带传输进行仿真。
第1章绪论
1.1前言
现代通信技术与人们的生活联系越来越紧密，现代通信系统是信息时代的生命
线，信息技术革命是伴随着通信技术的发展而进行的。
从19世纪以来，通信技术的发展很快，尤其是在20世纪50年代后，在计算机的使用普及以后，数字通信在越来越多的领域取代了模拟通信，模拟调制技术也发展为脉冲编码调制等技术。
本篇将简要分析并讨论数字通信系统中脉冲编码调制和基带传输这两个主要问题以及它们在MATLAB中的实现。
1.2数字通信系统及其模型
在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为两类:
模拟通信系统和数字通信系统。
数字通信的基本特征是，它传输的信号是“离散”或数字的。
并具有以下几个突出问题。
第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上都是可以控而在接收端相应地需要一个解码器。
第二，当需要保密时，可以有效地对基带信号进行人为“揽乱”，即加上密码，这叫加密，此时，在接收端就需要进行解密。
第三.由于数字通信传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元.即码元，因而接收端
必须按与发送端相同的节拍接收。
综上所述点对点的数字通信系统模型.一般可用图1-1表示:
图1-1点对点数字通信系统模型
而在本篇中将要重点讨论的数字基带传输系统，模型如图1-2表示：
图1-2数字基带传输系统模型
1.3脉冲编码调制（PCM）和基带传输系统
1.3.1脉冲编码调制（PCM）
将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变换成代码，称之为脉冲编码调制（（Pcm）,又称为脉码调制，主要用于语音传输。
脉冲编码调制在光纤通信、卫星通信、数字微波通信中得到了广泛的应用。
脉码调制包括抽样、量化和编码三个过程。
抽样是把连续时间模拟信号转变成离散时间连续幅度的信号，而量化则将离散时间连续幅度进一步转化为离散幅度的数字信号，编码是将得到的数字信号用某种既定的规则编成二进制码组输出。
从调制观点来看，脉码调制使用模拟信号调制一个二进制脉冲序列.载波是脉冲序列.调制脉冲序列为“0”或“1'，,所以称为脉冲编码调制（PulseCodeModulate。
它的组成框图如图1-3所示。
图1-3PCM通信系统方框图
1.3.2基带传输系统
通信的根本任务是远距离传输信息，因而如何准确的传输数字信息是数字通信的一个重要组成部分。
在数字传输系统中.通常其传输对象是二元数字信息，设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的离散的波形来表示数字信息。
这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，称为数字基带信号。
而方便用载波调制解调装置而直接传送基带信号的系统.我们称之为基带传输
系统它的基本结构如图1-4所示：
图1-4基带传输系统的本结构
这里信道信号形成器用来产生适合于信道传输的基带信号，信道可以是允许基带信号通过的媒质，接收滤波器用来接收信号和尽可能排除信道噪声和其他干扰，抽样判决器则是在噪声背景下用来判定与再生基带信号。
1.4MATLAB简介
MATLAB是Mathworks公司推出的一种数学类计算应用软件，由于其强大的功能以及应用性，受到越来越多的科技工作者的欢迎。
在美国、欧洲等发达国家的大学中。
已成为一种必须掌握的编程语言。
1.4.1MATLAB的功能及特点
MATLAB是一个高精度的科学计算语言，它将计算、可视化和编程结合在一个容易使用的环境中，在这个环境中，用户可以把提出的问题和解决问题的办法用熟悉的数学符号表示出来，它的典型使用包括:
（1）数学和计算;
（2）运算法则;
（3）建模、仿真;
（4）数据分析、研究和可视化;
（5）科学的工程图形;
（6）应用程序开发，包括创建图形用户接口。
MATLAB是一个交互式系统，它的基本数据单元是数组，这个数组不要求固定的大小，因此可以让用户解决许多技术上的计算问题，特别是那些包括矩阵和向量运算的问题。
MATLAB的指令表达与数学、工程中常用的习惯形式十分相似，与C.Fortran等高级语言相比，MATLAB的语法规则更简单、表达更符合工程习惯。
正因为如此,人们用MATLAB语言编写程序就有如在便笺上书写公式和求解，因而MATLAB被称为“便笺式”的科学工程计算语言。
MATLAB的最重要的特征是它拥有解决特定应用问题的程序组，也就是TOOLBOX（工具箱），如信号处理工具箱、控制系统工具箱、神经网络工具箱、模糊逻辑工具箱、通信工具和数据采集工具箱等许多专用工具箱。
对大多数用户来说，要想灵活高效地运用这些工具箱，通常都需要学习相应的专业知识。
此外，开放也许是MATLAB最重要和最受人欢迎的特点之一。
除内部函数外，所有的MATLAB主要文件和各工具箱文件都是可读可改的源文件，因此工具箱实际上是由一组复杂的MATLAB函数（M文件）组成，它扩展了MATLAB的功能，用以解决特定的问题，因此用户可以通过对源文件进行修改和加入自己编写的文件去构建新的专用工具箱。
1.4.2MATLAB系统
MATLAB系统由下面五个主要部分组成:
（1）MATLAB开发环境。
一切环境是一组实用工具，利用这些工具用户可以使用MATLAB函数和文件，这其中的很多工具都是图形用户接口.它包括MATLAB桌而和命令窗口，命令的历史记录以及用来查看帮助的浏览器、工作间、文件和搜索路径。
（2）MATLAB数学函数库。
这是一个庞大的计算算法库，包括从基本函数，如sum、sine、cosine和复杂算法到更复杂的函数运算，如矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数、和快速傅里叶变换。
（3）MATLAB语言。
这是一个高级的矩阵/数组编程语言.该语言带有流程控制语句、函数、数据结构、输入/输出和面同对象编程的特点。
它既可以编写决速执行的短小程序，也可以编写庞大复杂的应用程序。
（4）MATLAB图形处理系统。
这是MATLAB的图形系统.它既包括生成二维和三维数据可视化、图像处理、动画及演示图形的高级命令，也包括完全由用户目定制图形显示及在MATLAB应用程序中创建完整的图形用户接口的低级命令。
（5）MATLAB应用程序接口（API）。
这是一个用尸编写与MATLAB接口的C与Fortran程序的函数库，它包括从MATLAB（动态链接）中调用指令和读写M文件的程序。
第2章脉冲编码调制及其仿真
2.1模拟信号的抽样
2.1.1低通抽样定理
抽样定理是指：
一个频带限制在（0,hf）赫内的时间里连续信号m（t），如果以t=1/2fh秒的间隔内对它进行等间隔抽样，则m（t）将被所得到的抽样值完全确定。
例如：
有一信号如下：
（2-1）
用两种抽样频率对其进行抽样，f1=100Hz，f2=200Hz，做出抽样后的图像机器频谱，并作出结论。
如图2-1
图2-1被抽样信号的时域波形与频谱图
从图像来看，信号在时域内衰减较快，从大约0.1s就衰减为0，从频谱分布来看，原信号的频谱为一带限信号，在高频没有分量，低频从零频率开始。
实现上述图像的matlab脚本文件如下：
（lowpsample.m第一部分）
clear
t0=10;%定义时间长度
ts=0.001;%采样周期
ts1=0.01;%欠采样周期
ts2=0.005;%正确采样周期
fs=1/ts;fs1=1/ts1;fs2=1/ts2;
df=0.5;%定义频率分辨力
t=[-t0/2:
ts:
t0/2];%定义时间序列
%定义采样函数的平方，即信号序列
x=sin（200*t）;m=x./（200*t）
w=t0/（2*ts）+1;%确定t=0的点
m（w）=1;%t=0点的信号值为1
m=m.*m;m=50.*m;
[M,mn,dfy]=fftseq（m,ts,df）;%傅立叶变换
M=M/fs;
f=[0:
dfy:
dfy*length（mn）-dfy]-fs/2;%定义频率序列
%f=[0:
df:
df*length（m）-df]-fs/2;%定义频率序列
subplot（2,1,1）;plot（t,m）
xlabel（'时间'）;title（'原信号的波形'）
axis（[-0.15,0.15,-1,50]）;subplot（2,1,2）
plot（f,abs（fftshift（M）））%作出原信号的频谱
xlabel（'频率'）;axis（[-500,500,0,1]）;
title（'原信号的频谱fH约为64Hz'）
从物理概念上可对抽样定理作如下解释，由于一个频带受限的信号波形绝不可能在很短的时间内产生独立的.，实质的变化，它的最高变换速度受最高频率分量fh的限制。
因此为了保留这一颁率分量的全部信息，.一个周期间隔内至少要抽样两次。
对抽样来说.等于将信号与一系列冲激脉冲相乘，f1=100Hz时，其表示式如下:
（2-2）
原信号的频率相应有移动，在fl的条件下做出的图像如图2-2所示。
图2-2欠抽样的时域波形与频谱图
由于
，从两个图像的比较可以看出，时域波形中的冲击串的包络已经不能完整的表示原信号，有了失真，从频谱图看更是如此，不同的频谱带相互重叠，已经不能体现原频谱的特点了，在频谱中有了频谱的直流分量，这样恢复时将出现冲激信号，这样就无法正确的恢复信号MATLAB日实现如下：
（lowpsample.m脚本文件第二部分）
t1=[-t0/2:
ts1:
t0/2];%定义采样时间序列
x1=sin（200*t1）;%计算对应采样序列的信号序列
m1=x1./（200*t1）;%计算函数序列
w1=t0/（2*ts1）+1;%由于除0产生了错误值,计算该值标号
m1（w1）=1;%将错误值修正
m1=m1.*m1;m1=50.*m1;
[M1,mn1,df1]=fftseq（m1,ts1,df）;%对采样序列进行傅立叶变换
M1=M1/fs1;
N1=[M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1];
f1=[-7*df1*length（mn1）:
df1:
6*df1*length（mn1）-df1]-fs1/2;
pause;subplot（2,1,1）;stem（t1,m1）;
xlabel（'时间'）;title（'采样不足信号的波形'）
axis（[-0.15,0.15,-1,50]）;subplot（2,1,2）
plot（f1,abs（fftshift（N1）））%作采样不足信号的频谱
title（'采样不足信号的频谱fs=100Hz<2fH'）
axis（[-500,500,0,1]）;xlabel（'频率'）
对情况f2=200Hz，其表式为：
（2-3）
在f2的条件下，作出的图形如图2-3所示。
图2-3抽样足够的时域波形与频谱图
由于f2>2fh，此次抽样是成功的,他能恢复原信号，从时域波形可以看出，比上面的抽样所得的冲激脉冲串包含的细节要多就，在频域中也没有出现频谱的交叠，这样可以利用低通滤波器来得到所要的频谱，从而恢复信号的频谱。
MATLAB实现如下：
（lowpsample.m第三部分）
t2=[-t0/2:
ts2:
t0/2];%定义采样时间序列
x2=sin（200*t2）;%计算对应采样序列的信号序列
m2=x2./（200*t2）;%计算函数序列
w2=t0/（2*ts2）+1;%由于除0产生了错误值,计算该值标号
m2（w2）=1;%将错误值修正
m2=m2.*m2;m2=50.*m2;
[M2,mn2,df2]=fftseq（m2,ts2,df）;%对采样序列进行傅立叶变换
M2=M2/fs2;
N2=[M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2];
f2=[-7*df2*length（mn2）:
df2:
6*df2*length（mn2）-df2]-fs2/2;
pause;subplot（2,1,1）;stem（t2,m2）;
xlabel（'时间'）;title（'采样满足信号的波形'）
axis（[-0.15,0.15,-1,50]）;subplot（2,1,2）
plot（f2,abs（fftshift（N2）））%作采样满足信号的频谱
title（'采样满足信号的频谱fs=200Hz>2fH'）
axis（[-500,500,0,1]）;xlabel（'频率'）
2.1.1带通抽样定理
一个带通信号，其频带为（fl,fh）由于最低频本不是从零频率开始的，奈奎斯特频率不要求达到2fh，此时要求的抽样频率最低信为:
fs=2（fh-f1）（1+M/N），（2-5）
其中N为不超过fh/（fh-fl）的最大整数，M=[fh/（fh-f1）]-N.既B=fh-f1，i则抽样频率在2B和4B之间。
将上式划简后可以得到:
fs=2fh/N（2-6）
满足上式的抽样频率既可以恢复原信号。
例如：
一样抽样函数的信号如下：
s（t）=20sinc（20t）（2-6）
分别用抽样频率为10Hz和20Hz的冲激脉冲序列对其进行抽样，通过作图观察抽样后的信号的频谱同原信号的频谱的区别和联系
此信号为一带通信号，其频率宽度约7Hz.在对其10Hz进行抽样得到的信号为:
（2-7）
而以20Hz抽样的得到信号为：
（2-8）
所以MATLAB实现如下：
clearall;closeall;
t0=10;%定义时间长度
ts=0.001;fs=1/ts;
t=[-t0/2:
ts:
t0/2];%定义时间序列
df=0.5;%定义频率分辨率
x=sin（20*t）.*cos（100*t）;m=x./（20*t）;
w=t0/（2*ts）+1;%确定t=0的点
m（w）=1;%修正t=0点的信号值
m=20.*m;
[M,mn,dfy]=fft_seq（m,ts,df）;%傅立叶变换
M=M/fs;
f=[0:
dfy:
dfy*length（mn）-dfy]-fs/2;%定义频率序列
figure
（1）
subplot（2,1,1）;plot（t,m）;
xlabel（'时间/s'）;ylabel（'幅值'）;title（'原信号的波形'）;
axis（[-2,2,-30,30]）;
subplot（2,1,2）;
plot（f,abs（fftshift（M）））;
xlabel（'频率/Hz'）;ylabel（'幅值'）;
axis（[-50,50,0,4]）;title（'原信号的频谱'）;
t0=10;%信号持续的时间
ts1=0.01;
fs1h=100;
t1=[-t0/2:
ts1:
t0/2];
x1=sin（20*t1）.*cos（100*t1）;
m1=x1./（20*t1）;w1=t0/（2*ts1）+1;
m1（w1）=1;%修正t=0时的信号值
m1=20.*m1;
[M1,mn1,df1]=fft_seq（m1,ts1,df）;%对满抽样条件的信号进行傅立叶变换
M1=M1/fs1h;N1=[M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1];
f1=[-7*df1*length（mn1）:
df1:
6*df1*length（mn1）-df1]-fs1h/2;
figure
（2）
subplot（2,1,1）;stem（t1,m1）;
xlabel（'时间/s'）;ylabel（'幅值'）;
title（'抽样满足信号的波形'）;axis（[-1.5,1.5,-20,30]）;
subplot（2,1,2）
plot（f1,abs（fftshift（N1）））;
xlabel（'频率/Hz'）;ylabel（'幅值'）;axis（[-100,100,0,2]）;
title（'抽样满足的信号频谱'）;axis（[-100,100,0,2]）;
t0=10;%信号持续的时间
ts1=0.025;
fs1l=40;
t1=[-t0/2:
ts1:
t0/2];%定义满足抽样条件的时间序列
x1=sin（20*t1）.*cos（100*t1）;m1=x1./（20*t1）;w1=t0/（2*ts1
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