基于SIMULINK的通信系统仿真毕业设计

I题目 基于 SIMULINK 的通信系统仿真 摘要在模拟通信系统中，由模拟信源产生的携带信息的消息经过传感器转换成电信号，模拟基带信号在经过调制将低通频谱搬移到载波频率上适应信道，最终解调还原成电信号；在数字传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变为频带信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。本文应用了幅度调制以及键控法产生调制与解调信号。本论文中主要通过对 SIMULINK 工具箱的学习和使用，利用其丰富的模板以及本科对通信原理知识的掌握，完成了 AM、DSB、SSB、2ASK、2FSK、2PSK 三种模拟信号和三种数字信号的调制与解调，以及用 SIMULINK 进行设计和仿真。首先我进行了两种通信系统的建模以及不同信号系统的原理研究，然后将学习总结出的相应理论与 SIMULINK 中丰富的模块相结合实现仿真系统的建模,并且调整参数直到仿真波形输出，观察效果，最终对设计结论进行总结。关键词 通信系统 调制 S IMULINK III目录1. 前言 .11.1 选题的意义和目的 .11.2 通信系统及其仿真技术 .23. 现代通信系统的介绍 .73.1 通信系统的一般模型 .73.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型 .73.2.1 模拟通信系统模型 .73.2.2 数字通信系统模型 .83.3 模拟通信和数字通信的区别和优缺点 .94. 通信系统的仿真原理及框图 .124.1 模拟通信系统的仿真原理 .124.1.1 DSB 信号的调制解调原理 .124.2 数字通信系统的仿真原理 .164.2.1 ASK 信号的调制解调原理 .165. 通信系统仿真结果及分析 .215.1 模拟通信系统结果分析 .215.1.1 DSB 模拟通信系统 .215.2 仿真结果框图 .245.2.1 DSB 模拟系统仿真结果 .245.3 数字通信系统结果分析 .285.3.1 ASK 数字通信系统 .285.4 仿真结果框图 .355.4.1 ASK 数字系统仿真结果 .3511. 前言1.1 选题的意义和目的随着现代通信系统的飞速发展,计算机仿真已经成为分析和设计通信系统的主要工具,在通信系统的研发和教学中具有越来越重要的意义。计算机仿真是衡量系统性能的工具,它通过构建模型运行结果来分析实物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,优化系统的整体性能。因此,仿真是通信系统研究和工程建设中不可缺少的环节。仿真也称模拟,在本质上,系统的计算机仿真就是根据实际的物理系统的运行原理建立相应的数学描述并进行计算机数值求解。根据实际的目标问题提出相应的数学描述,通常可以表达为一系列数学方程以及一系列边界条件。把系统的数学描述称为系统的仿真模型。用计算机语言重新表达的数学模型称为系统的计算机仿真模型。对用户而言,使用仿真软件的平台不同,所建立的计算机仿真模型形式也不同,可以是字符形式的一系列程序代码,也可以是图形化的一些列一组信号流程图、系统方框图或者状态转移图。在当代社会中，信息的交换日益频繁，随着通信技术和计算机技术的发展及它们的密切结合，通信能克服对空间和时间的限制，大量的、远距离的信息传递和存取已成为可能。展望未来，通信技术正在向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向迅速发展，各种新的电信业务也应运而生，正沿着信息服务多种领域广泛延伸。Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。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，如数字信号的调制解调，模拟信号的数字化传输等有着深入的研究学习。本文在深刻理解通信系统理论的基础上，利用 MATLAB 提供的通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，对通信系统中的典型信号进行了模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示。通过系统的仿真与分析可以看出 Simulink 在系统建模和仿2真中的巨大优势，是学习、研究和设计通信系统强有力的工具。1.2 国内外研究现状在国外通信技术的发展中，通信系统的仿真技术是一个技术重点。着重关注模拟通信系统中的调制解调系统的基本原理以及抗噪声性能，并在 MATLAB 软件平台上仿真实现几种常见的调制方式。最常用最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。利用 MATLAB 对模拟调制系统进行仿真，将结合 MATALB模块和 Simulink 工具箱的实现，并对仿真结果进行分析，从而更深入地掌握模拟调制系统的相关知识。通信系统的一般模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成（通常也称为一般模型） 。利用系统仿真可以迅速构建一个通信系统模型，为通信和信号处理系统的设计和分析提供一个便捷，高效且精准的评估平台。可以将软件模型和硬件原型输出的数据以及从真实系统的信号相互结合起来，从而使设计过程和评估过程统一起来，协同工作，使得设计中的错误得以及时的修正，最终使得设计结果与实际系统的运行环境相吻合，保证后期产品化过程的顺利进行。在我国，现代社会发展要求通信系统功能越来越强,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。如此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。利用系统建模和软件仿真技术，几乎可以对所有的设计细节进行分层次的建模和评估，而且模型无需针对解析分析简化，因此评价结果更加精准，更接近实际的运行情况。 ，随着超大规模集成电路工艺的成熟以及计算机和数字信号处理技术的充分发展，数字通信发展迅速，大多数的模拟通信系统已被数字通信系统所取代。尽管在未来的一段时间内数字通信系统还不能完全取代模拟通信系统那个，但通信朝着数字化方向发展是不会改变的，这是有数字通信和模拟通信自身的特点所决定的。 从宏观看，世界通信方式，仍以电话为主，在电话通信中，则以程控交换和移动电话发展最快。目前模拟通信系统还在使用，但由于人们对各种通信业务的需求迅速增加，数字通信正向着小型化、智能化、高速大容量的方向迅速发展，最终必将取代模拟通信。从中我们可以看出通信在我们生活中的重要，它给我们带来了各种各样的消息，如果有一天它消失了，我不敢想象世界会变成怎样。33. 现代通信系统的介绍3.1 通信系统的一般模型通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图象等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图象等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information) 。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图 3-1。图 3-1 通信系统一般模型3.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型3.2.1 模拟通信系统模型在 模 拟 通 信 系 统 中 ， 信 源 （ 信 息 源 ， 也 称 发 终 端 ） 的 作 用 是 把 待 传 输 的 消息 转 换 成 原 始 电 信 号 ， 如 电 话 系 统 中 电 话 机 可 看 成 是 信 源 。 信 源 输 出 的 信 号 称为 基 带 信 号 。 所 谓 基 带 信 号 是 指 没 有 经 过 调 制 （ 进 行 频 谱 搬 移 和 变 换 ） 的 原 始电 信 号 ， 其 特 点 是 信 号 频 谱 从 零 频 附 近 开 始 ， 具 有 低 通 形 式 。 根 据 原 始 电 信 号的 特 征 ， 基 带 信 号 可 分 为 数 字 基 带 信 号 和 模 拟 基 带 信 号 ， 相 应 地 ， 信 源 也 分 为数 字 信 源 和 模 拟 信 源 。 发 送 设 备 的 基 本 功 能 是 将 信 源 和 信 道 匹 配 起 来 ， 即 将 信源 产 生 的 原 始 电 信 号 （ 基 带 信 号 ） 变 换 成 适 合 在 信 道 中 传 输 的 信 号 。 变 换 方 式是 多 种 多 样 的 ， 在 需 要 频 谱 搬 移 的 场 合 ， 调 制 是 最 常 见 的 变 换 方 式 ； 对 传 输 数4字 信 号 来 说 ， 发 送 设 备 又 常 常 包 含 信 源 编 码 和 信 道 编 码 等 。 信 道 是 指 信 号 传 输的 通 道 ， 可 以 是 有 线 的 ， 也 可 以 是 无 线 的 ， 甚 至 还 可 以 包 含 某 些 设 备 。 图 中 的噪 声 源 ， 是 信 道 中 的 所 有 噪 声 以 及 分 散 在 通 信 系 统 中 其 它 各 处 噪 声 的 集 合 。 在接 收 端 ， 接 收 设 备 的 功 能 与 发 送 设 备 相 反 ， 即 进 行 解 调 、 译 码 、 解 码 等 。 它 的任 务 是 从 带 有 干 扰 的 接 收 信 号 中 恢 复 出 相 应 的 原 始 电 信 号 来 。 信 宿 （ 也 称 受 信者 或 收 终 端 ） 是 将 复 原 的 原 始 电 信 号 转 换 成 相 应 的 消 息 ， 如 电 话 机 将 对 方 传 来的 电 信 号 还 原 成 了 声 音 。 如 图 3-2 所 示 ：图 3-2 模拟通信系统一般模型3.2.2 数字通信系统模型在 数 字 通 信 系 统 中 ， 信 源 ， 信 道 ， 调 制 器 ， 解 调 器 ， 收 信 者 和 模 拟 的 一 样 ，加 密 器 ， 编 码 器 看 名 字 就 能 猜 出 功 能 了 吧 ， 需 要 说 明 的 是 ， 图 中 调 制 器 / 解调 器 、 加 密 器 / 解 密 器 、 编 码 器 / 译 码 器 等 环 节 ， 在 具 体 通 信 系 统 中 是 否 全部 采 用 ， 这 要 取 决 于 具 体 设 计 条 件 和 要 求 。 但 在 一 个 系 统 中 ， 如 果 发 端 有 调 制 / 加 密 / 编 码 ， 则 收 端 必 须 有 解 调 / 解 密 / 译 码 。 通 常 把 有 调 制 器 / 解调 器 的 数 字 通 信 系 统 称 为 数 字 频 带 传 输 通 信 系 统 。 数 字 基 带 传 输 通 信 系 统 与频 带 传 输 系 统 相 对 应 ， 我 们 把 没 有 调 制 器 / 解 调 器 的 数 字 通 信 系 统 称 为 数 字基 带 传 输 通 信 系 统 ， 如 图 所 示 。 图 中 基 带 信 号 形 成 器 可 能 包 括 编 码 器 、 加 密 器以 及 波 形 变 换 等 ， 接 收 滤 波 器 亦 可 能 包 括 译 码 器 、 解 密 器 等 。 模 拟 信 号 数 字 化传 输 通 信 系 统 上 面 论 述 的 数 字 通 信 系 统 中 ， 信 源 输 出 的 信 号 均 为 数 字 基 带 信 号 ，实 际 上 ， 在 日 常 生 活 中 大 部 分 信 号 （ 如 语 音 信 号 ） 为 连 续 变 化 的 模 拟 信 号 。 那么 要 实 现 模 拟 信 号 在 数 字 系 统 中 的 传 输 ， 则 必 须 在 发 端 将 模 拟 信 号 数 字 化 ， 即5进 行 A/D 转 换 ； 在 接 收 端 需 进 行 相 反 的 转 换 ， 即 D/A 转 换 。 实 现 模 拟 信 号数 字 化 传 输 的 系 统 如 图 3-3 所 示 。图 3-3 数字通信系统一般模型图 3-4 数字通信系统仿真模型3.3 模拟通信和数字通信的区别和优缺点根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。什么是模拟通信呢？比如在电话通信中，用户线上传送的电信号是随着用户声音大小的变化而变化的。这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号称为模拟信号。在用户线上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信” 。 数字信号与模拟信号不同，6它是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号。电报信号就属于数字信号。现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种(用 0 和 1 代表)的波形，称为“二进制信号” 。 “数字通信”是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。 数字通信与模拟通信相比具有明显的优点：首先是抗干扰能力强。数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中的，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无，以保证通信的可靠性。其次是远距离传输仍能保证质量。因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。此外，它还便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，便于实现通信网的计算机管理等优点。 实现数字通信，必须使发送端发出的模拟信号变为数字信号，这个过程称为“模数变换” 。模拟信号数字化最基本的方法有三个过程，第一步是“抽样” ，就是对连续的模拟信号进行离散化处理，通常是以相等的时间间隔来抽取模拟信号的样值。第二步是“量化” ，将模拟信号样值变换到最接近的数字值。因抽样后的样值在时间上虽是离散的，但在幅度上仍是连续的，量化过程就是把幅度上连续的抽样也变为离散的。第三步是“编码” ，就是把量化后的样值信号用一组二进制数字代码来表示，最终完成模拟信号的数字化。数字信号送入数字网进行传输。接收端则是一个还原过程，把收到的数字信号变为模拟信号，即“数据摸变换” ，从而再现声音或图像。 如果发送端发出的信号本来就是数字信号，则用不着进行模数变换过程，数字信号可直接进入数字网进行传输。区别在于调制方式不同。模拟通信，技术很成熟，就是将模拟信号与载波进行调制，使其带有一定载波特性，又不失模拟信号的独特性，接受端通过低通滤波器，还原初始模拟信号。而数字信号，首先进行采样，对于采样幅值进行编码（0，1 编码） ，然后进行调制，相移键控等。接受端还原即可。区别在于，由于数字通信其传输数字抽样信号，在接受端可以得到还原，所以信号传输率高。而模拟信号，是对于信号的直接调制，与载波相乘，当传输途中有干扰时，对于系统的冲击，是不可修复的，所以造成失桢。数字通信的主要优点:（1）抗干扰能力强由于在数字通信中，传输的信号幅度是离散的，以二进制为例，信号的取值只有两个，这样接收端只需判别两种状态。信号在传输过程中受7到噪声的干扰，必然会使波形失真，接收端对其进行抽样判决，以辨别是两种状态中的哪一个。只要噪声的大小不足以影响判决的正确性，就能正确接收（再生） 。而在模拟通信中，传输的信号幅度是连续变化的，一旦叠加上噪声，即使噪声很小，也很难消除它。数字通信抗噪声性能好，还表现在微波中继通信时，它可以消除噪声积累。这是因为数字信号在每次再生后，只要不发生错码，它仍然像信源中发出的信号一样，没有噪声叠加在上面。因此中继站再多，数字通信仍具有良好的通信质量。而模拟通信中继时，只能增加信号能量（对信号放大） ，而不能消除噪声。（2）差错可控数字信号在传输过程中出现的错误（差错） ，可通过纠错编码技术来控制，以提高传输的可靠性。（3）易加密数字信号与模拟信号相比，它容易加密和解密。因此，数字通信保密性好。（4）易于与现代技术相结合由于计算机技术、数字存贮技术、数字交换技术以及数字处理技术等现代技术飞速发展，许多设备、终端接口均是数字信号，因此极易与数字通信系统相连接。数字通信的缺点相对于模拟通信来说，数字通信主要有以下两个缺点：（1）频带利用率不高系统的频带利用率，可用系统允许最大传输带宽（信道的带宽）与每路信号的有效带宽之比来表征。数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例，一路模拟电话通常只占据 4kHz 带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据 20 60kHz 的带宽。因此，如果系统传输带宽一定的话，模拟电话的频带利用率要高出数字电话的 5 15 倍。（2）系统设备比较复杂数字通信