通信 原理课程设计

1、通信原理课程设计说明书课程设计题目：数字调制系统仿真系别：电气信息系 专业：电子信息工程班级：09信工本2班 学号：姓名：艾雄伟 指导老师：武老师2012年6月09日1.课程设计目的1）完成2ASK、2FSK、2PSK、4PSK、16QAM五种调制系统的仿真，要求有调制、信道、解调三个部分；2）信道为高斯信道；3）系统参数可自行设置；4）仿真结果要求给出已调信号时域波形和频谱，解调后信号的时域波形与频谱。2. 仿真平台简介 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技

2、术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 1）基本功能MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。MATLAB的基本数据

3、单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 2） 基本应用 MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作：数值分析数值和符号计算工程与科学绘图控制系统的设计与仿真数字图像处理技术数

4、字信号处理技术通讯系统设计与仿真 财务与金融工程 管理与调度优化计算（运筹学） MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB 函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。3） 发展历程 20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。

5、到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。 4）系统结构 MATLAB系统由MATAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用程序接口（API）五大部分构成。5） 开发环境 MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的 用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。 6）MATLAB重要功能MATLAB:统一了用于一维、二维与三维数值积分的

6、函数并提升了基本数学和内插函数的性能MATLAB Compiler：可以下载 MATLAB Compiler Runtime (MCR)，简化编译后的程序和组件的分发Image Processing Toolbox：通过亮度指标优化进行自动图像配准Statistics Toolbox：增强了使用线性、广义线性和非线性回归进行拟合、预测和绘图的界面System Identification Toolbox：识别连续时间传递函数代码生成产品HDL Coder:可替代 Simulink HDL Coder 的新产品，添加了直接从 MATLAB 生成 HDL 代码功能HDL Verifier：可替代

7、EDA Simulator Link 的新产品，添加了 Altera FPGA 在环支持MATLAB Coder：可从用户定义的系统对象生成代码并自动生成动态共享库Embedded Coder：AUTOSAR 4.0 兼容性，减少了数据副本，并通过 Simulink Web 视图实现代码生成报告的链接用于在 MATLAB 和 Simulink 中进行设计的系统工具箱 (System Toolbox)Computer Vision System Toolbox：Viola-Jones 对象检测、MSER 特征检测和 CAMShift 跟踪Communications System Toolbox

8、：USRP 无线电支持、LTE MIMO 信道模型以及 LDPC、Turbo 解码器和其他算法的 GPU 支持7）Simulink重要功能Simulink：从目标硬件（包括 LEGO® MINDSTORMS® NXT 和 BeagleBoard）上的 Simulink 直接运行模型的能力、SimMechanics：具有新的三维可视化功能的第二代多体建模和仿真技术、Real-Time Windows Target：使用 Simulink 标准模式实时执行 Windows® 中的模型。8） 特点高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；具有完备的

9、图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握； 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。 9） 优势友好的工作平台编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作

10、更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。简单易用的程序语言Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C+语言基础上的，因此语法特征与C+语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专

11、业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包

12、括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。 出色的图形处理功能 MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其

13、他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸

14、如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。实用的程序接口和发布平台新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语言程序。另外，MATLAB网页服务

15、程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。应用软件开发（包括用户界面） 在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。3. 课程设计详细内容 3.1.二进制数

16、字调制技术原理数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。通常使用键控法来实现数字调制，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控。3.1.1、2ASK 2ASK信号的产生方法通常有两种：模拟调制和键控法。解调有相干解调和非相干解调。P=1时f(t)=Acoswt;p=0时f(t)=0;其功率谱密度是基带信号功率谱的线性搬移 3.1.2、2FSK 一个信号可以看成是两个

17、不同载波的2ASK信号的叠加。其解调和解调方法和ASK差不多。2FSK信号的频谱可以看成是f1和f2的两个2ASK频谱的组合。 3.1.3、2PSK 2PSK以载波的相位变化作为参考基准的，当基带信号为0时相位相对于初始相位为0， 当基带信号为1时相对于初始相位为180。3.2 数字调制技术的仿真实现MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，它的交互式集成界面能够帮助用户快速的完成数值分析、数字信号处理、仿真建模、和优化等功能。本课程设计需要运用MATLAB编程实现2ASK,2FSK,2PSK，2DPSK调制解调过程，并且输出其调制后的波形，画出频谱、功率谱密度图，并比较各种调制的误

18、码率情况，讨论其调制效果。4程序与调试图形4.1、ASK调制解调4.1.1 ASK程序：4.3.2 ASK图形：close allclear alln=16;fc=; %fc=bitRate fc/bitRate为每个二进制包含sin周期个数bitRate=;N=50;%noise=ti;noise=10;signal=source(n,N);transmittedSignal=askModu(signal,bitRate,fc,N);signal1=gussian(transmittedSignal,noise);configueSignal=demoASK(signal1,bitRate,

19、fc,n,N);1. 随机信号的产生2. ASK信号调制3. 傅里叶频域分析4. 信道加噪声后信号5. 接收信号的解调6. 解调出的二进制信号4.2、PSK调制解调4.2.1PSK程序：close allclear alln=16;fc=;bitRate=;N=50;noise=10;signal=source(n,N);transmittedSignal=bpskModu(signal,bitRate,fc,N);signal1=gussian(transmittedSignal,noise);configueSignal=demoBPSK(signal1,bitRate,fc,n,N);4

20、.2.2PSK图形：1. 随机信号的产生2.PSK信号调制3.傅里叶频域分析4.信道加噪声后信号5.接收信号的解调6.解调出的二进制信号4.3、FSK调制解调4.3.1FSK程序：4.3.2FSK图形(包含误码率分析)：close allclear allti=0;fpefsk=;startn=-6;endn=18;for ti=startn:endnn=1000;f1=;f2=;bitRate=;N=50;noise=ti;signal=source(n,N);transmittedSignal=fskModu(signal,bitRate,f1,f2,N);signal1=gussian(

21、transmittedSignal,noise);configueSignal=demoFSK(signal1,bitRate,f1,f2,N);configueSignal;P=CheckRatePe(signal,configueSignal,n)fpefsk=fpefsk,P;endfigure(8);semilogy(startn:length(fpefsk)+startn-1,fpefsk);grid on;title(Bit Error Rate Of FSK);xlabel(r/dB);ylabel(PeFSK);load PeRatesave PeRate.mat fpefsk

22、 fpeask1.随机信号的产生2.FSK信号调制3.傅里叶频域分析4.信道加噪声后信号5.接收信号的解调6.解调出的二进制信号4.4、误码率分析1. ASK误码率分析2. PSK误码率分析3. FSK误码率分析4. 综合误码率分析比较5.4PSK解调调制（1）4PSK程序clfclcclearT=1;M=4;fc=1/T;N=500;delta_T=T/(N-1);input=0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0input1=reshape(input,2,7)t=0:delta_T:Tfor i=1:7hold onif input1(1 2,i)=0;0u=cos(2*

23、pi*fc*t);plot(t,u)elseif input1(1 2,i)=1;0u=cos(2*pi*fc*t+2*pi/M);plot(t,u)elseif input1(1 2,i)=1;1u=cos(2*pi*fc*t+4*pi/M);plot(t,u)elseif input1(1 2,i)=0;1u=cos(2*pi*fc*t+6*pi/M);plot(t,u)endt=t+Tendhold off（2） 仿真结果6.16QAMQAM是英文Quadrature Amplitude Modulation的缩略语简称，意为正交幅度调制，是一种数字调制方式。16QAM是指包含16种符号

24、的QAM调制方式。16QAM 调制解调原理方框图如右图：16QAM 是用两路独立的正交 4ASK 信号叠加而成，4ASK 是用多电平信号去键控载波而得到的信号。它是 2ASK 体制的推广，和 2ASK 相比，这种体制的优点在于信息传输速率高。正交幅度调制是利用多进制振幅键控（MASK）和正交载波调制相结合产生的。16 进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。16QAM 的产生有 2 种方法：（1）正交调幅法，它是有 2 路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；（2）复合相移法：它是用 2 路独立的四相位移相键控信号叠加而成。这里采用正交调幅法。16QAM 正交调制的原理如下图 1 所示。图1

25、 16QAM 调制器图中串/并变换器将速率为Rb的二进制码元序列分为两路,速率为Rb/2.2-4电平变换为Rb/2 的二进制码元序列变成速率为RS=Rb/log216 的 4 个电平信号,4 电平信号与正交载波相乘,完成正交调制,两路信号叠加后产生 16QAM信号.在两路速率为Rb/2 的二进制码元序列中,经 2-4 电平变换器输出为 4 电平信号,即M=16.经 4 电平正交幅度调制和叠加后,输出 16 个信号状态,即 16QAM.RS=Rb/log216=RB/4.6.1. 16QAM 解调原理16QAM 信号采取正交相干解调的方法解调，解调器首先对收到的 16QAM 信号进行正交相干解调，一路与 cos c t 相乘，一路与 sin c t 相乘。然后经过低通滤波器，低通滤波器 LPF 滤除乘法器产生的高频分量，获得有用信号，低通滤波器LPF 输出经抽样判决可恢复出电平信号。6.2. 16QAM程序clc;close all;N=10000; %设定码元数量 fb=1; %基带信号频率 fs=32; %抽样频率 fc=4; %载波频率,为便于观察已调信号，我们把载波频率