模拟通信系统与数字通信系统的设计与仿真样本.doc

广西科技大学

课程设计阐明书

课题名称：模仿通信系统与数字通信系统设计与仿真

院 （系）：计算机科学与通信工程学院
专 业： 通信工程
班 级： 121班
学生姓名： 王永源
学 号：
指引教师： 陈艳

1月20日

目 录

第一章 课程设计任务阐明……………………………………………1
1.1课程设计目…………………………………………………………1
1.2课程设计规定…………………………………………………………1
第二章 MATLAB/SIMULINK简介…………………………………………3
第三章 设计原理 …………………………………………………………5
3.1通信系统设计普通模型………………………………………………5
3.2模仿通信系统…………………………………………………………5
3.3数字通信系统…………………………………………………………5
第四章 DSB基本原理与实现…………………………………………6
4.1 DSB信号模型………………………………………………………6
4.2 DSB信号调制过程分析………………………………………………7
第五章 PCM基本原理与实现…………………………………………8
5.1 PCM原理………………………………………………………………8
5.2 PCM编码简介…………………………………………………………8
5.3 PCM编码电路设计……………………………………………………12

第六章 2ASK基本原理及实现 ………………………………………16
6.2 ASK调制基本原理 …………………………………………………16
6.2 2ASK产生…………………………………………………………16
6.3 2ASK解调……………………………………………………………17
6.4 2ASK功率谱及带宽…………………………………………………18
第七章 Smulink模型建立和仿真 …………………………………19
7.1 模仿通信系统仿真图 ………………………………………………19
7.2 数字通信系统仿真图 ………………………………………………22
7.3 模仿通信系统仿真效果图 …………………………………………23
7.4 数字通信系统仿真效果图 …………………………………………26
第八章 结束语……………………………………………………………27
参照文献……………………………………………………………………28

第一章 课程设计任务阐明
1.1课程设计目
（1）通过运用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。 
（2）通过课程设计来更好掌握课本有关知识，熟悉模仿DSB、SSB、VSB和数字2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK调制与解调办法。
（3）通过实验掌握模仿信号转换为数字信号办法和环节。 
（4）更好理解通信原理有关知识，磨练自己分析问题、查阅资料、巩固知识、创新等各方面能力。 
1.2 课程设计规定 
1.2.1模仿信号通信系统
（1）输入：输入模仿信号（例如正弦型单音频信号等），给出其时域波形和功率谱密度。
（2）调制：对输入模仿信号进行DSB、SSB、PM（三选一）调制；给出调制后信号时域波形和功率谱密度。
（3）信道：假定信道属于加性高斯信道，或自行设计。
（4）解调： DSB、SSB、PM（与所选调制方式相相应）解调，仿真获得该系统输出波形，并得到该模仿传播系统性能指标，即该系统输出信噪比随输入信噪比变化曲线。

图1-1 模仿信号调制解调模型图

1.2.2数字信号通信系统
（1）输入：一方面输入模仿信号，给出此模仿信号时域波形。
（2）数字化：将模仿信号进行数字化，得到数字信号，可以选取PCM编码。
（3）调制：可以选取简朴二进制数字调制方式，例如振幅键控（2ASK）、相移监控（2PSK）、频移键控（2FSK），差分相移键控（DPSK）等，给出调制后信号时域波形。
（4）信道：假定信道属于加性高斯信道，或自行设计。
（5）解调：相应2ASK、2PSK、2FSK，DPSK解调，仿真获得解调输出波形。
（6）PCM解码：给出解码后模仿信号时域波形，并与输入信号进行比较。
（7）系统性能分析：比较在不同调制方式下，该数字频带传播系统性能指标，即该系统输出误码率随输入信噪比变化曲线。

图1-2 模仿信号数字调制解调框图

第二章 MATLAB/SIMULINK简介 
美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早雏形。开发最早目是协助学校教师和学生更好授课和学习。从Matlab诞生开始，由于其高度集成性及应用以便性，在高校中受到了极大欢迎。由于它使用以便，能非常快实现科研人员设想，极大节约了科研人员时间，受到了大多数科研人员支持，通过一代代人努力，当前已发展到了7.X版本。  Matlab是一种解释性执行语言，具备强大计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简朴，扩充以便，特别是世界上有成千上万不同领域科研工作者不断在自己科研过程中扩充Matlab功能，使其成为了巨大知识宝库。可以毫不夸张说，哪怕是你真正理解了一种工具箱，那么就是理解了一门非常重要科学知识。科研工作者普通可以通过Matlab来学习某个领域科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来因素。当前Matlab版本已经可以以便设计美丽界面，它可以像VB等语言同样设计美丽顾客接口，同步由于有最丰富函数库（工具箱），因此计算功能实现也很简朴，进一步受到了科研工作者欢迎。此外，,Matlab和其她高档语言也具备良好接口，可以以便实现与其她语言混合编程，进一步拓宽了Matlab应用潜力。可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要推动作用。
Simulink是MATLAB中一种可视化仿真工具，也是当前在动态系统建模和仿真等方面应用最广泛工具之一 。确切说，Simulink是一种用来对动态系统进行建模、仿真和分析软件包，它支持线性和非线性系统，持续、离散时间模型，或者是两者混合。系统还可以使各种采样频率系统，并且系统可以是多进程。Simulink工作环境进过几年发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真主流工具包。在Simulink环境中，它为顾客提供了方框图进行建模图形接口，采用这种构造画模型图就犹如用手在纸上画模型同样自如、以便，故顾客只需进行简朴点击和拖动就能完毕建模，并可直接进行系统仿真，迅速得到仿真成果。它重要特点在于：1、建模以便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越仿真性能。它与老式仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具备更直观、以便、灵活长处。Simulink模块库（或函数库）包具有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其她环节）等具备不同功能或函数运算Simulink库模块（或库函数），并且每个子模型库中包具有相应功能模块，顾客还可以依照需要定制和创立自己模块。用Simulink创立模型可以具备递阶构造，因而顾客可以采用从上到下或从下到上构造创立模型。顾客可以从最高档开始观看模型，然后用鼠标双击其中子系统模块，来查看其下一级内容，以此类推，从而可以看到整个模型细节，协助顾客理解模型构造和各模块之间互有关系。在定义完一种模型后，顾客可以通过Simulink菜单或MATLAB命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常以便，而命令行方式对于运营仿真批解决非常有用。采用Scope模块和其她显示模块，可以在仿真进行同步就可及时观看到仿真成果，若变化模块参数并再次运营即可观测到相应成果，这合用于因果关系问题研究。仿真成果还可以存储到MATLAB工作空间里做事后解决。模型分析工具涉及线性化和整顿工具，MATLAB所有工具及Simulink自身应用工具箱都包括这些工具。由于MATLAB和SIMULINK集成在一起，因而顾客可以在这两种环境下对自己模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。

第三章 设计原理
3.1通信系统普通模型
通信系统就是传递信息所需要一切技术设备和传播媒质总和，涉及信息源、发送设备、信道、接受设备和信宿(受信者)，其模型如下图所示：

 图3-1通信系统普通模式框图

3.2模仿通信系统
模仿通信系统是运用模仿信号来传递消息通信系统，其模型如下图所示：

图3-2 模仿信号通信系统模型框图
3.3数字通信系统
通信系统可分为数字通信系统和模仿通信系统。数字通信系统是运用数字信号来传递消息通信系统，其模型如下图所示：

图3-3数字信号通信系统模型框图
第四章 DSB基本原理与实现
4.1 DSB信号模型
在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果将载波抑制，只需在将直流去掉，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。 DSB调制器模型如图4-1所示：

图4-1 DSB调制器模型图

其中，设正弦载波为

式中，为载波幅度；为载波角频率；为初始相位（假定为0）。
调制过程是一种频谱搬移过程，它是将低频信号频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。
双边带解调普通采用相干解调方式，它使用一种同步解调器，即由相乘器和低通滤波器构成。在解调过程中，输入信号和噪声可以分别单独解调。相干解调原理框图如图4-2所示：

图4-2 相干解调原理框图
相干解调器数学模型信号传播信道为高斯白噪声信道，其功率为n。

4.2 DSB信号调制过程分析
假定调制信号平均值为0，与载波相乘，即可形成DSB信号，其时域表达式为

式中，平均值为0。DSB频谱为

DSB信号包络不再与调制信号变化规律一致，因而不能采用简朴包络检波来恢复调制信号， 需采用相干解调(同步检波)。此外，在调制信号过零点处，高频载波相位有180°突变。
除了不再具有载频分量离散谱外，DSB信号频谱与AM信号频谱完全相似，仍由上下对称两个边带构成。因此DSB信号带宽与AM信号带宽相似，也为基带信号带宽两倍， 即

式中，为调制信号最高频率。

第五章 PCM基本原理与实现
5.1 PCM原理
脉冲编码调制，是把模仿信号抽样、量化、编码成二进制符号过程。
原理框图如下图所示：
抽 样
保 持
量化器
编码器
信

道
译码器
低通
滤波器
模仿信号输入
PCM信号输出
干扰
PCM信号输入

模仿信号输出
冲激脉冲

图5-1 PCM原理方框图
5.2 PCM编码简介
在编码器中由冲激脉冲对模仿信号抽样，得到在抽样时刻上信号抽样值。这个抽样值仍是模仿量。在它量化之前，普通由保持电路（holding circuit）将其作短暂保存，以便电路有时间对其量化。在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保持电路。图中量化器把模仿抽样信号变成离散数字量，然后在编码器中进行二进制编码。这样，每个二进制码组就代表一种量化后信号抽样值。图中译码器原理和编码过程相反。其中，量化与编码组合称为模/数变换器(A/D变换器)； 译码与低通滤波组合称为数/模变换器(D/A变换器)。
抽样是对模仿信号进行周期性扫描， 把时间上持续信号变成时间上离散信号。咱们规定通过抽样信号应包括原信号所有信息， 即能无失真地恢复出原模仿信号， 抽样速率下限由抽样定理拟定。 
量化是把经抽样得到瞬时值进行幅度离散，即指定Q规定电平，把抽样值用最接近电平表达。 
编码是用二进制码组表达有固定电平量化值。事实上量化是在编码过程中同步完毕。图1是PCM单路抽样、量化、编码波形图。
μ律与A律压缩特性

μ律： （美、日）

A律： （国内、欧洲）

式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A、μ为压缩系数。
数字压扩技术：一种通过大量数字电路形成若干段折线， 并用这些折线来近似A律或μ律压扩特性，从而达到压扩目办法。即对数压扩特性折线近似法。
折线压扩特性：既不同于均匀量化直线，又不同于对数压扩特性光滑曲线。总来说用折线作压扩特性是非均匀量化， 但它既有非均匀量化(不同折线有不同斜率)， 又有均匀量化(在同一折线小范畴内)。
两种惯用数字压扩技术：（1）A律13折线压扩——13折线近似逼近A=87.6A律压扩特性；（2） μ律15折线压扩——15折线近似逼近μ=255μ律压扩特性。
采用折线压扩特点：基本上保持了持续压扩特性曲线长处，又便于数字电路实现
实际中A律常采用13折线近似如图5-2所示

图5-2 A律13折线图

其详细分法如下:
　 先将X轴区间[0，1]一分为二，其中点为1/2,取区间[1/2,1]作为第八段;
区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4,取区间[1/4,1/2]作为第七段;
区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段;
区间[0,1/8]一分为二，中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段;
区间[0,1/16]一分为二，中点为1/32,取区间[1/32,1/16]作为第四段；
区间[0,1/32]一分为二，中点为1/64,取区间[1/64,1/32]作为第三段;
区间[0,1/64]一分为二，中点为1/128,区间[1/128,1/64]作为第二段;　　
区间[0,1/128]作为第一段。
然后将Y轴[0,1]区间均匀地提成八段，从第一段到第八段
分别为[0,1/8],(1/8,2/8],(2/8,3/8],(3/8,4/8],(4/8,5/8],(5/8,6/8],
(6/8,7/8],(7/8,1]。分别与X轴相应。
二进制码可以经受较高噪声电平干扰，并易于再生，因而PCM中普通采用二进制码。对于Q个量化电平，可以用k位二进制码来表达，称其中每一种组合为一种码字。在点对点之间通信或短距离通信中，采用k=7位码已基本能满足质量规定。而对于干线远程全网通信，普通要通过多次转接， 要有较高质量规定，当前国际上多采用8位编码PCM设备。
码型指是把量化后所有量化级，按其量化电平大小顺序排列起来，并列出各相应码字，这种相应关系整体就称为码型。在PCM中惯用码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码(又称格雷码)。
码位安排:
当前国际上普遍采用8位非线性编码。例如PCM 30/32路终端机中最大输入信号幅度相应4 096个量化单位(最小量化间隔称为一种量化单位)， 在4 096单位输入幅度范畴内，被提成256个量化级，因而须用8位码表达每一种量化级。用于13折线A律特性8位非线性编码码组构造如表5-3所示：

表5-3 8位非线性编码码组构造
极性码
段落码
段内码
M1
M2M3M4
M5M6M7M8

其中，第1位码M1数值“1”或“0”分别代表信号正、负极性，称为极性码。从折叠二进制码规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相似样值脉冲，用折叠码表达时，除极性码M1不同外，别的几位码是完全同样。因而在编码过程中，只要将样值脉冲极性判出后，编码器便是以样值脉冲绝对值进行量化和输出码组。这样只要考虑13折线中相应于正输入信号8段折线就行了。这8段折线共包括128个量化级，正好用剩余7位码(M2，…，M8)就能表达出来。

5.3 PCM编码电路设计

图5-4 13折线近似PCM编码器测试模型和仿真成果

测试模型和仿真成果如图5-4所示。以A-Law Compressor作压缩器，Relay模块门限值设立为0，其输出即可作为PCM编码输出最高位——极性码。样值取值绝对值后，用增益模块将样值放大到0-127，然后用间隔为1Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码低7位。

其中各模块详细参数设立如下：

图5-5 A-Law Compressor

图5-6 Abs

图5-7 Relay

图5-8 Quantizer

图5-9 Integer to Bit Converter

图5-11 Display

图5-12 Mux

图5-13 Saturation

第六章 2ASK基本原理及实现
6.1 2ASK调制基本原理
振幅键控（也称振幅键移），记作ASK，二进制数字振幅键控普通记作2ASK。2ASK是运用载波幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。
对于振幅键控这样线性调制来说，在二进制里，2ASK是运用代表数字信息“0”或“1”基带基带矩形脉冲去键控一种持续载波，有载波输出表达发送“1”，无载波输出表达发送“0”。依照线性调制原理，一种二进制振幅调制信号可以表达完毕一种单极性矩形脉冲序列与一种正弦型载波乘积。其信号表达式为：
(1-1)
S(t)为单极性数字基带信号。

6.2 2ASK产生 
二进制振幅调制就是用二进制数字基带信号控制正弦载波幅度，使载波振幅随着二进制数字基带信号而变化。

图6-1 2ASK信号调制器原理框图

图6-2 2ASK信号时间波形
图6-2是用相乘器实现2ASK调制器及2ASK信号产生过程波形示意图。输入是二进制单极性全占空数字基带信号s(t),载波是c(t),输出是已调信号S2ASK(t)。
6.3 2ASK解调
2ASK有两种基本解调办法：相干解调法（同步检测法）和非相干解调法（包络检波法）。二进制振幅键控方式是数字调制中浮现最早，也是最简朴。这种办法最初用于电报系统，但由于它在抗噪声能力上较差，故在数字系统中应用不多。
相干解调需要将载频位置已调信号频谱重新搬回原始基带位置，因而用相乘器与载波相乘来实现。为保证无失真还原信号，必要在接受端提供一种与调制载波严格同步本地载波，这是整个解调过程能否顺利完好进行核心。带通滤波器正好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器作用是滤出高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器涉及抽样判决及码元形成器。定期抽样脉冲（位同步信号）是很窄脉冲，普通位于每个码元宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出信号为2ASK信号。解调过程如图6-2所示：

图6-3 2ASK非相干解调方式图

图6-4 2ASK信号非相干解调过程时间波形

6.4 2ASK功率谱和带宽 
2ASK信号功率谱示意图如图6-5所示： 

图6-5 2ASK信号功率谱

第七章  Smulink模型建立和仿真
7.1 模仿通信系统仿真图

图7-1模仿通信仿真图
7.1.1 有关模块参数设立

图7-2 sine wave

图7-3 sine wave1

图7-4 product

图7-5 Analog Filter 2

图7-6 sine wave2

图7-7 Analog Filter 1

7.2 数字通信系统仿真图 

图7-2 数字通信系统仿真图

7.3 模仿通信系统仿真效果图
7.3.1原始信号功率谱密度图：

图7-3原始信号功率谱密度图：

7.3.2 已调信号功率谱密度图

图7-4 已调信号功率谱密度图

7.3.3 示波器显示成果

图7-11示波器

7.4 数字通信系统仿真效果图

图7-12 数字通信系统仿真效果图

第八章 结束语
通过本次通信原理课程设计——基于matlab/simulink模仿通信系统、数字频带通信系统仿真实验，让我对matlab/simulink有了初步理解，当前已经可以自行运用该模块中模型构建通信系统并进行仿真实验，虽然有些模块还不是很熟悉，但是，随着把咱们不断应用，咱们会掌握好这一软件使用。
通过对模仿通信系统和数字通信系统进行仿真实验，加深了我对信号编码、调制、解调和解码理解。结识到自学与合伙在学习过程中重要性。作为一名大学生，不但需要很强自学能力，还需要学会合伙和其她同窗沟通，交流经验、取长补段，互相进步，这样自己没注意到问题，也许别人注意到了，这样就解决了更多问题。
通过这次课程设计让我意识到自己存在着局限性和需要改进地方，对一门课程学习不能太局面，太依赖课本上知识，要学会多实践、多应用，现实中对咱们有利就是这种实践机会了。最后在此感谢教师始终以来细心辅导，谢谢！

参照文献
[1] 邵玉斌 Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析．清华大学出版社， 
[2] 樊昌信，曹丽娜．通信原理．国防工业出版社， 
[3] 吴伟陵,续大我,庞沁华．通信原理．北京邮电大学出版社， 
[4] 青松，程岱松，武建华．数字通信系统SystemView仿真与分析．北京航空航天大学出版社， 
[5] 曹志刚，钱亚生．当代通信原理．清华大学出版社，1992 
[6] 苗长云等主编．当代通信原理及应用．电子工业出版社， 
[7] 桑林，郝建军，刘丹．数字通信．北京邮电大学出版社， 
[8] 张圣勤.MATLAB 7．0实用教程．机械工业出版社， 
[9] 李颖，Simulink动态系统建模与仿真（第二版），西安电子科技大学出版社，
[10] 张德丰，Matlab/Simulink自动控制系统设计，机械工业出版社。