基于Mtalab的passband__modulation基于Matlab的通频带调制

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1、 - 0 - 目 录 摘 要： . 错误!未定义书签。 第一章 绪论 . 2 1.1 Matlab/Simulink 简介 . 2 1.2 通信技术的历史和发展 . 3 1.3 通信技术的发展现状和趋势 . 6 . 第二章 线性系统与非线性系统 . 7 2.1 线性系统 . 7 2.2 非线性系统 . 9 第二章 Simulink 的模型建立及其仿真 . 10 3.1 通频带调制的模型方框图 . 10 3.2 仿真的运行结果及其说明 . 11 总结 . 15 致谢. 16 参考文献 . 17 - 1 - 摘要： Simulink 是 Mathworks 公司推出的基于 Matlab 平台的著名

2、仿真环境 Simulink 作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具， 目前已被越来越多的工程技术人员所青睐， 它搭建积木式的建模仿真方式既简单有直观，而且已经在各个领域取得了广泛应用。 本文主要是以 Simulink 为基础平台，对信号的频带调制的仿真。文章第一章内容是对Simulink 的简单介绍与通信技术的目前发展和未来展望及线性非线性系统； ；第三章是本文的主体也是这个课题所要表现的主要内容， 第三章是频带调制的仿真部分， 调制和解调都是Simulink 建模的的方法，且在实验进行的过程中对整个系统的误码率和有效值在 display 都有所展示。 本文的主要目的是对 Simulink

3、 的熟悉和对数字通信理论的更加深化和理解。 关键词： QPSK；线性系统；有效值；误码率 - 2 - 第一章 绪论 1.1 MATLAB/Simulink 的简介 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，在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便，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

4、了 7.X 版本。Matlab 是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充 Matlab 的功能，使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过Matlab 来学习某个领域的科学知识，这就是 Matlab 真正在全世界推广开来的原因。目前的 Matlab 版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像 VB 等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱） ，所以计算的功能实现也很简单

5、，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，,Matlab 和其他高级语言也具有良好的接口， 可以方便的实现与其他语言的混合编程， 进一步拓宽了 Matlab 的应用潜力。可以说，Matlab 已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具的对学习各门学科有非常重要的推进作用。 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一 。确切的说，Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。Sim

6、ulink 工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在 Simulink 环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口， 采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、 方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模， 并可直接进行系统的仿真， 快速的得到仿真结果。它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink 模块库（或函数库）包含有 Sinks（输出方式） 、Sources（输入源） 、Linear（线性环节） 、Nonl

7、inear（非线性环节） 、Connection（连接与接口）和 Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink 库模块（或库函数） ，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用 Simulink 创建的模型可以具有递阶结构， 因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。 用户可以从最高级开始观看模型， 然后用鼠标双击其中的子系统模块， 来查看其下一级的内容，以此类推， 从而可以看到整个模型的细节， 帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。 在定义完一个模型后， 用户可以通过 Simulink 的菜单或 MATLAB的命令窗

8、口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。 采用 Scope 模块和其他的显示模块，可 - 3 - 以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果， 若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果， 这适用于因果关系的问题研究。 仿真的结果还可以存放到MATLAB 的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB 的所有工具及 Simulink 本身的应用工具箱都包含这些工具。由于MATLAB 和 SIMULINK 的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是 Simulink 不能

9、脱离 MATLAB 而独立工作。 1.2 通信技术的历史和发展 1.2.1 通信的概念 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、图形和图像等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图像等）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。 相应的信号可分为模拟信号和数字信号， 模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的(分别如图 1-2-1 所示) ，如电话机、电视摄像机输出

10、的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的(分别如图 1-2-2 所示) ， 如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。 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。 通信技术， 特别是数字通信技术近年来发展非常迅速， 它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术， 它要将大量有用的信息无失真， 高效率地进行传输， 同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅

11、要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。 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 1-2-3 所 - 4 - 图 1-2-3 通信系统一般模型 通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。 数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图 1-2-4 所示， 图 1-2-4 数字通信系统模型 模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图 1-2-5 所示。 图 1-2-5 模拟通信系统模型 数字通信系统较模拟通信系统而言，具

12、有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长， 在大多数通信系统中已代替模拟通信， 成为当代通信系统的主流。 - 5 - 1.2.2 通信的发展史简介 远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。1837 年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866 年利用海底电缆实现了跨大西洋的越

13、洋电报通信。1876 年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到 20 世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937 年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20 世纪 60 年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在 70 年代末在全球发展起来的模拟移动电话在 90 年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。 数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。 1.3 通信技术的发展现状

14、和趋势 进入 20 世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是在 20 世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世， 通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。 （1） 微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。 （2） 移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。 （3） 光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。 （4） 电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次， 借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。 （5） 微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成

15、本越来越低，范围越来越广。例如，2003 年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到2005 年底移动电话用户近 4 亿。 随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断 - 6 - 地应用于通信领域， 各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。 第二章 线性系统与非线性系统 2.1 线性系统 线性系统的输入x(t)和输出y(t)之间的关系可以用常系数线性微分方程来描述： any(n)(t)+an-1y(n-1)(t)+ +a1y(1)(

16、t)+a0y(0)(t) = bmx(m)(t)+bm-1x(m-1)(t)+b1x(1)(t)+b0x(0)(t) 其中a0，a1，an和b0，b1，bm均为常数，则称该系统为线性定常系统，线性定常系统有下面的一些重要性质： 叠加性 系统对各输入之和的输出等于各单个输入所得的输出之和，即 。 。若 x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t)。 。 。 。则 x1(t)x2(t) y1(t)y2(t) 比例性 常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即 。 。若 x(t) y(t)。 。 。 。则 kx(t) ky(t) 微分性 系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即 。

17、。若 x(t) y(t)。 。 。 。则 x(t) y(t) 积分性 当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即 。 。若 x(t) y(t)。 。 - 7 - 。 。则 x(t)dt y(t)dt 频率保持性 若系统的输入为某一频率的谐波信号， 则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即 。 。若 x(t)=Acos(t+x)。 。 。 。则 y(t)=Bcos(t+y) 。 。 大家知道，线性动态系统分析的中心问题是给定一个输入信号求输出响应。在确定信号输入的情况下，输出响应都有一个明确的表达式。而对于随机信号而言，要想得到输出响应的确定表达是可能的。然而，一个随机信

18、号可以方便的通过其均值方差、相关函数、频谱及功率谱密度等特性来加以描述。我们在这里研究的问题是如何根据线性系统输入随机信号的统计特性及线性系统的特性，确定线性系统的统计特性。 当输入离散信号为双侧平稳随机信号时，信号经过线性系统后的统计特性： 输出过程的均值为： )()()()()(0tmthdtmhtmxxy 其中ym是信号经线性系统后的均值，xm是输入信号的均值。 输出过程的自相关函数为 )(*)()(*)(*)()(mhmRmhmhmRmRxyxy 线性系统输出的自相关是输入的自相关同系统冲击响应的自相关的卷积。 输出过程的互相关函数为 )(*)()(mRmhmRxxy 输出信号的均方值

19、（平均功率）为； )()()()(002jkRjhkhnYEkjx 输出的均值为常数，输出自相关函数只是 m的函数。 输出信号的功率谱密度： 频域分析：)(| )(|)(2xySHS - 8 - 2.2 非线性系统 在一般电子设备中，除了线性电路之外，通常还包括一些非线性电路，例如检波器、限幅器、鉴频器等。非线性电路具有下述特点： 叠加原理已不适用，当信号与噪声共同通过非线性电路时，不能像线性电路那样将它们分开研究。 会发生频谱变换，产生出输入电路中不含有的新频谱分量，例如输入信号的各次谐波。 与线性系统相同， 非线性动态系统分析的中心问题也是给定一个输入信号求输出响应。一个随机信号可以方便的

20、通过其均值、方差、相关函数、频谱及功率谱密度等特性来加以描述。 我们在这里研究的问题是如何根据非线性系统输入随机信号的统计特性及线性系统的特性，确定非线性系统的统计特性。 第三章 Simulink的模型建立及仿真 3.1 通频带调制的模型方框图 通频带调制的Simulink模型方框图如下图所示： - 9 - 这个模型中的通信链路包含下面这些部分 ： 随机整数产生模块，用来产生随机数据。 调制器和脉冲整型滤波器，用来进行 QPSK 调制并产生余弦整形波。 上边带转换模块，使载频信号乘以已调信号。 干扰声源，这个干扰是三次方非线性的，且可被开启或关闭。关闭时，所需频带完全无干扰产生；当干扰被开启时

21、，声音的第三谐波被引入所需带宽，引起同信道干扰。 加性宽带高斯信道模块， 可设置为 Eb/No 模式。 由于它采用的是 QPSK 调制方式，因此码速为 2 bit/symbol。由于原信号在调制的情况下功率为 1 瓦特，信号功率为 1/(2*8) 瓦特。根升余弦滤波器采用八倍于原信号频率抽样，这样原信号功率减少为原来的八分之一。频率上边带转换模块只输出属于信号的部分，从而又减少了信号的功率。这次，信号右边为原来的一半。最后，为了匹配随机整数产生模块的原有采样时间，信号周期设为 1e-6 秒。 下边带转换模块，它可以把单一的同频信号转换成复合基带信号。 根余弦脉冲整型滤波器，一个QPSK 解调器

22、模块。 度量误码率和有效值的计算模块。 - 10 - 3.2 仿真的运行结果及其说明 当仿真运行时，两个频谱范围仪表和一个散点图绘制仪器开启。 第一个频谱范围仪表显示了在频带内的信号和干扰信号。当非线性干扰开启时，声源的频率范围落在所需信号带宽的外部，如图 1；当三次方的非线性干扰被开启时，干扰的第三谐波进入所需带宽之内，如图 2。 图 1 - 11 - 图 2 第二个频谱范围仪表说明了信号在接收端经过根升余弦滤波之前，经过下边带频率转换，成为基带信号的频率。注意：当非线性干扰开启时，我们看到干扰和基带信号同时存在。非线性干扰开启前后的频带如下图 3 和 4 所示。 图 3 - 12 - 图

23、4 第三个仪器显示了所接收信号的星座图。通过非线性仪器的开启或关闭，我们可以清楚地看到干扰对散点图的影响。当非线性干扰开启时，信号的星座图会比其关闭时更分散。 图 5 - 13 - 图 6 这个模型也包含两个数值显示仪。第一个仪器显示了链路的误码率。当非线性干扰开启或关闭时，误码率计算仪器的示数会被重置。第二个数值显示仪显示的是有效值。通过改变 Eb/No 的参数，可以产生误码率曲线，如下图 7 所示。 图 7 - 14 - 通过比较可以看出，当非线性干扰开启时，随着Eb/No值的增大，信号的误码率将大于非线性信号关闭时的误码率；且当非线性信号不存在时，误码率接近理论值。 总结 本文通过对数字

24、信号的 Simulink 建模仿真，使我对非线性噪声对信号的影响的深入了解，而且也熟悉了 Simulink 软件的操作，在此非常感谢李永军老师对我的指导和支持， 使我在设计和论文过程中非常顺利的完成。 由于个人能力有限，在设计和论文中可能存在种种的不足之处，希望各位老师和评委予以指出，谢谢！ 致谢 至此，毕业设计已接近尾声。通过这段时间的亲生经历，我感觉自己学到了：收集、整理资料、共同协作、分析及处理问题等许多方面的知识，我真诚感谢这期间老师给予我们的全力帮助，细心指导。最后感谢各位评委给予批评指正。 - 15 - 参考文献 1 王兴亮 编著，数字通信原理与技术，西安电子科技大学出版社，第二版 2 徐明远 邵玉斌 编著，MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用，西安电子科技大学出版社，2005 3 孙屹 吴磊编著, Simulink 通信仿真开发手册,国防工业出版社,2003 4吴大正、杨林耀、张永瑞、王松林、郭宝龙编著，信号与系统分析（第4版），高等教育出版社，2005 - 16 -