matlab二進制數(shù)字調制與解調系統(tǒng)的設計課程設計報告[共20頁]

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1、 一．設計題目： 二進制數(shù)字調制與解調系統(tǒng)的設計 二．主要內容： 二進制數(shù)字調制與解調系統(tǒng)的設計 MATLAB及SIMULINK建模環(huán)境簡介 MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和SIMULINK兩大部分。 Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效

2、率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接

3、口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。 三．具體要求 a．利用所學的《通信原理及應用》的基礎知識，設計一個2ASK數(shù)字調制器。完成對2ASK的調制與解調仿真電路設計，并對其仿真結果進行分析。要求理解2ASK信號的產生，掌握2ASK信號的調制原理和實現(xiàn)方法并畫出實現(xiàn)框圖。 b．設計一個2FSK數(shù)字調制器。要求給出2FSK的產生原理框圖（調頻法、鍵控法）、Matlab仿真調制解調的原理框圖，給出信號的頻譜圖、調制前與解調后數(shù)據(jù)波形圖 c．設計一個2PSK數(shù)字調制器。給出信號的頻譜圖、調制前

4、與解調后數(shù)據(jù)波形圖. d. 盡可能做出加噪前后相關波形。(加分項)  數(shù)字通信系統(tǒng)的基本模型 從消息傳輸角度看,該系統(tǒng)包括了兩個重要交換,即消息與數(shù)字基帶信號之間的交換,數(shù)字基帶信號與信道信號之間的交換.通常前一種交換由發(fā)收端設備完成.而后一種交換則由調制和解調完成. 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 一、2ASK調制解調 基本原理 2ASK是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。 其信號表達式為： ，S (t)為單極性數(shù)字基帶信號。 2ASK幅移鍵控 幅移鍵控（ASK）相當于模擬信號中的調幅，只不過與載

5、頻信號相乘的是二進數(shù)碼而已。幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，信息比特是通過載波的幅度來傳遞的。由于調制信號只有0或1兩個電平，相乘的結果相當于將載頻或者關斷，或者接通，它的實際意義是當調制的數(shù)字信號"1時，傳輸載波；當調制的數(shù)字信號為"0"時，不傳輸載波。 由圖可以看出2ASK信號的時間波形e2ASK（t）隨二進制基帶信號s（t）通斷變化。所以又被稱為通斷鍵控信號 2ASK信號的產生方法通常有兩種：模擬調制法和鍵控法。 模擬調制法使用乘法器實現(xiàn) 鍵控法使用開關電路實現(xiàn) 2ASK的調制方法 2ASK有兩種基本解調方法：相干解調法（同步檢測法）和非相干解調法

6、（包絡檢波法）。相干解調需要將載頻位置的已調信號頻譜重新搬回原始基帶位置，因此用相乘器與載波相乘來實現(xiàn)。為確保無失真還原信號，必須在接收端提供一個與調制載波嚴格同步的本地載波，這是整個解調過程能否順利完好進行的關鍵。 相干解調 非相干解調 2ASK信號非相干解調過程的時間波形  振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而頻率和初始相位保持不變。 在2ASK中： S2ask=m(t)*cos(2*pi*f*t)， 其中m(t)為數(shù)字信號，后者為載波。 載波在二

7、進制基帶信號控制下通斷變化，所以又叫通-斷鍵控（OOK）。 2ASK的產生方法有兩種：模擬調制和鍵控法 而解調也有兩中基本方式：非相干解調（包絡檢波）和相干解調（同步檢測法） DS2ask=s(t)*cos(2*pi*f*t) =0.5*m(t)+0.5*m(t)*cos(2*wc*t) 乘以相干載波后，只要濾去高頻部分就可以了 本次仿真使用相干解調方式： 2ask信號 帶通濾波器與與載波相乘低通濾波器 抽樣判決 輸出 以下就是matlab的仿真結果極其頻譜圖（省去了帶通filter） 可以看到解調后的信號與信源有一定的延時。 通過觀察頻譜圖，用放大鏡可以

8、清楚的看到，2ask實現(xiàn)了頻譜的搬移，將基帶信號 搬移到了fc=150hz的頻率上，而且若只計頻譜的主瓣則有： B2ask=2fs，fs=1/Ts 其中Ts為一個碼元寬度 即：2ask信號的傳輸帶寬是碼元傳輸速率的2倍 Matlab程序實現(xiàn) clc; clear all; close all; %信源 a=randint(1,15,2); t=0:0.001:0.999; m=a(ceil(15*t+0.01)); subplot(511) plot(t,m); axis([0 1.2 -0.2 1.2]); title(信源); %載

9、波 f=150; carry=cos(2*pi*f*t); %2ASK調制 st=m.*carry; subplot(512); plot(t,st) axis([0 1.2 -1.2 1.2]) title(2ASK信號) %加高斯噪聲 nst=awgn(st,70); %解調部分 nst=nst.*carry; subplot(513) plot(t,nst) axis([0 1.2 -0.2 1.2]); title(乘以相干載波后的信號) %低通濾波器設計 wp=2*pi*2*f*0.5; ws=2*pi*2*f*0.9; Rp=2; As=

10、45; [N,wc]=buttord(wp,ws,Rp,As,s); [B,A]=butter(N,wc,s); %低通濾波 h=tf(B,A); %轉換為傳輸函數(shù) dst=lsim(h,nst,t); subplot(514) plot(t,dst) axis([0 1.2 -0.2 1.2]); title(經過低通濾波器后的信號); %判決器 k=0.25; pdst=1*(dst>0.25); subplot(515) plot(t,pdst) axis([0 1.2 -0.2 1.2]); title(經過抽樣判決后的信號) %頻譜觀察 %調制信

11、號頻譜 T=t(end); df=1/T; N=length(st); f=(-N/2:N/2-1)*df; sf=fftshift(abs(fft(st))); figure(2) subplot(411) plot(f,sf) title(調制信號頻譜) %信源頻譜 mf=fftshift(abs(fft(m))); subplot(412) plot(f,mf) title(信源頻譜) % 乘以相干載波后的頻譜 mmf=fftshift(abs(fft(nst))); subplot(413) plot(f,mmf) title(乘以相干載波后的頻譜

12、) %經過低通濾波后的頻譜 dmf=fftshift(abs(fft(dst))); subplot(414) plot(f,dmf) title(經過低通濾波后的頻譜); 二、2FSK調制解調 頻移鍵控是利用載波的頻率來傳遞數(shù)字信號，在2FSK中，載波的頻率隨著二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化，頻移鍵控是利用載波的頻移變化來傳遞數(shù)字信息的。在2FSK中，載波的頻率隨基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。故其表達式為： 典型波形如下圖所示。由圖可見。2FSK信號可以看作兩個不同載頻的ASK信號的疊加。因此2FSK信號的時域表達式又可以寫成： 2FSK

13、數(shù)字系統(tǒng)的調制原理 2FSK調制就是使用兩個不同的頻率的載波信號來傳輸一個二進制信息序列?？梢杂枚M制“1”來對應于載頻f1，而“0”用來對應于另一相載頻w2的已調波形，而這個可以用受矩形脈沖序列控制的開關電路對兩個不同的獨立的頻率源w1、f2進行選擇通。如下原理圖： 2FSK的解調方式 2FSK的解調方式有兩種:相干解調方式和非相干解調方式.下面我們將詳細的介紹: 1 非相干解調 經過調制后的2FSK數(shù)字信號通過兩個頻率不同的帶通濾波器f1、f2濾出不需要的信號，然后再將這兩種經過濾波的信號分別通過包絡檢波器檢波，最后將兩種信號同時輸入到抽樣判決器同時外加抽樣脈沖，最后解調出來

14、的信號就是調制前的輸入信號。其原理圖如下圖所示： 2 相干解調 根據(jù)已調信號由兩個載波f1、f2調制而成，則先用兩個分別對f1、f2帶通的濾波器對已調信號進行濾波，然后再分別將濾波后的信號與相應的載波f1、f2相乘進行相干解調，再分別低通濾波、用抽樣信號進行抽樣判決器即可。原理圖如下： Matlab程序實現(xiàn) Fc=150; %載頻 Fs=40; %系統(tǒng)采樣頻率 Fd=1; %碼速率 N=Fs/Fd; df=10; numSymb=25;%進行仿真的信息代碼個數(shù) M=2;

15、 %進制數(shù) SNRpBit=60;%信噪比 SNR=SNRpBit/log2(M);%60 seed=[12345 54321]; numPlot=15; x=randsrc(numSymb,1,[0:M-1]);%產生25個二進制隨機碼 figure(1) stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),bx);%顯示15個碼元，桿圖，從x的前十五個隨機數(shù)中選取 title(二進制隨機序列) xlabel(Time); ylabel(Amp

16、litude); %調制 y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,fsk,M,df);%數(shù)字帶通調制 numModPlot=numPlot*Fs; %15*40 t=[0:numModPlot-1]./Fs;%數(shù)組除法（仿真時間） figure(2) plot(t,y(1:length(t)),b-); axis([min(t) max(t) -1.5 1.5]); title(調制后的信號) xlabel(Time); ylabel(Amplitude); %在已

17、調信號中加入高斯白噪聲 randn(state,seed(2)); %生成-2到+2之間的隨機數(shù)矩陣 y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),measured,[],dB);%在已調信號中加入高斯白噪聲 figure(3) plot(t,y(1:length(t)),b-);%畫出經過信道的實際信號 axis([min(t) max(t) -1.5 1.5]); title(加入高斯白噪聲后的已調信號) xlabel(Time); yla

18、bel(Amplitude); %相干解調 figure(4) z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye,M,df); title(相干解調后的信號的眼圖) %帶輸出波形的相干M元頻移鍵控解調 figure(5) stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),bx); hold on; stem([0:numPlot-1],z1(1:numPlot),ro); hold off; axis([0 numPlot -0.5

19、 1.5]); title(相干解調后的信號原序列比較) legend(原輸入二進制隨機序列,相干解調后的信號) xlabel(Time); ylabel(Amplitude); %非相干解調 figure(6) z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye/noncoh,M,df); title(非相干解調后的信號的眼圖) %帶輸出波形的非相干M元頻移鍵控解調 figure(7) stem([0:numPlot-1],x(1:numPlo

20、t),bx); hold on; stem([0:numPlot-1],z2(1:numPlot),ro); hold off; axis([0 numPlot -0.5 1.5]); title(非相干解調后的信號) legend(原輸入二進制隨機序列,非相干解調后的信號) xlabel(Time); ylabel(Amplitude); %誤碼率統(tǒng)計 [errorSym ratioSym]=symerr(x,z1); figure(8)

21、 simbasebandex([0:1:5]); title(相干解調后誤碼率統(tǒng)計) [errorSym ratioSym]=symerr(x,z2); figure(9) simbasebandex([0:1:5]); title(非相干解調后誤碼率統(tǒng)計) %濾除高斯白噪聲 Delay=3;R=0.5;PropD=0; %滯后3s [yf,tf]=rcosine(Fd,Fs,fir,R,Delay); %升余弦函數(shù) [yo2,to2]=rcosflt(y

22、,Fd,Fs,filter,yf); %加入高斯白噪聲后的已調信號和經過升余弦濾波器后的已調信號 t=[0:numModPlot-1]./Fs; figure(10) plot(t,y(1:length(t)),r-); hold on; plot(to2,yo2,b-);%濾出帶外噪聲 hold off; axis([0 30 -1.5 1.5]); xlabel(Time); ylabel(Amplitude); legend(加入高斯白

23、噪聲后的已調信號,經過升余弦濾波器后的已調信號) title(升余弦濾波前后波形比較) eyediagram(yo2,N);%眼圖 title(加入高斯白噪聲后的已調信號的眼圖) 仿真結果 三、2psk信號調制解調 2psk信號的調制不能采用包絡檢測的方法，只能進行相干解調，其原理框圖如下： 不考慮噪聲時，帶通濾波器輸出可以表示為 y(t)=cos(wct+Φn) 式中Φn為2psk信號某一碼元的初相。Φn=0時，代表數(shù)字“0”， Φn=π時，代表數(shù)字“1”。與同步載波COSwct相乘后，輸出為 Z(t

24、)=COS(wct+Φn) COSwct=1/2cosΦn+1/2cos(2wct+Φn) 經過低通濾波器濾除高頻分量，得解調輸出為 根據(jù)發(fā)送端產生2psk信號時Φn代表數(shù)字信息1或0的規(guī)定，以及接收端x（t）與Φn的關系特性，抽樣判決器的判決準則為 其中，x為x（t）在抽樣時刻的值。 2psk信號相干解調的過程實際上就是輸入已調信號與本地載波信號進行極性比較的過程，故常稱為極性比較解調。 Matlab程序實現(xiàn) clear ; close all; fs=8e5; %抽樣頻率 fm=20e3; %基帶頻率 n=

25、2*(6*fs/fm); final=(1/fs)*(n-1); fc=2e5; % 載波頻率 t=0:1/fs:(final); Fn=fs/2; %耐奎斯特頻率 %用正弦波產生方波 twopi_fc_t=2*pi*fm*t; A=1; phi=0; x = A * cos(twopi_fc_t + phi); % 方波 am=1; x(x>0)=am; x(x<0)=-1; figure(1) subplot(321); plot(t,x); axis([0 2e-4 -2 2]);

26、 title(基帶信號); grid on car=sin(2*pi*fc*t); %載波 ask=x.*car; %載波調制 subplot(322); plot(t,ask); axis([0 200e-6 -2 2]); title(PSK信號); grid on; %===================================================== vn=0.1; noise=vn*(randn(size(t))); %產生噪音 subplot(323); plot(t,noise); grid

27、 on; title(噪音信號); axis([0 .2e-3 -1 1]); askn=(ask+noise); %調制后加噪 subplot(324); plot(t,askn); axis([0 200e-6 -2 2]); title(加噪后信號); grid on; %帶通濾波 fBW=40e3; f=[0:3e3:4e5]; w=2*pi*f/fs; z=exp(w*j); BW=2*pi*fBW/fs; a=.8547; %BW=2(1-a)/sqrt(a) p=(j^2*a^2); gai

28、n=.135; Hz=gain*(z+1).*(z-1)./(z.^2-(p)); subplot(325); plot(f,abs(Hz)); title(帶通濾波器); grid on; Hz(Hz==0)=10^(8); %avoid log(0) subplot(326); plot(f,20*log10(abs(Hz))); grid on; title(Receiver -3dB Filter Response); axis([1e5 3e5 -3 1]); %濾波器系數(shù) a=[1 0 0.7305]; %[1

29、 0 p] b=[0.135 0 -0.135]; %gain*[1 0 -1] faskn=filter(b,a,askn); figure(2) subplot(321); plot(t,faskn); axis([0 100e-6 -2 2]); title(通過帶通濾波后輸出); grid on; cm=faskn.*car; %解調 subplot(322); plot(t,cm); axis([0 100e-6 -2 2]); grid on; title(通過相乘器后輸出); %低通濾波器 p=0.72; gain

30、1=0.14;%gain=(1-p)/2 Hz1=gain1*(z+1)./(z-(p)); subplot(323); Hz1(Hz1==0)=10^(-8);%avoid log(0) plot(f,20*log10(abs(Hz1))); grid on; title(LPF -3dB response); axis([0 5e4 -3 1]); %濾波器系數(shù) a1=[1 -0.72]; %(z-(p)) b1=[0.14 0.14]; %gain*[1 1] so=filter(b1,a1,cm); so=so*10;

31、 %add gain so=so-mean(so); %removes DC component subplot(324); plot(t,so); axis([0 8e-4 -3.5 3.5]); title(通過低通濾波器后輸出); grid on; %比較器 High=2.5; Low=-2.5; vt=0; %設立比較標準 error=0; len1=length(so); for ii=1:len1 if so(ii) >= vt Vs(ii)=High; else Vs(ii)=Low; end end Vo=Vs; subplot(325); plot (t,Vo), title(解調后輸出信號), axis([0 2e-4 -5 5]) grid on; xlabel(時間 (s)), ylabel(幅度(V)) 仿真結果 21