通信原理课设基于simulink的数字通信系统设计

课程设计(论文)任务书

信息工程学院通信工程专业11-1、2、3、4 班

一、一、课程设计(论文)题目基于Simulink的数字通信系统的仿真设计

二、课程设计(论文)工作自2014 年6 月16 日起至2014 年 6 月27 日止。

三、课程设计(论文) 地点: 图书馆、寝室、通信实验室（4-410）。

四、课程设计(论文)内容要求：

1．本课程设计的目的

（1）使学生掌握通信系统各功能模块的基本工作原理；

（2）培养学生采用Simulink仿真软件对各种电路进行仿真的方法；

（3）培养学生对二进制数字调制及解调电路的理解能力；

（4）能提高和挖掘学生对所学知识的实际应用能力即创新能力；

（5）提高学生的科技论文写作能力。

2．课程设计的任务及要求

1）基本要求：

（1）学习Simulink仿真软件的使用；

（2）对数字通信系统调制及解调电路各功能模块的工作原理进行分析；

（3）提出数字通信系统调制及解调电路的设计方案，选用合适的模块；

（4）对所设计系统进行仿真；

（5）并对仿真结果进行分析。

a. 2ASK调制及解调

b. 2FSK调制及解调

c. 2PSK调制及解调

d. 2DPSK调制及解调

e. MASK，MFSK，MPSK，MSK，QAM（至少选做一种）

2）创新要求：

3）课程设计论文编写要求

（1）要按照书稿的规格打印誊写毕业论文

（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等

（3）毕业论文装订按学校的统一要求完成

4）答辩标准：

（1）完成原理分析（20分）

（2）系统方案选择（30分）

（3）仿真结果分析（30分）

（4）论文写作（20分）

5）参考文献：

（1）王俊峰.《通信原理MATLAB仿真教程》人民邮电出版社第1版 .2010.11.1

（2）赵静.《基于MATLAB的通信系统仿真》北京航空航天大学出版社

6）课程设计进度安排

内容天数

地点

构思及收集资料 2 图书馆

仿真 5 实验室

撰写论文 3 实验室

学生签名：

2014年6月16日

课程设计(论文)评审意见

（1）完成原理分析（20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（2）系统方案选择（30分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（3）仿真结果分析（30分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（4）论文写作（20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（5）格式规范性及考勤是否降等级：是（）、否（）

评阅人：职称：副教授

2014 年6 月27 日

目录

1.引言 (2)

1.1设计背景。 (2)

1.2数字通信系统设计步骤。 (3)

1.3课设内容： (3)

2. MATLAB和SIMULINK简介。 (4)

3.通信与基带传输系统概念。 (6)

3.1 通信的概念 (6)

3.2数字基带传输系统 (7)

4. 2ASK的调制、解调系统设计原理及仿真。 (8)

4.1 2ASK调制。 (8)

4.2 2ASK的解调： (9)

4.3 2ASK调制与解调系统的仿真电路图及其仿真结果。 (9)

5. 2FSK的调制、解调系统设计原理及仿真。 (10)

5.1 2FSK的调制。 (10)

5.2 2FSK的解调。 (12)

5.3 2FSK调制与解调系统的仿真电路图及其仿真结果。 (12)

6. 2PSK的调制、解调系统设计原理及仿真。 (13)

6.1 2PSK的调制。 (13)

6.2 2PSK的解调。 (14)

6.3 2PSK调制与解调系统的仿真电路图及其仿真结果。 (15)

7. 2DPSK的调制、解调系统设计原理及仿真。 (16)

7.1 2DPSK的调制。 (16)

7.2 2DPSK的解调。 (17)

7.3 2DPSK调制与解调系统的仿真电路图及其仿真结果。 (17)

8. MSK的调制、解调系统设计原理及仿真。 (19)

8.1 MSK的调制。 (19)

8.2 MSK的解调 (20)

8.3 MSK调制与解调系统的仿真电路图及其仿真结果。 (21)

9. 结论。 (21)

参考文献 (22)

基于simulink的数字通信系统的设计

摘要：数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。根据控制的载波参量的不同，数字调制有调幅、调相和调频三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。

在此次的课设中我们利用simulink完成了2ASK调制及解调、2FSK调制及解、调2PSK调制及解调还有2DPSK调制及解调，在MASK，MFSK，MPSK，MSK，QAM中选择了MSK进行了调制解调的设计。

在报告中描述了此次课设中各种调制方式调制解调的原理，并给出调制、解调的原理框图。根据各种调制方式的原理,结合调制、解调的原理框图。利用simulink设计出了相应的调制、解调系统，同时还进行了仿真，结合原理不断观察仿真结果，不断的调整相应的参数得到了相对最理想的结果，并对相应的调制解调系统的结果进行分析。

最后对本次的课设进行了总结，此次的课设学会了simulink的使用，加深了对通信原理的理解，成功实现各调制方式的调制、解调。

关键字：数字调制 simulink 仿真与调试

1.引言

1.1设计背景。

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。

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数字通信系统设计步骤。

利用SIMULINK进行数字通信系统设计、仿真的基本步骤如下：

（1）建立数学模型：根据通信系统的基本原理，将整个系统简化到有源系统，确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分之间的关系，画出系统流程框图模型。

（2）仿真系统：根据建立的模型从SIMULINK通信模型库的各个子库中将所需要的单元功能模块拷贝到Untitled窗口，按系统流程框图模型连接，组建要仿真的通信系统模型。

（3）设置、调整参数：参数设置包括运行系统参数设置（如系统运行时间。采样速率等）和功能模块运行参数设置（如正弦信号的频率、幅度、初相；低通滤波器的截止频率、通带增益、阻带衰减等）。

（4）设置观察窗口，分析仿真数据和波形：在系统模型的关键点处设置观测输出模块，用于观测仿真系统的运行情况，以便及时调整参数，分析结果。

（5）生成新的模块：对于库中没有的功能模块，可以根据以掌握的技术生成所需新的子模块，以便随时调用。

1.3课设内容：

此次课设的主要内容如下：

（1）：学习了simulink的使用方法。

（2）：学习了各种调制方式的调制解调原理，及其设计方法。

（3）：根据各种调制方式的原理，利用simulink设计出了相应的调制、解调系统，同时还进行了仿真，结合原理不断观察仿真结果，不断的调整相应的参数得到了最理想的结果。

（4）：以文档的形式描述了此次课设中各种调制方式调制解调的原理，给出相应的调制解调系统并对结果进行分析。

2.MATLAB和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，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。Simulink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）、Nonlinear（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。

强大的Simulink动态仿真环境，可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比，更直观、方便和灵活。用户可以在Matlab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。用于实现通信仿真的通信工具包(Communication toolbox，也叫Commlib，通信工具箱)是Matlab语言中的一个科学性工具包，提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能，可以在Matlab环境下独立使用，也可以配合Simulink使用。另外，Matlab的图形界面功能GUI（Graphical User Interface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。

3.通信与基带传输系统概念。

3.1 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。 通信系统一般模型如下所示：

→→→→信息源发送设备信道接收设备受信者

图3-1：通信系统一般模型

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，如下图3-2所示：

→→→→信息源调制器信道解调器受信者

图3-2：通信系统一般模型

同时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，如图3-3所示的数字通信系统：

→→→→→→→→信数信信

数信信

源道字受道源字信息编编调 解译译信源码码调码码者

制

道器器器器器器图3-3：数字通信系统

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。

3.2数字基带传输系统

在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。

3-4数字调制系统的基本结构

数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的数字调制方式有：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)、正交振幅键控(QAM)、多相相移键控信号(QPSK)、最小移频键控(MSK)。

本次课设内容主要以二进制振幅键控(2ASK)、二进制频移动键控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK)、二进制相对相移键控（2DPSK）、最小移频键控(MSK)为主。

4. 2ASK的调制、解调系统设计原理及仿真。

4.1 2ASK调制。

(1)调制原理（模拟相乘法）：

振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。

该二进制符号序列可表示为：

其中：

Ts是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲:

则二进制振幅键控信号可表示为：

（2）根据模拟相乘法调制原理框图如下：

4-1振幅调制模拟相乘法调制原理图

（3）二进制振幅键控调制波形如下：

根据载波信号幅度的取值的对调制信号进行调制。波形如下：

4-2二进制振幅键控调制波形

4.2 2ASK的解调：

（1）解调原理（相干解调）：

2ASK信号的解调有两种方法即相干解调和包络解调。此次课设中采用相干解调，相干解调也称为同步解调，利用乘法器，输入一路与载频相干即同频同相的参考信号与载频相乘。具体过程如下：

比如原始信号A与载频调制后得到信号，解调时

引入相干（同频同相）的参数信号，得到

，用低通滤波器将高频信号滤除，即得原始信号A。

（2）解调原理框图：

4.3 2ASK调制与解调系统的仿真电路图及其仿真结果。

（1）2ASK调制与解调系统的仿真电路图：

利用simulink得到2ASK调制与解调系统的仿真电路图：

（2）仿真结果。

根据调制解调仿真电路，经过调整得到如下结果：

（3）结果分析：

对照调制解调电路各点，根据仿真结果可以看出，整个电路得到了很准确的调制信号，并且很好地将其解调出来，解调信号和原始信号对比发现，没有任何的失真和延时。

5. 2FSK的调制、解调系统设计原理及仿真。

5.1 2FSK的调制。

（1）调制原理：

采用了模拟调频法。2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态

的，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为时代表传0，载频为时代表传1。显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以和为载频,以和为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。2FSK信号的一般时域数学表达式为:

其中，，且是的反码，关系式如下：

（2）调制原理框图：

采用模拟相乘法有如下的调制原理图：

(3)解调信号时域波形：

2fsk调制波形如下：

5.2 2FSK的解调。

(1)解调原理（相干解调）：

二进制移频键控信号的解调方法很多，有模拟鉴频法和数字检测法，有非相干解调方法也有相干解调方法。其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号，分别进行解调,通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号。

(2)解调原理框图:

5.3 2FSK调制与解调系统的仿真电路图及其仿真结果。

(1)simulink绘制的2FSK调制与解系统的仿真电路图如下：

(2)仿真结果如下：

(3)仿真结果分析：

结果表明能非常准确的对信号进行调制，得到了较好的2FSK 波形，并且在时间上非常同步。对于解调信号，其解调结果与原波形相比有一半的失真，还不是很理想。

6. 2PSK 的调制、解调系统设计原理及仿真。

6.1 2PSK 的调制。

（1）2PSK 调制的原理：

二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。 通常用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。 二进制移相键控信号的时域表达式为： n s psk a nT t g t e *)()(2-=

在2PSK 调制中，an 应选择双极性，即：

???=P a n -1,

1P ,0发送的概率为发送的概率为 ???=P b n -1,1P ,0发送的概率为发送的概率为

若g(t)是脉宽为Ts ， 高度为1的矩形脉冲时，则有:

???-=P t w t w e c c psk -1,cos P ,cos 2发送的概率为发送的概率为

当发送二进制符号1时，已调信号e2PSK(t)取0°相位，发送二进制符号0时，e2PSK(t)取180°相位。若用φn 表示第n 个符号的绝对相位，则有

φn= 0°， 发送 1 符号， 发送 0 符号。这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对移相方式。

（2）2PSK 调制框图（采用模拟相乘法）：

（3）2PSK 调制的波形：

6.2 2PSK 的解调。

（1）解调原理(相干解调法)：

由于PSK 信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。此次课设中2PSK 信号的解调方法采用的是相干解调法。经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在进行抽样判决。判决器是按极性来判决的。即正抽样值判为1，负抽样值判为0。

（2）解调原理框图：

6.3 2PSK调制与解调系统的仿真电路图及其仿真结果。

(1):simulink软件仿真图如下:

（2）仿真结果如下：

（3）结果分析：

结果表明能非常准确的对信号进行调制，得到了较好的2PSK 波形，并且在时间上非常同步。对于解调信号，因为我所使用的simulink 没有抽样判决器，采用代替器件中有判决键的使用导致解调结果有延时。

7. 2DPSK 的调制、解调系统设计原理及仿真。

7.1 2DPSK 的调制。

（1）调制原理(模拟调相法)：

二进制移相键控（2PSK ）方式是指受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。众所周知2PSK 调制是将传输的数字码元“1”用初始相位为180°的正弦波表示，而数字码元“0”用初始相位为0°的正弦波表示。若设()t a 是传输数字码元的绝对码，则2PSK 已调信号在任一个码元时间T 内的表达式为:

10)()](sin[)(或者=+=t a t a t w A t s c

为此实际中一般采用一种所谓的差分移相键控（2DPSK ）方式。2DPSK 方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为

，可定义一种数字信息与之间的关系为：

若将传输数字码元的绝对码()t a 先进行差分编码得相对码()t b ，其差分编译码如下：

差分编码为 ()()()T t b t a t b -⊕= （2） 差分译码为 ()()()T t b t b t a -⊕= （3） 再将相对码()t b 进行2PSK 调制，则所得到的即是2DPSK 已调信号，其在任一码元时间T 内的表达式为

()()[]()01,sin 或=+=t b t b ct A t s πω （4）

（2）调制原理框图（采用模拟调相法）：