MATLAB仿真应用_第5章(1)

第5章 数字通信系统的仿真 在设计新系统或者对原有的通信系统做出修改或者进行 相关的研究时，通常要进行建模和仿真，通过仿真结果衡量 方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然 后再应用于实际系统中。通过仿真，可以提高研究开发工作 的效率，发现系统中潜在的问题，优化系统整体性能。与一 般的仿真过程类似，在对通信系统实施仿真之前，首先需要 研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真 模型。MATLAB软件的通信工具箱中有品种齐全、功能完备
第5章 数字通信系统的仿真
图5-2 锯齿波信号产生的仿真框图
第5章 数字通信系统的仿真 图5-2所示是锯齿波信号产生的仿真框图，图中， 锯 齿 波 信 号 由 重 复 序 列 模 块 产 生 。 表 5-1 所 示 为
RepeatingSequence（重复序列)模块的主要参数。图
的 模 块 ， 图 5-1 来 自 Toolbox ＼ commblks ＼ commblks ＼
commlibv2，双击MATLAB指令窗上面的Simulink工具条， 再双击CommunicationsBlockset也可以看见下面的模块。
第5章 数字通信系统的仿真 它们包括了通信系统中所需要的，也是通信原理 教 科 书 上 系 统 介 绍 的 功 能 （ 模 块 ） ： CommSources （信源）、CommSinks（信宿）、SourceCoding（信源 编码）、ErrorDetectionandCorrection(检错与纠错）、 Interleaving（交织）、Modulation（调制）、Channels （ 传 输 信 道 ） 、 RFImpairments （ 射 频 损 耗 ） 、 Syncronization（同步）等。
第5章 数字通信系统的仿真
图5-6 脉冲信号产生的仿真框图
第5章 数字通信系统的仿真 表5-3 BernoulliRandomBinaryGenerator （伯努利二进制随机数产生器）的主要参数
第5章 数字通信系统的仿真
图5-7 upedge模块的内部结构图[]
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2f ct 2kc u( )d
0
(5-2）
对输出信号的相角Δ求微分，得到输出信号的角频率 ω和频率f分别为： ω=2πfc+2πkcu(t)
f f c kc u (t ) 2
(5-3）Байду номын сангаас
(5-4）
第5章 数字通信系统的仿真 从式(5-4)中可以清楚地看到，压控振荡器输出信号的 频率f与输入信号幅度u(t) 成正比。当输入信号u(t) 等于0时， 输出信号的频率f等于fc；当输入信号u(t) 大于0时，输出信 号的频率f高于fc；当输入信号u(t) 小于0时，输出信号的 频率f低于fc 。这样，通过改变输入信号的幅度大小就可以 准确地控制输出信号的频率。图5-11所示是压控振荡器的 仿真框图。在该仿真系统中，fc=30kHz，kc=10kHz/V，u(t) =0.2V,压控振荡器的输出频率为32kHz。
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图5-1 通信工具箱中的功能模块
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5.2 信源
5.2.1 锯齿波信号 周期信号是指每隔固定的时间间隔，周而复始重 现的信 号，可表示为：x(t)=x(t+nT)。锯齿波信号由 RepeatingSequence（重复序列)模块产生。该模块输出 一个预先确定波形的标量信号，使用模块的Timevalues （时间值）和Outputvalues（输出值）这两个参数，便 可得到任意的锯齿波波形。例如，在默认情况下，时 间值和输出值这两个参数都设为［02］，这个默认的 设置就确定了一个锯齿波，在仿真时以2s为间隔重复 出现，最大幅度为2。
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图5-12 压控振荡器输出信号的时域图和频域图
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5.3 信源编码
5.3.1取样及取样定律 在数字通信系统中传输模拟信号，首先要完成模/ 数变换。发送端先将模拟信号取样，使其成为一系列 离散的取样值，然后再将取样值量化为有限的量化值， 并经编码变换成数字信号，用数字通信方式传输。在
应的输出频率。
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图5-11 压控振荡器的仿真框图
第5章 数字通信系统的仿真 表5-6所示是压控振荡器(VCO)模块的主要参数。 图5-12所示是压控振荡器信号的时域图和频域图。当
频谱仪采样时间设为1/12.8e4时，32kHz信号的线在屏
幕中心。
第5章 数字通信系统的仿真 表5-6 VCO（压控振荡器）模块的主要参数
5-3所示为锯齿波信号的时域图和频域图。
第5章 数字通信系统的仿真 表5-1 RepeatingSequence（重复序列）模块的主要参数
第5章 数字通信系统的仿真 零阶采样保持电路及频谱仪的采样时间设定为 1/1.5。
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图5-3 锯齿波信号的时域图和频域图
第5章 数字通信系统的仿真
图5-4 方波信号产生的仿真框图
第5章 数字通信系统的仿真 5.2.2 方波信号 图5-4所示为方波信号产生的仿真框图，方波信号
由SignalGenerator（信号发生器）产生，本例中是幅度
为1，频率为1THz的方波。信号发生器能产生三种不 同的波形：正弦波、方波和锯齿波。信号的参数可表 示为赫兹或者弧度每秒。表5-2所示为SignalGenerator （信号发生器）的主要参数。图5-5所示为方波信号的 时域图和频域图。
第5章 数字通信系统的仿真 在MATLAB中压控振荡器有两种：离散时间压控振 荡器和连续时间压控振荡器，这两种压控振荡器的差别在 于，前者对输入信号采用离散方式进行积分，而后者则采 用连续积分。本书主要讨论连续时间压控振荡器。 为了理解压控振荡器输出信号的频率与输入信号幅度 之间的关系，对公式（5-1）进行变换，取输出信号的相 角Δ为 t
第5章 数字通信系统的仿真
图5-10 扫频信号的时域图和频域图
第5章 数字通信系统的仿真 表5-5给出了SpecturmScope(频谱仪)的主要参数。
第5章 数字通信系统的仿真 表5-5 SpectrumScope（频谱仪）的主要参数
第5章 数字通信系统的仿真 5.2.5 压控振荡器 VCO（VoltageControlledOscillator）（压控振荡器）
第5章 数字通信系统的仿真 右下角的Display(显示器）是采用简单的方法做成 数字频率计的一种解决方案：将0.2乘KGain（放大）
10000后变成2000，再加上30000刚好变成32k,这里的
10000与kc对应，30000与fc对应。Constant（常数）决 定了压控振荡器的输出，Display（显示器）显示出相
是指输出信号的频率随着输入信号幅度的变化而发生相应
变化的设备，它的工作原理可以通过公式（5-1）来描述。 y(t)=Accos (2πfct+2πkc
u( )d ) (5-1）
0
t
其中，u(t) 表示输入信号，y(t) 表示输出信号。由于输
出信号的频率取决于输入信号电压的大小，因此称为“压 控振荡器”。其它影响压控振荡器输出信号的参数还有信 号幅度Ac、中心振荡频率fc、输入信号灵敏度kc，以及初始 相位φ。
第5章 数字通信系统的仿真 表5-2 SignalGenerator（信号发生器）的主要参数
第5章 数字通信系统的仿真 零阶采样保持电路及频谱仪的采样时间设定为5e14。
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图5-5 方波信号的时域图和频域图
第5章 数字通信系统的仿真 5.2.3脉冲信号 图5-6所示是脉冲信号产生的仿真框图。方波脉冲信号 的产生由BernoulliBinaryGenerator（伯努利二进制发生器） 来产生。仿真开始时，模块送出一个采样周期为30的随机 方波信号，在系统仿真模块中使用了一个upedge（上升沿） 模块来提取信号发生器产生的方波信号的上升沿，并且由 upedge模块来激发ZeroOrderHold（零阶保持器），零阶 保持器的取样时间决定了输出脉冲的脉宽，本例中是15。 表5-3所示是BernoulliRandomBinaryGenerator(伯努利二 进制随机数产生器）的主要参数。图5-7所示是upedge模块 的内部结构。图5-8中波形从下到上表示信号发生器的方波 输出、upedge模块的脉冲上升沿输出和零阶保持器输出的 信号。
图5-8 脉冲信号的时域图和频域图
第5章 数字通信系统的仿真 5.2.4 扫频信号 ChirpSignal（扫频信号)模块产生一个正弦信号， 其频率随着时间的变化而线性增长，可以使用这个模 块对系统进行分析。 该模块的三个参数：初始频率、目标时间和目标 时间的频率，决定了模块的输出。这些设置可以是标 量，也可以是向量。所有的参数要以向量形式确定下 来，就必须有相同的维数。如果这个选项被选择并且 参数是行或者列向量，模块将输出一个向量信号。图 5-9 所 示 是 扫 频 信 号 产 生 的 仿 真 框 图。 表 5-4 所 示 是 ChirpSignal（扫频信号)模块的主要参数。
第5章 数字通信系统的仿真 表5-10 Scope（示波器）的主要参数
第5章 数字通信系统的仿真
图5-14 连续、离散正弦波及脉冲信号波形的示波器显示图
接收端,则把接收到的数字信号恢复成模拟信号。显然,
采样频率越高，量化级越多，越能表现信号的细节， 代价是数/模变换计算越复杂，传输代价愈大。
第5章 数字通信系统的仿真 什么是保证不失真传输的最小代价呢?取样定理告诉我 们：如果对某一带宽有限的时间连续信号（模拟信号）进行 采样，且采样速率达到两倍以上的最高工作频率，那么根据 这些抽样值就能还原出原始信号。图5-13显示了模拟信号取 样转换为离散样值信号的仿真模型。本例是将一个正弦模拟 信号转换为离散信号的过程。采样脉冲是脉冲信号发生器的 输出。表5-7所示是SineWave（正弦信号发生器）的主要参 数。表5-8所示是PulseGenerator（脉冲信号发生器）的 主要参数。表5-9所示是Constant（常数）的主要参数。表510所示为是Scope（示波器）的主要参数。 图5-14所示为连续正弦信号、经脉冲信号作用后转换为 离散的信号及采样脉冲的波形。
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图5-13 模拟信号取样仿真框图
第5章 数字通信系统的仿真 表5-7 SineWave（正弦信号发生器）的主要参数
第5章 数字通信系统的仿真 表5-8 PulseGenerator（脉冲信号发生器）的主要参数
第5章 数字通信系统的仿真 表5-9 Constant（常数）的主要参数
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第5章 数字通信系统的仿真（1）
5.1 概述 5.2 信源 5.3 信源编码 5.4 调制技术（模拟调制）
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5.1 概述
实际的数字通信系统需要完成从信源到信宿的全 部功能，这通常是比较复杂的。对这个系统做出的任 何改动（如改变系统的结构、改变某个参数的设置等） 都可能影响到整个系统的性能和稳定性。
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图5-9 扫频信号产生的仿真框图
第5章 数字通信系统的仿真 图5-10所示是扫频信号的时域图和频域图。仿真开始 后，可以看到频谱仪显示的谱线随时间变化而移动。从 示波器的显示可以看出，输出正弦信号频率越来越高。
第5章 数字通信系统的仿真 表5-4 ChirpSignal（扫频信号）模块的主要参数