【正文】 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 設(shè) 計(jì) 及 說 明主要結(jié)果目 錄前言……………………………………………………………………………… 2MATLAB軟件簡介……………………………………………………… …… 2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真………………………………………………… ………5…… ……… ………………………………………5 數(shù)字基帶信號……………………………………………………… ………7 數(shù)字基帶信號的要求…………………………… ………………… … …7 數(shù)字基帶信號………………………………………………………………8 常用的基帶傳輸碼型………………………………………………………9………………………………………………………………………12…………………………………………………………12……………………………………………………12………………………………………………………………………13 余弦滾降基帶傳輸系統(tǒng)……………………………………………………13 眼圖…………………………………………… …………………………14……………………………………………………………………………17數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真前言………………………………………………………………………………17（2FSK）………………………………………… ………172FSK信號的產(chǎn)生…………………………………………………………………172FSK解調(diào)原理……………………………………………………………………192FSK調(diào)制與解調(diào)基于MATLAB仿真 …………………………………………20(2ASK）……………………………………………………232ASK調(diào)制與解調(diào)基于MATLAB仿真…………………………………………25(2PSK）……………………………………………………272PSK原理…………………………………………………………………………272PSK基于MATLAB的仿真……………………………………………………29(4PSK）……………………………………………………334PSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)…………………………………………………………334PSK基于MATLAB的仿真……………………………………………………34(16QAM）…………………………………………42正交調(diào)制及相干解調(diào)原理框圖…………………………………………………4216QAM調(diào)制與解調(diào)基于MATLAB的仿真……………………………………43……………………………………………………… …………………48參考文獻(xiàn)：………………………………………………………………………49前言 隨著通信系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度不斷增加， 統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展傳的需要，通信系統(tǒng)的模擬仿真技術(shù)越來越受到重視。傳統(tǒng)的通信仿真技術(shù)主要分 可以 得到與真實(shí)環(huán)境十分接近的結(jié)果，為手工分析與電路試驗(yàn)2種， 但耗時(shí)長方法比較繁雜，而通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)是介于上述2種方法的一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它可以讓用戶 在很 短的時(shí)間內(nèi)建立整個(gè)通信系統(tǒng)模型，并對其進(jìn)行模擬仿真。通信原理計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，是對數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真。仿真工具是MATLAB程序設(shè)計(jì)語 言。 MATLAB是一種先進(jìn)的高技術(shù)程序設(shè)計(jì)語言，主要用于數(shù)值計(jì)算及可視化圖形處理。特點(diǎn) 是將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、圖形、圖像處理和仿 真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)極易使用的交互式環(huán)境中偽科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多學(xué)科提供了一種高效率的編程 工具。運(yùn)用MATLAB，可以對數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 進(jìn)行較為全面地研究。為了使本科類學(xué)生學(xué)好通信課程，我們進(jìn)行了試點(diǎn)，通過課程設(shè)計(jì)的方式針對通信原理的很多內(nèi)容進(jìn)行了仿真。MATLAB軟件簡介 MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平?！?　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作： 　　● 數(shù)值分析 　　● 數(shù)值和符號計(jì)算 　　● 工程與科學(xué)繪圖 　　● 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 　　● 數(shù)字圖像處理 技術(shù) 　　● 數(shù)字信號處理 技術(shù) 　　● 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 　20世紀(jì)70年代，美國新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任Cleve Moler為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用FORTRAN編寫了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市場。到20世紀(jì)90年代，MATLAB已成為國際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。綜上所述，Matlab 語言有如下特點(diǎn)：1． 編程效率高 它是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級語言，允許用數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序，且 比 Basic、 Fortran 和 C 等語言更加接近我們書寫計(jì)算公式的思維方式， Matlab 用 編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題。因此，Matlab 語言也可通俗 地稱為演算紙式科學(xué)算法語言由于它編寫簡單，所以編程效率高，易學(xué)易懂。 2．用戶使用方便 Matlab 語言是一種解釋執(zhí)行的語言（在沒被專門的工具編譯之前），它靈活、 方便，其調(diào)試程序手段豐富，調(diào)試速度快，需要學(xué)習(xí)時(shí)間少。人們用任何一種語 言編寫程序和調(diào)試程序一般都要經(jīng)過四個(gè)步驟：編輯、編譯、連接以及執(zhí)行和調(diào) 試。各個(gè)步驟之間是順序關(guān)系，編程的過程就是在它們之間作瀑布型的循環(huán)。 Matlab 語言與其它語言相比，較好地解決了上述問題，把編輯、編譯、連接和 執(zhí)行融為一體。它能在同一畫面上進(jìn)行靈活操作快速排除輸入程序中的書寫錯(cuò) 誤、語法錯(cuò)誤以至語意錯(cuò)誤，從而加快了用戶編寫、修改和調(diào)試程序的速度，可 以說在編程和調(diào)試過程中它是一種比 VB 還要簡單的語言。 具體地說，Matlab 運(yùn)行時(shí)，如直接在命令行輸入 Mailab 語句（命令），包括調(diào) 用 M 文件的語句，每輸入一條語句，就立即對其進(jìn)行處理，完成績譯、連接和運(yùn) 行的全過程。又如，將 Matlab 源程序編輯為 M 文件，由于 Mat1ab 磁盤文件也是 M 文件，所以編輯后的源文件就可直接運(yùn)行，而不需進(jìn)行編譯和連接。在運(yùn)行 M 文件時(shí)， 如果有錯(cuò)， 計(jì)算機(jī)屏幕上會給出詳細(xì)的出鍺信息， 用戶經(jīng)修改后再執(zhí)行， 直到正確為止。所以可以說，Mat1ab 語言不僅是一種語言，廣義上講是一種該 語言開發(fā)系統(tǒng)，即語言調(diào)試系統(tǒng)。 3．?dāng)U充能力強(qiáng) Matlab 語言有豐富的庫函數(shù)，在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)可以直接調(diào)用，而且 Matlab 的庫函數(shù)同用戶文件在形成上一樣， 所以用戶文件也可作為 Matlab 的庫 函數(shù)來調(diào)用。因而，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地建立和擴(kuò)充新的庫函數(shù)，以 便提高 Matlab 使用效率和擴(kuò)充它的功能。另外，為了充分利用 Fortran、C 等語 言的資源， 包括用戶已編好的 Fortran， 語言程序， C 通過建立 Me 調(diào)文件的形式， 混合編程，方便地調(diào)用有關(guān)的 Fortran，C 語言的子程序。 4．語句簡單，內(nèi)涵豐富 Mat1ab 語言中最基本最重要的成分是函數(shù)，其一般形式為「a，6，c……] = fun （d，e，f，……），即一個(gè)函數(shù)由函數(shù)名，輸入變量 d，e，f,……和輸出變量 a，b，c……組成，同一函數(shù)名 F，不同數(shù)目的輸入變量（包括無輸入變量）及 不同數(shù)目的輸出變量，代表著不同的含義（有點(diǎn)像面向?qū)ο笾械亩鄳B(tài)性。這不僅 使 Matlab 的庫函數(shù)功能更豐富，而大大減少了需要的磁盤空間，使得 Matlab 編寫的 M 文件簡單、短小而高效。 5．高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算 Matlab 語言象 Basic、Fortran 和 C 語言一樣規(guī)定了矩陣的算術(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn) 算符、邏輯運(yùn)算符、條件運(yùn)算符及賦值運(yùn)算符，而且這些運(yùn)算符大部分可以毫無 改變地照搬到數(shù)組間的運(yùn)算，有些如算術(shù)運(yùn)算符只要增加“”就可用于數(shù)組間 的運(yùn)算，另外，它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函 數(shù)，使之在求解諸如信號處理、建模、系統(tǒng)識別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時(shí)， 顯得大為簡捷、高效、方便，這是其它高級語言所不能比擬的。在此基礎(chǔ)上，高 版本的 Matlab 已逐步擴(kuò)展到科學(xué)及工程計(jì)算的其它領(lǐng)域。因此，不久的將來， 它一定能名符其實(shí)地成為“萬能演算紙式的”科學(xué)算法語言。 6．方便的繪圖功能 Matlab 的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數(shù)（命令），例如線性坐標(biāo)、 對數(shù)坐標(biāo)，半對數(shù)坐標(biāo)及極坐標(biāo)，均只需調(diào)用不同的繪圖函數(shù)（命令），在圖上 標(biāo)出圖題、XY 軸標(biāo)注，格（柵）繪制也只需調(diào)用相應(yīng)的命令，簡單易行。另外， 在調(diào)用繪圖函數(shù)時(shí)調(diào)整自變量可繪出不變顏色的點(diǎn)、線、復(fù)線或多重線。這種為 科學(xué)研究著想的設(shè)計(jì)是通用的編程語言所不及的。總之，Matlab 語言的設(shè)計(jì)思 想可以說代表了當(dāng)前計(jì)算機(jī)高級語言的發(fā)展方向。 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的介紹 在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸?shù)膶ο笸ǔＪ嵌M(jìn)制數(shù)字信號，它可能是來自計(jì)算機(jī)、電傳打字機(jī)或其它數(shù)字設(shè)備的各種數(shù)字脈沖，也可能是來自數(shù)字電話終端的脈沖編碼調(diào)制（PCM）信號。這些二進(jìn)制數(shù)字信號的頻帶范圍通常從直流和低頻開始，直到某一頻率m f ，我們稱這種信號為數(shù)字基帶信號。在某些有線信道中，特別是在傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下，數(shù)字基帶信號可以不經(jīng)過調(diào)制和解調(diào)過程在信道中直接傳送，這種不使用調(diào)制和解調(diào)設(shè)備而直接傳輸基帶信號的通信系統(tǒng)，我們稱它為基帶傳輸系統(tǒng)。而在另外一些信道，特別是無線信道和光信道中，數(shù)字基帶信號則必須經(jīng)過調(diào)制過程，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸，相應(yīng)地，在接收端必須經(jīng)過解調(diào)過程，才能恢復(fù)數(shù)字基帶信號。我們把這種包括了調(diào)制和解調(diào)過程的傳輸系統(tǒng)稱為數(shù)字載波傳輸系統(tǒng)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的模型如圖 11 所示，它主要包括碼型變換器、發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、均衡器和取樣判決器等部分。圖11 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型數(shù)字 基帶傳輸系統(tǒng) 的輸入信號是由終端設(shè)備或編碼設(shè)備產(chǎn)生的二進(jìn)制脈 沖序列，通常是單極 性的矩形脈沖信號（NRZ 碼）。為了使這種信號適合 于信道的傳輸，一般 要經(jīng)過碼形變換器，把單極性的二進(jìn)制脈沖變成雙極 性脈沖（如 AMI 碼或 3 HDB 碼）。發(fā)送濾波器對碼脈沖進(jìn)行波形變換，以減 小信號在基帶 傳輸系 統(tǒng)中傳輸時(shí)產(chǎn)生的碼間串?dāng)_。信號在傳輸過程中，由于 信道特性不理想 及加性噪聲的影響，會使接收到的信號波形產(chǎn)生失真 ，為了減小失 真對信 號的影響，接收信號首先進(jìn)入接收濾波器濾波，然后 再經(jīng)均衡器對 失真信 號進(jìn)行校正，最后由取樣判決器恢復(fù)數(shù)字基帶脈沖序 列。 目前，雖 然在實(shí)際使用的數(shù)字通信系統(tǒng)中，基帶傳輸方式不如數(shù)字載波傳 輸方式那樣應(yīng) 用廣泛 ，但由于數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)中最基本 的傳輸方式，而且從 理論上來說，任何一種線性載波傳輸系統(tǒng)都可以等效 為基帶傳輸系 統(tǒng)，因 此理解數(shù)字信號的基帶傳輸過程十分重要。 數(shù)字基帶信號有二元碼和三元碼，有歸零碼和非歸零碼等，有的具有直流分量，在波形上具有不同的特點(diǎn)，他們有不同的特點(diǎn)，有的低頻成份多，有的高頻成份多，有的具有直流分量，有的占有帶寬等，所有這些在波形處理時(shí)會對一些學(xué)生產(chǎn)生模糊的概念，針對本科類的學(xué)生要求，他們?nèi)绾卫斫?、辨別、掌握這些信號波形的特點(diǎn)，同時(shí)可以讓學(xué)生在仿真過程中對通信原理的各種概念加深理解。另外，此仿真實(shí)驗(yàn)只需在計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)室即可，不受實(shí)驗(yàn)場地、環(huán)境的限制。軟件的功能主要有： 1） 實(shí)現(xiàn)各種常用碼型的數(shù)字基帶信號仿真；2） 能產(chǎn)生隨機(jī)的數(shù)字信號序列，具有普遍性； 3)能繪制直觀、清晰、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)字基帶 信號仿真圖形；4)要對相應(yīng)的碼型的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的描述。圖 12 仿真結(jié)構(gòu)圖 在通信中，數(shù)字基帶信號有多種碼型表示，它們在傳輸過程中有隨機(jī)性，為 用讓這種波形描述具有普遍性， m 序列偽隨機(jī)碼來作為碼型的仿真數(shù)字序列。利用 MATLAB 軟件仿真出每一種碼型，讓學(xué)生通過仿真軟件的使用，加深對碼和波形的理解。 數(shù)字基帶信號 數(shù)字基帶信號的要求不同形式的數(shù)字基帶信號（又稱為碼型）具有不同的頻譜結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)信道的傳輸特性及接收端再生、恢復(fù)數(shù)字基帶信號的需要，必須合理地設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號，即選擇合適的信號碼型。適合于在有線信道中傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號形式稱為線路傳輸碼型。一般來說，選擇數(shù)字基帶信號碼型時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：（1） 數(shù)字基帶信號應(yīng)不含有直流分量，且低頻及高頻分量也應(yīng)盡量的少。在基帶傳輸系統(tǒng)中，往往存在著隔直電容及耦合變壓器，不利于直流及低頻分量的傳輸。此外，高頻分量的衰減隨傳輸距離的增加會快速地增大，另一方面，過多的高頻分量還會引起話路之間的串?dāng)_，因此希望數(shù)字基帶信號中的高頻分量也要盡量的少。（2） 數(shù)字基帶信號中應(yīng)含有足夠大的定時(shí)信息分量?；鶐鬏斚到y(tǒng)在接收端進(jìn)行取樣、判決、再生原始數(shù)字基帶信號時(shí)，必須有取樣定時(shí)脈沖。一般來說，這種定時(shí)脈沖信號是從數(shù)字基帶信號中直接提取的。這就要求數(shù)字基帶信號中含有或經(jīng)過簡單處理后含有定時(shí)脈沖信號的線譜分量，以便同步電路提