【正文】 content and waveform of abstract principle of munication knowledge, facilitate our understanding of the relevant knowledge and the principle of munication, improve the learning efficiency. This paper introduces the linear analog modulation, analog signal waveform coding, the baseband digital signal transmission, digital signal modulation and transmission and other related content, and the MATLAB software GUI designed a simulation example of knowledge points, divided into the four modules of munication principle of knowledge simulation. Undoubtedly that platform will help us have a more indepth understanding of our knowledge about the principles of munication. Key word: munication principle MATLAB GUI simulation 基于 MATLAB 的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái) 6 前 言 21 世紀(jì)人類無(wú)疑已經(jīng)進(jìn)入了信息化時(shí)代，信息的傳輸無(wú)疑成為當(dāng)今社會(huì)的重中之重，通信技術(shù)便由此而生， 在當(dāng)今高度信息化得社會(huì)，信息和通信已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)的“命脈”，更是成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的新引擎。對(duì)于一個(gè)專業(yè)為信息科學(xué)與電子技術(shù)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，熟練的掌握通信原理的基礎(chǔ)知識(shí)就顯得尤為重要。 MATLAB 中有基于 simulink 的仿真平臺(tái)和基于 GUI 的仿真平臺(tái)。通信原理的仿真實(shí)驗(yàn)就是基于這四大模塊來(lái)展開(kāi)的，由于時(shí)間有限、自己的水平有限等相關(guān)原因，有些仿真實(shí)驗(yàn)部分不夠完善，以后定會(huì)更加深入的分析并不斷優(yōu)化自己的相關(guān)知識(shí)。 MATLAB 是 matrixamp。 Matlab 中包括被稱作工具箱的各類應(yīng)用問(wèn)題的求解工具。目前許多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室都安裝有 Matlab 供學(xué)習(xí)和研究之用。它包含圖形對(duì)象，如窗口、圖標(biāo)、菜單和文本的用戶界面，是用戶和計(jì)算機(jī)之間交流的工具。 GUI 設(shè) 基于 MATLAB 的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái) 8 計(jì)既能以 Matlab 程序設(shè)計(jì)為主，也能以鼠標(biāo)為主，利用 GUIDE 工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以結(jié)合以上兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 M文件包含GUI 設(shè)計(jì)、控制函數(shù)及控件的回調(diào)函數(shù)，主要用來(lái)控制 GUI展開(kāi)時(shí)的各種特征。當(dāng)前， Inter 的發(fā)展異常迅猛，虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化及多媒體技術(shù)等對(duì)用戶界面提出了更高的要求。每個(gè)知識(shí)模塊又可劃分為幾個(gè)小知識(shí)模塊。 數(shù)字 信號(hào) 調(diào)制 傳輸 系統(tǒng)包含了 2ASK 調(diào)制解調(diào)、 2FSK 調(diào)制解調(diào)、2PSK 調(diào)制解調(diào) 3個(gè)子模塊 。 批 GUI 主界面 23 GUI 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)介紹 在 MATLAB 主窗口中輸入 guide 或者是在 file 下的 new 菜單中選擇 gui 就可以打開(kāi) GUIDE Quick Start 界面，選擇 Creat New GUI(新建一個(gè) GUI)，并選擇好保存路徑，在 GUI 窗口中加入一個(gè)坐標(biāo)軸，一個(gè)按鍵，兩個(gè)文本框，設(shè) 置成如圖 13 左邊圖形，在菜單編輯窗口中設(shè)置菜單選項(xiàng)如圖 24 所示，設(shè)置四個(gè)主菜單選項(xiàng)并在 Label 下修改其名稱，再在相應(yīng)主菜單下設(shè)置子菜單，確定后就可以得到主界面中相應(yīng)的菜單選項(xiàng)。首先我們 要知道圖片的像素，然后調(diào)整好 axes 的尺寸來(lái)與圖片相適應(yīng)，具體方法為：例如圖片像素為 800 500 時(shí)， 雙擊 axes，在 彈 出的屬性查看器中將 Units 設(shè)置為 pixels（像素），將 Position 屬性 中 的 Width 和 Height 分別設(shè)置為 800 和 500。 % 將圖片添加到坐標(biāo)系中 axis off。 %退出系統(tǒng) 保存后，運(yùn)行下在演 示窗口中點(diǎn)擊退出按鍵即可退出系統(tǒng)。 %顯示模擬線性調(diào)制的 GUI 模塊 close(h)。模擬線性調(diào)制解調(diào)我們都采用相干解調(diào)。這里我們采用相干解調(diào)。故 DSB 信號(hào)是不帶載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬與 AM信號(hào)相同，也為基帶信號(hào)帶寬的兩倍。 圖 DSB 的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖 SSB 調(diào)制解調(diào) 由于 DSB 信 號(hào)的上、下兩個(gè)邊帶是完全對(duì)稱的，都攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此，從信息傳輸?shù)慕嵌葋?lái)考慮，僅傳輸其中一個(gè)邊帶就夠了，即為單邊帶。產(chǎn)生上邊帶信號(hào)時(shí) 即為 ，產(chǎn)生下邊帶信號(hào)時(shí) 即為 。 基于 MATLAB 的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái) 16 模擬線性調(diào)制 GUI 模塊設(shè)計(jì) 在新建的 GUI 文件 xu1 內(nèi)添加 7 個(gè)按鍵，并設(shè)置好按鍵名稱，雙擊按鍵pushbutton 在其屬性中將 String 改為相應(yīng)要顯示的字符串，再將 FontSize（字體大?。┰O(shè)置為 18 即設(shè)置好了按鍵，還要加入兩個(gè)坐標(biāo)軸顯示，一個(gè)靜態(tài)文本編輯框，并在其內(nèi)添加“模擬線性調(diào)制”內(nèi)容，設(shè)置成如下所示的圖 編輯界面，運(yùn)行后可以得到如圖 所示的演示界面。 xujian。 其它按鍵功能分別在其對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)下編寫相關(guān)程序。 圖 DSB 調(diào)制信號(hào)： ttS DS B ?? 20c o s2c o s2 ?? 圖 中左邊圖中畫的是 DSB 調(diào)制信號(hào)圖波形及其頻譜圖，紅線部分為其包絡(luò)波形，圖 3 中右邊圖形畫的是 DSB 解調(diào)波形及其解調(diào)波形的頻譜，紅線部分為 DSB 解調(diào)波形，藍(lán)線為原始調(diào)制信號(hào)，這里采用的是相干解調(diào)。 圖 基于 MATLAB 的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái) 19 模擬信號(hào)波形編碼 在實(shí)際情況中很多地方需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)較模擬信號(hào)相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)更加有利于我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸、接收、處理。 抽樣 抽樣是把時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間上離散的抽樣 值的過(guò)程。如果不能滿足抽樣定理，那么抽樣后信號(hào)的頻譜就會(huì)產(chǎn)生混疊，肯定就不能再恢復(fù)到原始信號(hào)。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后調(diào)整界面布局如下圖 左圖所示，右邊圖形是其運(yùn)行后現(xiàn)實(shí)的仿真圖形界面。 這里我的模擬信號(hào)為 ? ? tttx ?? 4c o s22s in ?? ，由抽樣定理可知在對(duì)此信號(hào)進(jìn)行抽樣時(shí)最低抽樣頻率要為 4Hz， 為了演示抽樣定理表示其正確性， 以抽樣頻率分別 為 2Hz、 4Hz 兩種情況為例分別進(jìn)行測(cè)試。 該 實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)試結(jié)果與理論 部分 相符合，可見(jiàn)設(shè)計(jì)出的 仿真實(shí)驗(yàn) 達(dá)到了預(yù)期效果。 均勻量化時(shí)，量化噪聲平均功率只取決于量化間隔，對(duì)于均勻分布的輸入信號(hào)而言，輸出量化信噪比是恒定的，但是對(duì)于非均勻分布非平穩(wěn)的輸入信號(hào)而言，輸入信號(hào)功率小時(shí)量化信噪比小，反之，輸入信號(hào)頻率大時(shí)量化信噪比大，這就會(huì)影響信號(hào)的恢復(fù)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是均勻量化的量化間隔 ? 為固定值量化電平分布均勻，因而無(wú)論信號(hào)大小如何，量化噪聲固定不變，這樣，小信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。 圖 1） A 律壓縮特性 A 律對(duì)數(shù)壓縮特性定義為 ? ??????????????11ln1 ln110ln1xAAAxAxAAxxf， 基于 MATLAB 的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái) 22 式中 A 為壓縮系數(shù)。 ? =0 時(shí)無(wú)壓縮， ? 越大壓縮效果越明顯。 圖 量化過(guò)程仿真 新建一個(gè) GUI 工程，保存文件名為 lianghua，在編輯界面中添加五個(gè)按鍵，一個(gè)文本編輯框，一個(gè)按鍵組，一個(gè)靜態(tài)顯示文本，四個(gè)坐標(biāo)軸。 基于 MATLAB 的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái) 23 圖 下面三幅圖中分別畫出了量化基數(shù) n= 1 64 時(shí)正弦信號(hào)均勻量化和非均勻量化的波形圖，并且也畫出了在不同量化級(jí)數(shù)時(shí)均勻量化和非均勻量的量化誤差，這里非均勻量化使用的是 ? 律壓縮。 PCM 主要包括抽樣、量化與編碼三個(gè)過(guò)程。 A 律壓縮采用 13 折線近似，如下圖 所示，圖中只給出了輸入信號(hào)為正時(shí)的情況，另外半段與之關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱。 8 位碼的排列如下： 1M 2M 3M 4M 5M 6M 7M 8M 其中第一位 1M 為極性碼， 1 代表正， 0 代表負(fù)。 圖 編碼過(guò)程仿真 新建一個(gè) GUI 工程，保存文件名為編碼，在編輯界面中添加五個(gè)按鍵，二個(gè)文本編輯框，一個(gè)按鍵組，二個(gè)靜態(tài)顯示文本，三個(gè)坐標(biāo)軸。 基于 MATLAB 的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái) 26 圖 在相關(guān)功能按鍵的回調(diào)函數(shù)后寫入相應(yīng)的程序，運(yùn)行后便可進(jìn)入仿真圖形界面，這下面的 A 律 13 折線編碼原理部分是將圖 的內(nèi)容用程序?qū)懗霰憧傻玫剑?dāng)輸入信號(hào)樣值為 1260 時(shí)，得到的 8 位編碼為 1 1 1 0 0 0 1 1，與由圖 中的表得到的結(jié)果一致，說(shuō)明了編碼的正確性。本模塊主要展示數(shù)字基帶信號(hào)的常用碼型波形，主要是二元碼和三元碼。運(yùn)行后其演示界面如下圖 所示。 單極性歸零碼通常記作為 RZ 碼。 雙極性非歸零碼用正電平和負(fù)點(diǎn)平分別表示二級(jí)制代碼 1 和 0，在整個(gè)碼元期間電平保持不變。雖然它的幅度取值存在三種電平，但是它用脈沖的正負(fù)極 性表示兩種信息，因此通常仍然歸入二元碼。 6．密勒碼 密勒碼又稱延遲調(diào)制，它是數(shù)字雙相碼的一種 變形。這種碼不僅與當(dāng)前的信息元有關(guān)，而且與前一個(gè)信息元也有關(guān)。注意要在主界面中數(shù)字基帶傳輸菜單下的子菜單三元碼的回調(diào)函數(shù)下添加如下程序： h=gcf。最后調(diào)整好界面如下圖 所示。所以由AMI 碼確定的基帶信號(hào)無(wú)直流分量，且只有很小的低頻分量 。 3. 三元碼仿真界面如下圖 所示： 圖 二進(jìn)制信碼： 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 AMI 碼： 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 HDB3 碼： 1 1 0 1 0 0 0 +V 0 0 0 1 0 0 1 +B 0 0 V 0 1 從圖中可以看出編碼得到的波形與上方我寫出的三元碼編碼碼型一致，說(shuō)明了仿真結(jié)果的正確性。便可由主界面切換到眼圖GUI 界面。 數(shù)字信號(hào)的碼元進(jìn)行傳輸時(shí)通常需要考慮是否存在碼間串?dāng)_問(wèn)題，碼元傳輸時(shí)通常要求無(wú)碼間串?dāng)_。 眼圖可以用來(lái)檢測(cè)接收信號(hào)的系統(tǒng)性能特性，在實(shí)際工程當(dāng)中，由于部件調(diào)試不理想或信道特性發(fā)生改變，都可能使系統(tǒng)的性能變壞。由得到眼圖波形的特點(diǎn)可以定性地反映系統(tǒng)的性能。 在抽樣時(shí)刻，上下兩個(gè)陰影區(qū)的高度稱為信號(hào)失真量，它是噪聲和碼間串?dāng)_疊加的結(jié)果，所以眼圖的張開(kāi)度決定了系統(tǒng)的噪聲容限。 圖 圖 基于 MATLAB 的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái) 33 圖 基于 MATLAB 的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái) 34 數(shù)字信 號(hào)的調(diào)制傳輸 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理 1. 二進(jìn)制幅度鍵控（ 2ASK） 在幅度鍵控中載波幅度隨著調(diào)制信號(hào)而變化，也就是載波的幅度隨著數(shù)字信號(hào) 1 和 0 在兩個(gè)電平之間裝換。 2ASK 信號(hào)包絡(luò)檢波的原理框圖如圖 所示。在二進(jìn)制情況下， 1 對(duì)應(yīng)載波頻率 1f ,0 對(duì)應(yīng)載波頻率 2f 。 2PSK 信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為： ? ? ? ? tnTtgatS SnP SK ?c os2 ?????? ?? ?