【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 他語(yǔ)言的混合編程，進(jìn)一步拓寬了 Matlab 的應(yīng)用潛力?？梢哉f， Matlab 已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一，掌握這門工具對(duì)學(xué)習(xí)各門學(xué)科有非常重要的推進(jìn)作用 [8,9]。 Simulink 簡(jiǎn)介 Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具，也是目前在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一 。確切的說， Simulink 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性 和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時(shí)間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以是 多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。 Simulink 工作環(huán)境經(jīng) 過幾年的發(fā)展，已經(jīng) 成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來(lái)建模和仿真的主流工具包。在 Simulink 環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊和拖動(dòng)就能完成建模，并可直接進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結(jié)果。它的主要特點(diǎn)在于： (1) 建模方便、快捷； (2) 易于進(jìn)行模型分析； (3) 優(yōu)越的仿真性能。 它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。 Simulink 模塊庫(kù)（或函數(shù)庫(kù)）包含有 Sinks（輸出方式）、 Sources（輸入源）、 Linear（線性環(huán)節(jié)）、 Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)）、 Connection（連接與接口）和 Extra（其他環(huán)節(jié)）等具有不同功能或函數(shù)運(yùn)算的 Simulink 庫(kù)模塊（或庫(kù)函數(shù)），而且每個(gè)子模型庫(kù)中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊 [9,21]。 用 Simulink 創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級(jí)開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來(lái)查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理 解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后，用戶可以通過 Simulink 的菜單或 MATLAB 的命令窗口鍵入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真 [10,19]。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行仿真的批處理非常有用。采用 Scope 模塊和其他的顯示模塊，可以在仿真進(jìn)行的同時(shí)就可立即觀看到仿真結(jié)果，若改變模塊的參數(shù)并再次運(yùn)行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到東北大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2章 仿 真軟件簡(jiǎn)介 9 MATLAB 的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線性化和整理工具，MATLAB 的所有工具及 Simulink 本身的應(yīng)用工具箱都包含這些工具 [16,17]。由于MATLAB 和 Simulink 的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改模型。但是 Simulink 不能脫離 MATLAB 而獨(dú)立工作 。 本章小結(jié) 本章介紹了 MATLAB 軟件的功能與組成， 由于它使用簡(jiǎn)單，擴(kuò)充方便 ， 世界上有成千上萬(wàn)的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴(kuò)充MATLAB 的功能，使其成為了巨大的知識(shí)寶庫(kù) 。 本章也介紹了 Simulink 工具箱，Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具 ， 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包 。本文的設(shè)計(jì)就是運(yùn)用 Simulink 軟件進(jìn)行建模、仿真的。東北大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2章 仿 真軟件簡(jiǎn)介 10 東北大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 11 第 3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 在數(shù)字基帶 傳輸系統(tǒng)中，為了使數(shù)字基帶信號(hào)能夠在信道中傳輸，要求信道應(yīng)具有低通形式的傳輸特性。然而，在實(shí)際信道中，大多數(shù)信道具有帶通傳輸特性，數(shù)字基帶信號(hào)不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸。必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生各種已調(diào)數(shù)字信號(hào)。 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 圖 如圖 所示。 信 道調(diào) 制 器噪 聲 源解 調(diào) 器基 帶 信 號(hào) 輸 出基 帶 信 號(hào) 輸 入 圖 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 圖 數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制原理是相同的，一般可以采用模擬調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。但是，數(shù)字基帶信號(hào)具有與模擬基帶信號(hào)不同的特點(diǎn)，其取值是有限的離散狀態(tài)。這樣，可以用載波的某些離散狀態(tài)來(lái)表示數(shù)字基帶信號(hào)的離散狀態(tài)?；镜娜N數(shù)字調(diào)制方式是：振幅鍵控 (ASK)、移頻鍵控 (FSK)和移相鍵控 (PSK 或DPSK)。 二進(jìn)制振幅鍵控 振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制 。 當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí) ,則為二進(jìn)制振幅鍵控 （ 2ASK）。 設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由 “ 0” ,“ 1” 序列組成 ,發(fā)送 “ 0” 符號(hào)的概率為 P,發(fā) 送 “ 1” 符號(hào)的概率為 1P,且相互獨(dú)立 。 該二進(jìn)制符號(hào)序列可表示為 ： ( ) ( )nss t a g t n Tn??? （ ） 其中： 0P{1 1 Pna ? ?， 發(fā) 送 概 率 為， 發(fā) 送 概 率 為 （ ） sT 是二進(jìn)制基帶信號(hào)時(shí)間間隔 ,g(t)是持續(xù)時(shí)間為 sT 的矩形脈沖 ： 東北大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 12 s1 0 t Tg(t) { t??? ， 0， 其 他 （ ） 則二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)可表示為： 2 ( ) ( ) c o sA S K n s ce t a g t n T tn ???? （ ） 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)時(shí)間波形如圖 所示。 由圖 可以看出 2ASK 信號(hào)的時(shí)間波形隨二進(jìn)制基帶信號(hào) s（ t）通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號(hào)（ OOK 信號(hào)）。二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的產(chǎn)生方法如圖 所示，圖 （ a）是采用模擬相乘的方法實(shí)現(xiàn)，圖 （ b）是采用數(shù)字鍵控方法實(shí)現(xiàn)的 [1,12,13]。 由圖 可以看出 ,2ASK 信號(hào)與模擬調(diào)制中的 AM 信號(hào)類似 .所以 ,對(duì) 2ASK信號(hào)也能夠采用非相干解調(diào) (包絡(luò)檢波法 )和相干解調(diào) (同步檢測(cè)法 ),其相應(yīng)原理方框圖如圖 所示 。 2ASK 信號(hào) 相干解調(diào)過程的時(shí)間波形如圖 所示 。 載 波 信 號(hào)2 A S K 信 號(hào)S ( t )1 0 1 1 0 0 1ttt 圖 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)時(shí)間波型 乘 法 器c o s c t?二 進(jìn) 制 不 歸 零信 號(hào)S （ t ）2 ()A S Ket (a) c o s c t?開 關(guān) 電 路 2 ()A S KS （ t ） (b) 圖 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)調(diào)制器原理框圖 東北大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 13 全 波 整 流 器帶 通 濾 波 器 低 通 濾 波 器 抽 樣 判 決 器定 時(shí) 脈 沖2 ()A S Ket （ a） 相 乘 器帶 通 濾 波 器 低 通 濾 波 器 抽 樣 判 決 器定 時(shí) 脈 沖2 ()A S Ketc o s c t? （ b） 圖 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)解調(diào)器原理框圖 (a)非相干解調(diào)方式 (b)相干解調(diào)方式 1 1 0 0 1 0 1 0 圖 信號(hào) 相干解調(diào)過程的時(shí)間波形 二進(jìn)制移頻 鍵控 在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中 ,若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在 1f 和 2f 兩 個(gè)頻率點(diǎn)間變化 ,則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào) (2FSK 信號(hào) )。 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形如圖 所示 ,圖中波形 g 可分解為波形 e 和波形 f,即二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)東北大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 14 可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的疊加 。 若二進(jìn)制基帶信號(hào)的“ 1” 符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率 1f ,“ 0” 符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率 2f ,則二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 ： 2 1 2( ) ( ) c os ( ) ( ) c os ( )n s n bFSK n ne t a g t nT t b g t nT tnn ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? （ ） 其中： 0P{1 1 Pna ? ?， 發(fā) 送 概 率 為， 發(fā) 送 概 率 為 （ ） 0Pb{1Pn ? ， 發(fā) 送 概 率 為 1， 發(fā) 送 概 率 為 （ ） 載 波 信 號(hào)1 0 1 1 0 0 1ttttt2 F S K 信 號(hào)載 波 信 號(hào)abcdefg 圖 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形 由上式 可知 na 與 nb 是反碼，即若 na =1，則 nb =0，若 na =0，則 nb =1，于是nb = na ，因此二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可簡(jiǎn)化為 ： 2 1 2( ) ( ) c o s ( ) c o sFS K n s n se t a g t n T t b g t n T tnn ??? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? （ ） 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)生 ,可以采用模擬調(diào)頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn) ,也可以采用數(shù)字鍵控的方 法來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 圖 是數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖 , 圖中兩個(gè)振蕩器的輸出載波受輸入的二進(jìn)制基帶信號(hào)控制 ,在一個(gè)碼元 sT 期間輸出 1f 或2f 兩個(gè)載波之一 。 東北大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 15 選 通 開 關(guān)振 蕩 器 1f 1相 加 器反 相 器選 通 開 關(guān)2 ()F S Ket振 蕩 器 2f 2基 帶 信號(hào) 圖 數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的解調(diào)方法很多 ,有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測(cè)法 ,有非相干解調(diào)方法也有相 干解調(diào)方法 。 采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法的原理圖如圖 所示 。 其解調(diào)原理是將二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)分解為上下兩路二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào) ,分別進(jìn)行解調(diào) ,通過對(duì)上下抽樣值進(jìn)行比較最終判決出輸出信號(hào) 。 相干解調(diào)過程的時(shí)間波形如圖 所示 。 包 絡(luò) 檢 波 器帶 通 濾 波 器抽 樣 判 決 器包 絡(luò) 檢 波 器2 ()F S Ket帶 通 濾 波 器1?2? 輸 出定 時(shí) 脈 沖 (a) 低 通 濾 波 器帶 通 濾 波 器抽 樣 判 決 器低 通 濾 波 器帶 通 濾 波 器12? 定 時(shí) 脈 沖相 乘 器相 乘 器輸 入輸出1c o s t?2c o s t? (b) 圖 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)解調(diào)器原理圖 (a) 非相干解調(diào) (b)相干解調(diào) 東北大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 16 圖 相干解調(diào)過程的時(shí)間波形 還有一種過零 檢測(cè)法 ，它的原理是 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的過零點(diǎn)數(shù)隨載波頻率不同而異 ,通過檢測(cè)過零點(diǎn)數(shù)從而得到頻率的變化 。 輸入信號(hào)經(jīng)過限幅后產(chǎn)生矩形波 ， 經(jīng)微分 、 整流 、 波形整形 、 形成與頻率變化相關(guān)的矩形脈沖波 ， 經(jīng)低通濾波器濾除高次諧波 ， 便恢復(fù)出與原數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的基帶數(shù)字信號(hào) 。 二進(jìn)制 移相 鍵控 二進(jìn)制 移相 鍵控，簡(jiǎn)記為 2PSK 或 BPSK。 2PSK 信號(hào)碼元的“ 0”和“ 1”分別用兩個(gè)不同的初始相位 “ 0” 和 “ ? ” 來(lái)表示，而其振幅和頻率保持不變。故 2PSK 信號(hào)表示式可寫出： 0( ) c os( )s t A t???? () 式中當(dāng)發(fā)送“ 0”時(shí)， ? =0；當(dāng)發(fā)送“ 1”時(shí) ? = ? 。 這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式 ,稱為二進(jìn)制 移相 鍵控 方式 。 二進(jìn)制 移相 鍵控信號(hào)的典型時(shí)間波形如圖 。 二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的時(shí)間波形 二進(jìn)制 移相 鍵控信號(hào)的調(diào)制原理圖如圖 所示 。 其中圖 (a)是采用模擬調(diào)制的東北大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 17 方法產(chǎn)生 2PSK 信號(hào) ,圖 (b)是采用數(shù)字鍵控的方法產(chǎn)生 2PS