【導讀】本文首先介紹了通信系統(tǒng)仿真的基本內(nèi)容，包括通信系統(tǒng)仿真的一般步驟，MATLAB中的可視化仿真工具Simulink的相關(guān)概念。然后介紹了MATLAB通信工具箱及。通信系統(tǒng)的一般模型，并對模擬通信和數(shù)字通信進行了比較。重要環(huán)節(jié)，如模擬信號的數(shù)字化傳輸進行了詳細的闡述。計、仿真演示、結(jié)果顯示。中的巨大優(yōu)勢，是學習、研究和設(shè)計通信系統(tǒng)強有力的工具。

　　

【正文】 eband % suppressed carrier amodce qam % Quadrature amplitude modulation amodce fm % Frequency modulation amodce pm % Phase modulation 小結(jié) 本章介紹了 Matlab通信工具箱中的主要模塊，利用它們可以對通信領(lǐng)域進行研究 、開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計和仿真。最后介紹了通信工具箱的函數(shù)庫 。 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 第四章 現(xiàn)代通信系統(tǒng) 通信系統(tǒng)的一般模型 所謂通信，指的是信息從一個地方到另一個地方的傳遞。通信的形式有很多種，交談就是人與人之間進行通信的一種最普遍的方式。然而，當兩個人 之間的距離很遠時，聲音無法經(jīng)歷長距離的傳輸而被另一個人聽到。所以人們不得不依賴于一些通信系統(tǒng)來實現(xiàn)長距離上的信息傳輸。其中使用最廣泛的就是利用無線電信號在長距離上進行通信。 一個通信系統(tǒng)由三個部分組成： 1. 發(fā)送端； 2. 信道（信號的傳輸介質(zhì)）； 3. 接收端。 信源和信宿也被看作是通信系統(tǒng)的組成部分之一。通信系統(tǒng)的一般模型 如圖 示。 圖 通信系統(tǒng)的一般模型 信源是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，原始電信號稱為消息信號或基帶信號 。電話、電視、攝像機和電傳機、計算機等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。 發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。有多種變換方式，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。信道是指傳輸信號的物理媒質(zhì)。在無線通信中，信道可以是大氣（自由空間）；在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。 噪聲源不是人為假設(shè)的設(shè)備，而是信道中的噪聲及分布在通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示。噪聲是有害的，會降低通信的質(zhì)量。接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換。 信宿（受信者）是傳 輸信息的歸宿點，其作用是將接收設(shè)備恢復出的原始信號轉(zhuǎn)換成相應的消息。 信源發(fā)出的消息可以分為兩類：一類稱為連續(xù)消息；另一類稱為離散消息。連續(xù)消受信者 接收設(shè)備 信道 發(fā)送設(shè) 備 信息源 噪聲源 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語音、活動圖片等。連續(xù)消息也稱模擬消息。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的，離散消息也稱數(shù)字消息。傳遞消息，各種消息都需要轉(zhuǎn)換成電信號。消息與電信號之間必須建立單一的對應關(guān)系，否則在接收端就無法恢復出原來的消息。通常把消息寄托在電信號的某一參量上。按照信號參量的取值方式不同可把信號分為兩類，即模擬信號和數(shù)字信號。電信號 的參量攜帶著模擬消息，則該參量必將是連續(xù)取值的，稱這樣的信號為模擬信號。例如，普通電話機輸出的信號就是模擬信號。模擬信號也稱連續(xù)信號，這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個值，而不一定在時間上也連續(xù)，如抽樣信號。如果電信號的參量攜帶著模擬消息，則該參量必將是離散取值的。這樣的信號就稱為數(shù)字信號。數(shù)字信號有時也稱離散信號，這個離散是指信號的某一參量是離散變化的，而不一定在時間上也離散，如 2PSK信號。按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可相應地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系 統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。系統(tǒng)中需要兩種變換。首先，發(fā)送端的連續(xù)消息要變換成原始電信號，接收端收到的信號要反變換成原來的連續(xù)消息。由于原始電信號通常具有很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，因此常常需要有第二種變換：將原始電信號變換成其頻帶適合信道傳輸?shù)男盘?，并在接收端進行反變換。這種變換和反變換通常稱為調(diào)制 和解調(diào)。經(jīng)過調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號，有三個基本特征：一是攜帶有效 信息；二是適合在信道 中傳輸；三是信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻。已調(diào)信號又稱頻帶信號。原始電信號又稱基帶信號，其基本特征是：頻譜從零頻附近開始，如語音信號為 300～ 3400Hz，圖像信號為 0～ 6MHz。 需要指出的是：消息從發(fā)送端到接收端的傳遞過程中，不僅僅只有上述兩種變換，實際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。 模擬通信系統(tǒng)模型可由圖 ，如圖 。圖中的調(diào)制器和解調(diào)器就代表圖 。 圖 模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)的發(fā)送端包括信號調(diào)制和多址接入兩部分。多址接入是一種共享技模擬信息 源 噪聲源 調(diào)制器 信道 解調(diào)器 受信者 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 術(shù)，依靠信號的按序發(fā)送，多個終端可以共享同一個信道資源。模擬通信系統(tǒng)的接收端包括信號濾波器組和信號解調(diào)兩部分。 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通信的基本特征是：它傳遞的信號是“離散”的或數(shù)字的。因此與模擬通信系統(tǒng)相比數(shù)字通信系統(tǒng)有許多特點。第一，模擬通信系統(tǒng)中強調(diào)調(diào)制參數(shù)與基帶信號成比例，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，強調(diào)已調(diào)參量與基帶信號之間的一一對應。第二，數(shù)字基帶信號傳輸時，由于信道噪聲或干擾所造成的差錯，原則上是可以控 制的。這是通過差錯控制編碼等手段來實現(xiàn)的。為此在發(fā)送端需增加一個信道編碼器，而在接收端相應地需要一個信道譯碼器。第二，當需要保密時，可以有效地對基帶信號進行人為的“擾亂”，即加密，此時，在接收端就需要進行解密。第四，為了只傳送有用的消息需要將原始信號中的無用部分去掉，為此在發(fā)送端需要增加一個信源編碼器，而在接收端相應地需要一個信源譯碼器。第五，由于數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖且粋€接一個按節(jié)拍傳送的數(shù)字信號單元，即碼元，因而在接收端必須按與發(fā)送端相同的節(jié)拍接收。不然，會因收發(fā)節(jié)拍不一致而造成混亂，使接收性能變壞。在數(shù) 字通信中節(jié)拍一致稱為同步，可見，數(shù)字通信中必須有一個同步子系統(tǒng)。 點對點數(shù)字通信系統(tǒng)一般可用圖 。圖中同步子系統(tǒng)沒有畫出， 因為 它的位置往往是不固定的。當然，實際上的數(shù)字通信系統(tǒng)并非一定要如圖 所有的模塊。究竟采用哪些模塊，還取決于具體設(shè)計方法及要求。例如：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，它的模型就不包括所有模塊。如圖 。 （ a） （ b） 圖 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 信息源 信道 編碼器 加密器 信源 編碼器 調(diào)制器 信道 解調(diào)器 解密器 信源 譯碼器 噪聲 受 信 者 信道 譯碼器 信息源 受信者 噪聲源 接收 濾波器 信道 基帶信號 形成器 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 數(shù) 字通信系統(tǒng)中，消息用數(shù)字信號來代替。系統(tǒng)的發(fā)送端包括信源編碼、差錯控制編碼、數(shù)字調(diào)制、多址接入等幾個部分。信源編碼過程用數(shù)字信號來代替模擬信號；數(shù)據(jù)壓縮過程則將原始消息轉(zhuǎn)換成壓縮了的信息，是信息中攜帶的比特數(shù)比壓縮前少，接收端可以通過數(shù)據(jù)解壓縮過程壓縮過的信息中恢復出原始的消息；差錯控制編碼過程則給信息增加冗余的差錯檢驗和差錯糾正比特，接收端可以利用這些多余的比特信息來檢驗傳送中產(chǎn)生的錯誤，或糾正其中部分錯誤；數(shù)字調(diào)制過程可以用數(shù)字信息映射為模擬信息，并使用高頻信號來攜帶該模擬信息。圖 組成框圖。 圖 數(shù)字 通信系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖 理論上，接收是發(fā)送的逆過程。在大多數(shù)情況下，接收端采用的結(jié)構(gòu)要與發(fā)送端的結(jié)構(gòu)相匹配，這樣才可以保證正確恢復出原始信息。圖 。其中，信道在不同的應用環(huán)境中會有不同的模型。它會給信號帶來噪聲、衰落、相位漂移和干擾等影響。 與模擬通信相比數(shù)字通信的主要特點 目前，無論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè) 務(wù)中都得到了廣泛的應用。但是，數(shù)字通信的發(fā)展速度已明顯超過模擬通信，成為當代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比，數(shù)字通信更能適應現(xiàn)代社會對通信技術(shù)越來越高的要求。其優(yōu)點是： （ 1）抗干擾能力強。 以二進制為例，信號的取值只有兩個，這樣接收端只需判別兩種狀態(tài)。信號在傳輸過程中受到噪聲的干擾，必然會發(fā)生波形畸變，接收端對其進行抽樣判決，以辨別是兩個狀態(tài)中的哪一個。只要噪聲的大小不足以影響判決的正確，就能正確接收。而模擬通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖沁B續(xù)變化的模擬信號，它要求接收機能夠高度保真地重現(xiàn)信號波形，如果模擬信號疊加上噪 聲后，即使噪聲很小，也很難消除它。數(shù)字通信在遠距離傳輸時，如微波中繼通信，各中繼站可利用數(shù)字通信特有的判決再生接收方式，對數(shù)字信號波形進行整形再生而消除噪聲積累。 （ 2）差錯可控?？梢圆捎眯诺谰幋a技術(shù)使誤碼率降低，提高傳輸?shù)目煽啃浴? 數(shù)據(jù)解 壓縮 差錯控 制譯碼 濾波器 解調(diào) 信源譯碼 信道 信宿 數(shù)據(jù) 壓縮 差錯控 制編碼 多址 接入 其它信號 數(shù)字 調(diào)制 信源編碼 信源 信道 圖 數(shù)字通信系統(tǒng)接收設(shè)備組成框圖 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 （ 3）易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計算機技術(shù)對信號進行處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網(wǎng)。 （ 4）易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。 （ 5）易于加密處理，且保密性強。 一般來說數(shù)字通信的許多優(yōu)點都是用比模擬通信占用更寬的系統(tǒng)頻帶而換得的。以電話為例，一路模擬電話通常只占用 4KHz帶寬，而一路傳輸質(zhì)量相同的數(shù)字電話則可能占用 20— 60KHz的帶寬。在系統(tǒng)頻帶緊張的場合，數(shù)字通信的這一缺點顯得很突出，但是在系統(tǒng)頻帶富裕的場合，比如毫米波通信、光通信等場合，數(shù)字通信幾乎成為唯一的選擇?？紤]到現(xiàn)有大量的模擬通信系統(tǒng)這一事實，目前還常常需要利用它來傳輸數(shù)字信號。這就需要對其做些改造，或者加裝數(shù)字終端設(shè)備。如計算機數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線傳輸，但這時必須使用調(diào)制解調(diào)器（ Modem）將數(shù)字基帶信號進行正弦調(diào)制，以適應模擬信道的傳輸特性。撥號上網(wǎng)就是典型的數(shù)字信號通過模擬電話線路傳輸?shù)睦印２贿^，隨著新的寬帶傳輸信道（如光導纖維）的采用、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應用，數(shù)字通信在今后的通信方式中必將 逐步 取代模擬通信而占主導地位。 小結(jié) 本章首先介紹了通信系統(tǒng)的一般模型，然后 具體 介紹了模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型，最后對模擬通信和數(shù)字通信進行了比較。 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 第五章 模擬信號的數(shù)字傳輸研究及其仿真 模擬信號的數(shù)字傳輸模型及抽樣定理 模擬信號的數(shù)字傳輸模型 通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，如果我們在發(fā)送端的信息源中包括一個模 /數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，在接 收端包含一個數(shù) /模轉(zhuǎn)換裝置，則可以在數(shù)字系統(tǒng)中傳輸模擬信號。采用最早的和目前使用比較廣泛的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換方法是脈沖編碼調(diào)制，即 PCM(簡稱脈碼調(diào)制 )。采用脈碼調(diào)制的模擬信號數(shù)字傳輸系統(tǒng)如圖 。 抽樣定理 抽樣定理是指 :一個頻帶限制在 (0， fH)赫茲內(nèi)的時間連續(xù)信號 m(t)，如果以 T≦ 1/ fH的間隔對它進行等間隔抽樣，則 m(t)將被所得到的抽樣值完全確定。 抽樣定理告訴我們，如果對某一個帶寬有限的時間連續(xù)信號 (模擬信號 )進行抽樣，且 抽樣速率達到一定數(shù)值時，那么根據(jù)這些抽樣值就能夠準確地確定原信號。這就是說，若要傳輸模擬信號，不一定要傳輸模擬信號本身，可以只傳輸抽樣定理得到的抽樣值。因此，該定理就為模擬信號的數(shù)字傳輸提供了理論基礎(chǔ)。 模擬信號進行抽樣以后，其抽樣值還是隨信號幅度連續(xù)變化的，即抽樣值 m(kT)可以取無窮多個可能值，如果用 N個二進制數(shù)字信號來代表該樣值的大小，以便利用數(shù)字傳輸系統(tǒng)來傳輸該樣值信息，那么 N個二進制數(shù)字信號只能同 M=2N個電平樣值相對應，而不能同無窮多個電平樣值相對應。這樣一來，抽樣值必須被劃分成 M 個離散電平，此 電平被稱為量化電平 [5]。 利用預先給定的有限個電平來表示模擬抽樣值的過程被稱為抽樣。抽樣是把一個時間連續(xù)的信號變換成時間離散的信號，而量化則是將取值連續(xù)的抽樣變成取值離散的抽樣。 模擬信號的量化 模擬信息源 抽樣量化編碼 數(shù)字隨機序列 模擬隨機信號 m(t) 譯碼和低通濾 波 模擬隨機信號 數(shù)字隨機序列 {Sk} ?m k(t) 數(shù)字傳輸系統(tǒng) 圖 模擬信號數(shù)字傳輸系統(tǒng) {s? k} 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 均勻量化 把輸入信號的取值區(qū)域按等距離分割的量化稱為均勻量化。均勻量化的每個量化區(qū)間的量化電平均取在 各 區(qū)間的中點。量化間隔△ V取決于輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)。 非均勻量化 非均勻量化的方法通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多數(shù)采用對數(shù)式壓縮，即 y=lnx。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮率是 μ壓縮律和 A壓縮律。 美國采用 μ壓縮律，我國和歐洲各國均采用 A壓縮律。 μ壓縮律