MATLAB通信系统设计方案与仿真.docx
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MATLAB通信系统设计方案与仿真
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
2011届学士学位论文
基于MATLAB的通信系统的设计与仿真
学院、专业物理与电子信息学院电子信息工程
研究方向系统仿真
学生姓名
学号
指导教师姓名
指导教师职称教授
2011年4月29日
基于MATLAB的通信系统的设计与仿真
摘要通信是通过某种媒体进行的信息传递，目的是传输信息，通信系统是用以完成信息传输过程的技术系统的总称，作用是将信息从信源发送到一个或多个目的地。
调制与解调在信息的传输过程中占据着重要的地位，是不可或缺的，因此研究系统的调制和解调过程就极为重要。
MATLAB是集数值计算、图形绘制、图像处理及系统仿真等强大功能于一体的科学计算语言，它强大的矩阵运算和图形可视化的功能以及丰富的工具箱，为通信系统的调制和解调过程的分析提供了极大的方便。
本论文首先介绍了通信系统的概念，进而引出调制和解调，然后介绍了我们常用的几种调制和解调的方法。
由于MATLAB具有的强大功能所以详细介绍了MATLAB通信系统工具箱，并给出了基于MATLAB的通信系统的调制与解调的实现，运用MATLAB仿真软件进行仿真。
关键词通信系统；调制与解调；MATLAB
SimulationAndDesignOfCommunicationSystemsBasedOnMATLAB
AbstractCommunicationisthroughamediafortransportation.Communicationsystemwhichisusedtocompletetheprocessofinformationtransmissionsystems,ingeneral,istosendtheinformationfromthesourcetooneormoredestinations.
Modulationanddemodulationoccupiedanimportantpositioninthetransmissionofinformationwhichisessential,sotheresearchaboutthemodulationanddemodulationprocessinthecommunicationsystemisextremelyimportant.MATLABisanumericalcomputation,graphicsrendering,imageprocessingandsystemsimulationandotherpowerfulfeaturesinoneofthescientificcomputinglanguage,itisapowerfulmatrixcalculationandgraphicalvisualizationfeaturesandarichtoolboxprovidesagreatconvenienceforthecommunicationsystemofmodulationanddemodulationprocess.
Thispaperintroducestheconceptofthecommunicationsystem,andthenleadstomodulationanddemodulation,andthenintroducedseveralofourcommonlyusedmethodofmodulationanddemodulation.AsthepowerofMATLABsoweintroducedthecommunicationsystemtoolboxintheMATLAB.WegivesseveralexamplesaboutthecommunicationsystembasedonMATLABmodulationanddemodulationandusethesoftwareofMATLABtosimulatethem.
KeywordsCommunicationSystems。
Modulationanddemodulation。
MATLAB
目录
1引言1
2通信系统的调制与解调2
2.1通信系统的概念2
2.2调制和解调的概念4
2.3幅度调制和相干解调的原理5
3MATLAB通信系统工具箱7
4基于MATLAB的模拟调制和解调实例8
4.1用MATLAB分析双边带幅度调制（DSM-AM）8
4.2用MATLAB分析相干解调过程10
总结12
参考文献13
致谢14
1引言
通信按照传统的理解就是信息的传输，在当今高度信息化得社会，信息和通信已经成为现代社会的“命脉”。
信息作为一种资源，只有通过广泛的传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经济效益。
而通信作为传输信息的手段或方式，与传感技术、计算机技术相互融合，已经成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力，所以未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。
在信息传输过程中，要求天线的尺寸要和信号的波长相比拟，信号才能有效的被辐射。
对于语音信号来说，相应的天线尺寸要在几十公里以上，实际上不可能实现，所以需要经过调制将信号频谱搬移到较高的频率范围，如果不进行调制就把信号直接辐射出去，那么各电台所发出信号的频率就会相同。
调制作用的实质就是使相同频率范围的信号分别依托于不同频率的载波上，接收机就可以分离出所需的频率信号，不致互相干扰。
有时信号过于复杂，人工计算其调制和解调过程较难实现，对其结果的分析又缺乏可视化的直观表现，影响了所得结果在实际生活中的应用，美国MathWorks公司开发的MATLAB解决了这一问题。
它应用于自动控制、数学计算、信号分析、信号处理等诸多领域,也是国内高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。
MATLAB的出现给通信系统的分析提供了极大的方便。
本文主要包括三部分：
第一部分介绍了通信系统的调制和解调，第二部分介绍了MATLAB通信工具箱，第三部分给出了基于MATLAB的通信系统的分析。
2通信系统的调制与解调
2.1通信系统的概念
通信是为了传输信息，通信系统就是将信息从信源发送到一个或多个目的地，对于电通信来说，首先要把消息转变成电信号，然后经过发送设备，将信号送入信道，在接收端利用接受设备对接收信号作相应的处理后，送给信宿再转换为原来的消息，这一过程可利用图1所示的通信系统一般模型来概括。
（发送端）（接收端）
图1通信系统的一般模型
通信（Communication）传输的消息是多种多样的，可以分成两大类：
一类称为连续消息；另一类称为离散消息。
消息的传递是通过它的物理载体电信号来实现的，按信号参量的取值不同，可以把信号分为两类：
模拟信号和数字信号。
通常按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应的可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。
1．模拟通信系统
模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，其模型如图2所示，其中包含两种重要变换。
第一种变换是，在发送端把连续消息变换成原始电信号，在接收端进行相反的变换，这种变换由信源和信宿来完成，通常称为原始电信号为基带信号，基带的意思是指信号的频谱从零频附近开始。
有些信道可以直接传输基带信号，而以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传输这些信号。
因此，模拟通信系统中常常需要进行第二种变换：
把基带信号变换成适合在信道中传输的信号，并在接收端进行反变换。
完成这种变换和反变换的通常是调制器和解调器[1]。
图2模拟通信系统模型型
2.数字通信系统
数字通信系统（DigitalCommunicationSystem,DCS）是利用数字信号来传递信息的通信系统，如图3所示。
数字通信所涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调、同步以及加密与解密等。
图3数字通信系统模型
与模拟通信相比，数字通信具有许多优良的特性：
（1）抗干扰能力强，且噪声不积累。
数字通信系统中传输的是离散取值的数字波形，接收端的目标不是精确的还原被传输的波形，而是从收到噪声干扰的信号中判决出发送端所发送的是哪一个波形。
（2）传输差错可控。
在数字同喜系统中，可以通过信道编码技术进行检错与纠错，降低误码率，提高传输质量。
（3）便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。
这种数字处理的灵活性表现为可以将来自不同信源的信号综合到一起传输。
（4）易于集成，使通信设备微型化，重量轻。
（5）易于加密处理，且保密性好。
数字通信的缺点是，一般需要较大的传输带宽，设备复杂。
近年来，随着大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度和技术难度大大降低了，数字传输方式日益受到欢迎。
数字处理的灵活性使得数字传输系统中传输的数字信息既可以来自计算机、电传机等数据终端的各种数字代码，也可以来自模拟信号经过数字化处理后的脉冲编码（PCM）信号等。
原理上，数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输，但在世纪传输中，视系统的要求和信道情况，一般需要进行不同形式的编码，并且选用一组取值有限的离散波形来表示，这些取值离散的波形可以是未经调制的电信号，也可以是调制后的信号。
未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或很低频率开始，称为数字基带信号。
2.2调制和解调的概念
调制：
把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程，广义的调制分为基带调制和带通调制（也称为载波调制）。
在无线通信中和其他大多数场合，调制均指载波调制【2】。
载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。
调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。
未受调制的周期性振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。
载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。
解调：
将已调信号中的调制信号恢复出来，是调制的逆过程。
调制方式不同，解调方法也不一样。
解调可以分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）。
正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调，此外还有一些变种如单边带信号解调、残留边带信号解调等。
同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。
调制方式有很多，根据调制信号是模拟信号还是数字信号，载波是连续波（通常是正弦波）还是脉冲序列，相应的调制方式有模拟连续波调制（简称模拟调制）、数字连续波调制（简称数字调制）、模拟脉冲调制和数字脉冲调制等。
最重要和最常用的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。
常见的调幅、双边带、单边带和残留边带等调制就是幅度调制的几个典型实例。
解调的方法可以分为两类：
相干解调和非相干解调（包络检波）。
解调过程与采用何种解调方式有关，对于常规幅度调制，一般用包络检波进行解调，由于在这种解调方式中，接收机对载波频率和相应精度的了解是无关紧要的，所以解调过程相对简单。
对于DSB-AM调制和SSB-AM调制，用相干解调的方法，它要求在接收机中有一个与载波同频同相的信号，接收机中产生所需要的正弦波振荡器，为本地振荡器。
数字通信系统中，发送信号某一参数的离散取值（如正弦波的振幅、频率、相位等）于所承载消息的数字信号（即离散符号）之间通常是一种一一对应关系。
如同模拟信号的频带传输时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：
振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
它们分别对应于利用载波（正弦波）的振幅、频率和相位来承载数字基带信号，可以是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。
理论上数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都属于正弦波调制。
但是，数字调制是源信号为离散型的正弦波调制，而模拟调制则是源信号为连续型的正弦波调制，因而，数字调制具有由数字信号带来的一些特点。
这些特点主要包括两个方面：
第一，数字调制信号的产生，除把数字的调制信号当做模拟信号的特例而直接采用模拟调制方式产生数字调制信号外，还可以采用键控载波的方法。
第二，对于数字调制信号的解调，为提高系统的抗噪声性能，通常采用与模拟调制系统中不同的解调方式。
数字信息由二进制和多进制之分，因此，数字调制可分为二进制调制和多进制调制。
在二进制调制中，信号参量只有两种可能取值；而在多进制调制中，信号参量可能有M（M>2）中取值。
2.3幅度调制和相干解调的原理
1）幅度调制（线性调制）的原理
幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程，设正弦型载波为
c（t）=Acos（0）（2.3-1）
式中：
A为载波幅度；为载波角频率；0为载波初始相位（以后可以假定为0为0，而不失讨论的一般性）。
根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成
Sm（t）=Am（t）cos（t）（2.3-2）
式中：
m（t）为基带调制信号。
设调制信号m（t）的频谱为,则由上式（2.3-2）不难得到已调信号Sm（t）的频谱；
=（2.3-3）
由以上表示式可见，在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基信号频谱在频域内的简单搬移（精确到常数因子）。
由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制，这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系，实际上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程【3】。
标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅（AM）。
假设调制信号m（t）的平均值为0，将其叠加一个直流偏量A0后与载波相乘（如图4所示），即可形成调幅信号。
m（t）Sm（t）
A0
图3AM调制模型
其时域表示式为
SAM（t）=[A0+m（t）]=A0+m（t）（2.3-4）
式中：
A0为外加的直流分量；m（t）可以是确知信号，也可以是随机信号。
若m（t）是确知信号，则AM信号的频谱为
SAM（）=∏A0[]+1/2[]（2.3-5）
2）相干解调
相干解调也叫同步检波，解调与调制的实质一样，均是频谱搬移。
调制是把基带信号的频谱搬到了载波位置，这一过程可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。
解调则是调制的反过程，即把在载频位置的已调信号的频谱搬回到原始基带位置，因此同样可以用相乘器与载波相乘来实现，相干解调的一般模型如图4所示。
Sm（t）Sp（t）Sd（t）
c（t）=
图4相干解调器的一般模型
相干解调时，为了无失真的恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。
相干解调器适用于所有的线性调制信号的解调。
送入解调器的已调信号的一般表达式为
Sm（t）=SI（t）+SQ（t）（2.3-6）
与同频同相的相干载波c（t）相乘后，得
Sp（t）=Sm（t）=
1/2SI（t）+1/2SI（t）+1/2SQ（t）（2.3-7）
经低通滤波器（LPF）后，得
Sd（t）=1/2SI（t）（2.3-8）
其中，SI（t）是m（t）通过一全通滤波器H1（）后的结果。
因此，Sd（t）就是解调输出，即
Sd（t）=1/2SI（t）∝m（t）
由此可见，相干解调器适用于所有线性调制信号的解调，即对于AM、DSB、SSB和VSB都是适用的。
只是AM信号的解调结果中含有直流成分A0，这时在解调后加上一个简单的隔直流电容即可。
3MATLAB通信系统工具箱
MATLAB通信系统工具箱主要应用于参数化模型，频谱分析和估计等。
通信系统工具箱实际上是用MATLAB的基本语句变成的各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题或实现某一类的新算法。
MATLAB的通信系统工具箱可以任意增减，不同的工具箱可以给不同领域的用户提供丰富强大的功能。
MATLAB中的通信系统工具箱是目前比较成熟的通信系统仿真工具，MATLAB通信系统工具箱提供的函数主要用于处理通信及传输问题，为我们分析通信系统中每个过程提供了极大的帮助，使我们能够轻松直观的解决问题【4】。
常用的MATLAB函数主要有以下几项：
1、figure
功能：
创建新的图形窗口（用于输出图形的窗口）。
格式：
figure
说明：
figure函数创建一个新的图形窗口,并成为当前图形窗口,所创建的图形窗口的序号是按同一MATLAB程序中创建的顺序号。
2、plot
功能：
线型绘图函数。
格式：
plot（x）
plot（x,y）
说明：
plot（x）是一种最简单的调用方式,x是长度为n的数值向量。
plot（x）的作用是在坐标系中顺序地用直接连接顶点{i,x（i）,i=1,2,…,n}生成一条折线。
当向量元素充分多时,即可生成一条光滑的曲线。
3、subplot
功能：
多坐标设置与定位当前坐标系。
格式：
subplot（m,n,k）
说明：
subplot（m,n,k）将图形窗口分成m行n列m*n块子区域，按从上到下,从左到右的顺序,在第k块子区域定义一个坐标系,使其成为当前坐标系,随后的绘图函数将在该坐标系输出图形。
4、ezplot
功能：
该命令用来绘制符号表达式的自变量和对应各函数值的二维曲线。
格式：
ezplot（F,[xmin,xmax],fig）
说明：
其中F是要画的符号函数；[xmin,xmax]是绘图的自变量范围，fip是窗口。
5、axis
功能：
该命令用来控制坐标轴的特性。
格式：
axis（[xmin,xmax],[ymin,ymax]）
说明：
此为坐标范围,其中xmin＜xmax，ymin＜ymax。
7、angle
功能：
求复数的相角。
格式：
P=angle（Z）
说明：
当Z为复数矩阵时，用来求矩阵Z中每个元素的相角，相角位于[-,]。
4基于MATLAB的模拟调制和解调实例
4.1用MATLAB分析双边带幅度调制（DSM-AM）
我们可以利用MATLAB强大的符号运算功能来进行运算,再根据MATLAB的可视化结果进行分析。
在DSB-AM中，已调信号的时域表示为：
u（t）=m（t）c（t）=Acm（t）
式中，m（t）是消息信号，c（t）=Ac为载波，fc是载波的频率（单位：
HZ）,是初始相位。
为了讨论方便取初相=0（以下类似）。
随u（t）作傅里叶变换，即可得到信号的频域表示：
U（f）=Ac/2+Ac/2
传输带宽Bt是消息信号带宽W的两倍，即：
Bt=2W。
10＜t＜t0/3
例1某消息信号m（t）=-2t0/3＜t＜2t0/3
1其他
用信号m（t）以DSB-AM方式调制载波c（t）=cos（2∏fct）,所得到的已调制信号记为u（t）.设t。
=0.15s,fc=250Hz。
试比较消息信号与已调信号，并绘制它们的频谱。
运用如下MATLAB程序【5】:
t0=0.15。
％信号持续时间
ts=0.001。
％采样时间间隔
Fc=250。
％载波频率
FS=1/ts。
％采样频率
df=0.3。
％频率分辨率
t=[0:
ts:
t0]。
％时间矢量
m=[ones（1,t0/（3*ts））,-2*ones（1,t0/（3*ts））,zeros（1,t0/（3*ts）+1）]。
％定义信号序列
C=cos（2*pi*Fc.*t）。
％载波信号
u=m.*c。
％调制信号
[M,m,df1]=fft_seq（m,ts,df）。
％傅里叶变换
M=M/FS。
[U,u,df1]=fft_seq（m,ts,df）。
U=U/FS。
[C,c,df1]=fft_seq（c,ts,df）。
f=[0:
df1:
df1*（length（m）-1）]-Fs/2。
％频率矢量
subplot（2,2,1）。
plot（t,m（1:
length（t）））。
％未调制信号
title（‘未调制信号‘）；
subplot（2,2,2）。
plot（t,u（1:
length（t）））。
％已调制信号
title（‘已调制信号‘）；
subplot（2,2,3）；plot（f,abs（fftshift（M）））。
％未调制信号频谱
title（‘未调制信号频谱‘）；
subplot（2,2,4）；plot（f,abs（fftshift（U）））。
％已调制信号频谱
title（‘已调制信号频谱‘）；
傅里叶变换函数fft_seq,源代码如下：
function[M,m,df]=fft_seq（m,ts,df）
％[M,m,df]=fft_seq（m,ts,df）
％[M,m,df]=fft_seq（m,ts）
％M为输入序列m的傅里叶变换，ts为抽样间隔，输入df为频率分辨率
％输出序列m按要求的频率分辨率df进行补零后的序列
％输出df为最终的频率分辨率
fs=1/ts。
ifnargin==2,n1=0。
else,n1=fs/df。
end
n2=length（m）。
n=2^（max（nextpow2（n1）,nexpow2（n2）））。
M=fft（m,n）。
m=[m,zeros（n-n2）]。
df=fs/n。
运行后得到的信号和调制信号如图所示：
4.2用MATLAB分析相干解调过程
10＜t＜t0/3
例某消息信号m（t）=-2t0/3＜t＜2t0/3
1其他
用信号m（t）以DSB-AM方式调制载波c（t）=cos（2∏fct）,所得到的已调制信号记为u（t）.设t0=0.15s,fc=250Hz。
得到DSM-AM的调制信号，现试对该调制信号进行相干解调，并绘出消息信号的时域频域曲线。
MATLAB设计程序如下【6】：
t0=0.15。
％信号持续时间
ts=1/1500。
％采样时间间隔
Fc=250。
％载波频率
FS=1/ts。
％采样频率
df=0.3。
％频率分辨率
t=[0:
ts:
t0]。
％时间矢量
m=[ones（1,t0/（3*ts））,-2*ones（1,t0/（3*ts））,zeros（1,t0/（3*ts）+1）]。
％定义信号序列
C=cos（2*pi*Fc.*t）。
％载波信号
u=m.*c。
％调制信号
y=u.*c。
％混频
[M,m,df1]=fft_seq（m,ts,df）。
％傅里叶变换
M=M/Fs。
％缩放
[U,u,df1]=fft_seq（m,ts,df）。
U=U/FS。
[Y,y,df1]=fft_seq（y,ts,df）。
Y=Y/Fs。
f_cutoff=150。
％滤波器的截止频率
n_cutoff=floor（150/df1）。
％设计滤波器
f=[0:
df1:
df1*（length（m）-1）]-Fs/2。
％频率矢量
H=zero（size（f））。
H（1:
n_cutoff）=2
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