PAM系统课程设计matlab版本.docx
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PAM系统课程设计matlab版本
成绩评定表
学生姓名
111
班级学号
1111
专业
电子信息工程
课程设计题目
PAM系统仿真
评
语
组长签字：
成绩
日期
年月日
课程设计任务书
学院
信息科学与工程
专业
电子信息工程
学生姓名
111
班级学号
11111
课程设计题目
PAM系统仿真
实践教学要求与任务:
利用MATLAB/Simulink进行编程和仿真，仿真的内容可以是关于信源、信源编码、模拟调制、数字调制、多元调制、差错控制、多址技术、信道仿真及具体通信电路的仿真实现。
也可以用MATLAB编程对通信的某一具体环节进行仿真。
工作计划与进度安排:
2013年03月04日选题目查阅资料
2013年03月05日编写软件源程序或建立仿真模块图
2013年03月06日调试程序或仿真模型
2013年03月07日性能分析及验收
2013年03月09日撰写课程设计报告、答辩
指导教师：
2012年月日
专业负责人：
2012年月日
学院教学副院长：
2013年月日
摘要
在通信系统中，调制与解调是实现信号传递必不可少的重要手段。
所谓调制是把信号转换成合适在信道中传输的形式的一种过程。
用信号去控制周期脉冲序列的幅度称为脉冲幅度调制（PAM）。
本课程设计主要介绍了PAM调制与解调过程，调制前后发生的变化，加上噪声后波形出现的各种变化，通过星座图、眼图、波形图等来观察。
在课程设计中，系统开发平台为Windows7，程序设计与仿真均采用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，最后仿真详单与理论分析一致。
关键词：
Matlab/Sumulink仿真平台；通信系统；PAM调制与解调；噪声
1课程设计目的…………………………………………………………1
2课程设计要求…………………………………………………………1
3相关知识………………………………………………………………1
4课程设计分析…………………………………………………………5
5仿真…………………………………………………………….……10
6结果分析…………………………………….....……………………...14
7参考文献…………………………………………………………..…14
PAM系统仿真程序设计
1.课程设计目的
（1）加深对相位调制（PAM）基本理论知识的理解。
（2）培养独立开展科研的能力和编程能力。
（3）掌握用MATLAB实现信号的PAM调制。
（4）掌握MATLAB软件的使用。
2.课程设计要求
1）学习现有流行的通信仿真软件MATLAB的基本使用方法，学会使用这些软件解决实际系统出现的问题
2）利用通信原理中所学到的相关知识，在Simulink仿真平台中设计PAM仿真系统，并用示波器观察调制与解调后的波形。
3）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，分析模块观察调制前后信号调试图的变化。
4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。
3.PAM系统
3.1PAM系统概念
1.PAM调制原理：
通常人们谈论的调制技术是采用连续振荡波形（正弦型信号）作为载波的，然而，正弦型信号并非是唯一的载波形式。
在时间上离散的脉冲串，同样可以作为载波，这时的调制是用基带信号去改变脉冲的某些参数而达到的，人们常把这种调制称为脉冲调制。
通常，按基带信号改变脉冲参数（幅度、宽度、时间位置）的不同，把脉冲调制分为脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PDM）和脉位调制（PPM）等。
所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。
脉冲幅度调制的理论基础是抽样定理。
对于一个最高频率为ωm的带限信号，当抽样频率大于两倍的ωm时，我们可以从抽样信号中恢复出原来的信号。
如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则前面所说的抽样定理，就是脉冲振幅调制的原理。
但是，实际上真正的冲激脉冲串是不可能实现的，而通常只能采用窄脉冲串来实现，因此，研究窄脉冲作为脉冲载波的PAM方式，将更加具有实际意义[3]。
图1-3脉冲波形调制示意图
根据样本值的不同，脉冲幅度调制有两种情况：
一种是样本值和调制信号在抽样区间的函数值完全一样；一种是样本值是常数，这个常数和调制信号在抽样区间的某个瞬时值相同。
通常，我们将前者称为自然抽样的脉冲幅度调制，将后者称为平顶抽样的脉冲幅度调制。
（1）自然抽样脉冲调制：
自然抽样又称曲顶抽样，它是指抽样后的脉冲幅度（顶部）随被抽样信号m（t）变化，或者说保持了m（t）的变化规律。
设模拟基带信号m（t）的波形及频谱图如图1-4（a）所示，脉冲载波以s（t）表示，它是宽度为τ，周期为Ts的矩形窄脉冲序列，其中Ts是按抽样定理确定的，这里取Ts=1/（2fH）。
s（t）的波形及频谱图如图1-4（b）所示，则自然抽样PAM信号ms（t）（波形见图1-4（c））为m（t）与s（t）的乘积，即
图1-4自然抽样的PAM波形及频谱图
由频域卷积定理知ms（t）的频谱图为
（1-1）
频谱图如图1-4（d）所示，它与理想抽样（采用冲击序列抽样）的频谱图非常相似，也是由无限多个间隔为ωs=2ωH的M（ω）频谱图之和组成。
其中,n=0的成分是（Aτ/T）M（ω），与原信号谱M（ω）只差一个比例常数（Aτ/T），因而也可用低通滤波器从Ms（ω）中滤出M（ω），从而恢复出基带信号m（t）。
（2）平顶抽样的脉冲调制
平顶抽样又叫瞬时抽样，它与自然抽样的不同之处在于它的抽样后信号中的脉冲均具有相同的形状——顶部平坦的矩形脉冲，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。
平顶抽样PAM信号在原理上可以由理想抽样和脉冲形成电路产生，其原理框图及波形如图1-9所示，其中脉冲形成电路的作用就是把冲激脉冲变为矩形脉冲。
设基带信号为m（t），矩形脉冲形成电路的冲激响应为H（t），m（t）经过理想抽样后得到的信号ms（t）可用下式表示，即
ms（t）=m（nTs）δ（t-nTs））（1-2）
上式表明，ms（t）是由一系列被m（nTs））加权的冲激序列组成，而m（nTs））就是第n个抽样值幅度。
经过矩形脉冲形成电路，每当输入一个冲激信号，在其输出端便产生一个幅度为m（nTs））的矩形脉冲H（t），因此在ms（t）作用下，输出便产生一系列被m（nT）加权的矩形脉冲序列，这就是平顶抽样PAM信号mH（t）。
它表示为
mH（t）=m（nTs）H（t-nTs）（1-3）
波形如图2-5（a）所示
图1-5平顶抽样信号及其产生原理框图
设脉冲形成电路的传输函数为H（ω），则输出的平顶抽样信号频谱图MH（ω）为
MH（ω）=Ms（ω）H（ω）（1-4）
利用式（1-4）的结果，上式变为
MH（ω）=（1-5）
由上式看出，平顶抽样的PAM信号频谱图MH（ω）是由H（ω）加权后的周期性重复的M（ω）所组成，由于H（ω）是ω的函数，如果直接用低通滤波器恢复，得到的是H（ω）M（ω）/Ts，它必然存在失真。
以上按自然抽样和平顶抽样均能构成PAM通信系统，也就是说可以在信道中直接传输抽样后的信号，但由于它们抗干扰能力差，目前很少实用。
它已被性能良好的脉冲编码调制（PCM）所取代。
（1）PAM解调原理
解调是调制的逆过程，信号解调的方法包括两种，相干解调（同步检波）与非相干解调（包络检波）。
解调与调制的实质一样，均是频谱搬移，可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。
本次设计采用相干解调时，为了无失真地恢复基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波（同频同相）本地载波。
为了从mq（t）中恢复原基带信号m（t），可采用图1-6所示的解调原理方框图。
在滤波之前先用特性为1/Q（ω）频谱图校正网络加以修正，则低通滤波器便能无失真地恢复原基带信号m（t）[4]。
在实际应用中，平顶抽样信号采用抽样保持电路来实现，得到的脉冲为矩形脉冲。
实际应用中，恢复信号的低通滤波器也不可能是理想的，因此考虑到实际滤波器可能实现的特性，抽样速率fs要比2fH选的大一些，一般fs=（2.5~3）fH。
例如语音信号频率一般为300~3400Hz，抽样速率fs一般取8000Hz。
图1-6平顶抽样PAM信号的解调原理框图
以上按自然抽样和平顶抽样均能构成PAM通信系统，也就是说可以在信道中直接传输抽样后的信号，但由于它们抗干扰能力差，目前很少实用。
它已被性能良好的脉冲编码调制（PCM）所取代。
3.2MATLAB简介
3.2.1基本功能
MATLAB是很实用的数学软件它在数学类科技应用软件中在数值运算方面首屈一指。
MATLAB可以进行运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
3.2.2MATLAB产品应用
MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：
●数值分析
●数值和符号计算
●工程与科学绘图
●控制系统的设计与仿真
●数字信号处理技术
●通讯系统设计与仿真
3.2.3MATLAB特点
●此高级语言可用于技术计算
●此开发环境可对代码、文件和数据进行管理
●交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题
●二维和三维图形函数可用于可视化数据
●各种工具可用于构建自定义的图形用户界面
3.2.4MATLAB系列工具优势
（1）友好的工作平台和编程环境
MATLAB由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。
而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。
简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
（2）简单易用的程序语言
MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。
用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。
新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。
使之更利于非计算机专业的科技人员使用。
而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
（3）强大的科学计算机数据处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。
其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。
函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。
在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
3.3SIMULINK简介
SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。
在simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。
它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。
而所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl檔进行存取），进而进行仿真与分析。
SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：
Continuous（连续模块），Discrete（离散模块），Function&Tables（函数和平台模块），Math（数学模块），Nonlinear（非线性模块），Signals&Systems（信号和系统模块），Sinks（接收器模块），Sources（输入源模块）。
4.PAM系统的Simulink仿真与性能分析
4.1正弦波矩形抽样
建立对基本正弦信号的矩形波抽样
（1）原理图如图4-1
图4-1正弦函数矩形波抽样原理图
（2）波形如图4-2所示
图4-2正弦波矩形取样的波形图
4.2矩形波调制
建立基本波形是矩形波形的8-PAM的基带仿真模型并观察通过高斯信道传输前后的信号星座图。
（1）原理图，如图4-3所示
图4-3矩形波调制原理图
（2）波形
仿真结果如图4-9，4-10所示，可见调制输出信号点位于复平面实轴方向上，是一维的，共8个点，点间最小距离为2。
经过高斯信道后，接收信号点受到干扰而以高斯分布概率密度函数规律以各点发送信号为期望散步于发送信号附近。
方差约大，接收信号点的分散程度越高。
图4-4矩形波调制后加高斯噪声后星座图
4.3矩形波抽样后解调
将上面调制的基本矩形波形修改为余弦波，即g（t）=1-cos（2*pi/T）,其余参数不变，观察调制输出的眼图，星座图，等效基带信号的波形。
（1）原理图
图4-5上余弦调制
（2）参数设置，传输码元时隙为1ms，要求调制输出电平最小距离为2，高斯信道加入噪声方差为0.05ms。
图4-6M-PAM调制
图4-7高斯噪声信道参数设置
（3）波形图，仿真得出的眼图如图4-8，星座图如图4-9，升余弦波形如图4-10
图4-8眼图波形
图4-9星座图波形设置
图4-10升余弦波形
4.4矩形波解调
在对矩形波调制后进行解调
（1）调制解调原理
图4-11解调原理图
（2）调制解调器参数设置如图4-12
图4-12矩形波参数设置
（3）调制解调波形如图4-13，4-14
图4-13基带波形
图4-14PAM解调波形
5.仿真
5.1正弦波矩形抽样代码
echoon
T=1;
delta_T=T/200;%矩形波的参数设置
alpha=0.5;
fc=40/T;
A_m=1;
t=-5*T+delta_T:
delta_T:
5*T;
N=length（t）;
fori=1:
N,
if（abs（t（i））~=T/（2*alpha））,
g_T（i）=sinc（t（i）/T）*（cos（pi*alpha*t（i）/T）/（1-4*alpha^2*t（i）^2/T^2））;
else
g_T（i）=0;%正弦波的参数设置
end;
echooff;
end
echoon;
G_T=abs（fft（g_T））;
u_m=A_m*g_T.*cos（2*pi*fc*t）;
U_m=abs（fft（u_m））;%正弦波矩形取样的波形图
f=-0.5/delta_T:
1/（delta_T*（N-1））:
0.5/delta_T;
figure
（1）;
plot（f,fftshift（G_T））;
axis（[-1/T1/T0max（G_T）]）;
grid;
title（'基带信号的频谱'）
figure
（2）;
plot（f,fftshift（U_m））;
grid;
title（'幅度已调信号的频谱'）
5.2矩形波调制代码
建立基本波形是矩形波形的8-PAM的基带仿真模型
function[sampl,quant,pcm]=a_d_1（A,F,P,D）
%传输码元时隙为1ms%
Fs=20*F;
t=0:
1/Fs:
2/F;
samp=A*sin（2*pi*F*t+P）;
figure
（1）
plot（t,samp）;
title（'正弦波信号波形图'）;
xlabel（'时间'）;ylabel（'幅度'）;
gridon
sampl=samp/A;
[partition,codebook]=lloyds（sampl,D）;
[indx,quant]=quantiz（sampl,partition,codebook）;
figure
（2）
plot（t,sampl,'x',t,quant,'.'）;
title（'高斯信道加入噪声方差为0.05ms'）;
xlabel（'时间'）;ylabel（'幅度'）;
gridon
axis（[02/F-1.21.2]）;
index=indx-1;
pcm1=zeros（length（index）,1）;
i=1;
whilei<=length（index）
ifindex（i,1）==-1
index（i,1）=0;
end
i=i+1;
end
pcm1=dec2bin（index,4）;
pcm2=pcm1';
pcm2=reshape（pcm2,1,ceil（log2（D））*41）;
m=length（pcm2）;
forn=1:
m
ifischar（pcm2（n））==1
pcm（n）=str2num（pcm2（n））;
end
end
5.3矩形波解调代码
clear;
clc;
functionBER0=PAM（SNR_dB,L）
SendSignal=floor（rand（[1,L]））;
ReceiveSignal=awgn（SendSignal,SNR_dB）;
DetectedSignal=round（ReceiveSignal）;%解调器参数设置I=length（find（DetectedSignal-SendSignal））;
BER0=I/L;
end
SNR_dB=2:
0.04:
10;
L=100000;
k=1;
fori=2:
0.04:
10
BER0（k）=PAM（i,L）;
k=k+1;
end
semilogy（SNR_dB,BER0,'*r'）;%调制解调波形
gridon;
holdon;
SNR=10^0.2:
（10-10^0.2）/100:
10;
BER1=erfc（sqrt（2*SNR）./（sqrt
（2）））./2;
semilogy（10*log10（SNR）,BER1,'vm'）;%解调器参数设置
gridon;
holdon;
BER2=exp（-SNR）;
semilogy（10*log10（SNR）,BER2,'-b'）;%PAM解调波形
gridon;
holdon;
legend（'forSimulation','forTheoretical','forboundderived'）;
axis（[2,10,1/1e5,1]）;
xlabel（'SNR_dB'）;
ylabel（'BER'）;
end
end
6.结果分析
通过理论与编程实践，其运行结果如图所示：
图6-1PAM解调波形
7.参考文献
[1]樊昌信曹丽娜编著通信原理（第六版）.北京：
国防工业出版社，2012年1月
[2]达新宇林家薇杜思深编著.通信原理.陕西.西北工业大学出版社，2003年
[3]邵玉斌编著Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析北京.清华大学出版社.2008年6月
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