通信原理课设报告 陕西科技大学.docx
《通信原理课设报告 陕西科技大学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理课设报告 陕西科技大学.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
通信原理课设报告陕西科技大学
1选题背景
随着数字通信技术和计算机技术的快速发展以及通信网络的相互融合，信息科学技术已成为21世纪国际社会和世界经济发展的新的强大动力。
信息作为一种资源，只有通过广泛地交流，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。
而信息的传播与交流，是依靠各种通信方式和技术来实现的。
学习和掌握现代通信理论和技术是信息社会成员，尤其是未来的通信工作者的工作基础。
通信原理仿真设计一般是基于MATLAB软件，加深对理论知识的理解。
通过编程设计，以期待达到两个目的：
其一是通过使学生受到设计方法的初步训练，逐步树立正确的设计观点，增强设计能力、创新能力和综合能力；其二是通过MATLAB仿真过程了解仿真软件的使用，通过仿真结果分析对基本通信系统原理的理解。
对于我们电子信息工程专业的学生，掌握现代通信理论和技术是本科教学的基本要求。
特别是对我即将面临就业的大三学生，掌握这些基本的软件使用以及理解和掌握书中最基础的概念是非常重要的。
通过通信原理课程设计来加深我们对理论知识的掌握，并提高了我们的动手实践能力，不论对今后的继续深造，还是为下学期找工作来说，这都是提高自身素质的途径。
2方案论证
本课程设计主要是MATLAB程序的编写，因为MATLAB是当今最优秀的科技应用软件之一，它有强大的科学计算与可视化功能，有丰富的信号处理工具箱。
可以容易实现设计目标。
通信原理仿真程序的编写主要基于两种思路：
一个是直接利用MATLAB中自带的功能函数来编写程序，另一个就是根据要实现的课题原理利用MATLAB编程语言来自己编写程序。
前者实现方便简单，但是程序理解起来较困难，不便于交流；后者虽然在编写程序时比较困难，但是容易理解，而且可以进行标注也有利于我们对理论知识的进一步理解。
综合上述的两种编程思路和方法的优缺点，本课程设计的程序采用两者结合的编程方法，以期达到完成本次课程设计的要求。
3设计论述
3.1模拟通信系统
3.1.1模拟调制系统
基带信号含有较低的频率分量，不宜通过无线信道传输。
因此，在通信系统的发送端需要一个载波运输信号，也就是使载波信号的某一个（或几个）参量随基带信号改变，这一过程叫调制。
调制的实质便是频谱搬移，作用和目的有：
将基带信号转换成适合于信道传输的已调信号；实现信道的多路复用，提高信道利用率；减少干扰，提高系统的抗干扰能力；实现传输带宽与信噪比之间的互换。
本课题采用幅度调制，其指导思想是：
用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律变化。
3.1.2双边带调制（DSB）原理
在AM信号中，因载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。
如果能将载波的边带抑制，则只需在AM系统的基础上将直流分量去掉，即可输出抑制载波双边带信号即DSB-SC。
DSB调幅的特点：
不能采用简单的包络检波法来恢复调制信号，需采用相干解调；在调制信号过零点处，高频载波相位有π的突变；调制效率高，但占据较宽频带。
其时域和频域表达式分别为：
图3-1DSB调制器模型
双边带调制信号的时域表达示：
………………………（3-1）
双边带调制信号的频率表达示：
…（3-2）
实现双边带调制就是完成调制信号与载波信号的相乘运算。
原则上，可以选用很多种非线性器件或时变参量电路来实现乘法器的功能，如平衡调制器或环行调制器。
通常采用的平衡调制器的电路简单、平衡性好，并可将载波分量抑制到-30—40dB。
双边带调制节省了载波的功率，提高了调制效率，单已调信号的带宽仍与调幅信号一样，是基带信号带宽的两倍。
由于双边带信号的频谱是基带信号频谱的线形搬移，所以仍然属于线形解调。
图3-2DSB信号的波形和频谱
3.1.3DSB-SC的调制与解调程序
Fs=100;%采样频率
t=[0:
2*Fs]'/Fs;
Fc=30;%载波频率
A=1;%直流分量
x=A+sin（4*pi*t）;%原始信号
s=cos（2*pi*Fc*t）;
y1=amod（x,Fc,Fs,'amdsb-sc'）;%双边带sc调制
y2=ademod（y1,Fc,Fs,'amdsb-sc'）;%双边带sc解调
subplot（411）;plot（t,x）;%显示原始信号
title（'原始信号'）;axis（[0,2,-3,3]）;
subplot（412）;plot（t,s）;%显示载波
title（'载波信号'）;axis（[0,2,-2,2]）;
subplot（413）;plot（t,y1）;%显示调制信号
title（'双边带调制'）;axis（[0,2,-3,3]）;
subplot（414）;plot（t,y2）;%显示解调信号
title（'解调信号'）;axis（[0,2,-3,3]）;
z=fft（y1）;%求频谱
z=abs（z（1:
length（z）/2+1））;
p=[0:
length（z）-1]*Fs/length（z）/2;
figure;plot（p,z）;%显示双边带频谱
3.2数字频带通信系统
3.2.1数字频带通信系统
实际无线信道中，大多数具有带通传输特性，必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字频带信号。
在多路复用时，也需要调制，如用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率、相位中的某个参数，产生相应的数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。
也可以用数字基带信号同时改变正弦型载波幅度、频率或相位中的某几个参数，产生新型的数字调制。
图3-3数字调制系统的基本结构
数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制过程类似，同样可以用数字信号去控制正弦载波的振幅、频率或相位的变化。
但由于数字信号具有时间和取值离散的特点，从而使受控载波的参数变化过程离散化，故这种采用数字键控的方法来实现数字调制信号的调制过程又称为“键控法”。
最常用的是根据被调参数来划分为三种数字调制方式：
幅度键控（ASK）、频率键控（FSK）、相位键控（PSK）。
3.2.2二进制相移键控（2PSK）
二进制相移键控信号的调制原理图如下,其中左下方图是采用模拟调制的方法产生的2PSK信号，右下图是采用数字键控的方法产生2PSK信号。
图3-42PSK信号的调制原理图
2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如下所示。
在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。
图3-52PSK信号的解调原理图
当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。
这种现象通常称为“倒π”现象。
由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒π”现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。
图3-62PSK信号相干解调各点时间波形
3.2.32PSK调制与解调程序
clc;clearall;
m=2;%二元调制
Fc=20;%载波频率
Fd=10;%解调后数字信号速率
Fs=50;%模拟信号采样频率
x=randint（10,1,m）;%产生随机调制信号
y1=dmod（x,Fc,Fd,Fs,'psk',m）;%PSK调制
subplot（311）;plot（y1）;title（'2PSK调制'）;
y2=ddemod（y1,Fc,Fd,Fs,'psk/opt',m）;%PSK解调
subplot（312）;plot（y2）;
title（'2PSK解调'）;axis（[0,11,-0.1,1.1]）;
n=y1+2*randn（Fs/Fd*10,1）;%加入高斯噪声
y3=ddemod（n,Fc,Fd,Fs,'psk/opt',m）;%加入噪声后解调
subplot（313）;plot（y3）;
title（'加高斯噪声解调'）;axis（[0,11,-0.1,1.1]）;
s=symerr（x,y3）%计算误码
m=2;%二元调制
Fc=20;%载波频率
Fd=10;%解调后数字信号速率
Fs=50;%模拟信号采样频率
x=randint（10,1,m）;%产生随机调制信号
y1=dmod（x,Fc,Fd,Fs,'psk',m）;%PSK调制
subplot（311）;plot（y1）;title（'2PSK调制'）;
y2=ddemod（y1,Fc,Fd,Fs,'psk/opt',m）;%PSK解调
subplot（312）;plot（y2）;
title（'2PSK解调'）;axis（[0,11,-0.1,1.1]）;
n=y1+2*randn（Fs/Fd*10,1）;%加入高斯噪声
y3=ddemod（n,Fc,Fd,Fs,'psk/opt',m）;%加入噪声后解调
subplot（313）;plot（y3）;
title（'加高斯噪声解调'）;axis（[0,11,-0.1,1.1]）;
s=symerr（x,y3）%计算误码
3.3数字基带传输系统
3.3.1数字基带传输系统
在实际应用场合中，数字基带传输不如频带传输广泛，但对其进行研究仍有重要意义。
主要有以下原因：
（1）在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式；
（2）数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题；
（3）任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。
占据的频带宽度，所包含的频谱分量，有无直流分量，有无定时分量等。
这样，我们才能针对信号谱的特点来选择相匹配的信道，以及确定是否可从信号中提取定时信号。
数字基带信号无失真传输的指导思想：
奈奎斯特第一准则，其主要内容为：
输入序列若以1/Ts波特的速率进行传输时，所需要的最小传输带宽为1/2TsHZ，我们把这个称为奈奎斯特带宽。
如果系统用高于1/Ts波特的码元速率传送时，将存在码间串扰。
3.3.2数字基带传输系统特性
1）升余弦滚降系统的频谱及其时域波形
所谓“升余弦”是指频谱H（w）的形状是一个上升到横轴之上的一个周期的余弦波。
升余弦频谱的冲激响应不仅保持理想低通响应的所有零点，并且还在理想低通响应的两个零点之间增加了新的零点。
此外，升余弦频谱冲激响应的前后尾巴衰减也比理想低通来得快。
这样，对减小码间干扰和降低对定时的要求都有好处。
当然，这些优点是用增加系统宽、牺牲频带利用率换取的。
因为升余弦滚降系统占用的带宽为理想低通的两倍，所以此所以此时其频带利用率只有理想低通的一半，每赫1波特。
图3-7余弦滚降系统
2）基带传输单、双极性不归零码
单极性不归零波形如图3-8，其单极性指基带信号的“零”电平、“正”电平分别与二进制符号“0”和“1”对应。
其不归零指τ＝Ts脉冲宽度等于码元宽度。
即用一个脉冲宽度等于码元宽度的矩形脉冲的“有”或“无”来表示码元1和0。
其特点是：
有直流分量和低频分量，在有些信道中不易传输；波形之间无间隙，易产生码间干扰；当出现长零时，接收端不能直接提取同步信息。
双极性不归零波形如图3-9，双极性指基带信号的“负，正”电平分别与二进制符号“0”和“1”对应。
即用宽度等于码元宽度的两个幅度相同但极性相反的矩形脉冲来表示码元1和0。
其特点是可能无直流分量。
（当0、1等概出现无直流分量）易于传输；波形之间无间隙；不能直接提取同步信息；抗噪性能好：
判决门限为0，易设置且稳定；无需一端接地。
图3-8单极性不归零波形图3-9双极性不归零波形
3）基带信号眼图
基带信号眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。
观察眼图的方法是：
用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼图”。
从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。
另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。
图3-10眼图的模型
3.3.3数字基带传输系统程序
%%升余弦滚降系统的频谱及其时域波形程序：
clc;clearall;
Ts=1;
N_sample=17;
dt=Ts/N_sample;
df=1.0/（20.0*Ts）;
t=-10*Ts:
dt:
10*Ts;
f=-2/Ts:
df:
2/Ts;
alpha=[0,0.5,1];
forn=1:
length（alpha）
fork=1:
length（f）
ifabs（f（k））>0.5*（1+alpha（n））/Ts
Xf（n,k）=0;
elseifabs（f（k））<0.5*（1-alpha（n））/Ts
Xf（n,k）=Ts;
else
Xf（n,k）=0.5*Ts*（1+cos（pi*Ts/（alpha（n）+eps）*（abs（f（k））-0.5*（1-alpha（n））/Ts）））;
end
end
xt（n,:
）=sinc（t/Ts）.*（cos（alpha（n）*pi*t/Ts））./（1-4*alpha（n）^2*t.^2/Ts^2+eps）;
end
subplot（121）;
plot（f,Xf）;
axis（[-1101.2]）;
title（'升余弦滚降频谱'）;
subplot（122）;
plot（t,xt）;
axis（[-1010-0.51.1]）;
title（'升余弦滚降波形'）;
%%基带传输单、双极性不归零码的输出信噪比与误码率曲线程序：
clc;clearall;
h1=randint（30,1,2）;%产生随机单极性不归零码
subplot（211）;stairs（h1）;
gridon
axis（[0length（h1）-0.51.1]）;
title（'单极性不归零码'）;
h2=[1-11-11-1-11-11-111]%产生双极性不归零码
subplot（212）;stairs（h2）;
gridon
axis（[0,length（h2）-1.11.1]）;
title（'双极性不归零码'）;
%%%%%%%通过加性高斯白噪声信道的信噪比%%%%%%
snr=0;
snrk=0;
l=[0010100101001001111010100010];
ln=awgn（l,10,'measured'）;
Ps=sum（abs（l）.^2）;%signalpower
Pn=sum（abs（l-ln）.^2）;%noisepower
snr=10*log10（Ps/Pn）;%信噪比
k=[-1-11-11-1-1-1-11-1-11-1-11111-11-11-1-1-11-1];
kn=awgn（k,10,'measured'）;
Psk=sum（abs（k）.^2）;%signalpower
Pnk=sum（abs（k-kn）.^2）;%noisepower
snrk=10*log10（Psk/Pnk）%信噪比
%%%%%误码率-信噪比图%%%%%%%%%%%
figure
SNR=0.1:
.01:
100;
SNR0dB=10*log10（SNR）;%信噪比线性化
S=erfc（sqrt（SNR/2））/2;%求单极性非归零码误码率序列
D=erfc（sqrt（SNR））/2;%双极性非归零误码率序列
semilogy（SNR0dB,S）;
holdon
semilogy（SNR0dB,D,'--'）;
xlabel（'SNR0dB'）;
ylabel（'BER0dB'）;
axis（[-10150.0000011]）;
title（'数字基带传输误码率-信噪比曲线'）;
legend（'单极性非归零码','双极性非归零码'）;
%基带信号眼图
clc;clearall;
m=16;%码元为16进制
Fd=1;%符号速率
Fs=10;%采样频率
x=randint（100,1,m）;%随机产生原始信号
y=modmap（x,Fd,Fd,'qask',m）;%用QASK星座图解调
%采用升余弦滤波器
delay=3;
rcv=rcosflt（y,Fd,Fs,'fir/normal',.5,delay）;%对滤波器的输出进行截断
propdelay=delay.*Fs/Fd+1;
rcv1=rcv（propdelay:
end-（propdelay-1）,:
）;
n=Fs/Fd;
offset1=0;%没有偏置的眼图
h1=eyediagram（rcv1,n,1/Fd,offset1）;
offset2=2;%偏置为2的眼图
h2=eyediagram（rcv1,n,1/Fd,offset2,'r-'）;
4程序分析
4.1运行结果
4.1.1DSB-SC的调制与解调结果
图4-1DSB-SC调制与解调
图4-2DSB-SC频谱
4.1.22PSK调制与解调结果
图4-32PSK调制与解调
4.1.3数字基带传输系统结果
a）升余弦滚降系统的频谱及其时域波形结果：
图4-4不同滚降系数的滚降系统的波形及频谱
b）基带传输单、双极性不归零码的输出信噪比与误码率曲线结果：
图3.1.1基带信号
图4-5基带传输误码率—信噪比曲线
c）基带信号眼图结果：
图4-6没有偏置的眼图图4-7偏置为2的眼图
4.2结果分析
模拟调制系统仿真分析主要是对DSB-SC进行分析，得知幅度调制就是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。
通过MATLAB运行后的结果可看出这一点，在波形上它的幅度随基带信号规律而变化，在调制信号的过零点处，高频载波相位有180°的突变。
在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移这种调制也可称为线性调制。
数字调制与解调中2PSK是数字信号的载波传输的一种重要调制方式，用MATLAB对2PSK进行仿真后，观察原序列和2PSK时域波形后发现，数字调制与模拟调制原理都是相同，都是用调制信号控制载波信号的频率，所不同的是数字基带信号取值是离散的，通过对2PSK的分析可以发现，当载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控（2PSK）信号。
通常用已调信号载波的0°和180°分别代表二进制数字基带信号的1和0。
数字基带传输系统主要是对眼图进行分析，用MATLAB分别对其进行编程实现，在传输二进制信号波形时，显示的波很像人的眼睛，故名为眼图。
在MATLAB输出中可看到不同的码间串扰，眼图也不同，通过对比可知，当存在噪声时，眼图的线迹变成了比较模糊的带状的线，噪声越大，线条越宽，越模糊，“眼睛”张开的越小，而最佳抽样时刻是“眼睛”张开的最大时刻。
通过分析得出，眼图可以定性反映码间串扰的大小和噪声的大小。
因此，眼图可用来指示接受滤波器的调整，以减少码间串扰，改善系统性能。
另外升余弦滚降系统的h（t）满足抽样值上无串扰的传输条件，且各抽样值之间又增加了一个零点，其尾部衰减较快，这有利于减少码间串扰和位定时误差的影响。
5总结及体会
本次课程设计在刚开始的时候看到这些题目有些不知所措，虽然这学期在数字图像处理和数字信号处理中接触过MATLAB这个软件，但没在通信原理中用到过。
后来借助参考书和软件仿真资料的学习来实现就显得简单得多了，所以我觉得工具的选择还是很重要的。
通过这次设计，掌握了抑制载波双边带调制的工作原理及其工作过程，掌握了数字调制与解调的工作原理，尤其是对于2PSK的调制和解调的实现有了明确的掌握。
还有数字基带传输系统中基带传输单、双极性不归零码的输出信噪比与误码率曲线、升余弦滚降系统的频谱及其时域波形及基带信号眼图有了更深的理解，不仅仅限于书面上的理解。
最主要的是掌握了这些东西的MATLAB编程实现仿真，对以后的学习和工作都起到了一定的作用，加强了动手能力和学业技能。
用MATLAB编程很灵活，关键是要达到要求的效果，怎样更清楚的仿真出相应的结果，就如双边带调制，编程实现用户输入这样就有很大的自主性，让仿真的尺度更大更可信，所以MATLAB软件值得更近一步研究。
总体来说，通过本次课程设计，对于现代通信原理和技术有的更深的了解，明确了通信系统的分类，并且对于模拟调制系统，数字基带传输系统，数字频带传输系统的工作原理有了较清楚的认识。
并且了解了一些新兴的通信理论和技术，用MATLAB软件分别对DSB-SC及基带信号升余弦滚降系统的频谱及其时域波形、基带信号眼图进行仿真和分析，更进一步深刻了解了二进制移频键控等一些调制方法的基本原理，对于眼图有了比较清楚的认识。
参考文献
[1]孙亮.MATLAB语言与控制系统仿真.北京：
北京工业大学出版社,2001
[2]曹志刚.现代通信原理.北京：
清华大学出版社,1992
[3]乐新光.数据通信原理.北京:
人民邮电出版社,1988
[4]韩利竹.MATLAB电子仿真与应用.北京：
国防工业出版社,2001
[5]张辉.通信原理辅导.西安：
西安电子科技大学出版社,2000
[6]宋祖顺.现代通信原理.北京:
电子工业出版社,2001
[7]张新政.现代通信系统原理.北京：
电子工业出版社,1995
[8]黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.2版.北京：
国防工业出版社,2004
[9]沈振元.通信系统原理.西安：
西安电子科技大学出版社,1993
升级会员 