1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 Simulink的数字调相系统设计与仿真 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 在日常的生活中，通信是人们用来传递信息的方式。随着数字系统的飞速发展 ,对数字系统的性能和调制解调技 术要求也越来越高。同时，由于计算技术的发展，通信系统的仿真已日益普遍，已逐渐成为今天设计和分析通信系统的主要工具。移动通信的主要基本技术包括调制技术、移动信道中电波的传播特性、多址方式、抗干扰技术以及组网技术。在移动通信中，数字调制解调技术是关键技术，其中数字调相信号具有数字通信的诸多优点 ,在数字移动通信中，广泛使
2、用它来传送各种控制信息。 Simulink是 Matlab中的一种可视化仿真工具，广泛应用于线性系统、数字控制、非线性系统以及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink采用模块化建模方式，每个模块 都有自己的输入 /输出端口，实现一定的功能。 Matlab以及 Simulink学计算、建模和仿真软件已成为全世界科技工作者共同的学术交流工具以及系统仿真界事实上的工业标准。 Simulink的主要特点在于建模方便快捷、易于进行模型分析以及优越的仿真性能。 本文通过使用 Simulink来仿真研究数字通信中常用的几种调相方式： 2PSK、2DPSK、 QPSK，分析各种调相信号的产生原理 、 抗
3、干扰性能 、误码率等等，以及它们存在的不足之处跟解决方案 。 关键词： Simulink； 仿真 ； 2PSK； 2DPSK； QPSK； - 3 - Abstract In the daily life, communication is very important for us. Along with development of digital system the technical criterion of modulation and demodulation will be adjusted to meet higher requirement. At the same tim
4、e, because of the development of the computing technology, the simulation of the communication system has been already popular day by day, it already is main tool of design and analyses system of communication today. The main basic mobile communications technology, including modulation techniques, m
5、obile radio propagation characteristics of the channel, multiple access, anti-jamming technology and networking technology. In mobile communications, digital modulation and demodulation technology is the key technology, digital modulation signals including the many advantages of digital communicatio
6、n in the digital mobile communication, the widespread use of it to send various control information. Matlab,Simulink is a visual simulation tool. Widely used in linear systems, digital control, nonlinear systems, and digital signal processing modeling and simulation.Simulink modeling approach is mod
7、ular, each module has its own input / output ports, to achieve a certain function.Matlab and Simulink computing science, modeling and simulation software has become a common academic scientists around the world exchange system simulation tools and circles the de facto industry standard. The main fea
8、tures of Simulink model is convenient, easy to carry out the simulation model and superior performance. This article is by using the Matlab software simulation of digital communication modulation commonly used in several ways: 2PSK, 2DPSK, QPSK, Analysis of various modulation signal generation princ
9、iple, anti-jamming, error rate, etc. And their shortcomings exist with the solution. Key words： Simulink； Simulation； 2PSK； 2DPSK； QPSK - 4 - 目 录 1 概述 . 1 1.1 课题研究的意义 及 发展 趋势 . 1 1.2 本课题主要内容 . 2 2 通信系统和 数字 调相研究 . 3 2.1 通信系统的组成 . 3 2.2 调相技术的初步研究 . 4 3 研究和仿真的要求 . 5 3.1 仿真技术与流程 . 5 3.2 研究和仿真的 任务 . 5 3.
10、3 Matlab 和 Simulink 简要介绍 . 6 4 系统的基本原理和调制解调实现 . 7 4.1 PSK 的 基本原理和 调制解调 实现 . 7 4.2 2PSK 的 基本原理和调制解调实现 . 8 4.3 2DPSK 的 基本原理和 调制解调 实现 . 10 4.4 QPSK 的基本原理和调制解调实现 . 12 5 Smulink 的模型建立和仿 真 . 17 5.1 2PSK 的仿真 . 17 5.2 2DPSK 的仿真 . 22 5.3 QPSK 的仿真 . 29 6 2PSK、 2DPSK、 QPSK 三种调制解调方式 性能 的比较 及改进方案 . 32 7 总结 及心得体会
11、 . 34 致 谢 . 35 参考文献 . 36 附录 1 毕业设计作品说明书 . 37 - 5 - 1 概述 1.1 课题研究的意义 及发展趋势 在我国，传统的仿真技术基于 C语言等计算机专业编程工具，编程工作量极大，仿真程序的可读性、可重用性、可靠性都很难适应复杂仿真的要求，尤其是很难适应大型复杂通信系统中的仿真工作，将精力和时间集中到解决科学问题、提出和验证创新思想和算法上来。 Matlab以及 Simulink学计算、建模和仿真软件正是能适应这一要求的优秀仿真平台软件，并已成为全世界科技工作者 共同的学术交流工具以及系统仿真界事实上的工业标准。 Simulink是 Matlab最重要的
12、组件之一，它提供一个 动态系统 建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink已被广泛应用于控制理论和 数字 信号处理 的复杂仿真和设计。 数字信号的频带传输问题 ,是通信系统里的一个基本问题。数字调相技术的研究正是世界上一个热门问题 ,随着调制解调的 快速 发展 ,研究的广度和深度都在不断扩大 。数字相位调制又称相移键控，记作 PSK。当调制信号为二进制数字信号时，称为 二进制相移键控记作 2PSK；当调制
13、信号为多进制数字信号时，称为多进制相移键控记作 MPSK。它们是利用载波震荡相位的变化来传送数字信息的。通常又把它们分为绝对相移（ PSK）和相对相移（ DPSK）两种。 本课题通过仿真软件来模拟和估算通信系统的性能，通过模拟和仿真来调 整一些通信系统的参数以期达到最佳的使用效果具有非常重大的意义。本课题通过Simulink 仿真软件来仿真移动通信系统各种数字调制解调技术，具有诸多优点，用它来传送各种控制信息的数字调相信号，比较各数字调相技术之间的性能差异。 1.2 本课题主要内容 - 1 - 本课题从调相技术的仿真出发，分析并比较各种调相技术的特性及设计方法，从而得出各种移动通信系统中调相技
14、术的具体方案。数字 调相技术的研究与仿真 可以分解为各种调制技术（ 2PSK、 2DPSK、 QPSK 等）的调制解调原理和其理论实现方法，用 Simulink 软件实现仿真， 通过频 带 利用率、误码率 以及抗噪声性能 等 来 研究移动通信系统的调相技术。 本课题 的主要工作流程如下图 1-1 所示。 图 1-1 课题主要工作流程 查阅资料 掌握原理 掌握原理 学习Matlab 及Simulink Simulink建模 理论和实践相比较 得出结论 - 2 - 2 通信系统和 数字 调相研究 信息的高度发展给整个社会的经济、文化、科研、教育带来了很大的变革，它推动着社会的发展，给人们的工作学习
15、还有生活带来许多的便利。在理论上，通信是怎样一种概念，如何建立通信系统，通信系统有哪些分类，下面将 简要 介绍 一下 通信系统的各个方面。 2.1 通信系统的组成 通信的目的是传输消息。消息具有不同 的形式，例如：符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图象等。而传递消息的方式可以有多种，根据其发展先后我们可以分为电报、电话、传真、数据传输以及发展到现在的可视电话等。而从广义的角度看，广播、电视、雷达、导航、遥测等也可以列入通信的范畴。 从表面上看来，通信就是将信息从发送端发送出去，从接收端获取信息。但是，在通信模型构造上还是非常复杂的，下图是一个简单的通信系统模型。 图 2-1 通信系统一般
16、模型 图 2-1 中，信源（信息源，也称发终端）的作用 是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式，根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。 信源 发送设备 信道 接收设备 信
17、宿 噪声源 - 3 - 信 道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。 在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。 信宿（也称受信者或收终端）是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。 图 2-1 给出的是通信系统的一般模型，按照信道中所传信号的形式不同，可进一步具体化为模拟通信系统和数字通信系统。 信道中传输数字信 号的系统，称为数字通信系统。 数字通信系统可进一步细分为
18、数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。 2.2 调相技术的初步研究 在实际通信中，不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，即对基带信号进行调制。调制即是按照调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。调制不仅可以对被调制信号进行频谱搬移和扩频，而且对系统的传输有效性和传输可靠性有很大影响，因此，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。在传输脉冲时，传输系统会产生噪声，如果其幅 度为反极性并超过脉冲的幅度，则产生误码。在以脉冲调制载波时，也有同样现象产生。但是，在一定的噪声情况下，根据对载波的调制方法和解调方法的不同
19、，误码的发生概率也不同。一般，数字调制方式的选择往往是频带利用率、误比特率、 Eb/n0（或 S/N）和设备实现复杂性等因素综合考虑的结果，必须根据具体使用条件进行比较才能做出判断。 数字调制方式有三种：幅度键控、频移键控和相移键控。它们分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。当调制信号为二进制数字信号时，该调制称为二进制数字调制 。 而当调制信号为多进制数字信 号时，则称为多进制数字调制。相移键控有很多方式，如 PSK、 DPSK、 QPSK、 OQPSK、 pi/4-DQPSK等。本设计重点对 2PSK、 2DPSK、 QPSK三种方式进行研究和仿真。 - 4 - 3 研究
20、和仿真的要求 3.1 仿真技术与流程 仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能，从而为新系统的建立和原系统的改造提供可靠的参考。仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。 实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳定。因此，在对原有的通信 系统做出改进或建立一个新系统之前，通常对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数配置，然后再应用到实际系统中，这个过程就是通信仿真。 Simulink仿真属于计算机仿真的一种，计算机仿真的一般过程可以表述如下。 （ 1）描述仿真问题
21、，明确仿真目的。 （ 2）项目计划、方案设计与系统定义。 根据仿真相应的结构，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。 （ 3）数学建模。 根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数 。 （ 4）仿真建模根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或其他仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型。 （ 5）实验。 设定实验环境 /条件和记录数据，经行实验并记录数据。 （ 6）仿真结果分析。 3.2 研究和仿真的任务 从调相技术的仿真出发，分析并比较各种调相技术的特性及设计方法，从而得出移动通信中调相技术的具体方案。数
22、字调相技术的研究与仿真可以分解为各- 5 - 种调制技术（ 2PSK、 2DPSK、 QPSK 等）的调制解调原理和其理论实现方法，用Simulink 软件实现仿真，通过频 带利用 率、误码 率 以及抗噪声性能等来分析 的调相技术。 要求以数字调制技术为基本理论，分析几种常用的调相技术，进行初步的设计计算，然后通过 Simulink 仿真调相信号，进行参数的设置和调整，要求获得各种调相信号的波形和软件编程方法，对其进行数据分析，得出现代移动通信系统中采用何种调制方式的理论依据，分析其选用的调相技术的优越性及不足。 3.3 Matlab和 Simulink简要介绍 在我国，传统的仿真技术基于 C
23、语言等计算机专业编程工具，编程工作量极大，仿真程序的可读性、可重用性、可靠性都很难适应复杂的仿真，尤其是很难适应大型 复杂通信系统仿真工作，将精力和时间集中到解决科学问题、提出和验证创新思想和算法上来。 Matlab 以及 Simulink 学计算、建模和仿真软件正是能适应这一要求的优秀仿真平台软件，并已成为全世界科技工作者共同的学术交流工具以及系统仿真界事实上的工业标准。 Simulink 是 Matlab 最重要的组件之一，它提供一个 动态系统 建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 简要介绍一下 Matlab
24、的几个重要特点。 Matlab是一种功能强大的科学计算 和工程仿真软件，它的交互式集成界面能够帮助用户快速的完成数值分析、矩陈运算、数字信号处理、仿真建模系统控制和优化等功能。 Simulink是 Matlab提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。Simulink提供了专门用于显示输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。同时，通过 Simulink存储模块，仿真数据可以方便地以各种形式保存到工作空间或文件中，以供用户在仿真结束之后对数据进行分析和处理。另外，Simulink把具有特定功能的代码组织成模块的方式，并且这些模块可以组织成具有等级结构 的子系统，因此具有内在的模块化设计要求。基于以上优点， Simulink作为一种通用的仿真建模工具广泛用于通信仿真、数字信息处理、模糊逻辑、神
