1、本 科 毕 业 设 计数字调制算法的仿真平台设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要在数字通信系统建模中，传统的方法主要是电路搭建、分析与功能测试。这样虽可得到与真实数据十分接近的结果，但耗时长、方法复杂。由于上述原因，基于纯软件的系统仿真平台得到了广泛应用，因为它可以让用户在很短的时间内迅速建立和仿真整个通信系统模型。本毕业论文主要运用 Matlab 语言编程及其 Simulink 仿真工具，完成基于 Matlab 的数字通信系统仿真平台 GUI 设计方案。论文中主要对 2ASK，2FSK，2PSK 几种调制进行建模与仿真。在 Simu
2、link 仿真环境中，我们搭建了三种基本数字调制方法的仿真模型，通过仿真结果我们能清晰的看到载波输入的波形，数字调制算法的结果。在 GUI 图形用户界面，用户只要按下几个按钮就可以对可以得到具体的数字调制仿真结果，而且演示参数变化后的动态仿真结果。通过 GUI 用户界面，我们对数字调制系统的仿真具有了一个具体的、形象的概念，不再拘谨于抽象的公式概念。开发的图形用户界面设计简单、结构一致，具有开放性、可视化、可扩展性、易于学习和维护等优点，可直接用于通信原理等课程的教学环节，增强学生对知识点的理解和减少教师课堂的教学时间，从而提高教学效率与质量。关键字：数字调制；图形用户界面；仿真；Simuli
3、nkIIAbstractModeling in digital communication, the traditional method is to build, analysis the circuit and do the functional tests. Although it can get the result that very closely to the real data, but the result is time-consuming, its method is more complex. For these reasons, software-based simu
4、lation has been widely used ,it can let users in a very short period of time to establish the whole communication system model, and carries on the simulation. This paper uses the Matlab language and Simulink simulation environment as a tool to design a communication system based on Matlab simulation
5、 platform GUI programs. The paper introduces the 2ASK, 2FSK, 2PSK three modulation Modeling and Simulation. In the Simulink simulation environment, we built three basic methods of digital modulation simulation model. Through simulation we can clearly see the input waveform by the carrier, the result
6、s of digital modulation algorithm. In the interface of GUI graphical user, the user can just press a few buttons, you can access the system for digital simulation, and get the simulation results, and understand the different simulation results of the parameters. Through the GUI user interface, we ha
7、ve a specific and image concept of the simulation of digital modulation system, and no longer restrained in the concept. The interface of the graphical users is easy to learn and simple to design, open, visualization, scalability, and maintain, etc. It can be directly used for teaching and enhance s
8、tudents to understand the knowledge points and reducing the teaching time in the class, as to improve the teaching efficiency and quality. Keywords：Digital Modulation；GUI；Smiulation；SimulinkIII目 录前言 .1第一章 数字通信系统 .21.1 数字通信系统的概念 .21.2 系统仿真的介绍 .31.3 matlab 的介绍 .31.4 本论文的研究内容 .5第二章 数字调制 .62.1 数字调制的介绍 .
9、62.2 Simulink 使用的介绍 .62.3 2ASK 的建模与仿真 .82.3.1 2ASK 的原理 .82.3.2 2ASK 调制系统的建模与仿真 .102.4 2FSK 的建模与仿真 .132.4.1 2FSK 调制的原理 .132.4.2 2FSK 调制系统的建模与仿真 .152.5 2PSK 仿真与建模 .212.5.1 2PSK 调制的原理 .212.5.2 2PSK 调制系统的建模与仿真 .22第三章 数字调制系统界面设计 .273.1 GUI 的介绍 .273.2 GUI 的操作 .283.3 调制系统 GUI 界面设计 .293.4 源程序的编写 .313.5 GUI
10、显示的结果 .31小结 .34致谢 .35参考文献 .36附录 .371前言随着现代科学技术的不断发展与进步，数字通信系统的规模与复杂度也在不断的增加，传统的设计方法已经不能再适应现在科学发展的需求，同时也为了缩短数字通信系统研究与产品开发所需的周期、降低成本，具有广泛的适应性和极好的灵活性的数字通信系统的仿真技术越来越受到重视。通信系统本身具有很强的理论性与抽象性，这给我们学习人员造成了一定的困难，虽然造成这种现象原因有很多，但其中很重要的一个原因就是缺少了直观的认识，这也是造成数字通信系统的仿真技术快速发展的重要原因之一。通信系统的仿真技术是一种可以让用户在很短的时间内建立起整个通信系统的
11、模型，并对其进行模拟仿真的技术。通信系统的仿真贯穿着整个通信系统工程设计的全过程，对整个通信系统的发展起着不可替换的作用。在电子技术与计算机技术不断发展与进步的同时，仿真软件也随之得到了不断的更新与发展。在众多的仿真软件中，由 Math Works 公司开发研制的 MATLAB 软件以及SIMULINK 仿真模块以其强大而优越的功能脱颖而出，特别是在电子信息工程科学领域中得到了广泛的应用与好评。基于上述原因，本文在面向对象方法学的指导下，提出了一种基于MATLAB 通信系统仿真平台的 GUI 设计方案。2第一章 数字通信系统1.1 数字通信系统的概念通信的目的是交换不同地点的消息，例如把地点
12、A 的消息传输到地点 B，或者反过来把地点 B 的消息传输到地点 A。需要传递的消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。消息首先在发送端转换为各种形式的电信号（通常简称为信号），然后经过各式各样的电信道（例如有线通信中的明线，电缆，无线通信中的短波、微波）传输到接收端，接收端再把接收到的电信号还原成为与发送端发送的相同的或者尽量相同的消息。信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。在通信系统中，电信号就是消息的表现形式。信通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者)，它的一般模型如图
13、 1.1 所示 2。图 1.1 通信系统一般模型按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，我们可以把通信系统分为数字通信系统和模拟通信系统两大类。模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1.2 所示。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图 1.3 所示。图 1.2 模拟通信系统模型信息源信源编码器 信道编码器 数字调制器信道数字解调器 信道译码器 信源译码器受信者噪声源图 1.3 数字通信系统模型信息源 发送设备 信道 接收设备 受信者噪声源信息源 调制器 信道 解调器 受信者噪声源3数字通信系统具有灵活，容易采用数字差分控制技术和数字加密，便于集成化，且抗
14、干扰能力强等优点，虽然数字信号比模拟信号更占带宽，但是，由于毫米波和光纤通信的出现，带宽现如今已不成问题。所以，数字通信系统更适合于现代社会对通信系统的要求，通信系统由模拟方式向数字方式的过渡是不可避免的趋势。1.2 系统仿真的介绍通信系统仿真是指在原有的通信系统要做出改进或者建立一个新通信系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果来衡量各个方案的可行性与与优异性，从中挑选出最合理的系统配置和参数设置的方案，然后再应用于实际系统中的过程。仿真是一种衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来判断原系统的性能，从而为新通信系统的建立或原通信系统的改造提供可靠的参考。通过仿真，可以
15、降低新通信系统失败的可能性，消除通信系统中潜在的瓶颈，防止对系统中的某些功能部件造成过量的负载，优化通信系统的整体性能。因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法通信系统仿真实质上就是把硬件实验的过程搬进了计算机中，可以把通信系统的仿真看做是一种软件实验。在硬件实验中，用各种各样的电子元器件制作出相应的在通信系统中理论模型所需要的各个模块，再把它们通过电缆或导线等连接在一起，然后用频谱议、示波器、误码仪等通信仪器表进行各种测量，最后分析测量所得的结果。在软件实验当中我们也是按这种过程做的，只不过是所有的通信仪器表及通信模块的功能都是通过程序来实现的，就是说通信系统的全过程在计算机内进行仿真
16、运行。虽然在软件实验的过程中，我们不可能像硬件实验那样能正式触摸得到，但因其特有的仿真功能，对于现在许多通信系统的研究来说还是非常有效的。相比之下，软件实验还具有如下一些优点：（1) 软件实验更有助于我们较为全面地研究通信系统的真个过程。有许多问题，通过硬件实验来研究可能是非常困难的，但在软件实验中却是易于解决的。（2) 软件实验具有较强的灵活性和适应性。在硬件实验中如果改变系统参数就表明要重做硬件，而在软件实验中却只要修改几个数据，甚至只要在界面上按几下鼠标就可以了。（3) 硬件实验的精确度取决于元器件性能及工艺水平，而软件实验的精度则取决于 CPU的运算速度或者说是程序的运算量。（4) 软
17、件实验系统建立开发周期短，成本低。1.3 matlab 的介绍根据不同领域的实际需要，可用于仿真的软件或语言有许多种，例如可用于电子线路和电子学统仿真的 PSPICE、EWB 仿真软件；适用于网络仿真的 OPNET、NS 仿真软件；可通用于各中仿真系统的 Visual Basic、Visual C 仿真语言等。对于通信系统仿真过程来说，最适用的仿真软件主要是 MATLAB 下的 SMULINK 仿真平台与 System View 系统仿真软件两个软件。而本论文使用的是 MATLAB 下的 SMULINK 仿真平台。MATLAB 下的 SIMULINK 仿真平台是 Math Works 公司提供
18、的一个交互式动态仿真平台，它允许用户使用模块框图来替代系统元件, 只要通过鼠标简单的拖拉就可以构建出复杂的仿4真模型，让用户避免了深奥的数学演算压力和烦琐的编程困扰,而把精力放在对系统原理的理解上，或分析调整通信系统的参数设置变化引起的系统的特性变化，加深了用户对系统的理解深度。用户使用 Simulink 可以更加方便地对系统进行可视化建模，并进行系统级仿真，其仿真结果可以完整地通过可视化模块，如频谱仪、示波器以及数据输入输出等模块显示出来，大大的减轻了系统仿真的工作量。因此，模拟仿真很适用于需要进行较复杂的数学计算的通信系统。但在现有的通信系统研发中工作中，多数通信系统都是用 MATLAB
19、语言编写的程序, 普遍存在着可重用性、可读性和可扩展性差，人机界面不友善, 学习与维护困难等缺点，即便是有些通信工程师用 SIMULINK 搭建的仿真模块来实现的通信系统分析和仿真，也多数是针对具体的问题搭建的具体的仿真模块, 需要较长时间的学习和由专人的解读才能掌握和应用, 这就使得我们的研究工作连续性不够强。面对这些问题，本论文在面向对象技术学的指导下，提出了一种通信系统仿真的 GUI 设计方案。20 世纪 90 年代发展起来的面向对象技术学，给计算机仿真的发展带来了新的生机。面向对象学是指在 编 程 过 程 中 采 用 的 封 装 、 继 承 、 多 态 的 编 程 方 法 ， 与我们对
20、实际问题自然的思维处理方式很相似，它把客观世界(即问题领域)当做由一些相互联系的事物(即对象)组成的世界。每个对象均有自己特有的内部状态和运动规律，不同对象之间的相互联系和相互作用构成了完整的客观世界，问题的答案通过对象与对象之间的通信来描述。面向对象方法能比较自然并准确地描述客观世界，从问题领域到对象分析设计阶段的映射都是平滑和直接的，所以用它开发出来的系统具有理解和维护方便的优点。对象、消息、类、封装、继承和多态构成了面向对象技术实现机制的要点。面向对象方法最基本概念就是可重用性和封装性。可重用性意味着对象间都是独立和通用的，可以多次使用在不同的系统内，而对象也可作为系统的许多组成部分；封
21、装性表明数据和过程这两个基本元素被不可分割地联系到了一起，存放到对象中，而各个对象之间则是尽可能独立无关的。在软件系统的常用的用户接口有两大类，分别为事件驱动方式的图形用户接口(GUI)和命令驱动方式的交互式问答接口。在 20 世纪 90 年代，图形用户界面(GUI)有了突飞猛进的发展，目前 GUI 已占据了用户接口的主要位置，成为各种应用软件界面的主要形式和首选。所谓图形用户界面(GUI)，就是指包含了各种各样的图形控制对象，如菜单、对话框、图形窗口以及文本输入等内容的用户界面。利用这些用户界面，用户就可以与计算机进行信息交流。图形用户界面在一定意义上来说是面向对象的。从用户的观点来看，各种
22、各样的图形控制对象是非常直观的对象，用户可以通过键盘输入或者鼠标点击来与对象进行信息的交流；从开发者的角度来看，界面中的子系统具有面向对象拥有所的性质：一个窗口可以包含多个窗口，这相当于继承了面向对象技术中聚集关系；一个窗口在不同的环境下，其显示的样式、窗口的内容则是不同，这等同于面向对象中的多态性和动态编联功能。由于图形用户界面拥有以上对象性质，可以很方便地应用面向对象技术开发出应用软件系统中的用户界面。本文采 Matlab 的图形用户界面设计向导(GUIDE)进行数字通信系统仿真平台的设计和实现。Matlab 提供的设计向导(GUIDE)包括了控制面板、事件过程编辑器、属性编辑器、菜单编器
23、辑和对齐工具五大图形用户界面编辑工具。利用计算机的图形用户界面设计向导(GUIDE)应用研究，用户可以把图形界面的外观，包括所有的图形与按钮的位置都确定下来，然后用5Matlab 的回调函数来编写并完成所要完成任务的函数代码，从而便于我们设计出一个图形用户界面。对于 Matlab 的图形用户界面来说，基于面向对象（GUI）的设计步骤一般分为以下三个部分:(1)对象或类的确定。根据所设计系统的组成，运用面向对象的方法对系统进行对象的提取或者类的确定；确认各对象或者类之间的聚合或继承的关系，将对象或者类按照层次连接在一起，使系统模型更有条理，系统结构更加清晰，也使的编程人员、维护人员更清楚对象与类
24、之间的内在联系。(2)图形用户界面的外观搭建。通过 Matlab 中 GUIDE 面板提供的按钮、文本框、对话框等控件来控制坐标轴等对象，设计出仿真平台的图形用户界面。我们在外观设计时还要考虑通信系统仿真平台 GUI 的功能需求，即操作该图形用户界面将引发何种结果。(3)图形用户界面的功能配置。按外观搭建阶段所需求的用户界面功能，针对不同的控件对象编写能够实现相应功能的回调函数代码，确保用户界面能完成所有设想的通信系统仿真功能 12。1.4 本论文的研究内容本论文的研究内容就是搭建 2ASK、2FSK 和 2PSK 数字载波调制的 Simulink 模型和图形用户界面 GUI。在 Simuli
25、nk 模型中，利用仿真模块，按照数字通信系统中数字调制方式的表达式，按需要构建出相应的仿真模型，实现相应的数字调试方式，使基带信号能在仿真系统中成功的被调制，在示波器中能显示波形的各阶段不同的波形形状。在图形用户界面设计向导(GUIDE)中设计出用户界面，设计相关参数与构成的元素，再用 MATLAB 的编程功能来回调函数，调用在 Simulink 的模型是在用户界面显示。在 GUI 界面中，点击按钮，可以打开通信系统原理模型图，并且在用户界面中能看到数字调制后的波形。用户通过仿真后所得的波形，可以看到各种数字调制的特点，以及调制波形形成的过程，区分不同的调制方式所形成的调制波形之间的区别。上述
26、是本论文的基本内容，如有可能还可以研究 4PSK 等调制方法的数字通信仿真平台。6第二章 数字调制要对数字调制算法进行仿真，首先我们就先要了解一下什么是数字调制，在了解数字调制系统的基础上就是要熟悉 Simulink 的功能与操作方式，以及常用的功能，下面我就分节的来介绍一下。2.1 数字调制的介绍要使某数字信号能够在带限信道中传输，数字信号就必须对载波信号进行调制。对于多数数字传输信号来说，由于基带信号通常具有丰富的低频成分，但在现实中的通信信道又多数有是带通特性的，因此，我们必须用数字信号来调制某一较高频的正弦波或者脉冲载波，使已调信号能够顺利通过带限信道传输。这种通过用基带信号控制高频载
27、波，把基带信号转换为频带信号的过程称为数字调制。那么已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器还原成基带信号的过程称为数字解调。通常，把数字调制和解调两个过程合起来称为数字调制，把调制与解调过程合起来的的传输系统称为数字信号的频带传输系统。不过，我们这里说的数字调制就只是指单单的数字调制过程，不包括解调部分 【2】 。现代通信系统基本上使用都是数字调制技术，主要是用于数据的传输。一般来说，数字调制技术可以分为两类：一、利用模拟方法去实现数字式调制，即把数字基带信号当成模拟信号一样来处理；二、利用数字信号的离散取值特点键控载波，从而实现数字调制。第二种方法一般称为键控法。数字调制过程中处理
28、的信号是数字信号，而载波有振幅、频率和相位3 个变量，且二进制的信号只有高低电平两个逻辑量即 1 和 0，所以调制的过程可用键控的方法。由基带信号对载波信号的振幅、频率及相位进行调制，如今最基本的也是最常用的方法有三种，即振幅调制（ ASK） 、频移键控（ FSK） 、相移键控（ PSK） 。数字调制可以分为二进制调制和多进制调制，多进制调制是二进制调制的推广，所以本文主要讨论二进制的调制与解调，多进制调制只是略微的提及一下。2.2 Simulink 使用的介绍Simulink 中的 “Simu”一词的意思是指可用于计算机仿真，而“Link”一词这代表着它能进行系统连接，即把可以通过把一系列模
29、块连接起来，搭建成复杂的系统模型。作为 MATLAB的一个重要组成部分，Simulink 由于它具有的以上描述的两大功能和特色，以及所提供的可视化仿真环境、快捷简便的操作方法，而成为目前最受欢迎的仿真软件之一。下面我们就介绍一下用 matlab 中的 Simulink 建模，首先先介绍一下 matlab 中simulink 的打开方式。在 MATLAB 的命令窗口中运行 simulink 命令，或单击工具栏中的图标，就可以打开一个 Simulink 模块库浏览器，如图 2.1 所示。而打开空白的模型窗口就是单击工具栏上的 图标或选择菜单中“File”“New”“Model”，就可以新建一个名为“untitled”的空白模型窗口。如图 2.2 所示。在空白的模型窗口中，我们选择相应的模块就可以进行我们的建模操作。
