【畢業(yè)學(xué)位論文】(Word原稿)基于Matlab通信信源仿真-電子信息科學(xué)與技術(shù)

1 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 通信信源仿真 200830800110 指導(dǎo)教師 （趙靜 副教授） 學(xué)院名稱 理學(xué)院 專業(yè)名稱 光信息科學(xué)與技術(shù) 論文提交日期 年 月 日 論文答辯日期 年 月 日 2 摘 要 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是與計算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合之后，通信系統(tǒng)和信號處理技術(shù)變得越來越靈活多樣。通信技術(shù)對社會的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。同時，各種新技術(shù)，新器件的應(yīng)用，對通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，信號編碼解碼，調(diào)制解調(diào)，信號檢測和處理方式都產(chǎn)生重大影響。而由于通信系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，計算機(jī)仿真技術(shù)因?yàn)槠鋸?qiáng)大的輔助分析能力和系統(tǒng)設(shè)計仿真的方法，越來越受大家青睞。本文將結(jié)合通信信號源的相關(guān)原理和技術(shù)，提出一個采用 序設(shè)計語言完成的通信信號源仿真系統(tǒng)。該程序能夠產(chǎn)生模擬調(diào)制信號 字載波調(diào)制信號 基本的通信信號。并且能夠進(jìn)行相應(yīng)的時域和頻域分析。另一方面，本文也都從宏觀上介紹通信信源的整體結(jié)構(gòu)，給出它的功能分析和實(shí)際應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 ： 通信信號源 信號調(diào)制 通信仿真 信號仿真 3 u ( 10642， of it a on of of a on s to of is of is of a is (1)(2)s it of On in of 4 目 錄 1 前言 . 1 信系統(tǒng)簡介 . 1 信系統(tǒng)分類 . 2 課題研究的主要內(nèi)容和目標(biāo) . 3 2 通信系統(tǒng)仿真技術(shù)介紹 . 3 信系 統(tǒng)仿真概述 . 4 信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實(shí)含義 . 4 信系統(tǒng)仿真方法 . 5 紹 . 7 真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 . 7 真計算特點(diǎn) . 8 3 基于 信系統(tǒng)信源仿真 . 9 信信源分類 . 9 于 真的模擬調(diào)制信號 . 9 M 模擬信號相位調(diào)制 仿真 . 10 M 模擬信號頻率調(diào)制仿真 . 11 M 模擬信號調(diào)幅仿真 . 13 擬信號雙邊帶調(diào)幅仿真 . 14 擬信號單邊帶調(diào)幅仿真 . 15 真結(jié)果及分析 . 17 字載波調(diào)制信號及其仿真 . 17 幅鍵控仿真 . 18 移鍵控仿真 . 19 移鍵控中 對調(diào)相和 對調(diào)相 . 20 真結(jié)果及分析 . 23 5 功能通信信源分析和應(yīng)用 . 25 4 設(shè)計 面 . 26 序設(shè)計階段 . 26 行 . 27 5. 結(jié)論 . 29 參考文獻(xiàn) . 30 附錄 程序（部分） . 31 致謝 . 47 畢業(yè)論文（設(shè)計）成績評定表 . 48 1 1 前言 本章主要介紹通信系統(tǒng)的基本概念，首先是通信系統(tǒng)的簡介，從信源到信宿一個一個的簡單 介紹；然后是通信系統(tǒng)的分類，包括有線通信系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)，基帶傳輸系統(tǒng)等等。最后，就通信系統(tǒng)目前發(fā)展?fàn)顩r以及發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡單分析，并且提出了本文要做的工作內(nèi)容和工作目的。 信系統(tǒng)簡介 通信系統(tǒng)是指傳遞或交換信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的整體。 通信是將信息從發(fā)送者傳送給在另一個時空點(diǎn)的接收者 此它們的具體設(shè)備和業(yè)務(wù)功能可能各不相問 通信流程可用如圖 圖 1 通信系統(tǒng)的一般模型 圖中所示的基本模型圖來表示。整個流程是有信源，發(fā)送設(shè)備，信 道（或傳輸媒質(zhì)），接收設(shè)備和受信者（信宿）五部分組成。而根據(jù)研究的對象及所關(guān)心的問題不同 (1)信源 信源是信息的產(chǎn)生者或足信息的形成者。報據(jù)信源產(chǎn)生信號的性質(zhì)不同 模擬信源 (如電話機(jī)和電視攝像機(jī) )輸出幅度連續(xù)的信號 ;離散信源(如電傳機(jī)、計算機(jī)等 )輸出離散的信號或文字 著計算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展 x 的種類和數(shù)是會越來越多 么調(diào)指出 信息的速率將在很大范圍內(nèi) 變化 (2)發(fā)送設(shè)備 發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和傳輸媒介匹配起來 換方式是多種多樣的 調(diào)制是最常見的變換方式。發(fā)送設(shè)備還包括為達(dá)到某些特殊要求所進(jìn)行的各種處理 密處理和糾錯編碼處理等 . (3)信道 信道足指信號傳輸?shù)拿浇椋盘柺墙?jīng)過信道傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的。傳輸媒介既 可以足有線的 二者都有多種傳輸媒介。 在信號傳輸過程中 收設(shè)備和傳輸媒介的熱噪聲和各種干擾和衰減，即信號在信道 中傳輸時 媒介的固有特性和干擾特性會直接影響變換方式的選取，如通過電異體傳播的有線信道和通過自由空間傳播的無線信道 同段的無線電波在空中傳播的途徑、性能和衰減 (衰落 )也是不同的 . (4)接收設(shè)備 接收設(shè)備的主要作用將來自信道的帶有干擾的發(fā)送信號加以處理，并從中提取原始信息，完成發(fā)送過程的逆變換 解調(diào)和譯碼 還包括多路去復(fù)用 由恤收的消息信號存在噪聲和傳輸損傷 (5)信宿 信宿是將復(fù) 原的原始信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的消息。 應(yīng)當(dāng)指出 于雙向通信，通信雙方都 發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備 為了能實(shí)現(xiàn)信息的有效傳輸，必須進(jìn)行信息的交換和分發(fā)，由傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)組成的一個完整的通信系統(tǒng)或通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。一個實(shí)際的通信系統(tǒng)由終端設(shè)備、傳輸鏈路和交換設(shè)備三大部分組成。 信系統(tǒng)分類 通信系統(tǒng)的分類方法很多 可以技傳輸信號的特征分 傳輸信號的方式分?，F(xiàn)簡單介紹幾種 . 信系統(tǒng)可分為電報通信系統(tǒng)，電 話通信系統(tǒng)，圖像通信系統(tǒng)等。 信系統(tǒng)可分為有線（電纜、光纖）通信系統(tǒng)和無線（微博，衛(wèi)星）通信系統(tǒng)。 信系統(tǒng)可分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)。 前者是將未調(diào)制的信號直接進(jìn)行傳送，例如從模擬電話機(jī)到電信局之間就是采用基帶傳愉；后者是對各種信號調(diào)制后再傳輸?shù)目偡Q，例如用調(diào)頻臺傳送的廣播信號，利用衛(wèi)星信道傳輸?shù)膱D像信號，利用有線電視電纜傳送的有線電視信號等。常見的調(diào)制方式有幅度調(diào)制，頻率調(diào)制和相位調(diào)制等。 信系統(tǒng)可分為頻分復(fù)用系統(tǒng)，時分復(fù)用系統(tǒng)和 碼分復(fù)用系統(tǒng)，在傳輸多路信號是，頻分復(fù)用就是使不同信號占據(jù)不同的頻率范圍，時分復(fù)用就是使不同信號占據(jù)不同的時間區(qū)間，碼分復(fù)用則是用一組包含互相正交的碼字的碼組攜帶多路信號。 信系統(tǒng)可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 課題研究的主要內(nèi)容和目標(biāo) 眾所周知，現(xiàn)代通信技術(shù)與人們的聯(lián)系越來越緊密，計算機(jī)和通信的緊密結(jié)合而構(gòu)成靈活多樣的通信系統(tǒng)更對社會的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。而研究本課題包括兩方面任務(wù)：其一是充分了解通信系統(tǒng)信源，包括模擬信號以及數(shù)字信號常用的傳輸方式，如幅度調(diào)制，角度調(diào) 制，振幅鍵控，頻移鍵控等。其二是掌握通信原理和仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用 其直觀地顯示各種傳輸方式，并且能夠進(jìn)行相應(yīng)的時域和頻域分析。本課題從宏觀上介紹通信信源的整體結(jié)構(gòu)。所以在現(xiàn)代通信技術(shù)中是還是比較有意義和實(shí)用價值。 2 通信系統(tǒng)仿真技術(shù)介紹 本章主要介紹通信系統(tǒng)仿真的由來，仿真的目的還有總結(jié)其現(xiàn)實(shí)意義。接下來，就對仿真的方式進(jìn)行探討，分別從仿真建模，仿真實(shí)驗(yàn)，仿真分析三個步驟介紹通信仿真的過程。最后是對本論文需要用到的軟件 行介紹。介紹過程中，會 4 給出一 些仿真工具的選擇和仿真環(huán)境的要求，還有選擇 行仿真的原因。 信系統(tǒng)仿真概述 通信系統(tǒng)是用以完成信息傳輸過程的技術(shù)系統(tǒng)的總稱。現(xiàn)代通信系統(tǒng)主要借助電磁波在自由空間的傳播或在導(dǎo)引媒體中的傳輸機(jī)理來實(shí)現(xiàn)，前者稱為無線通信系統(tǒng) 于人們對通信的要求越來越高 所以通信系統(tǒng)正迅速向著寬帶化方向發(fā)展 通信仿真是衡量通信系統(tǒng)性能的重要工具 在對通信系統(tǒng)仿真之前，首先需要研究通信系 統(tǒng)的特性 通信系統(tǒng)仿真足一個循環(huán)往復(fù)的過程 過分析建立起一個能夠在一定程度上描述原通信系統(tǒng)的仿真模型 過對仿真數(shù)粥的分析可以得到相應(yīng)結(jié)淪。然后把這個結(jié)論應(yīng)用到對當(dāng)前通信系統(tǒng)的改造中。 如果改造后通信系統(tǒng)的性能并不像仿真結(jié)果那樣令人滿意，還需要重新實(shí)施通信系統(tǒng)仿真，這時候改造后的系統(tǒng)就成了當(dāng)前系統(tǒng) 值得注意的是 人為因素至始至終起著相當(dāng)重要的作用 外，通信仿真的每個步驟都需要進(jìn)行人工干預(yù)，人對當(dāng)前的程序做出重要的判斷 信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實(shí)意義 近年來數(shù)字通信技術(shù)高速發(fā)展，尤其與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合后，通信系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，各種新技術(shù)新器件不斷涌現(xiàn)，如廉價高速的數(shù)字信號處理芯片 (超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷晒鈱W(xué)器件以及微波單片集成電路和光纖技術(shù)的廣泛應(yīng)用 制解調(diào)、信號檢測和處理方式都產(chǎn)生了重大影響。而硬件系統(tǒng)的高度集成化和信號處理的軟件化迫使工程 設(shè)計人員投入更多的時間和精力進(jìn)行系統(tǒng)性能分析和評拈，并對系統(tǒng)設(shè)計問題進(jìn)行研究。因此強(qiáng)大的計算機(jī)輔助分析與設(shè)計工具和系統(tǒng)仿真方法，作為將新技術(shù)理淪成果轉(zhuǎn)換為實(shí)際產(chǎn)品的高效且低成本途徑越來越受到業(yè)界青睞。近年來在通信系統(tǒng)建模、分析和仿真評估鎖城己經(jīng)發(fā)展了大量的計算機(jī)輔助技術(shù) (1)基于理論分析的解析方法 等?；诶碚摲治龅慕馕龇椒ㄍ糜谙到y(tǒng)設(shè)計和性能分析的初期 解析分析往往建立在對 系統(tǒng)模型大盆簡化的基礎(chǔ)上 通過解析方法評估性能往往極其州難 即使存在簡化模型下的解析結(jié)果 (2)結(jié)合通信系統(tǒng)硬件原型和測試設(shè)備的計算機(jī)軸助仿真方法 革于系統(tǒng)硬件原型和測試設(shè)備方法成本斑高 到技術(shù)和設(shè)備條件的限制 所以不可能用于系統(tǒng)方案的設(shè)計階段 . (3)基于純軟件的系統(tǒng)仿真方法 然后通過計算機(jī)來模擬系統(tǒng) 行為、波形以及信號通過系統(tǒng)的過程。并對系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真測試和統(tǒng)計分析的一系列方法。 例 111 建模和軟件仿真技術(shù) 而且模型無針對解析分析簡化 也更加接近實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況 . 利用系統(tǒng)仿真方法，可以迅速構(gòu)建一個通信系統(tǒng)模型，為通信和信號處理系統(tǒng)的設(shè)計和分析提供一個便捷高效和精確的評估平臺 而使測試過程和評估過程統(tǒng)一起來。協(xié)同工作 最終使得設(shè) 計結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境相吻合，保證后期產(chǎn)品化過程順利進(jìn)行。 信系統(tǒng)仿真方法 通信系統(tǒng)仿真一般分三個步驟： 仿真建模是根據(jù)實(shí)際通信系統(tǒng)建立仿真模型的過程，它是整個通信仿真過程中的一個關(guān)鍵步驟，因?yàn)榉抡婺Ｐ偷暮脡闹苯佑绊懼抡娴慕Y(jié)果以及仿真結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。 仿真模型是對實(shí)際系統(tǒng)的一種模擬和抽象，但又不是完全的復(fù)制。仿真模型的建立需要綜合考慮其可行性和簡單性。在仿真建模過程中，我們可以先建立一個相對簡單的仿真模型，然后再根據(jù)仿真結(jié)果和仿真過程的需要逐步增加仿真模 型的復(fù)雜度。 6 在仿真建模過程中，首先需要分析實(shí)際系統(tǒng)存在的問題或設(shè)立系統(tǒng)改造的目標(biāo)，并且把這些問題和目標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)變量和公式。有了這些基本的仿真目標(biāo)之后，下一步是獲取實(shí)際通信系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)，如通信系統(tǒng)占用的帶寬及其頻率分布，系統(tǒng)對于特定的輸入信號產(chǎn)生的輸出等。同時，對于通信系級中的各個隨機(jī)變量，可以采集這些變量的數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)學(xué)工具來確定隨機(jī)變量的分布特性。 有了上面的準(zhǔn)備工作，下一步就可以通過仿真軟件來建造仿真模型了。最簡單的工具是采用 C 語言等編程工具直接編寫仿真程序，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是效率高 ，缺點(diǎn)則是不夠靈活，沒有一個易于實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互界面，不便于對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。除此之外，還可以采用專門的仿真軟件建造仿真模型 ，這些軟件具有各自不同的特點(diǎn)適用于不同層次的通信仿真。例如，物理層仿真通常采用的仿真軟件包括網(wǎng)絡(luò)層仿真則適用采用 在完成仿真模型的軟件實(shí)現(xiàn)之后，還需要對這個仿真模型的有效性進(jìn)行初步的驗(yàn)證。有種簡便的驗(yàn)證方法是采用特定的已知輸入信號，這個輸入信號分別通過仿真模型和實(shí)際系統(tǒng)產(chǎn)生兩種輸出信號。如果仿真模型的輸出信號與實(shí)際系統(tǒng)的輸出信號比較吻 合，說明這個仿真模型與原系統(tǒng)具有較好的相似性。當(dāng)這兩種輸出信號差別很大時，最好先檢查一下仿真模型的內(nèi)部鏈接和設(shè)置，找出造成這種差異的原因。 仿真實(shí)驗(yàn)是一個或一系列針對仿真模型的測試。在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，通常需要多次改變仿真模型輸入信號的數(shù)值，以觀察和分析仿真模型對這些輸入信號的反應(yīng)，以及仿真系統(tǒng)在這個過程中表現(xiàn)出來的性能 真過程中使用的輸入數(shù)據(jù)必須具有一定的代表性，即能夠從各個角度顯著地改變仿真輸出信號的數(shù)值。 實(shí)施仿真之前需要確定的另外一個因素是性能尺度。性能尺度指 的是能夠衡量仿真過程中系統(tǒng)性能的輸出信號的數(shù)值，因此，在實(shí)施仿真之前，首先需要確定仿真過程中應(yīng)該收集哪些仿真數(shù)據(jù)多少數(shù)據(jù)。，這些數(shù)據(jù)以什么樣的格式存在，以及收集多少數(shù)據(jù)。 最后，還應(yīng)該明確各個輸入信號的初始設(shè)置以及仿真系統(tǒng)內(nèi)部各個狀態(tài)的初始值。仿真的運(yùn)行實(shí)際上是計算機(jī)的計算過程，這個過程一般不需要人工干預(yù)，花費(fèi)的時間由仿真的復(fù)雜度確定 該使仿真系 7 統(tǒng)在取不同參數(shù)值時具有相同的輸入信號 (或相同的隨機(jī)輸入信號 )，這樣才能夠保證分析和比較的客觀性和可靠性 仿真分析是一個通信仿真流程中的最后一個步驟。在仿真分析過程中，用戶己經(jīng)從仿真過程中獲得了足夠多的關(guān)于系統(tǒng)性能的信息，但是這些信息只是一些原始數(shù)據(jù)，一般還需經(jīng)過數(shù)值分析和處理才能夠獲得衡量系統(tǒng)性能的尺度，從而獲得對仿真系統(tǒng)性能的一個總評價。常用的系統(tǒng)性能尺度包括平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值等，它們從不同角度描繪了仿真系統(tǒng)的性能。 如果仿真過程需要一定的時間才能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，在對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理時一般要忽略最初的若干個數(shù)據(jù)，而只考慮平衡之后的輸出。對于仿真尺度不隨時間變化的平衡系統(tǒng) (還可能涉及到對輸出變量穩(wěn)定狀態(tài)的求解。 另外一個需要注意的地方是，即使仿真過程中收集的數(shù)據(jù)正確無誤，由此得到的仿真果并不一定就是準(zhǔn)確的。造成這種結(jié)果的原因可能是輸入信號恰好與仿真系統(tǒng)的內(nèi)部特性吻合，或者輸入的隨機(jī)信號不具有足夠的代表性。 圖表是最簡潔的說明工具，它具有很強(qiáng)的直觀性，便于分析和比較，因此，結(jié)果一般都繪制成圖表形式。我們使用的仿真工具一般都具有很強(qiáng)的繪圖功能，能夠便捷繪制各種類型的圖表。 以上就是通信仿真的一個循環(huán)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，仿真分析并不一定意味著通信仿真過的完全結(jié) 束。如果仿真分析得到的結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)，型，這時候仿真分析就成為了另外一個循環(huán)的開始。用戶還需要重新修改通信仿真模型。 紹 真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 生于 20 世紀(jì) 70 年代，是由 士和他的同事編寫的。 1980年，時任新墨西哥大學(xué)任數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)教授的 士開發(fā)了 程序，但是，博士發(fā)現(xiàn)學(xué)生們在使用這兩個程序庫時，存在接口程序不好寫的問題。于是 士就自己動手，在業(yè)余時間里編寫接口程序，取名為 為矩陣（ 實(shí)驗(yàn) (組合。 8 現(xiàn)后，就以良好的開放性和運(yùn)行的可靠性被稱為國際控制界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)計算軟件。由于 長于數(shù)值計算，能處理大量的數(shù)據(jù)，而且效率很高，所以在歐美的大學(xué)里廣泛使用，諸如應(yīng)用代數(shù)，數(shù)理統(tǒng)計，自動控制，數(shù)字信號處理，模擬與數(shù)字通信，時間序列分析，動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書，都把 入其中。而且更加成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生，碩士生，博士生必須掌握的基本 工具之一。 真計算特點(diǎn) 應(yīng)用 其是應(yīng)用其工具包 行仿真已經(jīng)成為當(dāng)今仿真領(lǐng)域的主流方法，它的應(yīng)用如此廣泛正是因?yàn)槠渑c眾不同的特點(diǎn)。 有非常友好的界面，提倡將模型通過框圖的形式表示出來，允許隨意修改模塊的參數(shù)，允許用戶將已有的模型添加組合到一起，或者將自己創(chuàng)建的模塊添加到模型當(dāng)中，并且可以直接無縫地使用 分析工具，對最后得到的結(jié)果進(jìn)行分析，并能夠?qū)⒔Y(jié)果可視化顯示。 一個意圖就是讓用戶在使用 過這個平臺，可以激發(fā)用戶不斷地提出問題，對問題進(jìn)行建模。 對建模， 供了非常方便的圖形建模方式，通過單擊和拖放鼠標(biāo)搭建框圖來完成仿真模型的簡歷，實(shí)現(xiàn)所見即所得，通過 供的窗口，搭建框圖就如同用鉛筆在白紙上畫圖一樣方便，快捷。與以前將微分方程攜程某種語言或程序相比，無疑是一個創(chuàng)舉。 用 C 語言寫的由于 C 語言的良好移植性，因而 可以方便地移植到能運(yùn)行 C 語言的平臺上，適合 工作平臺有： 臺， ，除了內(nèi)部函數(shù)外， 有核心文件和工具箱的文件都是公開的，都是可讀可寫的源文件。 一種面向科學(xué)計算與工程計算的高級語言，允許用數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序，被稱為第四代計算機(jī)語言，比 C/C+等語言更加接近人們書寫計算公式。因此， 言也可通俗地稱為演算紙式科學(xué)算法語言。 9 繪圖是十分方便的，它有一系列的繪圖函數(shù)，只需要調(diào)用不同的繪圖函數(shù)，在圖上表上圖題， x/y 軸標(biāo)注。另外，在調(diào) 用繪圖函數(shù)時調(diào)整自變量可繪制出不同顏色的點(diǎn)，線，復(fù)線或多重線，這種為科學(xué)研究著想的設(shè)計，通過其他編程語言實(shí)現(xiàn)都是比較麻煩的。 3 基于 信系統(tǒng)信源仿真 本章將通過 通信信源進(jìn)行仿真，首先是說明通信信源分類，然后分別就是模擬調(diào)制信號的仿真和數(shù)字調(diào)制信號的仿真。仿真的同時能夠進(jìn)行時域和頻域的分析，并且能夠設(shè)置信號的參數(shù)。 信信源分類 通信信源可以根據(jù)信號方式不同，通信可以分為模擬通信和數(shù)字通信。模擬通信在 20 世紀(jì)曾廣泛應(yīng)用，如軍事通信，短波通信等。隨著通信發(fā)展，數(shù)字化是趨勢，但是，模擬技術(shù)也不可能被代替，因?yàn)槟M技術(shù)是通信理論的基礎(chǔ)、 而數(shù)字通信有很多優(yōu)點(diǎn)，通過抽樣，量化，編碼三個步驟就能對模擬信號數(shù)字化，經(jīng)過對模擬信號的離散化處理，然后就可以進(jìn)行進(jìn)行編碼。 隨著通信技術(shù)發(fā)展，根據(jù)這兩種通信信號的調(diào)制方式已經(jīng)越來越多，比如模擬信號有 ,等；而數(shù)字信號的也有 等；根據(jù)統(tǒng)計，目前通信信源的種類達(dá)到 20 多種。下面將跟隨我們的論文，初步了解模擬通信和數(shù)字通信信源的實(shí)質(zhì)。 于 真的模擬調(diào)制信號 模擬調(diào)制技術(shù)在 20世紀(jì)中曾有較大的應(yīng)用，如軍事通信、短波通信、模擬移動通信、模擬調(diào)頻廣播和模擬調(diào)幅廣播等。模擬通信是利用模擬信號作為載體來傳送消息的。例如，在電話通信中，用戶線上傳送的電信號是隨著用戶聲音大小的變化而變化的，這個變化的電信號無論在時間上還是在幅度上都是連續(xù)的，這種信號稱為模擬信號。 模擬通信系統(tǒng)一般模型可以由圖 1 略加修改得到，即將其中的發(fā)送設(shè)備和接受設(shè)備分別用調(diào)制器和解調(diào)器替代。如下面圖 2 所示。 10 圖 2 模擬通信系統(tǒng)模型 本文 研究了各種模擬調(diào)制技術(shù)的 真，包括幅度調(diào)制，常規(guī)幅度調(diào)制抑制載波雙邊帶調(diào)幅 單邊帶調(diào)幅 和頻率調(diào)制 ，相位調(diào)制 M 模擬信號相位調(diào)制仿真 相位調(diào)制，是角度調(diào)制的一種。就是用基帶調(diào)制信號去控制載波的 相位，即載波角度變化。 相位調(diào)制 頻率調(diào)制 常相似，如果預(yù)先不知道調(diào)制信號的具體形式，則無法判斷已調(diào)信號是調(diào)頻信號還是調(diào)相信號。如果將調(diào)制信號先微分，而后進(jìn)行調(diào)頻，則得到的是調(diào)相信號（如下圖 a 所示）。同樣，如果將調(diào)制信號先積分，而后進(jìn)行調(diào)相則得到的是調(diào)頻信號（如下圖 b 所示）。 圖 3 調(diào)相信號與調(diào)頻信號產(chǎn)生模型 11 調(diào)相信號的時域和頻域表達(dá)式： )t(c o s ()(S p m 式中， A 為載波的恒定振幅； )(c o s )(S p m tK p 通過 m=t)信號進(jìn)行仿真，使用 u=*pi*fc*t+語句，實(shí)現(xiàn)了 制。詳細(xì)的程序請參考后面附錄程序。圖 4 信號的相位調(diào)制 從圖中可以看出，由于相位的改變，相位調(diào)制后的波形產(chǎn)生變化，變成相位不一的正弦信號。 M 模擬信號頻率調(diào)制仿真 而角度調(diào)制的另外一種方式就是頻率調(diào)制。同樣的，就是通過基帶調(diào)制信號去控制 載波的頻率，即載波角度變化，就是頻率調(diào)制 根據(jù)上面關(guān)于角度調(diào)制的分析，如果將調(diào)制信號先積分，而后進(jìn)行調(diào)相則得到的是調(diào)頻信號。由此我們可以推出頻率調(diào)制的表達(dá)式。 )(co s )(S f m t 12 鑒于在實(shí)際應(yīng)用中多采用 號，下面集中討論頻率調(diào)制。調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào) 1. 調(diào)頻信號的產(chǎn)生 產(chǎn)生調(diào)頻信號的方法通常有兩種：直接法和間接法。 （ 1）直接法 就是利用調(diào)制信號直接控制振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號的規(guī)律線性變化。 振蕩頻率由外部電壓控制 的振蕩器叫做壓控振蕩器（ 它產(chǎn)生的輸出頻率正比于所加的控制電壓， 即 )()(w0 其中， 外加控制電壓為 0 時壓控振蕩器的自由振蕩頻率，也就是壓控振蕩器的中心頻率。若用調(diào)制信號作控制電壓，產(chǎn)生的就是 。 直接法的主要優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下，可以獲得較大的頻偏。缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度不高，往往需要附加穩(wěn)頻電路來穩(wěn)定中心頻率。 （ 2）間接法 如前所述，間接調(diào)頻法是先對調(diào)制信號積分，再對載波進(jìn)行相位調(diào)制，從而產(chǎn)生調(diào)頻信號 。但這樣只能獲得窄帶調(diào)頻信號。為了獲得寬帶調(diào)頻信號，可利用倍頻器再把 號變換成 號。其原理如下圖示。 圖 5 間接調(diào)頻框圖 圖 6 窄帶調(diào)頻信號產(chǎn)生 采用右圖所示的方框圖來實(shí)現(xiàn)窄帶頻率調(diào)制。 通過 m=t)信號進(jìn)行仿真，使用 u=*pi*fc*t+2*pi*kf*語句，實(shí)現(xiàn)了 制。詳細(xì)的程序請參考后面附錄程序。 得到的 率調(diào)制信號如下圖所示： 13 圖 7 信號的頻率調(diào)制 從圖中可以看出，由于頻率的改變，頻 率調(diào)制后的波形產(chǎn)生變化，變成頻率不一的正弦信號。 另外，信號頻率調(diào)制的波形與相位調(diào)制的波形很相似。兩種調(diào)制方式下，載波的幅度都是恒定不變的。如果單從信號波形來看，很難判斷已調(diào)信號時調(diào)相信號還是調(diào)頻信號。可見，只有與調(diào)制信號結(jié)合來看，才能區(qū)分波形是調(diào)頻波還是調(diào)相波。 M 模擬信號調(diào)幅仿真 通過基帶調(diào)制信號控制載波幅度改變，以實(shí)現(xiàn)基帶信號的頻譜搬移，這是幅度調(diào)制。幅度調(diào)制是指正弦載波的幅度隨調(diào)制信號線性變化的過程。 若載波信號為 )0c o s ()(c A 為載波幅度， 載波角頻率。則調(diào)制后的已調(diào)信號為： )t) ( c o s()(S 0 式中 m(t)是基帶調(diào)制信號。假設(shè)基帶調(diào)制信號 m(t)的頻域?yàn)?M(w)，而幅度調(diào)制信號的頻譜為： 從 式子看出，幅度調(diào)制信號的頻譜已經(jīng)從基帶域搬移到另外一個頻域。通過 14 m=t)信號進(jìn)行仿真，使用 u=(1+a*c; 的語句，實(shí)現(xiàn)了 制。詳細(xì)的程序請參考后面附錄程序。 如下圖所示 。 用 擬幅度調(diào)制的過程。 圖 8 信號的幅度調(diào)制 從圖中可以看出，在時域上，原信號是一個完整的正弦信號，載波信號是頻率不同的另外一個正弦信號。兩者相乘以后，基帶調(diào)制信號控制了載波幅度產(chǎn)生改變。產(chǎn)生幅度調(diào)制信號波形。而在頻域上，原函數(shù)的頻譜處于基帶處，在載波信號作用下，原信號的頻 譜結(jié)構(gòu)在頻域中簡單搬移，而頻譜結(jié)構(gòu)并沒有改變。 號的頻譜是由載頻分量和上、下兩個邊帶組成。上邊帶的頻譜與原調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。顯然，無論是上邊帶還是下邊帶，都含有原調(diào)制信號的完整信息。故 號是帶有載波的雙邊帶信號，它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍。 擬信號雙邊帶調(diào)幅仿真 在常規(guī)雙邊帶調(diào)幅中載波功率是無用的，因?yàn)檩d波不攜帶任何信息，信息完全由邊帶傳送。如果要將載波抑制，只需不附加直流分量即可得到抑制載波的雙邊帶調(diào)幅。 這種調(diào)制方式叫做抑制載波雙邊帶調(diào)幅方式，簡 稱為雙邊帶調(diào)幅，也稱 種調(diào) 15 幅方式是在標(biāo)準(zhǔn) 幅波中去除其中的載波分量得到的，優(yōu)點(diǎn)在于這種調(diào)幅波的發(fā)射功率在不影響信號傳輸?shù)耐瑫r要比 小，節(jié)省了發(fā)射功率，但其解調(diào)電路要比解調(diào)電路更復(fù)雜。 此時的 號實(shí)質(zhì)上就是原信號 m(t)與載波 的時域表達(dá)式是： cc o s)()(S D 使用 m=t)信號進(jìn)行仿真，使用 c=*pi*t)的語句，實(shí)現(xiàn)了 制。詳細(xì)的程序請參考后面附錄程序。 下圖是用 擬幅度調(diào)制的過程 。 圖 9 邊帶信號仿真波形 從圖中可以看出， 號波形類似于 度調(diào)制的波形，但是周期比 制小，所以功率也比 少很多。 擬信號單邊帶調(diào)幅仿真 單邊帶信號 本質(zhì)上來說也是一種調(diào)幅信號，它出自于調(diào)幅，但是不同于幅度調(diào)制。調(diào)幅波是一個載波幅度跟隨調(diào)制音頻幅度變化而變化 的調(diào)制方式。只有清楚的知道調(diào)幅波的頻譜特征才能準(zhǔn)確的掌握單邊帶。 調(diào)幅的信號進(jìn)行分解將得到兩種有用頻譜。頻率低于載頻的譜線為下邊帶（ 16 頻率高于載頻的譜線為上邊帶（ 在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)幅波要發(fā)射出去 3 個頻率分量 (載波 ,上邊帶 ,下邊帶 ),而且不攜帶有用信息 (音頻 )的載波在發(fā)射功率中又占了大部分功率份額 在調(diào)幅波頻譜中的上下兩個邊帶都含有相同的信息 ,而且載波并不含有有用信息。那么 ,只傳送一個邊帶也就可以完成信息的傳送 ,為了提高發(fā)射功率的效率 ,而把其中一個邊 帶和載波都消除掉。這個過程就叫做單邊帶調(diào)制，而最終輸出的無線電信號就叫做單邊帶信號（ 根據(jù)發(fā)送邊帶的不同單邊帶信號有可分為上邊帶信號（ 下邊帶信號（ 圖 10 邊帶信號模型 號的時域表示式如下： cC s 21c o s)(21)(S 式中， “ ”對應(yīng)上邊帶信號 “+”對應(yīng)下邊帶信號 使用 m=t)信號進(jìn)行仿真，使用 c=pi*t)和 b=pi*t)語句分別實(shí)現(xiàn)同向分量和正交分量的仿真，實(shí)現(xiàn)了 制。詳細(xì)的程序請參考后面附錄程序。 下圖是用 擬幅度調(diào)制的過程 。 17 圖 11 邊帶信號仿真波形 如圖所示， 邊帶信號仿真波形的時域與頻域分析仿真出來了。明顯上下邊帶的調(diào)幅，對于信號的改變是顯著的。從 號調(diào)制波形中可以清楚地看出， 號頻譜的一個邊帶，其帶寬為 號的一半，與基帶信號帶寬相同。單邊帶幅度調(diào)制的效率也為 100%。從 號調(diào)制原理中不難看出， m(t)成正比，因此 號的解調(diào)也不能采用簡單的包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)。 真結(jié)果及分析 仿真結(jié)果見上面各圖，經(jīng)過仿真后，幅度調(diào)制 率調(diào)制 位調(diào)制 邊帶調(diào)幅 邊帶調(diào)幅 波形各有特色。在現(xiàn)實(shí)生活中，每種調(diào)制方法都各有擅長： （ 1） 制的優(yōu)點(diǎn)是接受設(shè)備簡單，但是缺點(diǎn)是功率利用率低，抗干擾能力差，信號帶寬較寬。因此 用于中波和短波的調(diào)幅廣播中。 （ 2） 優(yōu)點(diǎn)是功率利用高，但帶寬與 同 ，存在頻帶利用率不高的問題。設(shè)備要求復(fù)雜，只用于點(diǎn)對點(diǎn)通信。 （ 3） 優(yōu)點(diǎn)是功率利用和頻帶利用率都較高，抗干擾和抗衰落能力都優(yōu)于 且?guī)捴挥?半、同樣，設(shè)備都比較復(fù)雜，所以多用于短波的無線電廣播和頻 18 分復(fù)用系統(tǒng)中。 （ 4） 幅度恒定不變，給 來抗快衰落能力。因而從 生出來的 用于小型通信機(jī)。 字載波調(diào)制信號及其仿真 數(shù)字調(diào)制就是用數(shù)字基帶信號對載波的某些參量進(jìn)行 調(diào)制。是載波的這些參量能夠反映基帶信號的變化。實(shí)現(xiàn)將信號頻譜搬移到較高的帶通型信道的通帶內(nèi)。 現(xiàn)代通信發(fā)展趨勢為數(shù)字化，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字調(diào)制技術(shù)日趨成熟，在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)同。下面將對幾種常用的數(shù)字調(diào)制信號進(jìn)行仿真，包括有：二進(jìn)制振幅鍵控 2進(jìn)制頻移鍵控 2進(jìn)制相移鍵控 2字載波模擬系統(tǒng)的模型如下： 圖 12 數(shù)