基于MATLAB的模拟信号的数字传输研究与仿真本科毕业设计论文

题目基于MATLAB的模拟信号的数字传输研究与仿真

齐鲁工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明

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年月日年月日

目录

摘要.......................II 第一章绪论 (5)

1.1课题研究的意义 (5)

第二章通信原理理论基础 (6)

2.1通信系统的组成及模型 (7)

2.2系统开发工具MATLAB简介 (9)

第三章模拟信号的数字传输 (12)

3.1模拟信号的数字传输模型 (12)

3.2抽样定理 (12)

3.3模拟信号的量化 (13)

3.4编码 (14)

3.5基于MATLAB的模拟信号数字化的仿真实现 (15)

第四章数字信号的频带传输 (21)

4.1数字调制与解调原理 (21)

4.2二进制振幅键控（2ASK） (22)

4.3二进制移频键控（2FSK） (27)

4.4二进制移相键控（2PSK）和二进制差分相位键控（2DPSK）28 4.5二进制数字调制系统的性能比较 (29)

第五章数字基带传输中码间串扰的消除 (31)

5.1数字基带传输模型 (31)

5.2码间串扰的产生 (32)

5.3码间串扰的解决方法 (32)

5.4无码间串扰系统设计 (33)

5.5仿真结果及分析 (34)

参考文献 (37)

致谢 (38)

I

摘要..................................................................................... III ABSTRACT ............................................................................ III 第一章绪论 . (5)

1.1课题研究的意义 (5)

第二章通信原理理论基础 (6)

2.1通信系统的组成及模型 (7)

2.2系统开发工具MATLAB简介 (9)

第三章模拟信号的数字传输 (12)

3.1模拟信号的数字传输模型 (12)

3.2抽样定理 (12)

3.3模拟信号的量化 (13)

3.4编码 (14)

3.5基于MATLAB的模拟信号数字化的仿真实现 · 15

4.1数字调制与解调原理 (21)

4.2二进制振幅键控（2ASK） (22)

4.3二进制移频键控（2FSK） (27)

4.4二进制移相键控（2PSK）和二进制差分相位键

控（2DPSK） (28)

第五章数字基带传输中码间串扰的消除 (31)

5.1数字基带传输模型 (31)

5.2码间串扰的产生 (32)

5.3码间串扰的解决方法 (32)

II

5.4无码间串扰系统设计 (33)

5.5仿真结果及分析 (34)

参考文献 (37)

致谢 (38)

摘要

社会的发展越来越快，对通信系统的要求也就相应的越来越高。一方面，通信系统的功能只有越来越强，性能只有越来越高才能适应时代的要求；另一方面，开发商又要求通信系统技术研究和产品低成本、高水平和短周期。由于存在这两个相互冲突、尖锐对立的要求，所以需要使用高效的计算机辅助分析工具和技术才能使两个要求同时得到解决。仿真软件强大的功能和技术，使得通信系统仿真的准备、分析和设计过程变得非常轻松、直观和便捷。因此，通信系统仿真技术在当代得到了相当快速的发展。通信系统具有显著的特点：广泛的适应性和非常好的灵活性，这对我们更好地研究通信系统性能非常有帮助。

MATLAB是通信系统仿真的重要工具，具有强大的数值计算、图像处理和图形绘制等功能，是一种非常强大的科学计算语言，应用非常广泛。利用MATLAB 这些强大的功能来进行通信系统仿真，我们可以更加直接的了解通信系统，而且印象更加深刻，从而获得事半功倍的学习效果。通过MATLAB对通信系统的仿真，我们可以解决信号的基带传输、频带传输和码间串扰等问题。另外，通过MATLAB 对通信系统的仿真，我们可以加深对信号调制解调、误码率分析以及数字基带通信系统性能分析的了解。这样有利于通信系统与MATLAB验证的同步进行的实现，也有利于我们更好地了解和掌握MATLAB在通信系统仿真中的应用与实践。

关键词：MATLAB 通信系统仿真基带传输频带传输码间串扰

ABSTRACT

With the development of modern society,the requirement of communication system is corresponding higher and higher.On the one hand,functional communication system is only getting stronger,performance is getting higher that to meet the needs of the times;on the other hand, the developer has requested the communication system technology research and product lowcost, high-level and short cycle. Because of existing these two requirements that sharply conflicting and conflict with each other,

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so we need to use efficient computer-aided analysis tools and techniques to make two requests at the same time to be resolved. Powerful simulation software and technology, making communications system simulation preparation, analysis and design process has become very easy, intuitive, and convenient. Therefore, the communication system simulation technology in contemporary development has been very fast. Communication system has significant features: wide range of adaptability and flexibility is very good, which we better study the communication system performance is very helpful.

MATLAB is an important tool for communication system simulation,with a powerful numerical calculation, image processing and graphics rendering and other functions, it is a very powerful scientific computing language, is widely used. These powerful capabilities of MATLAB to carry out communications system simulation, we can be more direct knowledge of communications systems, and more impressive, thereby obtaining learning multiplier effect. By MATLAB simulation of communication systems, we can solve baseband transmission signal transmission between the band and the ISI and other issues. In addition, the communication system by MATLAB simulation, we can deepen the understanding of signal modulation and demodulation, bit error rate analysis and digital baseband communications system performance analysis. This will help achieve a communication system with MATLAB verification carried out simultaneously, but also help us to better understand and master the MATLAB application and practice in the communication system simulation.

Keywords：MATLAB；Communication System Simulation；Baseband transmission Band transmission；Intersymbol interference

IV

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第一章绪论

1.1课题研究的意义

1.通信系统仿真的重要意义

仿真是衡量系统性能的重要工具，通信系统仿真模型的仿真结果，可以帮助我们有效的判断原通信系统的性能，为系统的改造或者新系统的构建提供可靠的依据。我们通过仿真可以降低系统开发失败的可能，消除系统中潜在的问题，优化系统的整体性能，有效解决系统中某些功能部件过量负载的问题。所以，仿真是工程建设和科学研究工作中必不可缺的方法。

随着社会的发展，通信系统的功能和结构变得越来越复杂，要求越来越高，改变参数设置、改变系统结构或者对系统作出任何改变都将影响整个系统的稳定性和性能的优良性。所以，对系统进行仿真和建模是非常有必要的。通过通信系统仿真结果来考量方案的可执行性，从通信系统仿真结果中选择最为合理的设置参数和通信系统的配置，最后应用于被仿真的原来的系统中，这整个过程就称为通信系统仿真。跟大多数仿真过程相似，我们在对某一个通信系统进行仿真之前，第一步，首先要了解和分析这个通信系统的特征和性能；第二步，进行归纳并基础的建立这个通信系统的仿真模型。

在过去的几十年里，通信系统的复杂程度和信号处理系统的复杂程度都得到了明显地提高，伴随而来的是新技术的出现。复杂程度的提高使得系统设计和分析的时间、精力也相应提高，但是现在商用产品要求系统设计能做到省时、省力、高效，这些要求与问题，只有通过先进的计算机辅助分析技术和高效的设计工具才可能得到实现和解决。通信系统仿真是通信系统工程设计的关键一步，在通信系统工程设计中起着十分重要的作用。通信系统仿真不仅使得通信工程设计变得轻松便捷，也使通信系统的性能得到了极大的改善，功能也大大增加。时代在进步，社会在进步，通信系统仿真不仅对于通信工程设计起着十分重要的作用，也对推动社会的发展有着极为重要的影响。

2.基于MATLAB的模拟信号的数字传输研究与仿真国内外发展现状

数字化的提出可以从脉冲编码调制的出现开始谈起。1937年，里夫提出了用脉冲编码调制对语音信号编码。因为脉冲编码调制的优点相当多，比如说：比较容易加密、不像模拟信号传输那样出现噪声积累等等。但这在那个时代成本太大，无法实现，没有办法实用化。时间追溯到第二次世界大战期间，当时的美军曾开发24路PCM系统并应用于军事中，取得了非常不错的保密效果。但这套系统在商业上应用却等到了20世纪70年代，用来取代当时在商业上普遍采用的载波系统。在国内，我国在70代初期决定采用30路的一次群标准，到了80年代，30路的一次群标准才初步应用于商业，并且开始了数字化通信的发展方向。数字化通信发展的另一个方向是计算机通信的发展，两者紧密相关。伴随着计算机

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功能的逐渐强大，普遍性日益增强，计算机与计算机之间的信息共享成为了其功能发展扩大的必需。我国在1972年投入使用的阿巴网，就是60年代多次研究的成果的体现。

如上所述，现代通信系统中的信息传输已经基本实现了数字化传输且发展势头迅猛。比如说在常见的广播系统中，现在大多数广播系统还是以模拟系统为主，但是数字化的潮流不可避免，因为数字化的质量是模拟方式不能相比的。数字声频广播和数字电视现已经出现在千家万户中，是随处可见的必需品。当今社会，数字化是潮流，已经基本取代了模拟系统，模拟系统已走到末路，必将淹没在时代的潮流中。另外，设备的数字化发展迅速。无论是无线电技术还是调制解调等模拟运算数字化，都是设备超小型化和功能的多样化具备了实现的技术和理论基础，数字化进程日新月异，正处在不断发展的大好时期。最近几年，计算机技术、网络应用技术、信号处理技术以及通信技术发展迅猛，通信系统仿真技术也得到了非常快速的发展，在应用方面的影响力也不断增加。

在众多功能强大的通信系统仿真工具中，MATLAB以其强大的可视化功能、开放式的可扩展环境、简单的操作性、轻松的编程语言以及面向不同领域的多达三十种工具箱的支持成为其中的佼佼者。MATLAB应用于多种领域，是计算机辅助分析、设计以及应用开发和算法研究的基本开发平台和工具。而且，MATLAB 具有其他许多语言难以企及的优势：编写语句轻松容易、编程高效、学习容易和轻松掌握等。MATLAB不仅能够提高工程人员的工作效率，还能改善工程人员的设计手段。通信技术是当代信息技术中一个不可或缺的组成部分，而MATLAB则是通信系统仿真的重要工具，已经成为各种科学算法的默认软件。纵观通信技术的发展历史，大体可以分为以下三阶段：

第一阶段是人与人之间依靠语言和文字通信的阶段。

第二阶段是电通信阶段。

第三阶段是电子信息通信阶段。现代通信技术的主要内容和发展方向，是以光导纤维通信为主体，无线电通信、卫星通信为辅助的宽带化、综合化、个人化以及智能化的通信网络技术。从国外通信技术的发展历史来看，大概从70年代开始，通信就已经进入了现代通信的新时代，目前各项通信技术的发展正处在跨越、迅猛发展的紧要时期。具体来说，数字通信系统的发展是一个必然的大趋势。MATLAB在数字通信系统中的应用变得日益广泛，处在一个十分重要的位置。

第二章通信原理理论基础

在模拟信号数字化传输中主要应用了大量的通信原理基础知识及理论。本章主要介绍通信系统的概念及组成，包括通信系统的一般模型及模拟通信模型和数字通信模型等。

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2.1通信系统的组成及模型

1.通信系统的一般模型

通信系统的作用就是将信息从信源传送到一个或多个目的地。实现信息传递所需的一切技术设备（包括信道）总和称为通信系统[1]。

通信系统的一般模型如图2-1：

图2-1 通信系统的一般模型

图2-1所示各部分作用如下：

（1）信息源：信息的发出地，作用是把信息转换成原始信号，分为模拟信源和数字信源。

（2）发送设备：将信源产生的信号变换成适合在信道中传输的信号。

（3）信道：顾名思义，是传输信号的物理媒质。

（4）噪声源：干扰正常信号传输的各处噪声的集合。

（5）接收设备：从接收信号中正确恢复出原始信号。

（6）受信者：传送消息的终点。

2.模拟信号和数字信号

消息的传递是以电信号的形式来实现的，按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类:模拟信号和数字信号。

凡信号参量的取值连续，就称为模拟信号。如语音信号和图像信号等。模拟信号也可以称为连续信号，这个连续不一定在时间上连续，是指某一参量可以连续变化，或者在某一取值范围内能取无穷多个值。

凡信号参量只能取有限个值，就称为数字信号。如电报信号和计算机输入输出信号等。数字信号也可以称为离散信号，离散不一定在时间上离散，是指信号的某一参量是离散变化的。

3.模拟通信系统模型

模拟通信系统是通过模拟信号来传递信息的通信系统。模拟通信系统模型如图2-2所示：

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其中信息源发出的是频谱从零频附近开始的原始电信号，这种信号频谱分量的频率很低，所以不适合直接传输，所以需要利用调制器和解调器进行变换和反变换。经过调制器调制后的信号称为已调信号。

已调信号具有以下三个基本特征：

（1)携带信息

(2)适合在信道中直接传输

(3)信号频谱一般具有带通形式，因此已调信号又称为带通信号或者是频带信号

4.数字通信系统模型

数字通信系统是使用数字信号来传递信息的通信系统，主要包括：信源编码和信源译码、信道编码和信道译码、数字调制和数字解调、同步以及加密等。数字通信系统模型图2-3所示：

其中图2-3所示各部分作用如下：

（1）信源编码与译码：一是提高信息传输的有效性，通过数据压缩技术减少信息冗余度；二是完成模/数（A/D ）转换，来实现模拟信号的数字化传输

（2）信道编码与译码：加强通信系统的抗干扰能力，使通信更加可靠

（3

）加密与解密：顾名思义，加密是为了保证所传输信息的安全性，解密是图2-3 数字通信系统模型 图2-2 模拟通信系统模型

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恢复原来的信息以供使用

（4）数字调制与解调：数字调制就是把原始信号转换成适合在信道中传输的信号，解调就是采用相干解调或者非相干解调的方法把其还原为数字基带信号（5）同步：是保证数字通信精准、有效、规范工作的前提条件

5.数字通信具有以下几个特点：

（1）抗干扰能力比较强，而且噪声不积累

（2）差错可以控制

（3）比较容易与各种数字终端接口

（4）容易集成化，使通信设备更加微型化

（5）加密处理更容易，而且有高强度的保密性

2.2系统开发工具MATLAB简介

本章将着重介绍MATLAB在通信系统中的应用，通过介绍MATLAB语言、工作环境以及MATLAB通信工具箱函数，加深对MATLAB通信工具的认识，并且熟练掌握其应用。

1.仿真软件MATLAB简介

MATLAB是由MathWorks公司在1984年推出的面向科学与工程的一种计算软件，MATLAB可以将不同领域的计算用函数的方式提供给用户使用。MATLAB涉及十几个领域的计算和图形显示。MATLAB方便使用、高效的编程效率、高效的运算、丰富的内容使其在国内广泛应用于教学及科研工作中[2]。

2.MATLAB语言概述

MATLAB语言使用方便、集成度高、运算高效、输入便捷、内容丰富，可以与由用户轻松自由的扩展。MATLAB语言与其他语言相比具有以下显著特点：（1）MATLAB语言是一种解释性语言：只需要输入算式就可以立即得出结果，不需要额外的编译，每一条语句进行解释后立即执行。如果有错误，也会立即做出反应。这些优点都大大的减轻了工程人员编程以及调试的工作量。

（2）“多功能性”的变量：每一个变量都代表着一个矩阵，每个元素都可以看作是复数，不需要定义矩阵的行数和列数

（3）“多功能性”的运算符号：所有的运算，包括加、减、乘、除以及函数运算都对矩阵和复数有效

（4）语言规则和笔算式相似：程序与科技人员的书写习惯相近，易写易读，方便在科技人员之间交流

（5）作图功能强大而简单：可以规定多种坐标绘图；可以绘制三维坐标中的曲线和曲面；能设置不同颜色、线型以及视角等

（6）智能化程度高：绘图时自动选择最佳坐标；

（7）丰富的功能，强大的可扩展性

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10 3.MATLAB 的工作环境

MATLAB 系统的安装比较简单，安装程序步骤如下： （1）找到setup.exe 执行文件，双击开始安装 （2）选择安装路径

（3）进行文件的解压和复制过程 （4）确认是否安装MATLAB Notebook

（5）安装完毕。如安装成功，桌面就会形成MATLAB 图标，否则即表明安装失败，需要重新安装。

MATLAB 的工作环境主要由命令窗口、当前路径窗口、工作空间浏览器窗口、命令历史窗口、启动平台、图形窗口和文本编辑窗口组成。 4.通信系统仿真

MATLAB 的通信工具箱中有许多仿真函数和模块，用来对通信系统进行仿真和分析。我们可以根据自己的需要选择这些仿真函数和模块来搭建自己的通信系统仿真模型。这些通信系统中的仿真模块可以直接调用，还可以根据用户的需要来进行修改，让它满足具体的设计和运算需求。

通信工具箱中，主要由两部分内容组成：通信函数命令和Simulink 的通信模块集仿真模块。可以在MATLAB 的工作空间中直接调用工具箱中的函数，还可以使用Simulink 平台来构造需要的仿真模块，以达到扩充工具箱内容的目的[3]。通过对调制解调技术、信源编码译码、通信仿真输出和同步技术仿真的MATLAB 仿真方法与技巧的学习与掌握，加深了自己对MATLAB 通信工具的认知。

通信工具箱常用函数如表2-1：

表2-1 通信工具箱函数

类别 函数名称 功能说明

Signal Sources 信号源函数 randerr 生成随机误差图 andint 生成均匀分布的随机整数信号 randstr 按预定方式生成随机信号矩阵

Wgn 生成高斯白噪声信号

Signal Analysis Function

信号分析函数 biterr 计算误比特数和误比特率

eyediagram 生成眼图 scatterplot 生成散布图 symerr 计算误符号数和误符号率

Source Coding 信源编码

compand 计算u 率或者A 率压扩 dpcmdeco 差分脉码调制译码 dpcmenco 差分脉码调制编码

dpcmopt

采用优化脉冲编码调制进行参数估

计 lloyds

采用训练序列和Lloyd 算法优化标量

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11 算法

quantiz 生成量化序列和量化值

（1）通信系统的误码率仿真

衡量通信系统性能好坏的标准是通信系统误码率的大小。如何计算通信系统

的误码率？通信系统模型的误码率计算主要是由设置相关参数、创建信号及信源编码、调制、对调制信号添加高斯噪声、解调、计算系统的误码率等步骤来组成的。

（2）误码率仿真界面

MATLAB 中提供了一种很有效的误码率分析工具——误码率仿真界面，我们可以用它来计算和比较不同调制方式、不同差错控制编码方式和不同信道噪声模型条件下通信系统的误码率。

在MATLAB 命令窗口中输入以下命令：

>>commgui

这时我们可以打开一个用户界面窗口——误码率仿真窗口。误码率仿真窗口如图2-4所示。

由图2-4可以看出，误码率仿真窗口中包括了通信系统中信号处理的全部过程。比如说原信号的生成、误码率的计算等过程都能够在误码率仿真窗口中得到实现。

图2-4误码率仿真窗口

由图2-4可以看出，误码率仿真窗口的上半部分分为了四个功能区域，它们

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分别是：

●Source（信号源）

●Err-Ctr-Code（差错控制编码）

●Modulation（信号调制编码）

●Channel（信道）

第三章模拟信号的数字传输

由于数字通信系统具有诸多优点，所以数字通信系统已成为当今社会通信的发展方向。但是自然界的许多信息经过各种各样的感知器感知后往往是模拟量，比如说电话、电视等，其信源发出的都是模拟信号。本章将着重介绍如何将模拟信号转换为数字信号。

3.1模拟信号的数字传输模型

模拟信号数字化就是将连续变化的物理量转换成可以用有限个数值来表示的离散数列。模拟信号数字化方法可以分为波形编码和参量编码。其中波形编码方法分为脉冲编码调制（PCM）和增量调制（△M）[4]。

模拟信号的数字化传输框图如图3-1:

图3-1 数字化传输框图

3.2抽样定理

抽样就是把模拟信号在时间上的连续变成离散的抽样值。而能不能用这一系列抽样值重新恢复原信号，就需要抽样定理来解决了。所以说，如果我们要传输模拟信号，可以通过传输抽样定理的抽样值来实现而不是非要传输原本的模拟信号。模拟信号数字化的理论基础就是抽样定理，抽样定理的作用不言而喻。

举例来说，生活中常见的语音信号就是模拟信号，语音信号在幅度取值上是连续的，并且在时间上它也是连续的。要想让语音信号实现数字化并实现时分多路复用，第一点就要对语音信号进行离散化处理，而这个处理过程就叫做抽样。换种说法，抽样就是隔一段时间T（固定的时间间隔），抽取语音信号的一个抽样值（瞬时幅度值）。这一系列在时间上离散的抽样值组成了样值序列。样值序

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13 列可以实现时分多路复用，还可以将每个抽样值经过量化和编码两种过程转换成二进制的数字信号。经多次理论研究和实践探索证明，抽样脉冲的时间间隔T ≤1/（2f H ）(或者是f ≥2f H )(f H 是语音信号的最高频率)，抽样以后的样值序列就

可以不失真的被还原成原本的语音信号。

比如说,一路电话信号的频带为300～3400Hz ，fm=3400Hz ，则抽样频率fs ≥2×3400=6800Hz 。如果按照抽样频率是6800Hz 来对300Hz ～3400Hz 的电话信号进行抽样，那么进行抽样后的样值序列就可以不失真的还原成原本的语音信号，而语音信号的抽样频率一般取值是8000Hz 。对于PAL 制电视信号，相信大家都非常熟悉。PAL 制电视信号的视频带宽通常为6MHz 。如果按照CCIR601的建议，亮度信号的抽样频率是13.5MHz ，色度信号的抽样频率则为6.75MHz 。

3.3模拟信号的量化

抽样转换后的脉冲信号的幅度仍然是模拟的，要用数码来进行表示，就必须进行离散化的处理。这就要求对幅值进行舍零取整的操作，此过程称为量化。量化中具有两种方法：只舍不入和有舍有入。量化方法中，取整的时候只舍不入，就是说0～1伏之间输入的所有电压输出都为0伏，1～2伏之间所有的输入电压输出都为1伏等等。使用只舍不入方式时，输入的电压总是大于输出的电压，所以产生的量化误差通常是正的。大小为两个相邻的量化级的间隔Δ。量化方法中，取整的时候有舍有入，即0～0.5伏之间的输入电压输出都为为0伏，0.5～1.5伏之间的输出电压输出都为1伏等等。采用有舍有入的方式时通常有正有负，量化的误差绝对值最大为Δ/2。所以，通常采用误差相对较小的有舍有入的方法进行量化。

仅仅使用量化的输出信号来代替原来的信号会存在失真。通常来说，我们可以把量化误差的幅度概率分布看做是-Δ/2～+Δ/2之间的均匀分布。这能够证明量化失真功率与最小的量化间隔的平方成正比例。所以说，最小的量化间隔越小，失真就会越小；最小量化的间隔越小，用以表现一定幅度的模拟信号时所需要的量化级数就会越多。所以，传输和处理起来就会越来越复杂。因此，量化时既要尽可能的减少量化的级数，又要使量化失真不容易被看出来。通常都要用一个二进制数来表达某一个量化级数，经过传输在接收端再依据这个表达量化级数的二进制数来恢复原来信号的幅值。我们所说的量化比特数是说的要区分所有量化级数所需要的多少位二进制数。比如说，现在有8个量化级，那么就可以用三位二进制数来进行区分，原因是，称8个量化级的量化是3比特量化。而8比特量化则指的是一共有3个量化级的量化。量化的误差与噪声相比，两者是有本质上的区别的。原因是任何时刻的量化误差都是能够从输入信号中求出来的，然而信号与噪声之间则并没有这种关系。这能够证明，量化的误差是高阶非线性失真的结果。但是量化失真在信号中的表现却相似于噪声，两者同样有很宽的频谱，

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