1、 河北師范大學 畢 業 設 計（論 文）題 目 計算機仿真技術及其應用 學 院： 職業技術學院 專 業： 通信工程 班 級： 1班 學 號： 學生姓名： 指導教師： 目錄引言.課設的意義和目的.第一章 計算機仿真技術1.1 計算機仿真的發展.1.2計算機仿真的關鍵技術.第二章 計算機仿真理論（基本）方法. 第三章通信系統的仿真及建模 3.1 通信系統及仿真技術. 3.2 通信系統的仿真原理及框圖. 3.2.1 DSB信號的模型 3.2.2 DSB信號調制過程分析 3.2.3高斯白噪聲信道特性分析 3.2.4 DSB解調過程分析. 3.2.5程序設計.第四章 通信系統的仿真結果及分析4.1模擬通

2、信系統結果分析4.1.1DSB相關解調框圖4.1.2 DSB相干解調波形 4.1.3 DSB在調制過程中的調制波形. 4.1.4調制解調仿真過程圖形.第五章結論參考文獻（References）致 謝23 關鍵詞：仿真技術 通信應用引言 隨著現代科學技術的迅速發展，計算機技術已廣泛的應用于科學計算、數據處理、輔助設計、過程控制、管理決策和教育訓練等各個方面。在工業部門，計算機輔助設計和輔助制造更是發揮了巨大的作用，在控制系統的分析和設計過程中，計算機輔助設計是強有力的工具。計算機輔助則是系統設計，分析各個階段不可缺少的手段。 計算機輔助技術是以多種學科和理論為基礎，以計算機及其相應的軟件為工具，

3、通過虛擬實驗的方法來分析和解決問題的一門綜合技術。計算機仿真早期稱為蒙特卡羅方法，是一門利用隨機數實驗解隨機問題的方法。其原理可追溯到1773年法國自然學家為估計圓周率值所進行的物理實驗。 根據仿真過程中所采用計算機類型的不同，計算機仿真大致經歷了模擬機仿真、模擬-數字混合機仿真和數字機仿真三個階段。20世紀50年代計算機仿真主要采用模擬機；60年代后串行處理數字機逐漸應用到仿真之中，但難以滿足航天、化工等大規模復雜系統對仿真時限的要求；到了70年代模擬-數字混合機曾一度應用于飛行仿真、衛星仿真和核反應堆仿真等眾多高技術研究領域；80年代后由于并行處理技術的發展，數字機才最終成為計算機仿真的主

4、流。現在，計算機仿真技術已經在機械制造、航空航天、交通運輸、船舶工程、經濟管理、工程建設、軍事模擬以及醫療衛生等領域得到了廣泛的應用。 隨著現代通信系統的飛速發展，計算機仿真已經成為分析和設計通信系統的主要工具，在通信系統的研發和教學中具有越來越重要的意義。計算機仿真是衡量系統性能的工具，它通過構建模型運行結果來分析實物系統的性能從而為新系統的建立或原系統的改造提供可靠的參考。在當代社會中，信息的交換日益頻繁，隨著通信技術和計算機技術的發展及它們的密切結合，通信能克服對空間和時間的限制，大量的、遠距離的信息傳遞和存取已成為可能。展望未來，通信技術正在向數字化、智能化、綜合化、寬帶化、個人化方向

5、迅速發展，各種新的電信業務也應運而生，正沿著信息服務多種領域廣泛延伸。課題的目的意義 仿真技術是伴隨著計算機技術的發展而發展的。在計算機問世以前，基于物理模型的實驗一般稱為“模擬”，它一般附屬于其他相關科學。自從計算機特別是數學計算機出現以后，其高速計算能力和巨大的存儲能力使得復雜的數值計算成為可能，計算機仿真技術得到了蓬勃的發展，從而使計算機仿真成為一門重要的學科。隨著仿真應用的日益擴展，計算機仿真的外延也在延伸。如現代的各種仿真訓練器：飛行器，船舶、輪機仿真訓練器等，盡管在景觀、聲響、操縱和監控系統等方面大量地采用物理仿真，但其核心部分仍然是對系統及其各組成元件的實時計算機數學仿真。廣義地

6、這些仿真也納入了計算機仿真的范圍。計算機仿真(Computer Simulation)又稱計算機模擬Computer Analogy)或計算機實驗。所謂計算機仿真就是建立系統模型的仿真模型進而在電子計算機上對該仿真模型進行模擬實(仿真實驗)研究的過程。計算機仿真方法即以計算機仿真為手段，通過仿真模型模擬實際系統的運動來認識其規律的一種研究方法。在科技飛速發展的今天，它已經成為控制系統分析、研究、設計不可或缺的重要手段。應用仿真技術可以降低控制系統的研制成本，提高實驗、調試及訓練過程中的安全性。給工程界和非工程界帶來了巨大的社會效益和經濟效益。為此，計算機仿真技術在近幾十年迅

7、速發展起來，在理論和實踐都取得了令人矚目的成就，在高科技中所處的地位日益提高，受到了越來越多的關注。但是無論采用何種方法來控制，其正確可行否，還需要由實踐來檢驗；因此，如何通過計算機仿真設計出最佳的控制規律或最佳設定值，成為人們研究各種控制系統的關鍵。1 計算機仿真技術 仿真技術是一門多學科的綜合性技術，它以控制論、系統論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行動態試驗，其可以再現系統的狀態動態行為及性能特征，用于分析系統配置是否合理性能是否滿足要求，預測系統可能存在的缺陷，為系統設計提供決策支持和科學依據。它具有經濟、可靠、實用、安全、靈活、

8、可多次重復使用的優點已經成為對許多復雜系統(工程的、非工程的)進行分析、設計、試驗、評估的必不可少的手段。它是以數學理論為基礎以計算機和各種物理設施為設備工具利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗仿真研究的一門綜合技術。1.1計算機仿真的發展計算機仿真技術主要是隨著計算機技術、計算技術、圖形圖像技術、復雜系統建模技術和專業建模技術的發展而發展的。從歷史上看,計算機仿真大致經歷了四個發展階段:1. 模擬試驗 最原始的仿真思想，,其模型試驗是基于物理模型進行的缺乏柔性和精度。 2.數字化仿真 采用計算機進行分析計算，但是計算結果表達局限于記錄文件和圖表上,缺乏直觀形象 3.圖像化仿真 大量采用豐

9、富的圖形圖像技術來表達仿真結果，如三維圖形。4.虛擬現實技術 不光采用三維圖形技術表達計算結果，而且采用特殊裝置如戴上三維數據頭盔觸摸儀器等使人有身臨其境的效果。1.2 計算機仿真的關鍵技術 目前，計算機仿真計算的關鍵技術主要包括： （1）面向對象的仿真（object-Oriented Simulation-OOS）。 其主要是將整個系統的功能設計和實現歸屬為對對象的操作及對象信息的彼此綜合利用來實現，對象間信息的傳送引起來系統的活動。 （2）分布交互仿真（Distributed Interactive Simulation-DIS）。 主要是通過計算機網絡將分散在各地的仿真設備互連，構成時間

10、與空間交相耦合的虛擬仿真環境。 （3）智能仿真（Intelligence Simulation-IS）。 主要是以知識為核心和人類思維行為作背景的智能技術，引入整個建模與仿真過程，構造各處基本知識的開發途徑。是人工智能（如專家系統、知識工程、模式識別、神經網絡等）與仿真技術（如仿真模型、仿真算法、仿真語言、仿真軟件等）的集成化。 （4）人機和諧仿真。 主要包括可視化仿真、多媒體仿真、虛擬現實仿真。2 計算機仿真的理論方法 隨著科學技術的進步，尤其是信息技術和計算機技術的發展，“仿真”的概念不斷得以發展和完善，因此給予仿真一個清晰和明了的定義是非常困難的。但一個通俗的系統仿真的基本含義是指：構建

11、一個實際系統的模型，對它進行實驗，以便理解和評價系統的各種運行策略。而這里的模型是一個廣義的模型，包含數學模型、物理模型等。顯然，根據模型的不同，有不同方式的仿真。系統可以分為連續時間系統和離散時間系統兩大類，由于這兩類系統的運動規律差異很大，描述其運動規律的模型也有很大的不同，因此，相應的仿真方法也不同，分別對應為連續時間系統仿真和離散時間系統仿真。 連續系統 連續時間系統仿真是指物理系統狀態隨時間連續變化的系統，一般可以用常微分方程或偏微分方程組描述。需要特別指出的是這類系統也包括用差分方程描述的離散時間系統。對于工科院校，因為主要研究的對象是工業自動化和工業過程控制，因此本教材主要介紹連

12、續系統仿真。離散事件系統 離散事件系統是指物理系統的狀態在某些隨機時間點上發生離散變化的系統。它與連續時間系統的主要區別在于：物理狀態變化發生在隨機時間點上，這種引起狀態變化的行為稱為“事件”，因而這類系統是由事件驅動的。離散時間系統的事件(狀態)往往發生在隨機時間點上，并且事件(狀態)是時間的離散變量。系統的動態特性無法使用微分方程這類數學方程來描述，而只能使用事件的活動圖或流程圖。因此對離散事件系統的仿真的主要目的是對系統事件的行為作統計特性分析，而不像連續系統仿真的目的是對物理系統的狀態軌跡作出分析。 隨著現代工業的發展，科學研究的深入與計算機軟、硬件的發展，仿真技術已成為分析、綜合各類

13、系統，特別是大系統的一種有效研究方法和有力的研究工具。3 通信系統仿真與建模 3.1通信系統及仿真技術 計算機仿真技術首先在軍事領域得到應用的，目前，仿真技術在數學制造業氣象預測領域經濟管理領域等都得到了廣泛的應用，下面就數字化仿真在通信方面的應用進行深入探討。 近年來，在通信系統建模的分析和仿真評估領域已經發展了大量的計算機輔助技術，這技術大體分為三大類： （1）基于理論分析的解析方法，如利用計算機對復雜的系統性能評估公式進行數值計算等； （2）結合通信系統硬件原型和測試設備的計算機輔助仿真方法，通常應用于原型系統實現的中后期和原型系統調試中； （3）基于純軟件的系統仿真方法，即首先對通信系

14、統進行數學建模，然后通過計算機來模擬系統行為，波形以及信號通過系統的過程，并對系統性能指標進行仿真測試和統計分析的一系列方法。利用系統建模和軟件仿真技術，幾乎可以對所有的設計細節進行分層次的建模和評估，而且模型無需針對解析分析簡化，因此評價結果更加精準，更接近實際的運行情況。通信系統仿真的及基本步驟如下：（1） 建立數學模型：根據通信系統的基本原理，將整個系統簡化到有源系統，確定總的系統功能，并將各部分功能模塊化，找出各部分之間的關系，畫出系統流程框圖模型。（2） 仿真系統：根據建立的模型從SIMULINK通信模型庫（MATLAB）所提供的各個字庫中將所需要的單元功能模塊拷貝到Untitled

15、窗口，按系統流程框圖模型連接，組建要仿真的通信系統模型。（3） 設置、調整參數：參數設置包括運行系統參數設置（如系統運行時間、采樣速率等）和功能模塊運行參數設置（如正弦信號的頻率、幅度、初相；低通濾波器的截止頻率、通帶增益、阻帶增益、阻帶衰減等）。（4） 設置觀察窗口，分析仿真數據和波形：在系統模型的關鍵點處設置觀測輸出模塊，用于觀測仿真系統的運行情況，以便及時調整參數，分析結果。（5） 生成新的模塊：對于Communication Toolbox中沒有的功能模塊，可以根據以掌握的技術生成所需要新的子模塊，以便隨時調用。通信系統的建模 通信系統的建模包括波形、系統和各種信號處理功能。多數通信內

16、容都是可以模型化的，仿真模型和分析模型從概念上講沒有區別。由于系統本身的定義并不唯一，它可以被認為是某一特定時間的某種功能實體，這個實體通常用互相連接的子系統圖來描述，這就是模塊圖。原始系統中每一個子系統都可被認為是一個系統，并通過它的模塊圖來解釋，直到這些模塊不能被分成獨立的子塊時為止。 系統建模 一個通信系統就是指通信鏈路，建模的最高形式就是用子系統方框圖表示出來，系統模型是一種拓撲結構，其仿真方框圖與真實系統越接近，整個系統的精確度就越高。由于計算機效率的考慮，仿真時可以將某些子系統完全忽略，或者以簡單的形式表示出來。這一思想的一個最好例證就是同步功能仿真。設備建模 一個設備在子系統層次

17、上僅僅是一個方框圖，它具有設計者希望的所有功能，這里還包含一些人工設備，可能是電纜以及其他人造信道介質。 理想的模型，主要在樹圖的子系統分層上描述。這包含傳輸函數模型，意味著在每個仿真時就產生一個只與輸入有關的輸出規則。這個規則就是一種描述方式，比如一個方程，一組方程，一個算法或者查表。隨見過程建模 系統或子系統的輸入和輸出都是期望和非期望的隨機過程。仿真的目標都是測定有用信號的傳輸質量。這種測定的真實性依賴于仿真過程能夠重現或描述過程的程度。一般來講，建模的工作就是在源點“模擬”一個隨機過程，如果有了好的設備模型，將該隨機過程作用于輸入就能夠產生正確的輸出序列。 即使信源和噪聲源都是隨機過程

18、，在系統設計與檢測中，信號源經常被用作或假設為測試信號，這些測試信號都是確定的信號，例如，一個測試信號可以是正弦信號或由移位寄存器產生的數字序列，這種數字序列通常稱為PN序列，當采用這種測試信號時，建模問題就沒有意義了。 3.2通信系統的仿真原理及框圖模擬通信系統的仿真原理 調制的作用: (1)實現信號的頻譜搬移，適應在頻帶信道內的傳輸； (2)當頻帶信道帶寬遠大于信號帶寬時，可以將多路基帶信號調制到互不重疊的 頻帶上，充分利用信道帶寬，實現頻分復用（FDM)； (3)不同的調制方式具有不同的有效性和可靠性（如FM的可靠性好而有效性差，AM有效性好而可靠性差），可以根據需要選用合適的調制方法。

19、3.2.1 DSB信號的模型在AM信號中，載波分量并不攜帶信息，信息完全由邊帶傳送。如果將載波抑制，只需在將直流去掉，即可輸出抑制載波雙邊帶信號，簡稱雙邊帶信號（DSB）。 DSB調制器模型如圖1所示。圖1 DSB調制器模型 其中，設正弦載波為式中，為載波幅度；為載波角頻率；為初始相位（假定為0）。調制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。而解調是將位于載頻的信號頻譜再搬回來，并且不失真地恢復出原始基帶信號。雙邊帶解調通常采用相干解調的方式，它使用一個同步解調器，即由相乘器和低通濾波器組成。在解調過程中，輸入信號和噪聲可以分別單獨解調。相干解調的原理框圖如圖2

20、所示：低通濾波器cos（）圖2 相干解調器的數學模型信號傳輸信道為高斯白噪聲信道，其功率為。3.2.2 DSB信號調制過程分析假定調制信號m(t)的平均值為0，與載波相乘，即可形成DSB信號，其時域表達式為式中，m(t)的平均值為0。DSB的頻譜為DSB信號的包絡不再與調制信號的變化規律一致，因而不能采用簡單的包絡檢波來恢復調制信號， 需采用相干解調(同步檢波)。另外，在調制信號m(t)的過零點處，高頻載波相位有180°的突變。除了不再含有載頻分量離散譜外，DSB信號的頻譜與AM信號的頻譜完全相同，仍由上下對稱的兩個邊帶組成。所以DSB信號的帶寬與AM信號的帶寬相同，也為基帶信號帶寬

21、的兩倍， 即式中，為調制信號的最高頻率。 3.2.3 高斯白噪聲信道特性分析在實際信號傳輸過程中，通信系統不可避免的會遇到噪聲，例如自然界中的各種電磁波噪聲和設備本身產生的熱噪聲、散粒噪聲等，它們很難被預測。而且大部分噪聲為隨機的高斯白噪聲，所以在設計時引入噪聲，才能夠真正模擬實際中信號傳輸所遇到的問題，進而思考怎樣才能在接受端更好地恢復基帶信號。信道加性噪聲主要取決于起伏噪聲，而起伏噪聲又可視為高斯白噪聲，因此我在此環節將對雙邊帶信號添加高斯白噪聲來觀察噪聲對解調的影響情況。為了具體而全面地了解噪聲的影響問題，我將分別引入大噪聲（信噪比為20dB）與小噪聲（信噪比為2dB）作用于雙邊帶信號，

22、再分別對它們進行解調，觀察解調后的信號受到了怎樣的影響。在此過程中，我用函數randn來添加噪聲，此函數功能為向信號中添加噪聲功率為其方差的高斯白噪聲。正弦波通過加性高斯白噪聲信道后的信號為故其有用信號功率為噪聲功率為信噪比滿足公式則可得到公式我們可以通過這個公式方便的設置高斯白噪聲的方差。3.2.4 DSB解調過程分析所謂相干解調是為了從接收的已調信號中，不失真地恢復原調制信號，要求本地載波和接收信號的載波保證同頻同相。相干解調的一般數學模型如圖所示。 低通濾波器圖3-8 DSB相干解調模型設圖四的輸入為DSB信號乘法器輸出為通過低通濾波器后當時，解調輸出信號為3.2.5程序設計調制解調仿真

23、過程：clf;%清除窗口中的圖形ts=0.01;%定義變量區間步長t0=2;%定義變量區間終止值t=-t0+0.0001:ts:t0;%定義變量區間fc=10; %給出相干載波的頻率A=1; %定義輸入信號幅度fa=1; %定義調制信號頻率mt=A*cos(2*pi*fa.*t); %輸入調制信號表達式xzb=20;%輸入信噪比(dB)snr=10.(xzb/10); h,l=size(mt);%求調制信號的維數fangcha=A*A./(2*snr);%由信噪比求方差nit=sqrt(fangcha).*randn(h,l); %產生高斯白噪聲snit=mt+nit; %調制信號與噪聲疊加p

24、smt=mt.*cos(2*pi*fc.*t); %輸出調制信號表達式pnit=nit.*cos(2*pi*fc.*t); %輸出噪聲表達式psnt=psmt+pnit; %輸出已調信號波形jic=psnt.*cos(2*pi*fc.*t); %調制信號乘以相干載波ht=(2*pi*fc.*sin(2*pi*fc.*t)./(2*pi*fc.*t)./pi; %低通濾波器的時域表達式htw=abs(fft(ht); %低通濾波器的頻域表達式jt=conv(ht,jic); %解調信號的時域表達式subplot(3,3,1); %劃分畫圖區間plot(t,mt,'g'); %畫出

25、輸入信號波形title('輸入信號波形');xlabel('Variable t');ylabel('Variable mt');subplot(3,3,2);plot(t,nit,'b');title('輸入噪聲波形');xlabel('Variable t');ylabel('Variable nit');subplot(3,3,3);plot(1:length(snit),snit,'r'); %length用于長度匹配title('輸入信號與噪聲疊加波

26、形'); %畫出輸入信號與噪聲疊加波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable snit');subplot(3,3,4);plot(t,psmt,'k');title('輸出信號波形'); %畫出輸出信號波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable psmt');subplot(3,3,5);plot(t,pnit,'k');title('輸出噪聲波形'); %畫出輸出噪聲波形xlabel(

27、'Variable t');ylabel('Variable pnit');subplot(3,3,6);plot(t,psnt,'k');title('輸出信號與輸出噪聲疊加波形'); %畫出輸出信號與輸出噪聲疊加波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable psnt');subplot(3,3,7);plot(1:length(htw),htw,'k');title('低通濾波器頻域波形'); %畫出低通濾波器頻域波形xlabel

28、('Variable w');ylabel('Variable htw');axis(0 60 0 150);subplot(3,3,8);plot(1:length(ht),ht,'k');title('低通濾波器時域波形');%畫出低通濾波器時域波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable psnt');axis(150 250 -20 25); %給出坐標軸范圍subplot(3,3,9);plot(1:length(jt),jt,'k');t

29、itle('輸出信號與輸出噪聲疊加波形');%畫出輸出信號與輸出噪聲疊加波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable jt');axis(200 600 -50 50);4. 通信系統仿真結果及分析4.1 模擬通信系統結果分析Simulink仿真流程（完成的Simulink總體框圖、每個模塊所在位置及參數設置的說明，自定義模塊的框圖及參數）4.1.1 DSB相干解調框圖圖 4-1-1 DSB相干解調框圖信號源參數設置：載波參數設置：BPF參數：LPF參數：高斯白噪聲參數:信源參數參數：幅度1 頻率10rad/s載

30、波參數：幅度1 頻率100rad/sBPF參數：下限頻率90rad/s 上限頻率110rad/sLPF參數：截止頻率 10rad/s高斯白噪聲參數：均值0 標準差0.014.1.2 DSB相干解調波形上：解調波形 下：信源波形圖 4-1-2 DSB相干解調波形4.1.3 DSB在調制過程中的調制波形上：調制波形 下：信源波形圖 4-1-3 DSB調制波形4.1.4調制解調仿真過程圖形（程序）：5. 結論在本次課業設計的過程中，我對于對通信系統仿真的各個環節進行了一定范圍的學習和實踐，利用SIMULINK工具包分別實現模擬系統的仿真，并且在調整參數后以及輸出波形和理論的比較得出以下結論：1.AM

31、信號波形的包絡與輸入基帶信號成正比，故用包絡檢波的方法很容易恢復原始調制信號。但為了保證包絡檢波時不發生失真，即確保使調制信號不產生相位突變，必須滿足直流分量大于等于信源幅度，否則將出現過調幅現象而帶來失真。DSB信號的包絡不再與m(t)成正比，故不能進行包絡檢波，需采用相干解調；除不再含有載頻分量離散譜外，DSB信號的頻譜與AM信號的完全相同，仍由上下對稱的兩個邊帶組成。2.相干解調的關鍵是必須產生一個與調制器同頻同相位的載波。如果同頻同相位的條件得不到滿足，則會破壞原始信號的恢復。3.包絡檢波解調電路簡單，特別是接收端不需要與發送端同頻同相位的載波信號，大大降低實現難度。4.系統存在延遲，且解調后信號幅度變小，最好能對其進行放大。5.高斯白噪聲模塊只能模擬噪聲，而不能完全替代信號環境，可以考慮使用信道模塊進行替換。從接到題目到設計結束的過程中經歷了很多，總的來說可以概括為以下幾點。 （1）查資料，結合任務書寫開題報告。拿到論題后，我和小組的成員先找相關方面的資料并對論題進行分析。接著便是看與此有關的資料，讀懂這方面的知識，從而列出該設計的具體步驟。 （2）遇到困難，鍥而不舍。從前在學習過程中碰見點困難就想著去找老師同學詢問，這次不同的是完全由我們自己一步一步的做成，這樣就提高了