通信原理課程設計--數(shù)字加密信號psk調(diào)制仿真

1、<p>　　數(shù)字加密信號PSK調(diào)制仿真</p><p>　　學生姓名：XX 指導老師：XX</p><p>　　摘 要 本課程設計主要以Simulink為基礎平臺，對數(shù)字加密信號PSK的調(diào)制仿真。Simulink是基于Matlab平臺的著名仿真環(huán)境，作為一種專業(yè)和功能強大且操作簡單的仿真工具。本設計主要利用Simulink建模，將加密后的PSK信號調(diào)制仿真，從而更加深刻理

2、解PSK調(diào)制的工作原理，使我進一步鞏固和理解了課堂上所學到的知識。</p><p>　　關鍵詞 Simulink；加密；2PSK；調(diào)制</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　本課程設計主要利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺，按題目設計仿真模型圖并運行，同時將模型中各點信號輸入示波器，并用頻譜儀

3、對原始信號及最后輸出信號運行仿真結果輸入顯示器，根據(jù)顯示結果分析所設計的系統(tǒng)性能。并且需在在信號傳輸信道加上噪聲源，模擬信號疊加噪聲后的傳輸，觀察分析加噪聲前后信號波形的變化。</p><p>　　1.1 課程設計目的</p><p>　　本次課程設計的目的是實現(xiàn)數(shù)字加密信號PSK調(diào)制仿真。通過材料的收集和分析過程，理解PSK調(diào)制的具體過程和它在MATLAB中的實現(xiàn)方法。在這個過程中，可以

4、更加清晰地認識數(shù)字加密信號PSK調(diào)制的原理，熟悉MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺。利用自主的設計過程來鍛煉自己獨立思考，分析和解決問題的能力。</p><p>　　1.2 課程設計要求</p><p>　　1）按題目構建仿真模型圖，根據(jù)理論課中學習的原理，正確設置各模塊參數(shù)，直至能正常運行。</p><p>　　2）將模型中各點信號輸入示波器，根據(jù)顯

5、示結果分析所設計的模型是否正確，并用頻譜儀觀察分析前后信號頻譜的變化。</p><p>　　3）在信號傳輸信道加上噪聲源，模擬信號疊加噪聲后的傳輸：用高斯白噪聲模擬非理想信道，并記錄示波器和頻譜儀的波形，觀察分析加噪聲前后信號波形的變化。</p><p>　　4）在老師的指導下，要求獨立完成課程設計的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設計學年論文，能正確闡述和分析設計和實驗結果。</p>

6、;<p><b>　　1.3 設計平臺</b></p><p>　　本次課程設計的平臺是基于MATLAB的Simulink環(huán)境下的系統(tǒng)仿真。</p><p><b>　　2 基本原理</b></p><p>　　2.1 MATLAB簡介</p><p>　　MATLAB是由美國math

7、works公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。</p><p>　

8、　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MA

9、TLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。</p><p>　

10、　2.2 Simulink簡介</p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，也是目前在動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應用最廣泛的工具之一 。確切的說，Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。Simulink工作環(huán)境進過幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學術和工

11、業(yè)界用來建模和仿真的主流工具包。在Simulink環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進行簡單的點擊和拖動就能完成建模，并可直接進行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結果。它的主要特點在于：1、建模方便、快捷；2、易于進行模型分析；3、優(yōu)越的仿真性能。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。</p><p&g

12、t;　　Simulink模塊庫（或函數(shù)庫）包含有Sinks（輸出方式）、Sources（輸入源）、Linear（線性環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)）、Connection（連接與接口）和Extra（其他環(huán)節(jié)）等具有不同功能或函數(shù)運算的Simulink庫模塊（或庫函數(shù)），而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊，用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結構，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的

13、結構創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用戶理解模型的結構和各模塊之間的相互關系。在定義完一個模型后，用戶可以通過Simulink的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其他的顯示模塊，可以在仿真進行的同時就可立即觀看到仿真結果，若改

14、變模塊的參數(shù)并再次運行即可觀察到相應的結果，這適用于因果關系的問題研究。仿真的結果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理</p><p>　　由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離MATLAB而獨立工作。</p><p>　　2.3 2PSK調(diào)制的基本原理</p>

15、<p>　　2PSK信號產(chǎn)生的方法有兩種：模擬調(diào)制法和數(shù)字調(diào)制法。</p><p>　　圖2-1 2PSK調(diào)制模擬相乘法原理框圖</p><p>　　上圖2-1是2PSK調(diào)制模擬相乘法原理框圖。信號源模塊提供碼速率96K的NRZ碼和384K正弦載波。在2ASK中數(shù)字基帶信號是單極性的，而在2PSK中數(shù)字基帶信號是雙極性的。故先將單極性NRZ碼經(jīng)碼型變換電路轉(zhuǎn)換為雙極性NRZ碼，然

16、后與384K正弦載波相乘，便得2PSK調(diào)制信號。乘法器的調(diào)制深度可由“調(diào)制深度調(diào)節(jié)”旋轉(zhuǎn)電位器調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖2-2 2PSK調(diào)制數(shù)字鍵控法原理框圖</p><p>　　上圖2-2是2PSK調(diào)制數(shù)字鍵控法原理框圖。為便于實驗觀測，由信號源模塊提供碼速率為96Kbit/s的NRZ碼數(shù)字基帶信號和384KHz正弦載波信號，NRZ碼為“1”的一個碼元對應0相位起始的正弦載波的4個周

17、期，NRZ碼為“0”的一個碼元對應π相位起始的正弦載波的4個周期。</p><p>　　實驗中采用模擬開關作為正弦載波的輸出通/斷控制門，數(shù)字基帶信號NRZ碼用來控制門的通/斷。當NRZ碼為高電平時，模擬開關1導通，模擬開關2截止，0相位起始的正弦載波通過門1輸出；當NRZ碼為低電平時，模擬開關2導通，模擬開關1截止，π相位起始的正弦載波通過門2輸出。門的輸出即為2FSK調(diào)制信號，如圖2-3所示。</p&g

18、t;<p>　　圖2-3 2PSK調(diào)制波形</p><p>　　2.4 通信加密原理</p><p>　　數(shù)字通信的一個重要的優(yōu)點是容易做到高度保密性的加密。在這方面?zhèn)坞S機序列十分有用。數(shù)字信號加密的基本原理圖如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 利用偽隨機序列加密的原理</p><p>　　將信源產(chǎn)生的二進制數(shù)字消息

19、和一個周期很長的偽隨機序列模2相加，這樣就將原來的消息變成不可理解的另外一個序列將這種加密序列在信道中傳輸，被他人竊聽后也不可理解其內(nèi)容。在接受端必須在加上一同樣的偽隨機序列，才能恢復原發(fā)的消息。因為將此序列模2假如兩次，就等于未加入。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)原理圖</b><

20、;/p><p>　　圖3-1 調(diào)制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　其中，sine wave1和sine wave2是反相的載波，方波作為信號源。在這個過程中，偽隨機序列PN Sequence Generator提供加密信號。并且在高斯白噪聲條件下運行。</p><p>　　3.2 各模塊參數(shù)設定</p><p>　　圖3-2 Sine wave1

21、信號參數(shù)設定</p><p>　　圖3-3 Sine wave2參數(shù)設定</p><p>　　由上面兩個圖可以看出兩個載波是幅度為3頻率為4Hz采樣時間為0.002s的反相信號。</p><p>　　圖3-4 脈沖信號參數(shù)設定</p><p>　　脈沖信號是幅度為2周期為1占空比為50%的基于時間的信號。</p><p&g

22、t;　　圖3-5 偽隨機序列參數(shù)設定</p><p>　　圖3-6 高斯白噪聲參數(shù)設定</p><p>　　圖3-7 基帶頻譜參數(shù)設定</p><p><b>　　3.3 調(diào)制結果</b></p><p>　　圖3-8 基帶頻譜波形</p><p>　　圖3-9 調(diào)制后頻譜波形</p>

23、<p>　　圖3-10 示波器波形</p><p>　　其中，波形1是加密后的基帶波形，波形2是sine wave2的波形波形3是sine wave1的波形，波形4是PSK加密信號，波形5是加高斯白噪聲的PSK加密信號</p><p><b>　　仿真電路分析與總結</b></p><p>　　在本次課程設計運用了MATLAB軟件

24、下Simulink建立工作模型，在仿真的過程中遇到了各種不同的問題，通過自己的探索和在老師和同學的幫助下總算得以解決。問題及解決方法：</p><p>　　1），兩個載波的幅度及頻率不一致，導致調(diào)制失敗。經(jīng)仔細檢查后發(fā)現(xiàn)問題，并得以解決。</p><p>　　2），在加入高斯白噪聲之后，示波器波形失真。經(jīng)老師指導后，改變其參數(shù)，問題解決。</p><p><b

25、>　　結束語</b></p><p>　　在這次為期2周的課程設計中，我主要是利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺上設計數(shù)字加密信號PSK調(diào)制仿真,大二就已經(jīng)學習了MATLAB這一強大應用工具，可是卻沒有進一步的學習，通過這次的課程設計,我不僅通信原理所學的知識理解更深刻了，也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足，不能很好的把理論與實踐相結合.經(jīng)過這次課程設計,我的動手能力和自學能力都得到了很大

26、的提高。</p><p>　　通過為期2個星期的課程設計，我學到了很多。它不僅很好地讓我理解課本上的知識，利用相關知識進行仿真，更重要的是讓我意識到，在課程設計的過程中，需要的不僅僅是相關的知識點，更重要的是細心和耐心。細心能避免自己因錯誤而浪費大量時間來反復檢查，浪費時間和精力，而且在設計過程中會遇到各種各樣的問題，這就需要我們要用耐心，堅持下來，一步一步完成。我想這可能是我本次課程設計最大的收獲。當然，在這個

27、過程中，我也更加深入的了解到了系統(tǒng)仿真的重要性，并且進一步鞏固和理解了老師在課堂上所講的有關通信原理的知識。由于個人能力有限，在設計和論文中可能存在種種的不足之處，希望指導老師予以指出，謝謝.</p><p>　　通過這段時間的親生經(jīng)歷，我感覺自己學到了收集、整理資料、共同協(xié)作、分析及處理問題等許多方面的知識，感謝這期間黃紅兵老師給予我的幫助和指導。</p><p><b>　　

28、參考文獻</b></p><p>　　[1]樊昌信，曹麗娜. 通信原理. 第六版. 北京：國防工業(yè)出版社，2012</p><p>　　[2] 達新宇．通信原理實驗與課程設計．北京：北京郵電大學出版社，2003</p><p>　　[3] 徐遠明. MATLAB仿真在通信與電子工程中的應用.西安：西安電子科技大學出版社，2005</p>