通信原理課程設(shè)計(jì)--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(xué)生姓名：XX 指導(dǎo)老師：XX</p><p>　　摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要以Simulink為基礎(chǔ)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(qiáng)大且操作簡單的仿真工具。本設(shè)計(jì)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(jìn)一步鞏固和理解了課堂上所學(xué)到的知識。</p><p>　　關(guān)鍵詞 Simulink；加密；2PSK；調(diào)制</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)主要利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺，按題目設(shè)計(jì)仿真模型圖并運(yùn)行，同時(shí)將模型中各點(diǎn)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(yùn)行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)目的</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的目的是實(shí)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(shí)現(xiàn)方法。在這個(gè)過程中，可以

4、更加清晰地認(rèn)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(shè)計(jì)過程來鍛煉自己獨(dú)立思考，分析和解決問題的能力。</p><p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1）按題目構(gòu)建仿真模型圖，根據(jù)理論課中學(xué)習(xí)的原理，正確設(shè)置各模塊參數(shù)，直至能正常運(yùn)行。</p><p>　　2）將模型中各點(diǎn)信號輸入示波器，根據(jù)顯

5、示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)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(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。</p>

6、;<p><b>　　1.3 設(shè)計(jì)平臺</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)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(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)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(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。</p><p>　

8、　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)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(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、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(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)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(jìn)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一 。確切的說，Simulink是一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(jìn)程的。Simulink工作環(huán)境進(jìn)過幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)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(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)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(jìn)行簡單的點(diǎn)擊和拖動(dòng)就能完成建模，并可直接進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結(jié)果。它的主要特點(diǎn)在于：1、建模方便、快捷；2、易于進(jìn)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(diǎn)。</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(yùn)算的Simulink庫模塊（或庫函數(shù)），而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)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(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的

13、結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)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(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)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(jìn)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(yùn)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(jìn)行的同時(shí)就可立即觀看到仿真結(jié)果，若改

14、變模塊的參數(shù)并再次運(yùn)行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問題研究。仿真的結(jié)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(jìn)行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離MATLAB而獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(gè)碼元對應(yīng)0相位起始的正弦載波的4個(gè)周

17、期，NRZ碼為“0”的一個(gè)碼元對應(yīng)π相位起始的正弦載波的4個(gè)周期。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中采用模擬開關(guān)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(dāng)NRZ碼為高電平時(shí)，模擬開關(guān)1導(dǎo)通，模擬開關(guān)2截止，0相位起始的正弦載波通過門1輸出；當(dāng)NRZ碼為低電平時(shí)，模擬開關(guān)2導(dǎo)通，模擬開關(guān)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(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是容易做到高度保密性的加密。在這方面?zhèn)坞S機(jī)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(jī)序列加密的原理</p><p>　　將信源產(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)字消息

19、和一個(gè)周期很長的偽隨機(jī)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(gè)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(jī)序列，才能恢復(fù)原發(fā)的消息。因?yàn)閷⒋诵蛄心?假如兩次，就等于未加入。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</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(gè)過程中，偽隨機(jī)序列PN Sequence Generator提供加密信號。并且在高斯白噪聲條件下運(yùn)行。</p><p>　　3.2 各模塊參數(shù)設(shè)定</p><p>　　圖3-2 Sine wave1

21、信號參數(shù)設(shè)定</p><p>　　圖3-3 Sine wave2參數(shù)設(shè)定</p><p>　　由上面兩個(gè)圖可以看出兩個(gè)載波是幅度為3頻率為4Hz采樣時(shí)間為0.002s的反相信號。</p><p>　　圖3-4 脈沖信號參數(shù)設(shè)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(shí)間的信號。</p><p&g

22、t;　　圖3-5 偽隨機(jī)序列參數(shù)設(shè)定</p><p>　　圖3-6 高斯白噪聲參數(shù)設(shè)定</p><p>　　圖3-7 基帶頻譜參數(shù)設(shè)定</p><p><b>　　3.3 調(diào)制結(jié)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(jié)</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計(jì)運(yùn)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(xué)的幫助下總算得以解決。問題及解決方法：</p><p>　　1），兩個(gè)載波的幅度及頻率不一致，導(dǎo)致調(diào)制失敗。經(jīng)仔細(xì)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(dǎo)后，改變其參數(shù)，問題解決。</p><p><b

25、>　　結(jié)束語</b></p><p>　　在這次為期2周的課程設(shè)計(jì)中，我主要是利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺上設(shè)計(jì)數(shù)字加密信號PSK調(diào)制仿真,大二就已經(jīng)學(xué)習(xí)了MATLAB這一強(qiáng)大應(yīng)用工具，可是卻沒有進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，通過這次的課程設(shè)計(jì),我不僅通信原理所學(xué)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(shí)踐相結(jié)合.經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì),我的動(dòng)手能力和自學(xué)能力都得到了很大

26、的提高。</p><p>　　通過為期2個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多。它不僅很好地讓我理解課本上的知識，利用相關(guān)知識進(jìn)行仿真，更重要的是讓我意識到，在課程設(shè)計(jì)的過程中，需要的不僅僅是相關(guān)的知識點(diǎn)，更重要的是細(xì)心和耐心。細(xì)心能避免自己因錯(cuò)誤而浪費(fèi)大量時(shí)間來反復(fù)檢查，浪費(fèi)時(shí)間和精力，而且在設(shè)計(jì)過程中會(huì)遇到各種各樣的問題，這就需要我們要用耐心，堅(jiān)持下來，一步一步完成。我想這可能是我本次課程設(shè)計(jì)最大的收獲。當(dāng)然，在這個(gè)

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(jìn)一步鞏固和理解了老師在課堂上所講的有關(guān)通信原理的知識。由于個(gè)人能力有限，在設(shè)計(jì)和論文中可能存在種種的不足之處，希望指導(dǎo)老師予以指出，謝謝.</p><p>　　通過這段時(shí)間的親生經(jīng)歷，我感覺自己學(xué)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(dǎo)。</p><p><b>　　

28、參考文獻(xiàn)</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(dá)新宇．通信原理實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003</p><p>　　[3] 徐遠(yuǎn)明. MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005</p>