电信专业基于matlab的psk系统仿真.doc

摘 要Simulink 是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模型的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作；Simulink 的每个模块对用户而言都是透明的，用户只须知道模块的输入、输出以及模块的功能，而不必管模块内部是怎么实现的，于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务；至于Simulink 的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样，事件是如何驱动等细节性问题，用户可以不去关心，正是由于Simulink 具有这些特点，所以它被广泛的应用在通信仿真中，利用Simulink 强大的工具箱和其建模的优势建立了常用的DPCM数字电话通信系统仿真模型，对该通信系统进行了模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示以及综合性能分析，而且该分析方法同样可推广到其它的通信系统，具有普遍意义。关键词：Simulink；PSK通信系统；8PSK；系统仿真ABSTRACTSimulink implementation provided is the MATLAB system modeling and simulation of dynamic a package, it allows users to energy from programming to model for users tectonic, saves the many repeated code work; Each module to users simulink.this concerned are transparent, users just know module inputs, output and modules of the system, and dont tube module of how to implement internal is, then left to the user thing is how to use these modules to establish model in order to complete their simulation task; As for Simulink modules in the runtime is how to enforce, time is how to sampling, event is how to drive details such as sexual problems, users can not to care, because with these features, so simulink.this it by widespread application in communication simulation, using Simulink powerful tool kit and the advantage of the model established common DPCM digital telephone communication system of the simulation model, the model building communication system, system design, the simulation demonstrates, the results indicate, and comprehensive performance analysis, and the analysis method is also can be generalized to other communications system of general significance. Key words: Simulink; PSK communication systems; 8PSK; System simulation目 录 第一章 绪论11.1课题背景11.2通信系统仿真软件的应用31.3 本课题主要研究内容4 第二章 MATLAB仿真综述62.1通信与电子系统仿真62.2 MATLAB仿真软件应用领域82.3 Simulink仿真原理11 第三章 数字调制技术223.1调制技术发展概况223.2数字调制技术243.3 数字调制技术在现代通信中的应用28 第四章 PSK通信系统原理304.1 数字相位调制（PSK）基本原理304.2 4PSK调制解调基本原理304.3 8PSK调制解调基本原理324.4 MPSK的调制原理33 第五章 基于MATLAB/Simulink的8PSK通信系统仿真345.1 8PSK仿真基本原理介绍345.2 用Simulink搭建8PSK仿真图355.3 8PSK的Simulink仿真结果及分析36 附 录40 总 结41 参考文献42 致 谢43*理工大学2011届毕业论文第一章 绪论1.1课题背景人类社会一直从自然界获取、处理、分析、传递和利用信息。从20世纪70年代以来，一场一信息技术为中心的新技术革命正席卷全球。在人类社会的三大基础要素“物质、能源、信息”中，“信息”的地位已经上升到一个新的高度。这场新技术革命以高科技为标志，对世界政治、经济和社会生活的影响以远远超过了以往任何一次技术革命，他使传统的工业技术、农业技术和军事技术发生了根本性的变化，使人类社会由工业社会跨入了信息社会的新时代。在过去的几十年，通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大的推动了社会经济的发展，改变着人们的生活方式。其中在与人类联系最为紧密的个人通信方面，需要无线通信技术来实现“任何时间、任何地点以任何方式进行信息交流”。所以移动通信的迅速发展给人类的生活带来了极大的便利。在过去的20年，移动通信经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信到第三代多媒体通信的3个阶段。在我国，移动通信也是最具发展活力的产业之一。与世界上移动通信普及率最高的国家相比，我国移动通信的发展潜力巨大。通信技术、计算机技术和信号处理技术构成了信息科学的3大支柱。他们在微电子技术支撑下，交叉融合，相互支持，相互促进，飞速发展，从而大大加速了信息化进程。远古时代，远距离的传递消息是以书信的形式来完成的。这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息，人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始，之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替，数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展，特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功：（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。（2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。（4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。移动通信是个神奇新兴的产业，它使人类居住的地球变的越来越小，在任何时间、任何地点、与任何人进行任何类型的信息业务都能够得以实现。但是要做到这些比并不容易。他意味着移动通信网的覆盖面要大、覆盖质量要好、业务种类要多，在本地、全国各地以及全球任何地方，利用手机不仅可以打电话，还可以看新闻、接受电子邮件、炒古、购物等。现代移动通信的主要标志就是通信技术和计算机技术、数字信号处理技术的融合。由于大量采用计算机技术和数字信号处理技术，并有大规模集成电路的技术的支持，在通信领域取得了许多突破性的进展，为信息话社会提供了物理技术基础。通信技术融入计算机技术和数字信号处理技术后发生了革命性的变化，是未来信息社会的支柱。正是由于移动通信技术对于社会发展的重要性，对于专业的通信人才的需求变的越来越强烈，通信技术的普及已经迫在眉睫。这要求我们除了掌握坚实的理论基础之外，还应具有更广的知识面和强烈的创新意识，能够掌握工程技术领域的新成就，了解科学技术的发展动向。随着通信技术日新月异的发展，尤其是数字通信的快速发展越来越普及，研究人员对其相关技术投入了极大的兴趣。为使数字信号能在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制，其调制方式与模拟信号调制相类似。根据数字信号控制载波的参量不同也分为调幅、调频和调相三种方式。因数字信号对载波参数的调制通常采用数字信号的离散值对载波进行键控，故这三种数字调制方式被称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。经调制后的信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。因此，调制解调技术是实现现代通信的重要手段，促进通信的快速发展。1.2通信系统仿真软件的应用科学技术的发展使得各种系统的构建与仿真变得越来越复杂。如何快速有效地构建系统并进行仿真，已经成为各领域工程师急需解决的核心问题。Simulink是MathWorks公司推出的高性能的动态系统建模与仿真平台，而且已经在各领域得到广泛的应用。近几年，在学术界和工业领域，Simulink已成为在动态系统领域建模和仿真重要工具。Simulink具有相对独立的功能和使用方法，确切的说，它是一个用来对动态系统进行建模、应用最广泛的软件包之一 。Simulink适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计，它的直接魅力在于强大的功能和简便的操作。作为MATLAB的重要组成部仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地画出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。 Simulink包含有SINKS（输出方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模，用户也可以定制和创建用户自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。 模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具及MATLAB的应用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。1.3 本课题主要研究内容在当代社会中，信息的交换日益频繁，随着通信技术和计算机技术的发展及它们的密切结合，通信能克服对空间和时间的限制，大量的、远距离的信息传递和存取已成为可能。展望未来，通信技术正在向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向迅速发展，各种新的电信业务也应运而生，正沿着信息服务多种领域广泛延伸。计算机仿真可以用于大部分电子工程、现代通信技术和通信系统的实验研究工作。采用计算机仿真的方法可以在很大程度上克服没有仪器设备所带来的问题。利用计算机对实际电子通信系统的物理模型或数学模型进行实验，通过这样的模型试验来对一个实际系统的性能和工作状态进行研究。另外，在现代通信系统协议的性能研究中，直接试验几乎是不可能的，在这种情况下只能通过仿真数据来检验所选用的对象，以验证有关的假设。在研究通信系统理论过程中，仿真技术也是验证理论，进行探索和发现的有效工具。设计目标：了解工程设计的一般过程，学会资料检索方法、综合所学知识完成课题设计。熟悉MATLAB软件、PSK通信系统以及各类信号处理单元，掌握以SIMULINK为核心的系统建模和仿真技术以及通信系统的组成原理、开发及应用技术。本课题研究基于MATLAB中SIMULINK的DPCM通信系统，深刻理解模拟信号数字化的过程，学习研究PSK系统的原理，并借助MATLAB仿真工具，利用Simulink模块搭建仿真框图，实现通信系统的仿真。并对实验结果进行深刻的分析和讨论，得出PSK通信系统的优缺点，再设计改进方案。志在通过此次设计掌握MATLAB的通信仿真方法，深入研究DPSK系统，达到探索研究的目的。45第二章 MATLAB仿真综述2.1通信与电子系统仿真2.1.1通信与电子系统仿真的概念系统仿真(Simulation)技术也称为系统模拟技术。由于计算机仿真具有精度高，通用性强，重复性好，建模迅速以及成本低廉等许多优点，尤其是近年来发展了以MATLAB/Simulink为代表的多种科学计算和系统仿真语言，使用起来比利用传统的C/C+语言进行仿真方便快捷得多。系统仿真技术在国内学术界和科技界的迅速普及，也大大提高了科学研究的效率。该课题就是以MATLAB/Simulink为仿真语言来进行系统仿真试验的。所谓电子通信系统的计算机仿真，就是利用计算机对实际电子通信系统的物理模型或数学模型进行试验，通过这样的模型试验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究。当在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时，仿真技术就成为必然的选择。例如，要测试某种调制方式在时变多径无线电信道中的性能表现，通常只能通过建立时变多径无线电信道的数学模型，利用计算机来实现仿真的无线电信道，通过数值计算以及蒙特卡罗方法进行仿真研究。又如，在对新一代通信体制进行性能分析和系统设计时，实际系统根本不存在，因此必须采用仿真手段。按照系统的数学模型的性质，系统可划分为有记忆系统和无记忆系统两大类。无记忆系统又称为静态系统，其数学描述的一般形式是代数方程、逻辑表达式等。有记忆系统又称为动态系统，其数学描述的一般形式是微分方程、差分方程和排队论等，特别是在现代系统分析理论中，常常将微分方程或差分方程采用其等效形式传递函数和状态方程来描述。状态方程的数值求解是Simulink系统仿真工作的基础。采用微分方程形式描述的系统称为连续系统。采用差分方程形式描述的系统称为时间离散系统。如果系统需要采用微分方程和差分方程来描述，则称为（连续和离散）混合系统。本质上，只要能够构造出系统的数学模型，MATLAB/Simulink就可以对任意系统进行仿真分析。但是在实际应用中，就方便性而言，MATLAB/Simulink特别适合于针对电子通信系统模块的系统级仿真，因此，该课题主要讨论电子通信系统的系统级（方框图级）的仿真问题。2.1.2计算机仿真的步骤计算机仿真的一般步骤有以下几个方面。（1）仿真问题的提出。系统设计之前，应该有一个完整、准确的需求说明。建立系统仿真的第一步，必须清楚、准确地提出仿真试验所要解决的问题。（2）仿真系统分析。对所提出的仿真系统给出详细定义，明确系统中的模块、系统构成、模块之间的相互关系，系统的输入输出、边界条件以及系统的约束条件，并确定仿真所要达到的目标。 （3）建立系统的数学模型。根据仿真系统分析的结果，确定系统中的参数、变量及其相互之间的关系，并以数学形式将这些关系描述出来，从而构成仿真系统的数学模型。数学建模是系统仿真中最关键的一步，所建立的数学模型必须尽可能准确地反映所关心的真实系统的特性，而又不能过于复杂，以免降低模型的效率，增加不必要的计算过程，即建模需要根据求解问题的要求，在模型的近似程度与复杂程度之间折中。电子与通信系统的数学模型通常以方框图形式或数学方程形式来表达。（4）数据收集。根据建立的数学模型所需要的数据元素，收集与模型系统有关的数据。（5）根据数学模型建立系统的计算机仿真模型。系统的计算机仿真模型是指数学模型的计算机实现。确定计算机仿真模型就是根据数学模型和收集的数据，确定其中各子模块的结构，输入输出接口，输入输出的数据表达形式，数据的存储方式等。然后编制相应的程序流程，最后选择某种程序设计语言编程实现。（6）仿真模型验证。仿真模型验证的目的是确定计算机仿真模型是否准确表达了数学模型。由于计算机仿真模型是由程序实现的数学模型，编制程序的错误、求解问题方法选择不当均会导致仿真结果偏离真实值。在利用C语言等编制仿真程序时，程序调试、数值算法调试等都是一件不容易的事情。MATLAB/Simulink提供了非常稳定的数值计算函数，并且由于MATLAB语言更接近数学语言表达，使得在程序调试、查错排错上的花费大大减少，使得用户可以将大量精力集中于数学建模和仿真结果分析上，而不是将时间消耗在程序调试之中。仿真模型验证通常的方法是将数学模型的解析结果（或理论结果）与仿真所得到的数值结果相比较来完成的；或通过已知的系统输入输出结果，对比在相同条件下的系统仿真结果来验证仿真模型的正确性。 （7）仿真模型的确认。仿真模型的确认就是确定仿真模型是否按照设计所要求的精度代表实际系统，即仿真模型是否合理。可通过将模型与现实系统相比较来确认仿真模型。例如，对于无线电信道可以有不同的数学建模，而这些数学模型对于特定条件下的实际无线信道的近似程度往往是不同的。模型验证和确认对于系统仿真结果的有效性是至关重要的。工程实践中，在图上作业时，仿真试验得出相关结果后，还要进行现场踏勘。此时可以验证建模与仿真的结论与实际的测量结果的差异，对仿真模型进行分析和评估。但是系统仿真界对模型验证和确认的理论研究还比较少，重视程度也不够。根据美国西北大学Hoover教授的调查，在有关仿真的论文中，提到模型验证和确认的文献数目不足30，而绝大部分论文根本没有提及模型验证和确认的问题。（8）仿真试验设计。仿真试验设计就是确定仿真试验方案，包括：系统激励信号的设计，系统仿真时间设计，仿真运行次数设计，以及仿真系统的其他参数设计等。（9）计算机仿真模型的运行。根据仿真试验设计的方案，让计算机执行计算，并在执行计算的过程中了解仿真模型对于各种不同输入信号以及不同参数和仿真机制下的输出，得出试验数据，从而预测系统在实际环境中的运行情况。 （10）计算机仿真结果分析。对仿真模型的运行阶段所产生的数据进行分析，其目的是从运行阶段所产生的数据中找出系统运行规律，对仿真系统的性能做出评价，为系统方案的最终决策提供辅助支持。对仿真结果的分析通常采用统计学的分析方法，对仿真数据的可靠性、一致性、置信度等做出判定，最终将仿真结果以动画、曲线、图表和文字等形式形成仿真报告或论文。在MATLAB/Simulink中提供了非常方便的数据分析函数和显示工具，如：作图，示波器，频谱分析仪，动画，统计工具箱中的各种统计分析函数，数据插值等等。 2.2 MATLAB仿真软件应用领域2.2.1 MATLAB软件发展历程及应用MATLAB是MathWorks公司开发的一种跨平台的，用于矩阵数值计算的简单高效的数学语言，与其它计算机高级语言如C，C+，Fortran，Basic，Pascal等相比，MATLAB语言编程要简洁得多，编程语句更加接近数学描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。对于具有任何一门高级语言基础的读者来说，学习MATLAB十分容易。但是，要用好MATLAB却不是在短时间就可以达到的。这并不是因为MATLAB语言复杂难懂，而是实际问题的求解往往更多的是需要使用者具备数学知识和专业知识。MATLAB使得人们摆脱了常规计算机编程的繁琐，让人们能够将大部分精力投入到研究问题的数学建模上。可以说，应用MATLAB这一数学计算和系统仿真的强大工具，可以使科学研究的效率得以成百倍的提高。目前，MATLAB已经广泛用于理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程之中，成为这些课程进行虚拟实验的有效工具。在科研部门，MATLAB更是极为广泛地得到应用，成为全球科学家和工程师进行学术交流首选的共同语言。在国内外许多著名学术期刊上登载的论文，大部分的数值结果和图形都是借助MATLAB来完成的。 与其它高级语言相比较，MATLAB具有独特的优势：(1) MATLAB是一种跨平台的数学语言。采用MATLAB编写的程序可以在目前所有的操作系统上运行(只要这些系统上安装了MATLAB平台)。MATLAB程序不依赖于计算机类型和操作系统类型。(2) MATLAB是一种超高级语言。MATLAB平台本身是用C语言写成的，其中汇集了当前最新的数学算法库，是许多专业数学家和工程学者多年的劳动结晶。使用MATLAB意味着站在巨人的肩膀上观察和处理问题，所以在编程效率，程序的可读性、可靠性和可移植性上远远超过了常规的高级语言。这使得MATLAB成为了进行科学研究和数值计算的首选语言。 (3) MATLAB语法简单，编程风格接近数学语言描述，是数学算法开发和验证的最佳工具。MATLAB以复数矩阵运算为基础，其基本编程单位是矩阵，使得编程简单，而功能极为强大。对于常规语言中必须使用许多语句才能实现的功能，如矩阵分解、矩阵求逆、积分、快速傅立叶变换，甚至串口操作、声音的输入输出等，在MATLAB中均用一两句指令即可实现。而且，MATLAB中的数值算法是经过千锤百炼的，比用户自己编程实现的算法的可信度和可靠性都大为提高。(4) MATLAB计算精度很高。MATLAB中数据是以双精度存储的，一个实数采用8字节存储，而一个复数则采用16字节存储。通常矩阵运算精度高达1015以上，完全能够满足一般工程和科学计算的需要。与其它语言相比，MATLAB对计算机内存、硬盘空间的要求也是比较高的。 (5) MATLAB具有强大的绘图功能。利用MATLAB的绘图功能，可以轻易地获得高质量的(印刷级)曲线图。具有多种形式来表达二维、三维图形，并具有强大的动画功能，可以非常直观地表现抽象的数值结果。这也是MATLAB广为流行的重要原因之一。 (6) MATLAB具有串口操作、声音输入输出等硬件操控能力。随着版本的提高，这种能力还会不断加强，使得人们利用计算机和实际硬件相连接的半实物仿真的梦想得以轻易实现。(7) MATLAB程序可以直接映射为DSP芯片可接受的代码，大大提高了现代电子通信设备的研发效率。 (8)MATLAB的程序执行效率比其它语言低。MATLAB程序通常是解释执行的，在执行效率和速度上低于其它高级语言，当然如果对执行效率有特别要求，可以采用C语言编制算法，然后通过MATLAB接口在MATLAB中执行。事实上，MATLAB自带的许多内部函数均是用C语言编写并编译的，因此利用MATLAB内部函数的程序部分运行速度并不比其它语言中相应函数低。20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。MATLAB 产品族可以应用于数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等领域。 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。2.2.2 MATLAB/Simulink仿真转换方法MATLAB/Simulink属于一种通用的科学计算和系统仿真语言。在MATLAB/Simulink下，从数学模型到计算机仿真模型的转换非常容易。MATLAB/Simulink提供了三种方法：（1）M文件编程实现的方法：根据数学模型所建立的方程和数据参数，通过编程实现方程的表示和数值求解。其特点是灵活性好，数学关系显式地表达在程序语句之中，但是仿真的直观性方面稍显欠缺，通常在仿真计算完毕之后才能看到结果。M文件编程实现的方法是基于数据流的仿真方法。 （2）Simulink方法：可以根据数学模型建立对应的系统方框图，通过所见即所得的方式连接模块，然后选择求解方式和精度，运行仿真。其特点是直观性好，可以在仿真过程中实时地修改系统模块的参数，并能够实时地显示当前的仿真结果。Simulink仿真实现的方法是基于时间流的仿真方法。（3）Simulink结合M文件编程的方法：这是前两种方法的综合应用，同时具备图形界面的直观性和字符界面的强大功能。事实上，所有Simulink的模块以及系统构建、仿真参数、仿真求解算法等均可通过编程语句实现。与通过图形界面交互完成的仿真过程相比较，通过编程语句实现将“手动”的仿真过程真正变成了“自动化”仿真过程。实际中，对于较为复杂的系统，如整个通信接收机的仿真，往往采取Simulink结合M文件编程的方法。 2.3 Simulink仿真原理2.3.1 Simulink软件的简介与特点Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink有如下特点：（1）丰富的可扩充的预定义模块库。 （2）交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。 （3）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理 。（4）通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。 （5）提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。 （6）使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。 （7）使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。 （8）图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。 （9）可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。 （10）模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。2.3.2使用Simulink建模和仿真Simulink 可以对实际的动态系统建模，仿真并实时分析系统输出的变化。利用Simulink仿真动态系统分两步：（1）用户创建一个结构框图，利用Simulink 模型编辑器，通过系统的输入，传递函数，输出描述数学关系（2）仿真系统的模型，并指定开始时间和结束时间仿真结构图是动态系统数学模型的图形化描述，数学模型由一组方程组表示，包括比例，微分，微分方程。创建动态系统模型的要素：用户可以用Simulink软件包建模、仿真和分析模型输出随时间而改变的系统，这样的系统通常是指动态系统：利用Simulink，用户可以搭建很多领域的动态系统，包括电子电路、减振器、刹车系统和许多其他的电子、机械和热力学系统。使用Simulink仿真动态系统包括两个过程。首先，利用Simulink的模型编辑器创建被仿真系统的模型方块图，系统模型描述了系统中输入、输出、状态和时间的数学关系，然后使用Simulink根据用户输入的模型信息在一个时间段内仿真动态系统。本节综合给出了用户在Simulink中创建动态系统模型时需要理解和掌握的所有建模要素。（1）方块图Simulink方块图是动态系统数学模型的图形化描述， 动态系统的数学模型是由一组方程来表示的，而由方块图模型所描述的数学方程就是众所周知的代数方程、微分方程和(或)差分方程。一个典型的动态系统方块图模型是由一组模块和相互连接的线(信号)组成的，这些方块图模型都来源于工程领域，如反馈控制系统理论和信号处理理论等。每个模块本身就定义了一个基本的动态系统，而方块图中每个基本动态系统之间的关系就是通过模块之间相互连接的线来说明的，方块图中的所有模块和连线就描述了整个动态系统。方块图模型中的每个模块都属于一个特定的Simulink模块类型，模块的类型决定了模块的输出、输入、状态与时间的关系，在建立系统模型图时，Simulink方块图中可以包含任意数目、任意类型的模块，Simulink中的模块包括非虚拟模块和虚拟模块。非虚拟模块是基本系统，虚拟模块则是为了模型方块图组织结构的简化而建立的，它在模型方块图所描述的系统方程定义中不起任何作用、如Bus Creator 模块和Bus Selector 模块就是虚拟模块，它们的作用只是把信号“捆绑”在一起用来简化方块图，而且也增加了模型的可读性。在Simulink中，方块图(或者说模型)表示的是“基于时间的方块图”，其含义如下：1）Simulink方块图定义了信号和状态变量的时间关系，方块图的解是通过求解整个时间过程中所有的函数方程来获得的，这个时间过程就是由用户指定的“起始时刻”开始，至用户定义的“终止时刻”结束，每次计算都是在一个时间步内求解这些函数关系的。2）信号表示的是整个时间范围内的量值，在方块图的起始时刻到终止时刻之间每个时间点上都定义了信号。3）信号和状态变量之间的关系是通过模块所表示的一组方程定义的，每个模块都是由一组方程(也称为模块方法)组成的，这些方程定义了输入信号、输出信号和状态变量之间的关系。方程定义中的所有值称为参数，也就是方程中的系（2）系统函数每个Simulink模块的类型都是与一组系统函数相关联的，系统函数指定了模块的输入、状态和输出之间的时间关系，这个系统函数包括：输出函数 ：它表示的是系统输出、输入、状态和时间的关系。更新函数 ：它表示的是系统离散状态的将来值与当前时刻、输入和状态之间的关系。微分函数 ：它表示的是系统连续状态对时间的微分、模块当前状态值和输入之间的关系。这里，t是当前时间，x是模块的状态，u是模块的输入，y是模块的输出，xd是模块的离散状态的微分，是模块连续状态的微分，在进行仿真过程中，Simulink利用系统函数计算系统的状态值和输出值。（3）状态Simulink模块可能包含有状态，状态(state)是确定模块输出的变量，它的当前值是模块状态和（或）前一时刻输入值的函数，含有状态的模块必须存储前一时刻的状态值，用以计算当前时刻的状态值，因此说，状态是可以保持的。由于含有状态的模块必须存储前一时刻的状态值和(或)输出值用以计算当前时刻的状态值，因此这样的模块都需要内存。模块的输出是模块输入、状态和时间的函数，描述模块输出对输入、状态和时间的特定函数取决于模块的类型。Simulink模型有两种状态类型：离散状态和连续状态。连续状态是连续变化的，如汽车的位置和速度；离散状态是连续状态的近似，这些状态在有限的时间间隔(周期性或非周期性)内进行更新(重新计算)，例如，在数字里程表中显示的汽车位置就是离散状态，这些位置在每秒内进行更新，如果离散状态时间间隔趋近于零，那么离散状态也相当于连续状态。Simulink模块明确定义了模型的状态，尤其是需要某些先前时刻的输出或所有输出才能计算当前输出的模块，这些模块明确定义了两个时间步之间需要保存的一组状态，因此说，这样的模块都是有状态的：图2-1是含有状态的模块中输入、输出和状态的图形表示。模型中状态的总数是模型中所有模块定义的所有状态之和，为了确定模型中的状态总数，Simulink需要分析模型中所包含的模块类型，然后再确定模块类型所定义的状态数目，Simulink会在仿真汇编阶段进行这个工作。举例来说，Simulink的Integrator(积分器)模块就是个含有状态的模块。Integrator模块输出的是由仿真起始时刻到当前时刻的输入信号的积分值，当前时刻的输出值取决于在此时刻之前Integrator模块的所有输入值，事实上，积分值只是Integrator模块的一个状态。再举一个例子，Simulink的Memory模块也是一个含有状态的模块，Memory模块存储当前仿真时刻的输入值，并在此时刻之后输出这些值，因此Memory模块的状态就是前时刻的输入值。Simulink的Gain模块是个无状态模块，Gain模块的输出值是输入信号值乘以增益常数，它的输出完全是由当前的输入值和增益来决定的。此外，sum模块和Product模块也是无状态模块，它们的输出均是当前输入的函数，因此都是无状态的。第一：连续状态。计算连续状态需要知道状态的变化率或微分，由于连续