2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真

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1 引 言

本课程设计主要是深入理解和掌握振幅通信系统的各个关键环节，包括调制、解调、滤波、传输、噪声对通信质量的影响等。在数字信号处理实验课的基础上更加深入的掌握数字滤波器的设计原理及实现方法。使我对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。课程要求在MATLAB集成环境下，设计一个2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调通信系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，将解调输出的波形与基带信号波形进行比较，根据显示结果分析所设计的系统性能。根据仿真结果分析系统性能，并且从中分离出影响系统性能的关键因素，找出最优的系统配置方案。

1.1 课程设计目的

能够熟练地运用Simulink对通信系统进行仿真分析，理解2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调基本原理，能够运用通信原理知识优化系统性能。把对通信原理的感性认识提升到理性认识的层次上，培养对通信专业的兴趣。并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使学生在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。同时通过课程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和实际问题的解决能力。

1.2 课程设计的要求

（1）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。

（2）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。

（3）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a 用高斯白噪声模拟有线信道，b 用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道，c 用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。将三种噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。

（4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计

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学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。

1.3设计平台

开发平台MATLAB ——Simulink。MATLAB是一个专门为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其它工程设计中便于使用的计算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。

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。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是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。打开MATLAB 7.0，单击

，界面如下图2-1所示：

图1-1 Simulink界面

由图可知，Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构；Simulink子模型库中

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包含了Continous、Discontinus等下一级模型库；Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。设计仿真模型时，从模型库中选中模块，单击鼠标右键，选择\to untitled\，或直接把模块拖到仿真模型中，即可加入模块。Simulink模型库窗口还提供了查找功能，单击

按钮，在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字，单击

\即可自动搜索整个模型库。

在过去几年中，Simulink已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。Simulink鼓励人们去尝试，可以用它轻松的搭建一个系统模型，并设置模型参数和方针参数，并且立即观察到改变后的方针结果。

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2 设计原理

2.1 频分复用原理

所谓频分复用(Frequency division Multiplexing-FDM)是指按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中， 信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。

图2-1 频分复用系统组成原理图

频分复用系统组成原理图如图2-1 所示。图中，各路基带信号首先通过低通滤波器(LPF)限制基带信号的带宽，避免它们的频谱出现相互混叠。然后，各路信号分别对各自的载波进行调制、合成后送入信道传输。在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调信号，解调后恢复出基带信号。 

频分复用是利用各路信号在频率域不相互重叠来区分的。 若相邻信号之间产生相互干扰，将会使输出信号产生失真。 为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频率fc1, fc2, …, fcn，并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔。若基带信号是模拟信号，则调制方式可以是DSB-SC、AM、SSB、VSB或FM等，其中SSB方式频带利用率最高。若基带信号是数字信号，则调制方式可以是ASK、FSK、PSK等各种数字调制。复用信号的频谱结构示意图如图2-2所示。

O?1?2?3?n?图2-2 复用信号的频谱结构示意图

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2.2 AM调制原理

幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。幅度调制器的一般模型如图2-3所示。

图2-3 幅度调制模型

在图2-3中，若假设滤波器为全通网络（

＝1），调制信号m?t?叠加直流A0后再

与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带（AM）调幅 .AM调制器模型如图2-4所示

图2-4 AM调制模型

AM信号波形的包络与输入基带信号m?t?成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。 但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足

A0?m?t?max，否则将出现

过调幅现象而带来失真。AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽信号带宽的两倍。

2.3 AM非相干解调原理

在通信系统中，接收端想要从被调制的高频信号中恢复出原来的数字基带信号，就需要对接收信号进行解调。所谓非相干解调，即不需提取载波信息（或不需恢复出相干载波）的一种解调方法。

非相干解调是解调方法的一种，是相对相干解调而言的。

非相干解调是通信原理中的一种重要的解调方法，无论在模拟系统和数字系统中都非常重要。非相干解调的优点是可以较少的考虑信道估计甚至略去，处理复杂度降低，实现较为简单，但相比相干解调方法性能下降，从定量角度来看，普遍的结果是非相干解调性能上比相干解调差3dB。AM的非相干解调图如图2-5所示。

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输入信号 r(t) 输出信号

带通 滤波器 包络提取 低通 滤波器 抽样 判决器 定时脉冲 图2-5 AM非相干解调方式

2.4 ASK调制原理

振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。 设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为

其中:

?

二进制振幅键控信号时间波型如图2-6所示。 由图2-6可以看出，2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。

图2-6 二进制振幅键控信号时间波型

由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,?

所以调制后的二进制数字信号也是

一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。2ASK 信号功率谱密度的特点如下：(1)由连续谱和离散谱两部分构成，连续谱由信号g(t)经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；(2)已调信号波形的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。2ASK 信号功率

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谱密度推导：

??已知e0(t)???ang(t?nTS)?cos?ct?s(t)cos?ct，设e0(t)的功率谱为Pe(f)，s(t)

?n?的功率谱为Ps(f)。

则 Pe(f)?1?Ps(f?fc)?Ps(f?fc)?， Ps(f)?fsP(1?P)G(f)2?fs(1?P)2 4?sin?fTs?，?(f?mf)G(mf)G(f)?T?sss?m??fTsTs?sin?(f?fc)TsPe(f)??16??(f?fc)Ts?2??j?fTs?。 ?e?2sin?(f?fc)Ts?1????(f?fc)??(f?fc)? ??(f?fc)Ts?16?

图2-7 2ASK信号的功率谱密度示意图

在二进制数字振幅调制中，载波的幅度随着调制信号的变化而变化，实现这种调制的方式有两种：（1）模拟相乘法：通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号，这种直接利用二进制数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟相乘法，其电路如图2-8所示。在该电路中载波信号和二进制数字信号同时输入到相乘器中完成调制。（2）数字键控法：用开关电路控制输出调制信号，当开关接载波就有信号输出，当开关接地就没信号输出，其电路如图2-9所示。

图2-8 模拟相乘法 图2-9 数字键控法

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2.5 2ASK解调原理

2ASK/OOK信号有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），相应的接收系统如图2-10、图2-11所示。

图2-10 非相干解调方式

图2-11 相干解调方式

抽样判决器的作用是：信号经过抽样判决器，即可确定接收码元是“1”还是“0”。假设抽样判决门限为b，当信号抽样值大于b时，判为“1”码；信号抽样值小于b时，判为“0”码。当本实验为简化设计电路，在调制的输出端没有加带通滤波器，并且假设信道时理想的，所以在解调部分也没有加带通滤波器。

cba110010001018

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图2-12 2ASK信号非相干解调过程的时间波形

3设计步聚

3.1 simulink的工作环境熟悉

建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图3-1 系统中所需的模块：正弦波模块，示波器模块，乘法器。

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图3-1 正弦仿真电路图

正弦波参数设置如图3-2所示：

图3-2 正弦参数设置

系统内的示波器显示的波形如图。

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图3-3 单正弦波与平方波的对比

结论：两正弦波叠加之后的周期是原周期的1/2,频度是原频度的2倍。

3.2 理想信道的电路设计

（1）按照课程设计的各项要求和2路FDM的原理，以及AM信号和ASK信号的调制解调原理，在仿真模型窗口选择合适的器件并在模块中画出理想信道2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调电路框图，如图3-4所示，并创建模型文件。

图3-4 理想信道的2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调电路框图 此系统所用仿真电路模块有: 伯努利二进制发生器模块，正弦波发生器模块，功率谱密度模块，脉冲发生器模块，模拟滤波器模块，绝对值模块，常数发生器模块，采样量化编码模块，示波器模块。伯努利二进制发生器模块用于发出源信号，示波器用于观察波形。

（2）系统所用模块的参数设置

伯努利二进制发生器模块ernoulli Binary Generator的参数设置为：Probability of a zero 0概率设为0.5，initial seed设为61，Sample time抽样时间为1S，因为作为基带信号输入，所以频率取较低的值，Sample per frame是输入信息码为1。图3-5伯努利二进制发生器模块参数设置图：

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图3-5 伯努利二进制发生器模块参数设置图

功率密度谱Power Spectral Density的参数设置为：除Power Spectral Density3因为频率较高设置不一样外，其余的均和Power Spectral Density的设置一样，故此处只给出Power Spectral Density和Power Spectral Density3的参数设置图。具体参数设置值如下：

图3-6 Power Spectral Density的参数设置图 图3-7 Power Spectral Density3的参数设图

正弦波Sine Wave的参数设置为：因为载波频率要高于基带信号频率至少两倍，所以载波Sine Wave频率设为3*pi rad/sec，载波Sine Wave1频率设为10*pi rad/sec，基带信号Sine Wave2频率设为1 rad/sec。具体参数设置值如下：

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图3-8 Sine Wave模块的参数设置图 图3-9 Sine Wave1模块的参数设置图

图3-10 Sine Wave2模块的参数设置

乘法器Product模块的参数设置为：Product1和Product2输入端数量均设为2，故此处只给出Product1的参数设置图。具体参数设置值如下：

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图3-11 Product1模块的参数设置

加法器Sum和add模块的参数设置为：sample time 均设为-1。具体参数设置值如下：

图3-12 Sum模块的参数设置 图3-13 add模块的参数设置

常数Constant 模块的参数设置为：常数值Constant value设为2。具体参数设置值如下：

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图3-14 Constant模块的参数设置

滤波器Analog Filter Design模块的参数设置为：Analog Filter Design为带通滤波器，用于AM模拟调制，频率范围要求处于其对应基带信号频率与载波频率之差的绝对值和基带信号频率与载波频率之和之间，Analog Filter Design2也为带通滤波器，用于ASK数字调制，频率范围也要求处于其对应基带信号频率与载波频率之差的绝对值和基带信号频率与载波频率之和之间，Analog Filter Design1和Analog Filter Design3为低通滤波器，频率范围要求低于其对应基带信号频率与载波频率之差的绝对值。具体参数设置值如下：

图3-15 Analog Filter Design的参数设置 图3-16 Analog Filter Design1的参数设置

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图3-17 Analog Filter Design2的参数设置 图3-18 Analog Filter Design3的参数设置 绝对值abs模块的参数设置为：abs和abs1的采样时间sample time 均设为-1，故此处只给出abs的参数设置值，此模块只应用于非相干解调系统。具体参数设置值如下：

图3-19 abs模块的参数设置图

采样和保持Sample and Hold模块的参数设置为：触发方式Trigger type为上升沿触发，此模块只应用于数字调制与解调系统。具体参数设置值如下：

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图3-20 Sample and Hold模块的参数设置图

脉冲发生器Pulse Generator模块的参数设置为：脉冲宽度Pulse Width为0.1。具体参数设置值如下：

图3-21 Pulse Generator模块的参数设置图

量化编码Quantizing Encode1模块的参数设置为：量化分割quantization partition设为[0.4]，量化码quantization codebook设为[0 1]，此模块只应用于数字调制与解调系统。具体参数设置值如下：

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图3-21 Quantizing Encode1模块的参数设置图

示波器Scope的参数设定为：Scope1、Scope3、Scope5接口均为3个，故此处只给出了Scope1的参数设置值，Scope2接口为2个，Scope4接口为5个，时间范围均为自动调整。具体参数设置值如下：

图3-22 Scope1模块的参数设置图 图3-23 Scope2模块的参数设置图

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图3-24 Scope4模块的参数设置图

（3）仿真与结果分析

经过电路框图设计以及参数设置，接下来就是对构建的系统进行仿真。运行完后，可以通过示波器和功率谱模块观察调制和解调结果。仿真结果如下：

图3-25 AM调制波形图

上图所示，第一路为载波波形，第二路为基带信号波形，第三路为经AM调制后信号波形。从图中可以看出，AM波的包络与基带信号的形状完全一致。调制后的波形符合理论课中描述的波形，调制电路设计成功。

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图3-26 ASK调制波形图

上图所示，第一路为基带信号波形，第二路为载波波形，第三路为经ASK调制后信号波形。从图中可以看出，当基带信号处于开门状态时，调制波形为载波波形，当基带信号处于关门状态时，调制值为零。经分析调制后的波形符合理论课中描述的波形，说明调制电路设计成功。

图3-27 相加波形图

上图所示，第一路为AM波与ASK波之和的波形，第二路为AM波与ASK波之和经过有限带通滤波器的波形，第三路为AM波与ASK波之和有限带通滤波器的波形。

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图3-28 AM解调波形图

上图所示，第一路为AM调制的基带信号波形，第二路为ASK非相干解调时经过高通以及绝对值后的波形，第三路为AM非相干解调时经过高通以及绝对值后的波形，第四路为ASK非相干解调时经过高通以及绝对值和低通后的波形，第五路为解调后波形，由图形可以看出调制信号经过包络检波后能完全恢复成原始输入信号，结果与原理一样，说明解调电路设计成功。

图3-29 ASK解调波形图

上图所示，第一路为ASK调制的基带信号波形，第二路为ASK非相干解调后的波形，由图形可以看出调制信号经过包络检波后能完全恢复成原始输入信号，结果与原理一样，说明解调电路设计成功。

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在设计的过程中，还用到了功率谱分析模块，图如下：

图3-30 AM调制的基带信号功率密度谱 图3-31 AM解调功率密度谱

图3-32 AM调制功率密度谱 图3-33 两调制信号相加功率密度谱

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图3-34 ASK调制的基带信号功率密度谱 图3-35 ASK解调功率密度谱

图3-36 ASK调制功率密度谱

由调制前的的基带信号的频谱图（功率、频率、相位）与解调之后的解调信号的频谱图的比较也可以看到基带信号被正常解调出来了，该电路系统通过仿真之后达到了理论的要求。

从波形与频谱图我们可以得出调制前的波形在通过相干解调之后能够还原到原来的波形。

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3.3 高斯噪声影响的电路设计

（1）各模块不变，加入高斯发生器 Gaussian Noise Generator模块以及加法器Sum1模

块，得到非理想信道2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调电路框图如下：

图3-37 非理想信道的2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调电路框图 （2）各参数设置不变，加入高斯发生器 Gaussian Noise Generator模块，设置为：Sample time抽样时间为1S。

图3-38 Gaussian Noise Generator模块设置

加法器Sum1模块的参数设置为：sample time 设为-1。具体参数设置值如下：

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图3-39 Sum1模块设置

（3）仿真与结果分析

由电路图可以得到调制部分波形以及功率密度谱不会变，只有在解调部分加了高斯白噪声的影响，所以此处只给出了解调部分波形图如下：

图3-40 相加波形图

上图所示，第一路为AM波与ASK波以及噪声之和的波形，第二路为AM波与ASK波以及噪声之和经过有限带通滤波器的波形，第三路为AM波与ASK波以及噪声之和有限带通滤波器的波形。

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图3-41 AM解调波形图

上图所示，第一路为AM调制的基带信号波形，第二路为ASK非相干解调时经过高通以及绝对值后的波形，第三路为AM非相干解调时经过高通以及绝对值后的波形，第四路为ASK非相干解调时经过高通以及绝对值和低通后的波形，第五路为解调后波形，由图形可以看出调制信号经过包络检波后不完全恢复成原始输入信号，结果与原理有一点区别，说明噪声对模拟信号调制有影响。

图3-41 ASK解调波形图

上图所示，第一路为ASK调制的基带信号波形，第二路为ASK非相干解调后的波形，由图形可以看出调制信号经过包络检波后能完全恢复成原始输入信号，结果与原理一样，说明解调电路设计成功，也说明噪声对数字信号调制影响不大。

由功率谱密度也可以读出上述结论，在此处就没有进行详细分析了。

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3.4 多种噪声影响的电路设计

图3-42 多种噪声影响的电路图

上图为高斯和瑞利噪声同时作用的信道，也可以用同样的方法加入莱斯噪声，分析方法与上述一样，所以在此就不再重复。

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4出现的问题及解决方法

（1）按照书上原理进行实际操作时因为不认识而找不到需要的模块。后来在老师和同学的帮助下认识了很多模块及其功能。并且了解到了有很多模块的功能集中在一个模块上面，只要修改模块的名称，如高低通滤波器。

（2）最难得就是参数的设置，它在很大程度上影响了我的进度，因为这是最难掌握的部分，要找到最佳的参数得要自己一个一个对着波形修改，而且要对实验原理非常了解，查了好多资料，算了好多数据，结果虽然出来了但还不是很理想，最后在老师的帮助下我最终得到了理想的参数和结果。

（3）Power Spectral Density3的频率没有出现时，又经过一个下午的摸索，最后发现时因为载波频率很高，参数不能满足条件，所以在增大参数之后得出了结果。

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5结束语

两周的课程设计结束了，在此次课程设计中，我收获了许多，不仅在知识学习方面，而且在动手能力方面、团结合作能力等方面都有了一定的成就。

首先，在知识学习方面，虽然我们开始有学过通信原理这一门课程，有一定的基础，但是我发现我还没能学懂学通透，知识没能很好的与实践结合，特别在参数设置方面，没能全面考虑，所以经过这两周的课程设计，我发现学的远远多于书本上的东西，而且印象深刻。

其次，在动手能力方面，由于没能很好的熟悉设计平台，所以在找模块方面花了一些功夫，不过此次由于有了老师的详细讲解，所以，我能够很快知道接下来应该做什么，有什么作用，得出什么结果。

最后，在团结合作能力方面，虽然每个人有每个人的题目，但是我们还是充分发挥了我们的团结合作能力，找到资料的同学帮没找到的同学找，有什么错误的大家一起讨论，一起找资料解决，最后，实在不行还有我们坚强的后盾——我们的指导老师，所以我们合作得很愉快。

在这次设计过程中，既体现出了自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，又体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中也能发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。同时，也再次体会到了团结合作的快乐。

在此我要非常感谢敬爱的吴老师，因为你给了我一个这么好的题目，要我学到了更多的东西，同时，也要感谢黄老师她们以及我的好同伴们给我的帮助。

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参考文献

[1] 樊昌信，曹丽娜，通信原理.国防工业出版社，2009

[2] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信原理建模与仿真实例分析，清华大学出版社，2008 [3] 贾秋玲，袁冬莉，栾云凤. MATLAB7.X/Simulik/Stateflow系统仿真、分析及设计 西安：西北工业大学出版社 2006

[4] 张圣勤.MATLAB7.0实用教程，机器工业出版社，2006

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z5ow.html