成都大学通信原理课程设计_成都大学电信课程设计

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数字通信系统的设计与实现

摘要：数字通信系统可分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。本设计主要介绍数字频带传输通信系统的二进制数字相对相位调制方式（2DPSK），并在此基础上运用MATLAB软件对2DPSK数字系统进行建模与基本的功能仿真，并通过对各模块的波形分析对系统的性能及可实现性做出评价。

关键词：频带传输；2DPSK；MATLAB；

I

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目录

第1章 引言................................................................................1 1.1背景...............................................................................1 1.2 选题的目的和意义...................................................................2 1.3 本课程设计的主要内容...............................................................2 1.4 章节内容安排.......................................................................3 第2章2DPSK调制与解调原理.................................................................4 2.1 2DPSK信号的产生...................................................................4 2.2 2DPSK信号的调制...................................................................4 2.2.1 2DPSK模拟调制法.............................................................5 2.2.2 2DPSK键控法.................................................................5 2.3 2DPSK 信号的解调...................................................................6 2.3.1 极性比较法...................................................................7 2.3.2 相位比较法...................................................................7 第3章 基于Matlab的系统程序设计仿真.......................................................9 3.1设计流程图.........................................................................9 3.2仿真程序..........................................................................10 3.3仿真波形..........................................................................15 3.4参数要求..........................................................................20 第4章 结束语.............................................................................21 参考文献..................................................................................22

II

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第1章 引言

1.1背景

人类的社会活动和发展是与信息及其传递——通信密切相关的。当今世界已进入信息时代。通信已深入到社会各个领域，对人类的生活和社会的发展更加具有特殊重要的意义，对于远程通信来说，数字频带传输技术的发展尤为重要。

随着数字技术的飞速发展与数字器件的广泛使用数字信号处理在通信系统中的应用已经越来越重要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统，数字频带传输系统是一种利用调制器对传输信号进行频率交换的传输方式，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合在信道(一般为带通信道)上传输的频带上。信号调制的目的是为了更好的适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，提高线路的利用率，一举两得。研究数字频带通信系统是研究数字通信的基础，现代大多数数字通信系统都是频带通信系统。数字频带传输在应用上要比基带传输更广泛，应用范围更大，如：卫星通信、移动通信、光纤通信、均是在所规定信道频带内传输频带信号。

通信信号的调制识别成为研究热点之一，国内外都有相关方面的研究，并且取得很好的结果。80年代以来，通信和信号处理系统越来越复杂，各种新技术的发展对通信系统的实现起着重大的影响。通信系统复杂性的增加使得分析与设计所需的时间和费用也迅速上升，为了节约人力、物力、财力和时间，就需要进行系统仿真。近10年来，数字通信系统得到了迅速的发展，尤其是人们对数字通信系统的需求，已超过现今技术所能支持数据速率几个数量级，而可利用的无线频谱有限，只有使通信频谱利用率得到显著提高，才能满足通信容量的要求。尽管通过增加发射功率和带宽来提高系统输出信噪比可以改善系统性能，但这与移动通信的发展目标相违背。一个使数据速率增长得以实现的重要技术突破就是研究数字频带通信系统。

过去，数字信号处理一直是用模拟设备完成，近代，数字计算机的出现和大规模集成技术的高度发展，为数字频带通信系统的处理提供了强有力的手段。在电子各个领域，正日益广泛地用数字方法实现数字频带通信系统。

数字通信在其发展过程中表现出了强大的生命力，它冲破了传统模拟通信方式的统治，逐步地发展、完善。随着通信事业的发展，特别是各种宽带传输技术(例如光纤传输、数字微波等)、综合业务数字网(ISDH)的实用化，全数字化的通信方式必将逐步取代模拟通信方式而得到蓬勃发展。数字调制传输在现在通信中发挥着越来越重要的作用。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）、成都学院（成都大学）课程设计报告

频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。基于频带系统仿真是通信电子类专业教学和科研经常使用的一种方法。我们在计算机尝试仿真，在计算机上显示不同系统的工作原理进行波形观察、频谱分析和性能分析等，为数字频带传输系统以及通信系统设计和研究提供强有力的指导。

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。具有如下特点：

1)高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来； 2)具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；

3)友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；

4)功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等)，为用户提供了大量方便实用的处理工具。

1.2 选题的目的和意义

当要测试一个传输系统的性能时，往往都是把它做出来，再对其进行测量计算。这样做的话，需要浪费大量财力和劳力。而现在我们利用计算机，把需要设计的方案进行计算机仿真，模拟测试出来传输系统，最后计算出来和他相关的误码率，误比特率等数据，得出这个传输系统性价比。在传输信号中，2DPSK与2PSK信号和2ASK及2FSK信号相比，具有较好的误码率性能，但2FSK对相位不敏感，为了保证2PSK的优点，又不会产生误码，将2PSK体制改进为二进制差分相移键控（2DPSK），及相对相移键控。2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。MATLAB是一种功能强大，效率高，交互性好的数值计算和可视化计算机高级语言，它将数值的分析，矩阵计算，信号处理和图形显示有机地融合为一体，形成了一个极其方便，用户界面有好的操作环境。随着其自身版本的不断提高，MATLAB得到了各个领域专家学者的广泛关注，其强大的扩展功能可以为各个领域的应用提供基础。目前，MATLAB已广泛应用于科学研究工程计算，仿真，自动控制等领域，是目前工程上流行最广泛的科学语言。数字频带系统的应用广泛，所以研究数字频带通信系统并用软件仿真，具有现实意义。

1.3 本课程设计的主要内容

实现对2DPSK数字频带通信系统的设计与建模。包括以下要求：

（1）设计出规定的数字通信系统的结构，包括信源，调制，发送滤波器模块，信道，接受滤波器模块，解调以及信宿；

（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）；（3）用Matlab实现该数字通信系统；（4）观察仿真并进行波形分析；

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（5）系统的性能评价（分析误码率）。

1.4 章节内容安排

本文共有四个章节，第一章为绪论，主要介绍数字通信系统的背景与发展，对我们的重要意义以及我们课程设计需要做的工作，要完成的主要内容；第二章是讲2DPSK产生的方法和调制与解调原理；第三章是讲基于Matlab的系统程序设计仿真，是本次的重点。第四章是结束语，是对本次课程设计的一个全面总结和心得体会。

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第2章2DPSK调制与解调原理

2.1 2DPSK信号的产生

2DPSK 是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，载波相邻两码元的相位差定义为

nnn-

1（2-1）

n、n-1分别表示第n及n-1个码元的载波初相。n0通常表示数字信息“0”，n通常表示数字信息“1”。波形如图2.1所示：

绝对码110100110相对码01001110112DPSK 图2-1 2DPSK波形

2.2 2DPSK信号的调制

S2DPSK(t)等于调制信号S(t)2DPSK的基本原理和2ASK是一样的，只是把输入的数字信息进行码变换，码变换后的信号S(t)乘以载波信号cos2fct。所以S2DPSK(t)的数学表达式为

S2DPSK(t)S(t)cos2fct（2-2）

根据功率谱公式可以算出S(t)的功率谱，用P(f)来表示。根据频移定理得到S(t)信号的功率谱 ''''A2P'ffcPs'ffcP2DPSK(f)

（2-3）4s4

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'其中，Ps'f为双极性全占空矩形脉冲序列 S(t)的功率谱。

2.2.1 2DPSK模拟调制法

模拟调制法如图2-2所示，其中码变换过程为将绝对码变换为相对吗；码型变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码型；乘法器过程是将双极性不归零信号与载波相乘得到2DPSK信号。

双极性S(t)码变换相对码码型变换不归零乘法器coscte2DPSK(t)图2-2 模拟调制法

2.2.2 2DPSK键控法

基带信号差分变换反相器载波输入图2-3 键控法

选项开关已调信号

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2.3 2DPSK 信号的解调

2DPSK信号最常用的解调方法有两种，一种是极性比较法（相干解调法），另一种是相位比较法（非相干解调法）。

当采用2PSK解调时，设调制采用“1”变“0”不变规则。当发送端“1”时，收到的2PSK信号为：

S2PSKcos2fct

（2-4）

带通滤波器的输出是信号加窄带噪声：

cos2fctni(t)1ni(t)cos2fctnQ(t)sin2fct

（2-5）

上式与相干载波cos2fct相乘，得：

cos2fctni(t)cos2fct1ni(t)cos22fctnQ(t)sin2fctcos2fct

111ni(t)1ni(t)cos4fct 224fctcos2f

t

（2-6）

nQ(t)sinc式（2-6）所示信号经低通滤波器后得：

x(t)1ni(t)

（2-7）

显然，x(t)的瞬时值是均值为-

1、方差为nn0B2PSK2n0f的高斯随机变量。所以，x(t)的取样值的概率密度函数为：

2f1(x)同理，发端发“0”时，收到的2PSK信号为：

1e2n(x1)222n

（2-8）

S2PSKcos2fct

（2-9）

带通滤波器的输出是信号加窄带噪声：

cos2fctni(t)1ni(t)cos2fctnQ(t)sin2fct

（2-10）

上式与相干载波cos2fct相乘，得：

cos2fctni(t)cos2fct1ni(t)cos22fctnQ(t)sin2fctcos2fct

111ni(t)1ni(t)cos4fct 22nQ(t)sin4fctcos2fct

（2-11）

式（2-11）所示信号经低通滤波器后得：

x(t)1ni(t)

（2-12）

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显然，x(t)的瞬时值是均值为

1、方差为nn0B2PSK2n0f的高斯随机变量。所以，x(t)的取样值的概率密度函数为：

2f0(x)1e2n(x1)222n

（2-13）

当“1”、“0”等概率时，最佳判决门限为0。发“1”错判成“0”的概率为：

1P(0/1)f1(x)dxerfc(r)

（2-14）

02根据PeP(0)P(1/0)P(1)P(0/1)得解调器平均误码率为：

11Peerfc(r)P(0)P(1)erfc(r)

（2-15）

22式中，ra222n。

2PSK的反向工作问题：二分频电路恢复的载波有时与发光载波相同，有时反相。当本地载波反相，变为cos2fct时，则相乘器以后的输出波形都和载波同频同相时的情况相反，判决器输出的数字信号全错，与发送数码完全相反，这种情况称为反向工作。2DPSK只是解决了2PSK的反向工作问题，但是在2DPSK差分码中有一个出错时会引起两个相邻码元错误。所以2DPSK误码率为2PSK误码率的两倍

1Pe2erfc(r)P(0)P(1)erfc(r)

（2-16）

22.3.1 极性比较法

解调原理：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出想相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。

e2DPSK(t)带通滤波器乘法器cosct低通滤波器抽样判决器定时脉冲码反变换器输出

图2-4 极性比较法解调

2.3.2 相位比较法

解调原理：对接收到的2DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与2DPSK信号本身相乘，相乘结果反映了

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前后码元的相位差，经过低通滤波器后再抽样判决，可直接恢复出原始数字信息。

e2DPSK(t)带通滤波器低通滤波器抽样判决器定时脉冲码反变换器输出延迟Ts

图2-5 相位比较法解调

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第3章 基于Matlab的系统程序设计仿真

3.1设计流程图

产生随机序列差分编码脉冲整形调制生成DPSK信号加噪声高通滤波器延时低通滤波器抽样判决对比显示误码结束 图3-1 程序流程图

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3.2仿真程序

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % dpsk调制，非相干解调 % 参数：

% 载波频率4800Hz，码元速率2400Hz % 采样率是载波频率的8倍

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Nyquist_Freq=19200;%奈奎斯特速率 CW_Freq=4800;%载波频率

Sample_Ratio=0.125;%载波频率/采样频率 m=15;%码元数目

N=2*(m+1)/Sample_Ratio;%采样点数，因为差分编码后会多出一个码元，所以是m+1 n=1:1:N;N0=randn(1,N);%噪声,均值为0，方差为1 % 21阶整形滤波器

b1=rcosfir(0.5,10,2/Sample_Ratio,1);% 30阶低通滤波器h2 f2=[0 0.125 0.4 1];w2= [1 0.95 0.1 0];b2 = fir2(30,f2,w2);% 随机序列 a=rand(1,m);for i=1:m if(a(1,i)>0.5)a(1,i)=1;else a(1,i)=-1;end;end;%差分编码

d_a=zeros(1,m+1);d_a(1,1)=-1;

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for i=1:m if(a(1,i)==d_a(1,i))d_a(1,i+1)=-1;else d_a(1,i+1)=1;end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % 对原序列进行采样

spread_a=zeros(1,N-2/Sample_Ratio);k=1;j=0;for i=1:N-2/Sample_Ratio if(j==2/Sample_Ratio)j=0;k=k+1;end j=j+1;spread_a(1,i)=a(1,k);end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % 对差分编码后的序列进行采样 spread_d_a=zeros(1,N);k=1;j=0;for i=1:N if(j==2/Sample_Ratio)j=0;k=k+1;end j=j+1;spread_d_a(1,i)=d_a(1,k);

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end %脉冲整形

fft_spread_d_a=fft(spread_d_a,N);fft_b1=fft(b1,N);wave_shape_d_a=ifft(fft_spread_d_a.*abs(fft_b1));%功率归1化 energy_sum=0;for i=1:N energy_sum=energy_sum+wave_shape_d_a(1,i)^2;end average_power=energy_sum/N;wave_shape_d_a=wave_shape_d_a/sqrt(average_power);%功率归1化 %随机序列和差分编码后的波形

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% figure(1);subplot(2,1,1);plot(spread_a/max(spread_a),'k');% 随机序列时域波形 title(' 随机序列时域波形');axis([1 N-1.5 1.5]);subplot(2,1,2);plot(spread_d_a/max(spread_d_a),'k');%随机序列幅频特性 title(' 随机序列差分编码后波形');axis([1 N-1.5 1.5]);%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %整形以后的信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% fft_wave_shape_d_a=fft(wave_shape_d_a,N);figure(2);subplot(2,1,1);plot(wave_shape_d_a/max(wave_shape_d_a),'k');% 整形以后的信号时域波形

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title('脉冲成形后时域波形');subplot(2,1,2);plot((0:N-1)*2*pi/N,abs(fft_wave_shape_d_a)/max(abs(fft_wave_shape_d_a)),'k');%整形以后的信号幅频特性

title('脉冲成形后频域波形');%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %调制以后生成dpsk信号 dpsk_m=zeros(1,N);j=0;k=1;for i=1:N if(j==2/Sample_Ratio)j=1;k=k+1;end dpsk_m(1,i)=wave_shape_d_a(1,i)*cos(2*pi*Sample_Ratio*i);%调制 j=j+1;end %调制以后的信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% fft_dpsk_m=fft(dpsk_m,N);figure(3);subplot(2,1,1);plot(dpsk_m/max(dpsk_m),'k');% 调制以后的信号时域波形 title('调制后时域波形');subplot(2,1,2);plot((0:N-1)*2*pi/N,abs(fft_dpsk_m)/max(abs(fft_dpsk_m)),'k');%调制以后 的信号幅频特性 title('调制后频域波形');%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % 信号加噪声，模拟信道 dpsk_m=dpsk_m+N0;

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%加噪以后的信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% fft_dpsk_m=fft(dpsk_m,N);figure(4);subplot(2,1,1);plot(dpsk_m/max(dpsk_m),'k');% 加噪以后的信号时域波形 title('加噪后时域波形');subplot(2,1,2);plot((0:N-1)*2*pi/N,abs(fft_dpsk_m)/max(abs(fft_dpsk_m)),'k');%加噪以后的信号幅频特性 %滤波

fft_b2=fft(b2,N);%N点的FFT变换 fft_y1=fft_dpsk_m.*(abs(fft_b2));y1=ifft(fft_y1);%低通滤波后得到的信号 %相乘以后的信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% figure(5);subplot(2,1,1);plot(dpsk_m/max(dpsk_m),'k');%相乘后的信号时域波形 title('相乘后频域波形');%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %滤波以后的信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% figure(6);subplot(2,1,1);plot(y1/max(y1),'k');% 滤波以后的信号时域波形 title('滤波后时域波形');subplot(2,1,2);plot((0:N-1)*2*pi/N,abs(fft_y1)/max(abs(fft_y1)),'k');%滤波以后的信号幅频特性 title('滤波后频域波形');%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

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%抽样和判决 an=zeros(1,m+1);for i=1:m an(1,i)=y1(1,2/Sample_Ratio*i+1/Sample_Ratio);end;result=zeros(1,m);for i=1:m if(an(1,i)>0)result(1,i)=-1;else result(1,i)=1;end;end;%误码情况

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% figure(7);plot(result,'ko');hold on;plot(a,'kx');axis([1 m-1.5 1.5]);legend('判决后','原码');title('误码情况');%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 3.3仿真波形

说明：在画图时，进行了归一化处理。噪声的方差为1，随机序列的幅度为1，调制加噪后信噪比为-3dB，按照理想情况计算，解调后信噪比为0dB。

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图3-2 随机序列15个

图3-3 脉冲形成后的波形

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图3-4 调制后的波形

图3-5 加噪后的波形

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图3-6 相乘后时域波形

图3-7 滤波后的波形

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图3-8 误码情况（0dB）

在统计误码率时，考虑到程序运行时间，码元个数为：65536，在高信噪比下统计的误码率可信度较低。判决前的信噪比按下式计算：SNRA/，其中A为已调信号的幅度，为噪声方差。2DPSK的理论误码率为：0.5*exp(r)，其中r=SNRA/为判决时的信噪比。

2DPSK在10dB，8dB，6dB，4dB，2dB，0dB，2dB，4dB，6dB，8dB，10dB的信噪比下的误码率依次为

0.*** 0.*** 0.*** 0.370***5 0.*** 0.*** 0.*** 0.***4 0.***3 0.***87

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0.000***0357 根据以上数据以及对应的理论数据，绘制的误码率曲线如下图所示：

图3-9 误码曲线

由图3-9可知，系统误码率误大小和系统的信噪比成反比，及信噪比越大，误码率越小。增加信噪比有利于增强传输系统的传输能力。

3.4参数要求

码元速率2400波特，载波频率4800Hz，奈奎斯特频率19200Hz。

采样频率：为码元速率的16倍，即奈奎斯特频率为码元速率的8倍，在计算误码率时，采样频率为码元速率的8倍，即奈奎斯特频率为码元速率的4倍。

脉冲成形滤波器参数：脉冲成形滤波器选用FIR型升余弦滤波器，滚降系数为0.5，阶数为21，调用Matlab中的rcosfir函数来设计滤波器。

低通滤波器：低通滤波器选用FIR型低通滤波器，参数为：

f20 0.125 0.4 1;w2 1 0.95 0.1 0;

b2  fir230,f2,w2;调用fir2函数来生成。

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第4章 结束语

经历了两周的课程设计，我觉的我学到了很多东西吧。课程设计是培养我们综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。还有在此次设计过程中也有互相的合作，这让我也意识到团队合作的重要性，甚至在一定程度上决定了设计的成败。

通过这次课程设计，我对通信系统的仿真有了很大的了解，掌握的设计的方法和思路，学会将知识运用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力，掌握了一些基本通信电路的结构原理，能熟练使用Matlab软件进行程序仿真，能通过仿真波形得到自己想要的数据。然而，在这次课程设计中，我也发现了很多自身的不足，比如基础知识不扎实，耐心不够，马虎大意等等。在此，特别感谢，是他们给我不少帮助指示。今后，我将多多注意，不断的提升自己。

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参考文献

[1] 赵鸿图.通信原理MATLAB仿真教程.北京：人民邮电出版社，2010 [2] 黄葆华.通信原理.西安：西安电子科技大学出版社，2012 [3] 刘保柱.MATLAB 7.0 从入门到精通.北京：人民邮电出版社，2010 [4] 赵静.基于MATLAB的通信系统仿真.北京：北京航空航天大学出版社，2007

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