基于MATLAB的基本數字調制解調系統(tǒng)的設計

1、東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 畢業(yè)設計（論文）任務書基于matlab的基本數字調制解調系統(tǒng)的設計畢業(yè)設計（論文）任務書畢業(yè)設計（論文）題目：基于matlab的基本數字調制解調系統(tǒng)的設計設計(論文)的基本內容：(1) 學習數字通信系統(tǒng)原理；掌握數字調制解調基本原理，以及matlab軟件的應用；熟練simulink建模設計，運用軟件進行仿真；(2) 將對數字調制解調進行仿真，將仿真結果進行性能分析，得出最佳系統(tǒng)；(3) 對設計結果進行可行性論證，撰寫設計論文。畢業(yè)設計（論文）專題部分：題目：設計或論文專題的基本內容：學生接受畢業(yè)設計（論文）題目日期第周指導教師簽字：年月日-v-東北大學本科畢業(yè)設計

2、（論文） 摘要基于matlab的基本數字調制解調系統(tǒng)的設計摘要現代通信系統(tǒng)要求通信距離遠、通信容量大、傳輸質量好，作為其關鍵技術之一的調制解調技術一直是人們研究的一個重要方向。本文以matlab為軟件平臺，充分利用其提供的通信工具箱和信號處理工具箱中的模塊，對數字調制解調系統(tǒng)進行simulink設計仿真，并且進行誤差分析。調制與解調是通信系統(tǒng)中十分重要的一個環(huán)節(jié)，針對不同的信道環(huán)境選擇不同的調制與解調方式可以有效地提高通信系統(tǒng)中的頻帶利用率，改善接收信號的誤碼率。本設計運用simulink仿真軟件對二進制調制解調系統(tǒng)進行模型構建、系統(tǒng)設計、仿真演示、結果顯示、誤差分析以及綜合性能分析，重點對b

3、ask，bfsk，bpsk進行性能比較和誤差分析。在實際應用中，視情況選擇最佳的調制方式。本文首先介紹了課題研究的背景，然后介紹系統(tǒng)設計所用的simulink仿真軟件，隨后介紹了載波數字調制系統(tǒng)的原理，并根據原理構建仿真模型，進行數字調制系統(tǒng)仿真，最后對設計進行總結，并歸納了simulink軟件使用中需要注意的事項。本文的主要目的是對simulink的學習和對數字調制解調理論的掌握和深化，為今后在通信領域繼續(xù)學習和研究打下堅實的基礎。關鍵詞：通信系統(tǒng)；simulink仿真；數字化調制解調；bask；bfsk；bpsk東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 目錄目錄畢業(yè)設計（論文）任務書i摘要iiabst

4、ractiii第1章 緒論11.1 課題研究背景11.2 通信系統(tǒng)的組成1第2章 仿真軟件簡介72.1仿真軟件matlab簡介72.2 simulink簡介82.3 本章小結9第3章 數字頻帶傳輸系統(tǒng)113.1 數字調制系統(tǒng)113.2 二進制振幅鍵控113.3 二進制移頻鍵控133.4 二進制移相鍵控163.5 二進制差分相位鍵控183.6 二進制數字信號的功率譜密度203.6.1 2ask信號的功率譜密度203.6.2 2fsk信號的功率譜密度213.6.3 2psk及2dpsk 信號的功率譜密度223.7 本章小結23第4章 系統(tǒng)設計與仿真254.1 2ask信號的調制與解調254.1.1

5、 2ask信號調制仿真254.1.2 2ask信號解調仿真274.2 2fsk信號的調制與解調294.2.1 2fsk信號調制仿真294.2.2 2fsk信號解調仿真314.3 2psk信號的調制與解調344.3.1 2psk信號調制仿真344.3.2 2psk信號解調仿真364.4 本章小結38第5章 結論39參考文獻43致謝45東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 0 緒論第1章 緒論1.1課題研究背景進入20世紀以來，隨著晶體管、集成電路的出現與普及、無線通信迅速發(fā)展。特別是在20世紀后半葉，隨著人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，大規(guī)模集成電路、電子計算機和光導纖維等現代技術成果的問世，通信技術在以下幾個不同

6、方向都取得了巨大的成功：(1) 微波中繼通信使長距離、大容量的通信成為了現實；(2) 移動通信和衛(wèi)星通信的出現，使人們隨時隨地可通信的愿望可以實現；(3) 光導纖維的出現更是將通信容量提高到了以前無法想象的地步；(4) 電子計算機的出現將通信技術推上了更高的層次，借助現代電信網和計算機的融合，人們將世界變成了地球村；(5) 微電子技術的發(fā)展，使通信終端的體積越來越小，成本越來越低，范圍越來越廣。例如，2003年我國的移動電話用戶首次超過了固定電話用戶。根據國家信息產業(yè)部的統(tǒng)計數據，到目前為止移動電話用戶超過6億。隨著現代電子技術的發(fā)展，通信技術正向著數字化、網絡化、智能化和寬帶化的方向發(fā)展。隨

7、著科學技術的進步，人們對通信的要求越來越高，各種技術會不斷地應用于通信領域，各種新的通信業(yè)務將不斷地被開發(fā)出來。到那時人們的生活將越來越離不開通信1,2,10。而作為現代通信系統(tǒng)關鍵技術之一的調制解調技術將是人們研究的重要方向。1.2 通信系統(tǒng)的組成通信就是克服距離上的障礙，從一地向另一地傳遞和交換消息。消息是信息源所產生的，是信息的物理表現，例如，語音、文字、數據、圖形和圖像等都是消息(message)。消息有模擬消息（如語音、圖像等）以及數字消息（如數據、文字等）之分。所有消息必須在轉換成電信號（通常簡稱為信號）后才能在通信系統(tǒng)中傳輸。所以，信號（signal）是傳輸消息的手段，信號是消息

8、的物質載體。 相應的信號可分為模擬信號和數字信號，模擬信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是連續(xù)的，如電話機、電視攝像機輸出的信號就是模擬信號；數字信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是離散的，如電傳機、計算機等各種數字終端設備輸出的信號就是數字信號。通信的目的是傳遞消息，但對受信者有用的是消息中包含的有效內容，也即信息(information) 。消息是具體的、表面的，而信息是抽象的、本質的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量來度量。通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術設備和傳輸媒質的總和，包括信息源、發(fā)送設備、信道、接收設備和信宿(受信者) ，它的一般模型如圖1.1所示。發(fā)送設備

9、受信者接收設備信道噪聲源信息源圖1.1通信系統(tǒng)一般模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖1.2所示。受信者解調器信道噪聲源調制器信息源圖1.2 模擬通信系統(tǒng)模型通信從本質上來講就是實現信息傳遞功能的一門科學技術，它要將大量有用的信息無失真，高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有儲存、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學技術的一個重要組成部分。通信系統(tǒng)可分為數字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。數字通信系統(tǒng)是利用數字信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖1.3所示。受信者解密器譯碼器解調器信道調制器編碼器信息源加

10、密器噪聲源圖1.3 數字通信系統(tǒng)模型20世紀60年代以來，數字通信日益興旺起來，甚至出現數字通信替代模擬通信的趨勢。除了計算機的廣泛應用需要傳輸大量數字信息的客觀要求外，數字通信迅速發(fā)展的基本原因是它與模擬通信相比，更能適應對通信技術越來越高的要求。第一，數字傳輸抗干擾能力強，尤其在中繼時，數字信號可以再生而消除噪聲的積累；第二，數字傳輸差錯可以控制，從而改善傳輸質量；第三，便于使用現代數字信號處理技術對數字信息進行處理；第四，數字信息易于做高保密性的加密處理；第五，數字通信可以綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)功能增強。但是，數字通信還有以下突出的問題。第一，數字信號傳輸時，信道噪聲或干擾造成的差

11、錯，原則上都是可以控制的。這是通過差錯控制編碼等手段來實現的。為此，在發(fā)送端需要增加一個編碼器，而在接收端相應需要一個解碼器。第二，當需要保密時，可以有效的對基帶信號進行人為“攬亂”，即加上密碼，這叫加密，此時在接收端就需要進行解密。第三，由于數字通信傳輸的是一個接一個按節(jié)拍傳送的數字信號單元，即碼元，因此接收端要按發(fā)送端的相同節(jié)拍接收。不然就會造成收發(fā)節(jié)拍不一致，造成混亂，使接收性能變壞。在數字通信中，通常稱節(jié)拍一致為“位同步”或“碼元同步”，而稱編組一致為“群同步”或“碼組同步”?？梢?，數字通信還必須有一個同步問題。一般來說，數字通信的許多有點都是用比模擬通信占據更寬的系統(tǒng)頻帶而換得的。以

12、電話為例，一路模擬電話通常只占4khz帶寬，而一路傳輸質量相同的數字電話則可能要占用數十千赫的帶寬。在系統(tǒng)頻帶緊張的場合，數字通信的這一缺點顯得很突出，但是在系統(tǒng)頻帶富裕的場合，比如毫米波通信、光纖通信場合，數字通信幾乎成了唯一的選擇。考慮到現有大量模擬通信系統(tǒng)這一事實，目前還常常需要利用它來傳輸數字信號。這就需要對其做改造或者加上數字終端設備。通信系統(tǒng)有不同的分類方法，這里從通信系統(tǒng)模型的角度討論分類。(1) 按消息的物理特征分類。根據消息的物理特征的不同，通信系統(tǒng)可以分為電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數據通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)等。由于電話 通信網最為發(fā)達普及，因而其他消息常常通過公共的電話通

13、信網傳送。例如，電報常通過電話信道傳送。在綜合業(yè)務通信網中，各類型的消息都在統(tǒng)一的通信網中傳輸。(2) 按調制方式分類。根據是否采用調制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇涱l帶調制的信號直接傳送，如音頻市內電話；頻帶傳輸是對各種信號調制后傳輸的總稱。(3) 按信號特征分類。按信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號，可以相應的把通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)兩類。(4) 按傳輸媒介分類。按傳輸媒介，通信系統(tǒng)可分為有線和無線兩類。(5) 按信號復用方式分類。傳送多路信號有三種復用方式，即頻分復用、時分復用和碼分復用。頻分復用是用頻譜搬移的方法使不同的信號占據不同的頻率范圍；時

14、分復用是用抽樣或脈沖調制方法使不同信號占據不同的時間區(qū)間；碼分復用是應一組包含互相正交的碼字的碼組攜帶多路信號。傳統(tǒng)的模擬通信大都采用頻分復用。隨著數字通信的發(fā)展，時分復用通信系統(tǒng)的應用越來越廣泛。碼分復用多用于空間擴頻通信系統(tǒng)中，目前又開始用于移動通信中。對于點與點之間的通信，按消息傳送的方向與時間關系，通信方式分為單工通信，半雙工通信和全雙工通信三種。所謂單工通信是指消息只能單方向傳輸的工作方式，例如遙測遙控，就是單工通信方式，如圖1.4（a）所示。所謂半雙工通信是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進行收發(fā)的工作方式，例如，使用同一載頻工作的無線對講機，就是按這種通信方式工作的，如圖1.4

15、（b）所示。所謂全雙工通信是指通信雙方可以同時收發(fā)消息的工作方式。例如，普通電話就是一種常見的全雙工通信方式，如圖1.4（c）所示。(a)(b) (c) 圖1.4 通信方式示意圖（a）信方式；（b）半雙工通信方式；（c）全雙工通信方式。在數字通信中，按照數字信號的碼元排列的方法不同，有串行和并行傳輸之分。所謂串行傳輸就是將數字信號碼元序列按時間順序一個接一個的在信道中傳輸，如圖1.5（a）所示。如將數字信號碼元序列分割成兩路或兩路以上的數字信號碼元序列同時在信道中傳輸，則稱為并行傳輸，如圖1.5（b）所示。一般遠距離數字通信大都采用串行傳輸方式，因為這種方式只需占用一條通路。并行傳輸在近距離數

16、字通信中有時也會遇到，它需要占用兩條或者兩條以上的通路，比如，使用多條導線傳輸。實際的通信系統(tǒng)分為專線和通信網兩類。專門為兩點之間設立傳輸線的通信，稱之為專線通信，有時簡稱為點與點通信。多點通信屬于網通信。顯然網通信的基礎是點與點的通信。在設計或評述通信系統(tǒng)時，往往要涉及通信系統(tǒng)的主要性能指標，否則就無法衡量其質量的優(yōu)劣。性能指標也稱為質量指標，它們是對整個系統(tǒng)綜合提出或規(guī)定的。 （a） （b）圖1.5 串行和并行方式傳輸(a)串行傳輸；(b)并行傳輸通信系統(tǒng)的性能指標涉及其有效性、可靠性、適應性、標準性、經濟性、及維護使用等等。盡管對通信系統(tǒng)可有名目繁多的實際要求，但是，從研究消息的傳輸來說

17、，通信的有效性與可靠性將是主要的矛盾所在。這里說的有效性主要是指消息傳輸的速度問題，而可靠性主要是指消息的質量問題。顯然這是兩個互相矛盾的問題，這對矛盾通常只能依據實際要求取得相對的統(tǒng)一。例如，在滿足一定可靠性指標下，盡量提高消息的傳輸速度；或者在維持一定有效性下使消息傳輸質量盡可能地提高2-11。對于模擬通信系統(tǒng)來說，消息傳輸速度主要決定于消息所含的信息量和對連續(xù)消息的處理。處理的目的在于使單位時間內傳送更多的消息。從信息論觀點來說，消息傳輸速度可用單位時間內傳送的信息量來衡量。模擬通信中還有一個更重要性能指標，即均方誤差。它是衡量發(fā)送的模擬信號與接收端復制的模擬信號之間誤差程度的質量指標。

18、均方誤差越小，說明復制的信號越逼真。在數字通信系統(tǒng)里，主要的性能指標有兩個，及傳輸速率和差錯率。傳輸速率通常以碼元傳輸速率衡量，單位為“波特”，常用符號“b”表示。差錯率是衡量系統(tǒng)正常工作時傳輸消息可靠程度的重要性能指標。本文結論部分主要對bask、bfsk和bpsk數字調制方式的誤碼率進行分析。-52-東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第2章 仿真軟件簡介第2章 仿真軟件簡介2.1 仿真軟件matlab簡介美國mathworks公司于1967年推出了矩陣實驗室“matrix laboratory”（縮寫為matlab）這就是matlab最早的雛形。開發(fā)的最早的目的是幫助學校的老師和學生更好的授課

19、和學習。從matlab誕生開始，由于其高度的集成性及應用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便，能非?？斓膶崿F科研人員的設想，極大的節(jié)約了科研人員的時間，受到了大多數科研人員的支持，經過一代代人的努力，目前已發(fā)展到了7.x版本4,5。matlab是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。matlab系統(tǒng)由五個主要部分組成，下面加以介紹。(1) matlab語言體系。matlab是高層次的矩陣/數組語言。具有條件控制、函數調用、數據結構、輸入輸出、面向 對象等程序語言特性。利用它既可以進行小規(guī)模端程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用

20、程序。(2) matlab工作環(huán)境，是對matlab提供給用戶使用的管理功能的總稱。包括管理工作空間中的變量數據輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調試、管理m文件的各種工具6,7。(3) 圖形系統(tǒng)，是matlab圖形系統(tǒng)的基礎，包括完成2d和3d數據圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層matlab命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層matlab命令，以及開發(fā)gui應用程序的各種工具。(4) matlab數學函數庫是對matlab使用的各種數學算法的總稱。包括各種初等函數的算法 ，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層數學算法。(5) matlab應用程序接口（api），這是mat

21、lab為用戶提供的的一個函數庫，使得用戶能夠在matlab環(huán)境中使用c程序或fortran程序，包括從matlab中調用子程序，讀寫mat文件功能。由于它使用簡單，擴充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴充matlab的功能，使其成為了巨大的知識寶庫。可以毫不夸張的說，哪怕是你真正理解了一個工具箱，那么就是理解了一門非常重要的科學知識。科研工作者通?？梢酝ㄟ^matlab來學習某個領域的科學知識，這就是matlab真正在全世界推廣開來的原因。目前的matlab版本已經可以方便的設計漂亮的界面，它可以像vb等語言一樣設計漂亮的用戶接口，同時因為有最豐富的函數

22、庫（工具箱），所以計算的功能實現也很簡單，進一步受到了科研工作者的歡迎。另外，matlab和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便地實現與其他語言的混合編程，進一步拓寬了matlab的應用潛力?？梢哉f，matlab已經也很有必要成為大學生的必修課之一，掌握這門工具對學習各門學科有非常重要的推進作用8,9。2.2 simulink簡介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)還可以是多

23、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)境經過幾年的發(fā)展，已經成為學術和工業(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。simulink模塊庫（或函數庫）包含有sinks（輸出方式）、sources（輸入源）

24、、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運算的simulink庫模塊（或庫函數），而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊，用戶還可以根據需要定制和創(chuàng)建自己的模塊9,21。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matla

25、b的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真10,19。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，若改變模塊的參數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。模型分析工具包括線性化和整理工具，matlab的所有工具及simulink本身的應用工具箱都包含這些工具16,17。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matla

26、b而獨立工作。2.3 本章小結本章介紹了matlab軟件的功能與組成，由于它使用簡單，擴充方便，世界上有成千上萬的不同領域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴充matlab的功能，使其成為了巨大的知識寶庫。本章也介紹了simulink工具箱，simulink是matlab中的一種可視化仿真工具，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。本文的設計就是運用simulink軟件進行建模、仿真的。東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第3章 數字頻帶傳輸系統(tǒng)第3章 數字頻帶傳輸系統(tǒng)3.1 數字調制系統(tǒng)在數字基帶傳輸系統(tǒng)中，為了使數字基帶信號能夠在信道中傳輸，要求信道應具有低通形式的傳輸特性。然而，

27、在實際信道中，大多數信道具有帶通傳輸特性，數字基帶信號不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸。必須用數字基帶信號對載波進行調制，產生各種已調數字信號。數字調制系統(tǒng)的基本結構圖如圖3.1所示。圖3.1 數字調制系統(tǒng)的基本結構圖數字調制與模擬調制原理是相同的，一般可以采用模擬調制的方法實現數字調制。但是，數字基帶信號具有與模擬基帶信號不同的特點，其取值是有限的離散狀態(tài)。這樣，可以用載波的某些離散狀態(tài)來表示數字基帶信號的離散狀態(tài)?；镜娜N數字調制方式是：振幅鍵控(ask)、移頻鍵控(fsk)和移相鍵控(psk 或dpsk)。3.2 二進制振幅鍵控振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數字基帶信號而變化的數字調

28、制。當數字基帶信號為二進制時,則為二進制振幅鍵控（2ask）。 設發(fā)送的二進制符號序列由“0”,“1”序列組成,發(fā)送“0”符號的概率為p,發(fā)送“1”符號的概率為1-p,且相互獨立。該二進制符號序列可表示為： （3.1）其中： （3.2）是二進制基帶信號時間間隔,g(t)是持續(xù)時間為的矩形脈沖： （3.3）則二進制振幅鍵控信號可表示為： （3.4）二進制振幅鍵控信號時間波形如圖3.2所示。由圖3.2可以看出2ask信號的時間波形隨二進制基帶信號s（t）通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號（ook 信號）。二進制振幅鍵控信號的產生方法如圖3.3所示，圖3.3（a）是采用模擬相乘的方法實現，圖3.3（b

29、）是采用數字鍵控方法實現的1,12,13。由圖 3.2 可以看出,2ask信號與模擬調制中的am信號類似.所以,對2ask信號也能夠采用非相干解調(包絡檢波法)和相干解調(同步檢測法),其相應原理方框圖如圖3.4 所示。2ask信號相干解調過程的時間波形如圖3.5所示。圖3.2二進制振幅鍵控信號時間波型 (a)(b)圖3.3 二進制振幅鍵控信號調制器原理框圖（a）（b）圖 3.4 二進制振幅鍵控信號解調器原理框圖(a)非相干解調方式 (b)相干解調方式圖 3.52ask信號相干解調過程的時間波形3.3 二進制移頻鍵控在二進制數字調制中,若正弦載波的頻率隨二進制基帶信號在和兩個頻率點間變化,則產

30、生二進制移頻鍵控信號(2fsk信號)。二進制移頻鍵控信號的時間波形如圖3.6所示,圖中波形g可分解為波形e和波形f,即二進制移頻鍵控信號可以看成是兩個不同載波的二進制振幅鍵控信號的疊加。若二進制基帶信號的“1”符號對應于載波頻率,“0”符號對應于載波頻率,則二進制移頻鍵控信號的時域表達式為： （3.5）其中： （3.6） （3.7）圖 3.6 二進制移頻鍵控信號的時間波形由上式可知與是反碼，即若=1，則=0，若=0，則=1，于是=，因此二進制頻移鍵控信號的時域表達式可簡化為： （3.8）二進制移頻鍵控信號的產生,可以采用模擬調頻電路來實現,也可以采用數字鍵控的方法來實現。圖3.7是數字鍵控法實

31、現二進制移頻鍵控信號的原理圖, 圖中兩個振蕩器的輸出載波受輸入的二進制基帶信號控制,在一個碼元期間輸出或兩個載波之一。圖 3.7 數字鍵控法實現二進制移頻鍵控信號的原理圖二進制移頻鍵控信號的解調方法很多,有模擬鑒頻法和數字檢測法,有非相干解調方法也有相干解調方法。采用非相干解調和相干解調兩種方法的原理圖如圖3.8所示。其解調原理是將二進制移頻鍵控信號分解為上下兩路二進制振幅鍵控信號,分別進行解調,通過對上下抽樣值進行比較最終判決出輸出信號。相干解調過程的時間波形如圖3.9 所示。(a) (b) 圖 3.8 二進制移頻鍵控信號解調器原理圖(a) 非相干解調 (b)相干解調圖3.92fsk相干解調

32、過程的時間波形還有一種過零檢測法，它的原理是二進制移頻鍵控信號的過零點數隨載波頻率不同而異,通過檢測過零點數從而得到頻率的變化。輸入信號經過限幅后產生矩形波，經微分、整流、波形整形、形成與頻率變化相關的矩形脈沖波，經低通濾波器濾除高次諧波，便恢復出與原數字信號對應的基帶數字信號。3.4 二進制移相鍵控二進制移相鍵控，簡記為2psk或bpsk。2psk信號碼元的“0”和“1”分別用兩個不同的初始相位“0”和“”來表示，而其振幅和頻率保持不變。故2psk信號表示式可寫出： (3.9)式中當發(fā)送“0”時， =0；當發(fā)送“1”時= 。這種以載波的不同相位直接表示相應二進制數字信號的調制方式,稱為二進制

33、移相鍵控方式。二進制移相鍵控信號的典型時間波形如圖3.10。 3.10 二進制相移鍵控信號的時間波形二進制移相鍵控信號的調制原理圖如圖 3.11所示。其中圖(a)是采用模擬調制的方法產生2psk信號,圖(b)是采用數字鍵控的方法產生2psk信號22,23。 （a） （b）圖3.11 2psk信號的產生方法2psk信號的解調通常都是采用相干解調, 解調器原理圖如圖3.12所示。在相干解調過程中需要用到與接收的2psk信號同頻同相的相干載波。圖3.122psk信號的解調原理圖2psk信號相干解調各點時間波形如圖3.13所示。當恢復的相干載波產生倒相時，解調出的數字基帶信號將與發(fā)送的數字基帶信號正好

34、是相反，解調器輸出數字基帶信號全部出錯。圖3.13 2psk信號相干解調各點時間波形這種現象通常稱為“倒”現象。由于在2psk信號的載波恢復過程中存在著180的相位模糊,所以2psk信號的相干解調存在隨機的“倒”現象,從而使得2psk方式在實際中很少采用。3.5 二進制差分相位鍵控在2psk信號中，信號相位的變化是以未調正弦載波的相位作為參考，用載波相位的絕對數值表示數字信息的,所以稱為絕對相移。由圖 3.13 所示2psk信號的解調波形可以看出，由于相干載波恢復中載波相位的180相位模糊，導致解調出的二進制基帶信號出現反向現象，從而難以實際應用。為了解決2psk信號解調過程的反向工作問題，提

35、出了二進制差分相位鍵控(2dpsk)。2dpsk方式是用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來表示數字信息。假設前后相鄰碼元的載波相位差為，可定義一種數字信息與之間的關系為： （3.10）則一組二進制數字信息與其對應的2dpsk信號的載波相位關系如下：二進制數字信息： 1 1 1 0 0 1 1 0 12dpsk信號相位： 0 0 0數字信息與之間的關系也可以定義為： （3.11）2dpsk信號調制過程波形如圖 3.14 所示。 可以看出,2dpsk信號的實現方法可以采用:首先對二進制數字基帶信號進行差分編碼,將絕對碼表示二進制信息變換為用相對碼表示二進制信息,然后再進行絕對調相,從而產生二進制差分

36、相位鍵控信號。2dpsk信號調制器原理圖如圖 3.15 所示。圖3.14 2dpsk信號調制過程波形圖圖3.15 2dpsk信號調制器原理圖2dpsk信號可以采用相干解調方式(極性比較法), 解調器原理圖和解調過程各點時間波形如圖 3.16 所示.其解調原理是：對2dpsk信號進行相干解調,恢復出相對碼,再通過碼反變換器變換為絕對碼,從而恢復出發(fā)送的二進制數字信息。 在解調過程中,若相干載波產生180相位模糊, 解調出的相對碼將產生倒置現象,但是經過碼反變換器后,輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現象,從而解決了載波相位模糊度的問題。 (a) (b)圖3.16 2dpsk信號相干解調(a) 2dps

37、k信號相干解調器原理圖 (b) 解調過程各點波形2dpsk信號也可以采用差分相干解調方式(相位比較法), 解調器原理圖和解調過程各點時間波形如圖 3.17所示。 其解調原理是直接比較前后碼元的相位差,從而恢復發(fā)送的二進制數字信息.由于解調的同時完成了碼反變換作用, 故解調器中不需要碼反變換器24。由于差分相干解調方式不需要專門的相干載波，因此是一種非相干解調方法。2dpsk系統(tǒng)是一種實用的數字調相系統(tǒng)，但其抗加性白噪聲性能比2psk的要差。 圖3.17 2dpsk信號差分相干解調器原理圖圖3.18 2dpsk解調過程各點時間波形3.6 二進制數字信號的功率譜密度3.6.1 2ask信號的功率譜

38、密度若二進制基帶信號s(t)的功率譜密度為： （3.12）則二進制振幅鍵控信號的功率譜密度為： （3.13）整理得： （3.14）式（3.12）中用到。二進制振幅鍵控信號的功率譜密度如圖3.19所示，由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。離散譜由載波分量確定，連續(xù)譜由基帶信號波形g(t)確定，。圖3.19 二進制振幅鍵控信號的功率譜密度3.6.2 2fsk信號的功率譜密度相位不連續(xù)的二進制移頻鍵控信號的功率譜密度可以近似表示成兩個不同載波的二進制振幅鍵控信號功率譜密度的疊加。 （3.15）其中和為兩路二進制數字基帶信號： （3.16）， （3.17） （3.18）這里令概率，將二進制數字基帶信號的功率譜

39、密度公式帶入式（3.18），可得： （3.19）由式（3.19）可得，相位不連續(xù)的二進制頻移鍵控信號的功率譜由離散譜和連續(xù)譜所組成，其中，離散譜位于兩個載頻 和 處；連續(xù)譜由兩個中心位于 和 處的雙邊譜疊加形成；若兩個載波頻差小于，則連續(xù)譜在處出現單峰；若載頻差大于，則連續(xù)譜出現雙峰。若以二進制移頻鍵控信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算二進制移頻鍵控信號的帶寬，則該二進制移頻鍵控信號的帶寬b，2fsk為： （3.20）其中 （3.21）圖3.20 相位不連續(xù)二進制頻移鍵控信號的功率譜示意圖3.6.3 2psk及2dpsk 信號的功率譜密度2psk 與 2dpsk 信號有相同的功率譜。2ps

40、k 信號可表示為雙極性不歸零二進制基帶信號與正弦載波相乘，則 2psk 信號的功率譜為： （3.22）代入基帶信號功率譜密度可得： （3.23）若二進制基帶信號采用矩形脈沖，且，則2psk 信號的功率譜簡化為： （3.24）由上兩式可得出，一般情況下二進制頻移鍵控信號的功率譜密度由離散譜和連續(xù)譜組成，其結構與二進制振幅鍵控信號的功率譜密度相類似，帶寬也是基帶信號帶寬的兩倍。當二進制基帶信號的“1”符號和“0”符號出現概率相等時，則不存在離散譜。2psk信號的功率譜密度如圖3.21所示。圖3.21 2psk信號的功率譜密度3.7 本章小結本章主要介紹了二進制振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控三種二進制

41、數字調制方式，并對這三種二進制數字信號進行功率譜密度分析。這些理論為第四章的建模仿真打下良好的理論基礎。東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第4章 系統(tǒng)設計與仿真第4章 系統(tǒng)設計與仿真4.1 2ask信號的調制與解調4.1.1 2ask信號調制仿真(1) 建立系統(tǒng)模型。首先進行模塊選擇，進行系統(tǒng)搭建。先從simulink工具箱選擇器件：從sources中選取pulse generator作為方波信號源，從math operations中選取product作為乘法器，從sinks中選取scope作為示波器；再從dsp模塊的dsp sources中選取sine wave作為載波信號。2ask信號調制的模

42、型方框圖由sine wave信號源、方波信號源、相乘器等模塊組建成功，simulink模型如圖4.1所示。圖4.1 2ask信號調制仿真模型其中正弦信號是載波信號，方波代表s（t）序列的信號源，正弦信號和方波相乘后就得到2ask信號，也就是二進制鍵控信號。若一個信號狀態(tài)始終為零，相當于處在斷開狀態(tài)，此時常稱為通斷鍵控信號。二進制振幅鍵控方式是數字調制中出現最早的，也是最簡單的。這種方法最初用于電報系統(tǒng)，但是由于它在抗噪聲的能力上較差，故在數字通信中用的不多。不過，二進制振幅鍵控常常作為研究其他數字調制方式的基礎，熟悉它也是必要的。(2) 參數設置。建立好模型之后就要設置系統(tǒng)參數，以達到系統(tǒng)的最

43、佳仿真。從正弦信號源開始依次的仿真參數設置如下圖所示。圖4.2所示，其中sin函數是幅度為2、頻率為1hz、采樣周期為0.005的雙精度dsp信號。圖4.3所示的方波是基于采樣的，其幅度設置為2、周期為3、脈沖持續(xù)設置2、采樣時間為1。圖4.2 正弦信號參數設置圖4.3 方波信號源的參數設置(3) 系統(tǒng)仿真及各點波形圖。經過參數的設置后，就可以進行系統(tǒng)的仿真。下面是示波器顯示的各點的波形圖。第一個波形是方波信號源輸出的方波；第二個波形正弦信號源輸出的頻率為1hz的正弦波；第三個是方波與正弦波經過乘法器后輸出的2ask信號。圖4.4 仿真各點波形圖4.1.2 2ask信號解調仿真(1) 建立si

44、mulink模型。2ask的解調分為相干解調和非相干解調法，下面采用相干解調法對2ask信號進行解調。相干解調也叫同步解調，就是將已調信號恢復出載波，再用載波信號同已調信號相乘，經過低通濾波器和抽樣判決器恢復出原始信號s(t)。同樣先從simulink模塊選擇器件：從sources中選取pulse generator作為方波信號源，從math operations中選取product作為乘法器，從sinks中選取scope作為示波器；再從dsp工具箱的dsp sources中選取sine wave作為載波信號，方波信號與正弦波信號相成后生成2ask信號。2ask信號經過低通濾波器后再經過判決器

45、便可解調出原始信號。simulink模型如下。圖4.5 2ask解調模型(2) 參數設置。建立好模型之后，開始設置各點的參數，由于低通濾波器是濾去高頻載波的，才能恢復出原始信號，所以為了使已調信號的頻譜有明顯的搬移，使視覺有更直觀的印象，就要使載波和信息源的頻率有明顯的差別，所以載波的頻率設置的要相對高一些，這里設置為150hz。為了更好的恢復出信源信號，所以在此直接使用原載波信號作為同步載波信號。下面是主要部件的參數設置。圖4.6 低通濾波器的參數設置將圖4.2中正弦信號的頻率設置為150hz，其他參數不變。(3) 系統(tǒng)仿真及各點波形。仿真波形如圖4.7所示，由上到下的順序：第一個波形是原始

46、信號，第二個是載波信號，第三調制后的2ask信號，第四個是2ask信號與載波信號相乘后得到的信號，第五個是經過低通濾波器的波形，第六個是經抽樣判決器后解調出的原始信號。(4) 誤碼率分析。由于在解調過程中沒有信道和噪聲，所以誤碼率相對較小，一般是由于碼間串擾或是參數設置的問題，可以得出此系統(tǒng)的誤碼率為0.3636。圖4.7 解調波形圖4.2 2fsk信號的調制與解調4.2.1 2fsk信號調制仿真(1) 建立系統(tǒng)模型。2fsk信號是由頻率分別為和的兩個載波對信號源進行頻率上的控制而形成的，其中和是兩個頻率有明顯差別的且都遠大于信號源頻率的載波信號。2fsk信號產生的simulink仿真模型圖如

47、下。圖4.8 2fsk信號simulink調制模型(2) 參數設置。其中sine wave和sine wave1是兩個頻率分別為f1和f2的載波，pulse generator模塊是信號源，not實現方波的反相，經相乘器和相加器生成2fsk。本來信號源s(t)序列是用隨機的“0”、“1”信號產生，在此為了方便仿真就選擇了基于采樣的pulse generator信號模塊其參數設置如圖4.9。圖4.9 信號源模塊參數圖4.10 載波sin wave參數設置圖4.10所示，其幅度為2，頻率f1=1hz，采樣時間為0.002，載波為單精度信號。圖4.11 載波sin wave1參數設置圖4.11所示，

48、該載波是幅度為2、頻率為2hz、采樣時間為0.002的單精度信號。(3) 系統(tǒng)仿真及波形。經過以上參數的設置后就可以進行系統(tǒng)的仿真，其各點的時間波形如圖4.12。第一個波形是原始信號，第二個是正弦載波周期為1hz的載波信號，第三個是周期為2hz的正弦載波，第四個就是調制后的2fsk信號。圖4.12 2fsk信號調制波形圖4.2.2 2fsk信號解調仿真(1) 2fsk解調系統(tǒng)模型。其中from file是一個封裝模塊，就是2fsk信號的調制模塊，兩個帶通濾波器分別將2fsk信號上下分頻為和，再經過與載波相乘，經過低通濾波后兩路信號相加，再經抽樣判決器解調出原始信號。圖4.13 2fsk解調框圖

49、2fsk是數字通信中用得較為廣泛的一種方式。在話帶內進行數據傳輸數據時，國際電報電話咨詢委員會（ccitt）推薦在話音頻帶內低于1200bit/s數據率時使用fsk方式。在衰落信道中傳輸數據時也被廣泛采用。(2) 參數設置。圖4.14和圖4.15是上下兩路進行分頻的帶通濾波器的參數設置，具體設置見圖。圖4.14 2fsk信號f1帶通濾波器參數設置圖4.15 2fsk信號帶通濾波器參數設置(3) 系統(tǒng)仿真及各點波形。圖4.16 2fsk信號解調仿真波形4.3 2psk信號的調制與解調4.3.1 2psk信號調制仿真(1) 2psk信號系統(tǒng)模型。二進制數字調制中,當正弦載波的相位隨二進制數字基帶信

50、號離散變化時,則產生二進制移相鍵控(2psk)信號。在此用已調信號載波的 0和 180分別表示二進制數字基帶信號的“1”和“0”。用兩個反相的載波信號進行調制，其系統(tǒng)框圖如圖4.17。圖4.17 2psk信號調制框圖其中sine wave1和sine wave2是反相的載波，正弦脈沖作為信號源。(2) 參數設置。圖4.18 sine wave1參數設置圖4.19 sine wave2參數設置圖4.20脈沖信號的參數設置脈沖信號是幅度為2、周期為1、占空比為50%的時鐘的信號。(3) 仿真波形。如圖4.21所示。圖4.21 2psk調制信號波形圖4.3.2 2psk信號解調仿真(1) 建立sim

51、ulink模型。2psk信號與本地載波相乘后進入低通濾波器，在經過抽樣判決器解調出原始信號。圖4.22 2psk信號調制系統(tǒng)模型(2) 參數設置。各個模塊設置與前面基本相同，只是將信號源參數稍作調整，便于做誤碼分析。信號源參數設置如圖4.23。圖4.23 信號源參數設置(3) 仿真波形。圖4.24所示為2psk信號解調的各點波形。圖4.24 2psk信號解調波形(4) 結果分析。由圖4.22可看出其誤碼率為0.6364，由于參數設置、系統(tǒng)的不準確性和碼間影響，所以誤碼率稍微偏大。4.4 本章小結仿真是衡量系統(tǒng)性能的工具，它通過仿真模型的仿真結果來推斷原系統(tǒng)的性能，從而為新的系統(tǒng)建立或原系統(tǒng)的改

52、造提供可靠的參考。仿真是科學研究和工程建設中不可缺少的方法。實際的通信系統(tǒng)是一個功能結構相當復雜的系統(tǒng)，對這個系統(tǒng)做出任何的改變都可影響到整個系統(tǒng)性能和穩(wěn)定。因此在對原有的通信系統(tǒng)做出改進或建立一個新系統(tǒng)之前通常對這個系統(tǒng)進行建模和仿真。通過仿真結果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和系統(tǒng)設置，然后再應用到實際系統(tǒng)中，這個過程就是通信仿真。本章通過運用simulink仿真工具箱對bask、bfsk、bpsk進行建模、參數設置，并且對仿真結果進行了簡單的誤碼分析，通過仿真對數字調制解調有一個直觀的了解，為今后運用simulink軟件仿真和在通信領域繼續(xù)學習研究打下良好基礎。東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第5章 結論第5章 結論調制與解調是通信系統(tǒng)中十分重要的一個環(huán)節(jié)，針對不同的信道環(huán)境選擇不同的調制與解調方式可以有效地提高通信系統(tǒng)中的頻帶利用率，改善接收信號的誤碼率。所謂調制就是根據輸入信號改變傳輸信號，使之能夠在特定的頻率范圍之內和特定條件的信道中傳輸的過程。解調是調制的逆過程，它是把某種特定形態(tài)的傳輸波形還原為發(fā)送端調制前