基于Mat lab的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真與分析畢業(yè)論文

1、基于Mat lab的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真與分析摘 要數(shù)字調(diào)制是通信系統(tǒng)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，數(shù)字調(diào)制技術(shù)的改進也是通信系統(tǒng)性能提高的重要途徑。本文首先分析了數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的五種基本調(diào)制解調(diào)方法，然后，運用Matlab及附帶的圖形仿真工具 Simulink設(shè)計了這幾種數(shù)字調(diào)制方法的仿真模型。通過仿真，觀察了調(diào)制解調(diào)過程中各環(huán)節(jié)時域和頻域的波形，并結(jié)合這幾種調(diào)制方法的調(diào)制原理，跟蹤分析了各個環(huán)節(jié)對調(diào)制性能的影響及仿真模型的可靠性。最后，在仿真的基礎(chǔ)上分析比較了各種調(diào)制方法的性能，并通過比較仿真模型與理論計算的性能，證明了仿真模型的可行性。 關(guān)鍵詞：數(shù)字調(diào)制；分析與仿真；Matlab；Simulink；G

2、UI圖形界面。ABSTRACTIn this paper, five usual methods of digital modulation are introduced firstly. Then their simulation models are built by using MATLABs simulation tool, SIMULINK. Through observing the results of simulation, the factors that affect the capability of the digital modulation system and t

3、he reliability of the simulation models are analyzed. And then, the capability of three digital modulation simulation models, 2-FSK, 2-DPSK and MSK, have been compared, as well as comparing the results of simulation and theory. Keywords:Digital modulation; analysis; simulation; MATLAB; SIMULINK.目 錄1

4、引言.11.1數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)概述.11.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成.11.1.2數(shù)字通信系統(tǒng)的特點.21.2數(shù)字調(diào)制的意義.51.3 Matlab在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用.62數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的相關(guān)原理.72.1二進制幅度鍵控(2-ASK).72.2二進制頻移鍵控(2-FSK).72.3二進制相移鍵控(2-PSK).82.4多進制數(shù)字調(diào)制.83數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真設(shè)計.93.1數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)分析.93.1.1仿真框圖.103.1.2信號源仿真及參數(shù)設(shè)置.113.1.3調(diào)制與解調(diào)模塊.113.1.4信道.123.2仿真模型的設(shè)計及結(jié)果分析.133.2.1 2-ASK.133.2.2 2-FSK.183

5、.2.3 2-DPSK.223.2.4 2-MSK.253.2.5 M-DPSK.273.3數(shù)字調(diào)制的性能比較.30 3.3.1各種仿真模型的性能比較.30 3.3.2仿真模型性能與理論性能的比較.324結(jié)論.33致謝.34參考文獻.35基于Matlab的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真與分析1引言1.1數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)概述數(shù)字載波調(diào)制(簡稱數(shù)字調(diào)制)與模擬調(diào)制沒有本質(zhì)上的區(qū)別，它是用數(shù)字基帶信號作為原始信號，去控制高頻正弦載波信號的振幅、頻率和相位，相應(yīng)的有三種基本的調(diào)制方式：數(shù)字振幅調(diào)制（ASK）、數(shù)字頻率調(diào)制（FSK）、數(shù)字相位調(diào)制（PSK）。1.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)就是利用數(shù)字信號傳遞消息

6、的通信系統(tǒng)。而數(shù)字信號指的是不僅在時間上是離散的且在幅度上也是離散的信號。數(shù)字通信系統(tǒng)的形式各種各樣，但從數(shù)字通信的特點以及所完成的功能上來看，可把它概括成圖1-1所示的系統(tǒng)模型。圖1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成框圖信源是信息的發(fā)出源，接其性質(zhì)可分為離散信息源，如電報、數(shù)據(jù)等;另一種是連續(xù)的模擬信息源，如電路等。信宿是信息的歸宿。信源編碼廣義地說包含兩個方面:(1)將輸入信號變換成適合于數(shù)字通信系統(tǒng)處理和傳輸?shù)臄?shù)字信號。如果信源是模擬信號，應(yīng)首先進行模擬/數(shù)字變換，使經(jīng)過編碼后的輸出信號成為時間上離散、幅度取值有限，且按一定規(guī)律組合的數(shù)字脈沖串:(2)通過信源編碼提高數(shù)字信號的有效性，盡可能地減少原

7、信號中的多余度，進行壓縮信號的帶寬的編碼，使單位時間、單位系統(tǒng)頻帶上所傳輸?shù)男畔⒘孔畲?這兩個方面是在信源編碼的過程中同時完成的。信源譯碼則是信源編碼的逆過程。加密與解密是為了實現(xiàn)保密通信，通過加密人為地把待傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂。這種編碼可采用周期非常長的偽隨機碼序列等，在接收端根據(jù)己知的解密方法，對接收序列進行解密。信道編解碼主要是為解決可靠性問題而設(shè)置的。由于信源編碼后的數(shù)字信號是要通過信道來傳輸，而信號又不可避免地要受到各種噪聲的干擾，因此可能會導(dǎo)致接收端數(shù)字信號的判決錯誤。信道編碼就是采用一種對傳輸?shù)脑夹畔匆欢ㄒ?guī)則人為地加入一些數(shù)據(jù)，在接收端通過信道譯碼以達到自身發(fā)現(xiàn)和糾正誤碼的目的

8、，這種技術(shù)稱為“差錯控制技術(shù)”。一般來講經(jīng)信道編碼的二元數(shù)字信號不適合在信道上直接傳輸，調(diào)制器的任務(wù)是把數(shù)字信號變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男盘?而解調(diào)器的過程正好相反。通常對數(shù)字信號的頻帶調(diào)制有ASK, FSK和PSK等.調(diào)制與解調(diào)方式對通信質(zhì)量的影響比較大，因此應(yīng)合理選擇。定時同步系統(tǒng)使數(shù)字信號序列按節(jié)拍一步一步地工作，收、發(fā)兩端的節(jié)拍一定要一致，否則將出現(xiàn)混亂。另外發(fā)送的數(shù)字信號序列常常是編組的，收端必須知道這些編組的頭尾，否則就無法恢復(fù)原始信息。要保證收、發(fā)兩端的節(jié)拍一致，必須有同步系統(tǒng)的控制。1.1.2數(shù)字通信的特點從數(shù)字通信的過程來看，很容易發(fā)現(xiàn)數(shù)字通信有著許多模擬通信無法比擬的優(yōu)點。(1

9、) 抗干擾能力強信號在傳輸過程中不可避免地要受到各種噪聲的干擾。對于模擬信號來說，疊加在信號上的噪聲難以與信號分開。同樣，疊加在數(shù)字信號波形上的噪聲也是難以去掉，但由于數(shù)字通信系統(tǒng)傳送的數(shù)字信號，其信息并不包含在信號脈沖的波形之中，而是包含在脈沖的有無之中，因而只有當(dāng)噪聲在判決時超過某個范圍，才有可能改變信號的值，產(chǎn)生錯誤判決，造成誤碼。因此，數(shù)字信號比模擬信號的抗干擾能力強，且數(shù)字信號還可進行糾錯編碼，進一步提高其抗干擾能力。由于數(shù)字信號的抗千擾能力強，在類似的信道條件下，數(shù)字通信的傳輸精度比模擬通信高的多。(2) 采用再生中繼可實現(xiàn)高質(zhì)量遠距離傳輸遠距離模擬通信系統(tǒng)中的噪聲是積累的，因而隨

10、著通信距離的增加，傳輸質(zhì)量也隨之下降。而在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳送的數(shù)字信號大多是二元或三元信號。例如:二元數(shù)字信號只有兩個狀態(tài)“0”和“1，在傳輸信道中也會受到噪聲干擾，當(dāng)干擾達到一定程度，進入再生中繼器，再生中繼器中的幅度識別電路對收到的二元波形信號進行判決，這些判決值通過波形形成電路，以沒有噪聲千擾的“純凈”脈沖波形向下一站發(fā)送，這樣就消除了噪聲的千擾。在理想情況下，噪聲可全部清除，不會產(chǎn)生積累。正因為數(shù)字信號可以再生，所以可通過多個再生中繼器實現(xiàn)高質(zhì)量的遠距離傳輸。(3) 靈活性強適應(yīng)各種業(yè)務(wù)要求在數(shù)字通信中，各種消息(電報、電話、圖像和數(shù)據(jù)等)均可變?yōu)榻y(tǒng)一的數(shù)字信號進行傳輸。在系統(tǒng)中對數(shù)字

11、信號傳輸情況的監(jiān)視信號、控制信號及業(yè)務(wù)信號均可采用數(shù)字信號。數(shù)字傳輸與數(shù)字交換技術(shù)結(jié)合起來組成的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)(ISDN)，對于來自不同信息源的信號自動地進行變換、綜合、傳輸、處理、存儲和分離，實現(xiàn)各種綜合業(yè)務(wù)，這給實際應(yīng)用帶來了極大的方便。(4) 便于自動化、智能化由于數(shù)字通信所傳輸?shù)男盘柵c數(shù)字電子計算機所采用的數(shù)字信號完全一致，所以可以方便地與計算機進行接口連接，構(gòu)成復(fù)雜的、遠距離的、大規(guī)模的、靈活多樣的系統(tǒng)，使數(shù)字通信系統(tǒng)趨向于自動化、智能化。(5) 易于加密數(shù)字信號可用各種極其復(fù)雜規(guī)律的密碼進行加密，只要用簡單的邏輯電路就能實現(xiàn)，從而使通信具有高度的保密性。(6) 設(shè)備易于集成化、

12、微型化由于數(shù)字通信系統(tǒng)中大都采用數(shù)字電路，數(shù)字電路比模擬電路易于集成化，因此通信設(shè)備可以采用中、大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路制成體積小、功耗低、成本低、可靠性高的設(shè)備。數(shù)字通信較模擬通信有如此多的優(yōu)點是有代價的。傳輸數(shù)字信號所需帶寬遠比模擬信號的寬。但是隨著寬頻帶傳輸媒質(zhì)(光纖等)的廣泛使用和頻帶壓縮編碼技術(shù)(如ADPCM、矢量編碼、預(yù)測編碼等)的日趨成熟和實用化，數(shù)字通信占用頻帶寬的問題己得到解決，不再是數(shù)字通信發(fā)展的一個障礙.另一方面 ，數(shù)字通信的實現(xiàn)過程要復(fù)雜于模擬通信的實現(xiàn)過程，若是沒有集成工藝作基礎(chǔ)，很難在設(shè)備的體積、功耗、可靠性和經(jīng)濟性方面與發(fā)展已十分完美的模擬系統(tǒng)競爭，數(shù)字通信這種通

13、信手段早在20世紀30年代就己提出，但它的真正發(fā)展和使用是從晶體管和集成電路的發(fā)明之后才開始的。特別是現(xiàn)在，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的廣泛使用，使數(shù)字通信得到了突飛猛進的發(fā)展和廣泛的使用。1.2數(shù)字調(diào)制的意義數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)字基帶信號對載波的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。根據(jù)控制的載波參量的不同，數(shù)字調(diào)制有調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸。為了進行長途傳輸，必須對數(shù)字信號進行載波調(diào)制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現(xiàn)代通信系統(tǒng)都使用數(shù)字

14、調(diào)制技術(shù)。另外，由于數(shù)字通信具有建網(wǎng)靈活，容易采用數(shù)字差錯控制技術(shù)和數(shù)字加密，便于集成化，并能夠進入綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN網(wǎng)），所以通信系統(tǒng)都有由模擬方式向數(shù)字方式過渡的趨勢。因此，對數(shù)字通信系統(tǒng)的分析與研究越來越重要，數(shù)字調(diào)制作為數(shù)字通信系統(tǒng)的重要部分之一，對它的研究也是有必要的。通過對調(diào)制系統(tǒng)的仿真，我們可以更加直觀的了解數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能及影響性能的因素，從而便于改進系統(tǒng)，獲得更佳的傳輸性能。1.3 Matlab在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用隨著通信系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,傳統(tǒng)的手工分析與電路板試驗等分析設(shè)計方法已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展的需要,通信系統(tǒng)計算機模擬仿真技術(shù)日益顯示出其巨大的優(yōu)越性.。計算機仿真

15、是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的模型,利用計算機進行實驗研究的一種方法.它具有利用模型進行仿真的一系列優(yōu)點,如費用低,易于進行真實系統(tǒng)難于實現(xiàn)的各種試驗,以及易于實現(xiàn)完全相同條件下的重復(fù)試驗等。Matlab仿真軟件就是分析通信系統(tǒng)常用的工具之一。Matlab是一種交互式的、以矩陣為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)環(huán)境,它用于科學(xué)和工程的計算與可視化。Matlab的編程功能簡單,并且很容易擴展和創(chuàng)造新的命令與函數(shù)。應(yīng)用Matlab可方便地解決復(fù)雜數(shù)值計算問題。Matlab具有強大的Simulink動態(tài)仿真環(huán)境,可以實現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。Simulink支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng),

16、也支持多種采樣速率的多速率系統(tǒng);Simulink為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口,它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用差分方程和微分方程建模相比,更直觀、方便和靈活。用戶可以在Matlab和Simulink兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。用于實現(xiàn)通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,通信工具箱)是Matlab語言中的一個科學(xué)性工具包,提供通信領(lǐng)域中計算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設(shè)計和分析的功能,可以在Matlab環(huán)境下獨立使用,也可以配合Simulink使用。另外，Matlab的圖形界面功能GUI（Graphical User Interface）能為仿真系統(tǒng)生成一個

17、人機交互界面，便于仿真系統(tǒng)的操作。因此，Matlab在通信系統(tǒng)仿真中得到了廣泛應(yīng)用，本文也選用該工具對數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進行仿真。2 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的相關(guān)原理數(shù)字調(diào)制可以分為二進制調(diào)制和多進制調(diào)制，多進制調(diào)制是二進制調(diào)制的推廣，所以本文主要討論二進制的調(diào)制與解調(diào)，最后簡單討論一下多進制調(diào)制中的差分相位鍵控調(diào)制（M-DPSK）。最常見的二進制數(shù)字調(diào)制方式有二進制振幅鍵控（2-ASK）、移頻鍵控（2-FSK）和移相鍵控（2-PSK和2-DPSK）。下面是這幾種調(diào)制方式的相關(guān)原理。2.1 二進制幅度鍵控（2-ASK） 幅度鍵控可以通過乘法器和開關(guān)電路來實現(xiàn)。載波在數(shù)字信號1或0的控制下通或斷，在信號為1的狀

18、態(tài)載波接通，此時傳輸信道上有載波出現(xiàn)；在信號為0的狀態(tài)下，載波被關(guān)斷，此時傳輸信道上無載波傳送。那么在接收端我們就可以根據(jù)載波的有無還原出數(shù)字信號的1和0。2-ASK信號功率譜密度的特點如下： （1）由連續(xù)譜和離散譜兩部分構(gòu)成；連續(xù)譜由傳號的波形g(t)經(jīng)線性調(diào)制后決定，離散譜由載波分量決定；（2）已調(diào)信號的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。2.2 二進制頻移鍵控（2-FSK） 頻移鍵控是利用兩個不同頻率f1和f2的振蕩源來代表信號1和0，用數(shù)字信號的1和0去控制兩個獨立的振蕩源交替輸出。對二進制的頻移鍵控調(diào)制方式，其有效帶寬為B=2xF+2Fb,xF是二進制基帶信號的帶寬也是FSK信號的最大頻偏

19、，由于數(shù)字信號的帶寬即Fb值大，所以二進制頻移鍵控的信號帶寬B較大，頻帶利用率小。2-FSK功率譜密度的特點如下：(1) 2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分構(gòu)成,離散譜出現(xiàn)在f1和f2位置；(2) 功率譜密度中的連續(xù)譜部分一般出現(xiàn)雙峰。若兩個載頻之差|f1 -f2|fs，則出現(xiàn)單峰。2.3二進制相移鍵控（2-PSK） 在相移鍵控中，載波相位受數(shù)字基帶信號的控制，如在二進制基帶信號中為0時，載波相位為0或，為1時載波相位為或0。載波相位和基帶信號有一一對應(yīng)的關(guān)系，從而達到調(diào)制的目的。2-PSK信號的功率密度有如下特點： (1) 由連續(xù)譜與離散譜兩部分組成； (2) 帶寬是絕對脈沖序列的二

20、倍； (3) 與2ASK功率譜的區(qū)別是當(dāng)P1/2時，2PSK無離散譜，而2ASK存在離散譜。 2.4 多進制數(shù)字調(diào)制 上面所討論的都是在二進制數(shù)字基帶信號的情況，在實際應(yīng)用中，我們常常用一種稱為多進制（如4進制，8進制，16進制等）的基帶信號。多進制數(shù)字調(diào)制載波參數(shù)有M種不同的取值，多進制數(shù)字調(diào)制比二進制數(shù)字調(diào)制有兩個突出的優(yōu)點：一是有于多進制數(shù)字信號含有更多的信息使頻帶利用率更高；二是在相同的信息速率下持續(xù)時間長，可以提高碼元的能量，從而減小由于信道特性引起的碼間干擾?，F(xiàn)實中用得最多的一種調(diào)制方式是多進制相移鍵控（MPSK）。 多進制相移鍵控又稱為多相制，因為基帶信號有M種不同的狀態(tài)，所以它

21、的載波相位有M種不同的取值，這些取值一般為等間隔。在多相制移鍵控有絕對移相和相對移相兩種，實際中大多采用四相絕對移相鍵控（4PSK，有稱QPSK），四相制的相位有0、/2、3/2四種，分別對應(yīng)四種狀態(tài)11、01、00、10。3數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真設(shè)計3.1 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)分析典型的數(shù)字通信系統(tǒng)由信源、編碼解碼、調(diào)制解調(diào)、信道及信宿等環(huán)節(jié)構(gòu)成，其框圖如圖3.1所示： 數(shù)字調(diào)制是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的輸入端是經(jīng)編碼器編碼后適合在信道中傳輸?shù)幕鶐盘?。對?shù)字調(diào)制系統(tǒng)進行仿真時，我們并不關(guān)心基帶信號的碼型，因此，我們在仿真的時候可以給數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)直接輸入數(shù)字基帶信號，不用在經(jīng)過

22、編碼器。圖3.1數(shù)字通信系統(tǒng)框圖3.1.1 仿真框圖MATLAB提供的圖形界面仿真工具Simulink由一系列模型庫組成,包括Sources(信源模塊)，Sinks(顯示模塊)，Discrete(離散系統(tǒng)模塊)，Linear(線性環(huán)節(jié))，Nonlinear(非線性環(huán)節(jié))，Connections(連接),Blocksets&Toolboxes(其他環(huán)節(jié))。特別是在Blocksets&Toolboxes中還提供了用于通信系統(tǒng)分析設(shè)計和仿真的專業(yè)化模型庫CommTbxLibrary。在這里，整個通信系統(tǒng)的流程被概括為：信號的產(chǎn)生與輸出、編碼與解碼、調(diào)制與解調(diào)、濾波器以及傳輸介質(zhì)的模型。在每個設(shè)計模塊

23、中還包含有大量的子模塊，它們基本上覆蓋了目前通信系統(tǒng)中所應(yīng)用到的各種模塊模型。通信系統(tǒng)一般都可以建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)所需仿真的通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(或數(shù)學(xué)表達式)，用戶只要從上述各個模型庫中找出所需的模塊,用鼠標(biāo)器拖到模型窗口中組合在一起,并設(shè)定好各個模塊參數(shù), 就可方便地進行動態(tài)仿真.從輸出模塊可實時看到仿真結(jié)果,如時域波形圖、頻譜圖等。每次仿真結(jié)束后還可以更改各參數(shù),以便觀察仿真結(jié)果的變化情況。另外，對Simulink中沒有的模塊，可運用S函數(shù)生成所需的子模塊，并且可以封裝和自定義模塊庫，以便隨時調(diào)用。根據(jù)Simulink提供的仿真模塊，數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真可以簡化成如圖3.2所示的模型：圖3.

24、2 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真框圖3.1.2 信號源仿真及參數(shù)設(shè)置 Simulink通信工具箱中的Comm Sources/Data Sources提供了數(shù)字信號源Bernoulli Binary Generator，這是一個按Bernoulli分布提供隨機二進制數(shù)字信號的通用信號發(fā)生器。在現(xiàn)實中，對受信者而言，發(fā)送端的信號是不可預(yù)測的隨機信號。因此，我們在仿真中可以用Bernoulli Binary Generator來模擬基帶信號發(fā)生器。 其中主要參數(shù)的含義為：Probability of a zero ：產(chǎn)生的信號中0符號的概率，在仿真的時候一般設(shè)成0.5，這樣便于頻譜的計算；Initial se

25、ed ：控制隨機數(shù)產(chǎn)生的參數(shù)，要求不小于30，而且與后面信道中的Initial seed設(shè)置不同的值；Sample time：抽樣時間，這里指一個二進制符號所占的時間，用來控制號發(fā)生的速率，這個參數(shù)必須與后面調(diào)制和解調(diào)模塊的Symbol period保持一致。 3.1.3 調(diào)制與解調(diào)模塊Simulink通信工具箱中提供了數(shù)字信號各種調(diào)制方式的模塊，如AM、CPM、FM及PM等。雖然不同的調(diào)制模塊，參數(shù)設(shè)置有所不同，但很多參數(shù)在各種調(diào)制中是一致的，下面我們以DPSK調(diào)制模塊為例介紹一下調(diào)制模塊的參數(shù)及其設(shè)置，其余模塊將在下面仿真模型的建立過程中詳細介紹。M-DPSK Modulator Pass

26、band和M-DPSK Demodulator Passband 分別是數(shù)字信號DPSK調(diào)制和解調(diào)的專用模塊，其中主要參數(shù)有： M-ary number：輸入信號的階次數(shù)，比如2-DPSK就是2階的；Symbol period：符號周期，即，一個符號所占的時間，這必須與信號源的Sample time保持一致；Carrier frequency：載波頻率；Carrier initial phase：載波的初始相位；Input sample time： 輸入信號的抽樣時間；Output sample time：輸出信號的抽樣時間。其中，各參數(shù)要滿足以下關(guān)系：Symbol period 1/(Car

27、rier frequency) Input sample time 1/2*Carrier frequency + 2/(Symbol period)Output sample time 1/2*Carrier frequency + 2/(Symbol period)3.1.4 信道 在分析通信系統(tǒng)時通常選擇高斯噪聲作為系統(tǒng)的噪聲來考查，因為這種噪聲在現(xiàn)實中比較常見而且容易分析。Simulink 中提供了帶有加性高斯白噪聲的信道：AWGN Channe。仿真時可以用該模塊模擬現(xiàn)實中的信道，該模塊的主要參數(shù)有：Initial seed：控制隨機數(shù)產(chǎn)生的參數(shù)，要求不小于30，且與前面信號源中的I

28、nitial seed設(shè)置不同的值；Es/No (dB)：信號每個符號的能量與噪聲的功率譜密度的比值；SNR (dB)： 信號功率與噪聲功率的比值；注：Es/No (dB) 和SNR (dB)是表征信號與噪聲關(guān)系的兩種方法，在一次仿真中只能選擇其中一個。3.2 仿真模型的設(shè)計及結(jié)果分析 了解了仿真所需的主要模塊后，下一步就是設(shè)計和仿真各種數(shù)字調(diào)制模型，并對仿真結(jié)果在時域和頻域進行分析。3.2.1 2-ASK通常，二進制振幅鍵控信號（2-ASK）的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）有兩種，如圖3.3所示： 圖3.3 2-ASK信號產(chǎn)生的兩種方法2-ASK解調(diào)的方法也有兩種相應(yīng)的接收系統(tǒng)組成方框如圖3.4所示：

29、圖3.4 2-ASK信號接收系統(tǒng)組成框圖根據(jù)圖3.3（a）所示方框圖產(chǎn)生2-ASK信號，并用圖3.4（b）所示的相干解調(diào)法來解調(diào)，設(shè)計2-ASK仿真模型如圖3.5所示：圖3.5 2-ASK模型在該模型中，調(diào)制和解調(diào)使用了同一個載波，目的是為了保證相干解調(diào)的同頻同相，雖然這在實際運用中是不可能實現(xiàn)的，但是作為仿真，這樣能獲得更理想的結(jié)果。主要模塊參數(shù)設(shè)置如下： 1.Bernoulli Binary Generator的參數(shù)設(shè)置為：Probability of a zero ：0.5Initial seed ：67Sample time：12.載波頻率設(shè)為：50（可調(diào)）3. Sample and

30、Decide 模塊是一個子系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由抽樣和判決兩部分組成，其中，抽樣由同步?jīng)_激信號（Sychronizing signal）完成，其參數(shù)period（sec）設(shè)置和信號源的參數(shù)Sample time保持一致。判決模塊是一個由M文件編寫的S函數(shù)，S函數(shù)是Simulnk中用以功能擴展的一個功能，用S函數(shù)可以自己編制Simulink庫中沒有的Simulink模塊，從而使Simulink的功能大大加強，本模型中使用的判決模塊就是這樣一個應(yīng)用。Sample and Decide 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.6所示：圖3.6 Sample and Decide 子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果時域分析設(shè)信息源發(fā)出的

31、是由二進制符號0、1組成的序列，且假定0符號出現(xiàn)的概率為P，1符號出現(xiàn)的概率為1-P，他們彼此獨立。則，2ASK信號的時間表示式為: （3.2.） s(t)為隨機的單極性矩形脈沖序列。將圖3.5中各示波器的值輸出到Work space中做統(tǒng)一處理，各環(huán)節(jié)波形如圖3.7所示；圖3.7 2-ASK各環(huán)節(jié)波形示意圖從圖3.7中可以看出，經(jīng)過調(diào)制后的信號波形在符號1持續(xù)時間內(nèi)是載波的波形，在符號0持續(xù)時間內(nèi)無波形，這與式（3.2）是完全吻合的。最后經(jīng)過解調(diào)和抽樣判決出來的信號與源信號波形大體一致，只是有兩個碼元的延遲，這說明如果將Error Rate Calculation的Receive delay

32、參數(shù)設(shè)置為2，則此模型最后的誤碼率為0。這個值與理論值有些出入，原因是我們在仿真時為了便于觀察信號的波形，將信號源發(fā)送的碼元數(shù)設(shè)定為20個（碼元速率為1，仿真時間20秒），這大大低于現(xiàn)實中的傳碼率，所以在只傳送20個碼元的情況下，誤碼率為0是可能的。仿真結(jié)果頻域分析由于二進制的隨機脈沖序列是一個隨機過程,所以調(diào)制后的二進制數(shù)字信號也是一個隨機過程，因此在頻率域中只能用功率譜密度表示。 2ASK的功率譜密度為 由式（3.4）可知，2-ASK信號的中心頻譜被搬移到了載波頻率f上。對圖3.7中各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)做1024點快速傅立葉可得頻域波形，如圖3.8所示： 圖3.8 2-ASK各環(huán)節(jié)頻譜圖 從圖3.8

33、中可以看到，源信號中心頻率經(jīng)調(diào)制后搬移到了載波頻率上，這與公式（3.4）是相符的。最后經(jīng)過抽樣判決后的頻譜與源信號頻譜也大體一致，說明該2-ASK仿真模型是成功的、符合理論的。3.2.2 2-FSK如果信號源同2-ASK一樣的假設(shè)，那么，2-FSK信號便是0符號對應(yīng)于載波1，而1符號則對應(yīng)于2（與1不同的另一載波）的已調(diào)波形，而且1與2之間的改變是瞬間完成的。2-FSK信號的產(chǎn)生如3.9所示: 圖3.9 2-FSK信號產(chǎn)生方法2-FSK信號最常用的解調(diào)方法是采用的相干檢測法，如圖3.10所示Cos1t相乘器相乘器輸入12LPFLPF抽樣脈沖輸出抽樣判決LPFLPFCos2tos2tos2t:圖

34、3.10 2-FSK相干解調(diào)的方法Simulink通信工具箱中提供了專門的FSK調(diào)制和解調(diào)模塊，應(yīng)用FSK調(diào)制模塊能方便的產(chǎn)生2-FSK信號。因此，設(shè)計2-FSK仿真模型時，只需根據(jù)圖3.2所示框圖，利用Simulink通信工具箱中中的FSK調(diào)制解調(diào)模塊及信號源與信道即可。設(shè)計的2-FSK仿真模型如圖3.11圖3.11 2-FSK仿真模型 模型中運用了Simulink工具箱中的現(xiàn)成調(diào)制解調(diào)模塊和信道模塊，然后用示波器觀察各環(huán)節(jié)波形，最后由誤碼計算儀計算誤碼。重要模塊參數(shù)設(shè)置如下： 1.信號源參數(shù)設(shè)置同2-ASK；2. M-FSK Modulator Passband及M-FSK Demodul

35、ator Passband：根據(jù)公式（3.1）所示的調(diào)制解調(diào)模塊所滿足的關(guān)系，設(shè)置參數(shù)如下： M-ary number：2 Symbol period (s)：1（與Bernoulli Binary Generator/ Sample time一致） Frequency separation (Hz)：1（可調(diào)） Carrier frequency (Hz)：30（可調(diào)） Carrier initial phase (rad)：0 Input sample time(s)：1/100 Output sample time(s)：1/1003. AWGN Channel： Initial see

36、d：120（與Bernoulli Binary Generator/ Initial seed不同）； Mode：SNR（dB） SNR (dB)：10（可調(diào)）4. Error Rate Calculation的參數(shù)設(shè)置： Receive delay：3 Output data： Work space Variable name：ErrorVec2仿真結(jié)果時域分析： 根據(jù)上述2-FSK信號產(chǎn)生原理，已調(diào)信號的時間表達式可表示為 ：（3.5） 由式（3.5）可看出2-FSK信號是由兩個2-ASK信號相加而成的將圖3.11中各示波器的值輸出到Work space中做統(tǒng)一處理，其中源信號、調(diào)制后信號

37、及解調(diào)后信號波形如圖3.12所示：（a）源信號波形（b）調(diào)制后信號波形（c）解調(diào)后信號波形圖3.12 2-FSK源信號、調(diào)制后信號及解調(diào)后信號波形由圖3.12可知，調(diào)制后信號波形由兩種頻率不同的波形組成，且兩種頻率分別對應(yīng)解調(diào)后信號的符號0和符號1，即2-FSK信號波形可以看作是由兩個2-ASK信號相加而成的，這與式（3.5）完全相符。另外，源信號波形與解調(diào)后信號波形只是在時間上有3個單位的延遲，如果將Error Rate Calculation的Receive delay參數(shù)設(shè)置為3，則此模型最后的誤碼率為0。原因同2-ASK分析。仿真結(jié)果頻域分析 改變Frequency separatio

38、n (Hz)和Carrier frequency (Hz)兩個參數(shù)的值單獨觀察調(diào)制后的頻譜，獲得圖3.13中的兩個頻譜圖（a）載波差值：1 載波為30（b）載波差值：5 載波為20圖3.13 2-FSK調(diào)制后頻譜對比圖3.13（a）和 (b)可知，當(dāng)兩個載波差值很小時，已調(diào)信號的頻譜呈現(xiàn)單峰如（a）圖；當(dāng)兩個載波差值較大時，已調(diào)信號的頻譜呈現(xiàn)雙峰如（b）圖,這與2.2節(jié)中闡述的2-FSK頻譜的特點完全相符。仿真結(jié)果的分析說明該2-FSK仿真模型是可行的。3.2.3 2-DPSK 2-PSK和2-DPSK 調(diào)制的原理是相同的，2-DPSK可以看作是相對碼的2-PSK調(diào)制，在仿真數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)時，我

39、們并不關(guān)心基帶信號的碼型，因此，在仿真時去掉了編碼和解碼環(huán)節(jié)，同樣，這里也可將2-PSK和2-DPSK當(dāng)作同一種調(diào)制方式來仿真，因此，我們只仿真2-DPSK。 和2-FSK一樣我們也用Simulink通信工具箱提供的現(xiàn)成DPSK調(diào)制解調(diào)模塊來構(gòu)建仿真模型，并由M文件編制程序?qū)Ψ抡娼Y(jié)果進行統(tǒng)一處理。2-DPSK仿真模型如圖3.14所示：圖3.14 2-DPSK仿真模型主要模塊參數(shù)設(shè)置如下：將信號源的Sample time設(shè)為1/2，仿真觀察40個碼元，調(diào)制解調(diào)模塊中的Symbol period (s)也相應(yīng)設(shè)成1/2，其余參數(shù)可參照2-FSK，兩者參數(shù)類似。仿真結(jié)果分析：（3.6）2-DPSK信

40、號的時間表達式為：若在某一碼元持續(xù)時間Ts內(nèi)觀察時，（2.3-1）可以簡寫為：（3.7）2.3-2 或以相反的形式。將圖3.14中各示波器數(shù)據(jù)做統(tǒng)一處理，得到各環(huán)節(jié)時域頻域?qū)Ρ葓D如圖3.15所示，圖3.15 2-DPSK各環(huán)節(jié)時域頻域波形從上圖可以看出，調(diào)制后的信號波形由兩種相位不同的波形組成，而且兩種波形是反相的，即相位相差180度，這與式（3.7）一致。解調(diào)后的時域波形和源信號相比，不僅有一個碼元的延遲，而且第一個碼元由1變成了0，出現(xiàn)了誤碼，由誤碼計算儀的計算數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)在傳送40個碼元的情況下誤碼率為0.025，這是一個理論上和現(xiàn)實中都可以接受的值。將式（3.6）與式（3.2）比較

41、可見，2-ASK和2-DPSK時間表達式形式完全相同，所不同的只是an的取值，因此，兩者的頻域波形也相似。將圖3.15中的2-DPSK信號調(diào)制后頻譜與圖3.8中的2-ASK信號調(diào)制后頻譜比較也可得出相同結(jié)論。3.2.4 2-MSK2-MSK（最小頻移鍵控）是2-FSK信號的改進型，其Simulink仿真模型如圖3.16所示圖3.16 2-MSK仿真模型主要模塊參數(shù)設(shè)置如下：將信號源的Sample time設(shè)為1/2，仿真觀察40個碼元，調(diào)制解調(diào)模塊中的Symbol period (s)也相應(yīng)設(shè)成1/2，其余參數(shù)可參照2-FSK，兩者參數(shù)類似。Error Rate Calculation的參數(shù)設(shè)

42、置： Receive delay：3仿真結(jié)果時域分析： 各環(huán)節(jié)時域?qū)Ρ葓D如圖3.17所示，圖3.17 2-MSK各環(huán)節(jié)時域?qū)Ρ葓D從上圖可以看出，MSK信號波形的振幅非常穩(wěn)定，而圖3.12中2-FSK信號波形的振幅有些波動。這說明MSK的相位比2-FSK穩(wěn)定，相移較小，這與MSK的定義是相符的。另外，解調(diào)后的時域波形和源信號相比，除了有5個碼元的延遲外，其信號波形與源信號波形是一致的，這說明2-MSK調(diào)制性能較好。仿真結(jié)果頻域分析各環(huán)節(jié)頻域?qū)Ρ葓D如圖3.18所示圖3.18 各環(huán)節(jié)頻域?qū)Ρ葓D 從上圖可以看出，與其他調(diào)制方法相比，MSK信號的頻譜比較緊湊，在主瓣之外，頻譜旁瓣的下降非常迅速。這說明M

43、SK信號的功率主要包含在主瓣之內(nèi)。因此，MSK信號比較適合在窄帶信道中傳輸，對鄰道的干擾也較小。3.2.5 M-DPSK M-DPSK是多進制相對移相鍵控調(diào)制，用Simulink構(gòu)建的M-DPSK仿真系統(tǒng)可一通過改變M的值來選擇調(diào)制進制，如2、4、8等，模型如3.19所示，圖3.19 M-DPSK仿真模型主要模塊參數(shù)設(shè)置如下：信號源選擇Random Integer Generator 模塊，因為該模塊可以產(chǎn)生不同進制的數(shù)字基帶信號。該模塊主要參數(shù)為：M-ary number：4或8（可調(diào)）Initial seed：60Sample time：1/2調(diào)制解調(diào)模塊的M-ary number和Sym

44、bol period與信號源模塊相對應(yīng)；信道信噪比SNR：30Error Rate Calculation的參數(shù)設(shè)置： Receive delay：1仿真結(jié)果分析：M-DPSK各環(huán)節(jié)時域波形圖如圖3.20所示，（a）4-DPSK源信號波形（b）4-DPSK調(diào)制后波形(c)4-DPSK解調(diào)后波形（d）8-DPSK源信號（e）8-DPSK調(diào)制后波形(b) 8-DPSK解調(diào)后波形圖3.20 M-DPSK各環(huán)節(jié)波形8-DPSK仿真結(jié)果 由圖3.20可看出，M-DPSK信號由M種具有不同相位的波形組成，這說明該M-DPSK仿真模型完成了M進制的相位調(diào)制。對比源信號與解調(diào)后信號波形，發(fā)現(xiàn)解調(diào)后波形除了比源

45、信號延遲了一個碼元外，沒有任何差別，這說明在傳送40個碼元，信道信噪比為30的情況下，4-DPSK和8-DPSK的誤碼率為0。但是，當(dāng)傳送的碼元數(shù)增加到2000個時，8-DPSK的誤碼率上升到0.0535，而4-DPSK的誤碼率仍為0，誤碼率結(jié)果顯示如圖3.21所示， 4-DPSK誤碼率 8-DPSK誤碼率圖3.21 發(fā)送2000個碼元時M-DPSK的誤碼率這說明，雖然在相同的碼元傳輸速率下，4-DPSK的信息傳輸速率比8-DPSK低，但4-DPSK的可靠性卻比8-DPSK好。3.3 數(shù)字調(diào)制的性能比較3.3.1 各種仿真模型的性能比較 數(shù)字調(diào)制的方式有很多種，各種調(diào)制方式的調(diào)制性能也存在差異

46、，因此，我們研究以上仿真模型的性能，并進行比較。 調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制性能是指誤碼率與信道信噪比之間的關(guān)系，因此，我們需要連續(xù)改變信道的信噪比，然后獲得相應(yīng)的誤碼率，在做出兩者的關(guān)系曲線。這里我們比較2-FSK、 2-DPSK和 MSK三種模型的調(diào)制性能，因為，2-ASK在現(xiàn)實中用的很少，討論它的性能的意義不大。由前面的分析已知，要研究系統(tǒng)的性能，必須傳送足夠多的碼元，因此，我們對各仿真模型的參數(shù)做如下修改：信號源Sample time ：1/1200；調(diào)制和解調(diào)模塊Symbol period：1/1200Frequency separation (Hz)：1000（可調(diào)） Carrier frequency (Hz)：10000（可調(diào)） Carrier initial phase (rad)：0 Input sample time(s)：1/48000 Output sample time(s)：1/48000然后在M文件中編寫程序，對各模型的調(diào)制性能進行比較，并做出關(guān)系曲線。