煙臺(tái)大學(xué)通信工程課程設(shè)計(jì)

1、通信工程 綜合課程設(shè)計(jì)煙 臺(tái) 大 學(xué)通信工程專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真院 系： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 姓 名： (組長(zhǎng))XXX 學(xué)號(hào) (1號(hào))XXX 學(xué)號(hào) (2號(hào))XXX學(xué)號(hào) (3號(hào))XXX 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師：××× 2014年 11月 18 日目錄1數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)原理11.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)原理11.1.1 2ASK調(diào)制原理11.1.2 2FSK調(diào)制原理21.1.3 2PSK調(diào)制原理31.2 2ASK、2FSK、2PSK的性能比較41.2.1 誤碼率41.1.2 頻帶寬度51.2.3 對(duì)信道特性變化的敏感性51.2.4 設(shè)備的復(fù)雜程度61.3 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制

2、系統(tǒng)原理61.3.1 MASK調(diào)制原理61.3.2 MFSK調(diào)制原理71.3.3 MPSK調(diào)制原理81.4 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能分析102 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真122.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真122.1.1 2ASK調(diào)制系統(tǒng)仿真122.1.2 2FSK調(diào)制系統(tǒng)仿真142.1.3 2PSK調(diào)制系統(tǒng)仿真152.2 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真172.2.1 MASK調(diào)制系統(tǒng)仿真172.2.2 MFSK調(diào)制系統(tǒng)仿真182.2.3 MPSK調(diào)制系統(tǒng)仿真192.3 數(shù)字調(diào)制誤碼率分析203 成員分工及小結(jié)234 附錄24附錄1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真24附錄2 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真25附錄3 誤碼分析283

3、41數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)原理1.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)原理1.1.1 2ASK調(diào)制原理 2ASK二進(jìn)制振幅調(diào)制就是用二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦載波的幅度，使載波振幅隨著二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)而變化，而其頻率和初始相位保持不變。信息比特是通過(guò)載波的幅度來(lái)傳遞的。其信號(hào)表達(dá)式為：，S(t)為單極性數(shù)字基帶信號(hào)。由于調(diào)制信號(hào)只有0或1兩個(gè)電平，相乘的結(jié)果相當(dāng)于將載頻或者關(guān)斷，或者接通，它的實(shí)際意義是當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)“1”時(shí)，傳輸載波；當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，不傳輸載波。2ASK信號(hào)的時(shí)間波形e2ASK(t)隨二進(jìn)制基帶信號(hào)S(t)通斷變化。所以又被稱為通斷鍵控信號(hào)。典型波形如圖1-1所示。 圖 1-1 典型

4、2ASK波形e2ASK(t)為已調(diào)信號(hào)，它的幅度受s(t)控制，也就是說(shuō)它的幅度上攜帶有s(t)的信息。2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制法（相乘器法）和鍵控法。模擬調(diào)制法就是用基帶信號(hào)與載波相乘，進(jìn)而把基帶信號(hào)調(diào)制到載波上進(jìn)行傳輸。鍵控法由s(t)來(lái)控制電路的開關(guān)進(jìn)而進(jìn)行調(diào)制。兩種方法的調(diào)制如圖1-2和圖1-3所示。圖 1-2 模擬調(diào)制法（相乘器法）圖 1-3 鍵控法1.1.2 2FSK調(diào)制原理一個(gè)2FSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載波的2ASK信號(hào)的疊加。其解調(diào)和解調(diào)方法和FSK差不多。2FSK信號(hào)的頻譜可以看成是f1和f2的兩個(gè)2ASK頻譜的組合。頻移鍵控是利用載波的頻率來(lái)傳遞數(shù)字信

5、號(hào)，在2FSK中，載波的頻率隨著二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化，頻移鍵控是利用載波的頻移變化來(lái)傳遞數(shù)字信息的。在2FSK中，載波的頻率隨基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。故其表達(dá)式為：典型波形如圖 1-4所示。圖 1-4 2FSK典型波形圖2FSK的調(diào)制方式有兩種，即模擬調(diào)頻法和鍵控法。本次設(shè)計(jì)采用鍵控法。鍵控法中可以用二進(jìn)制“1”來(lái)對(duì)應(yīng)于載頻f1，而“0”用來(lái)對(duì)應(yīng)于另一頻率f2，而這個(gè)可以用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立的頻率源f1、f2進(jìn)行選擇通。鍵控法原理圖如圖1-5示.圖1-5 2FSK調(diào)制原理圖1.1.3 2PSK調(diào)制原理在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的

6、相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí)，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號(hào)。2PSK信號(hào)調(diào)制有兩種方法，即模擬調(diào)制法和鍵控法。通常用已調(diào)信號(hào)載波的 0°和 180°分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的 1 和 0，模擬調(diào)制法用兩個(gè)反相的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。2PSK以載波的相位變化作為參考基準(zhǔn)的，當(dāng)基帶信號(hào)為0時(shí)相位相對(duì)于初始相位為0°，當(dāng)基帶信號(hào)為1時(shí)相對(duì)于初始相位為180°。鍵控法，是用載波的相位來(lái)攜帶二進(jìn)制信息的調(diào)制方式。通常用0°和180°來(lái)分別代表0和1。其時(shí)域表達(dá)式為：其中，2PSK的調(diào)制中an必須為雙極性碼。本次設(shè)計(jì)中采用模擬調(diào)制法。

7、兩種方法原理圖分別如圖1-6和圖1-7所示。圖 1-6- 模擬調(diào)制法原理圖 圖 1-7- 鍵控法原理圖1.2 2ASK、2FSK、2PSK的性能比較1.2.1 誤碼率在數(shù)字通信中，誤碼率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)最重要性能指標(biāo)之一。表1-1列出了各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率公式。表1-1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率及信號(hào)帶寬名稱2DPSK2PSK2FSK2ASK相干檢測(cè)（相干-碼變換）相干檢測(cè)（）（相干-碼變換）非相干檢測(cè)帶寬備注   應(yīng)用這些公式時(shí)要注意的一般條件是：接收機(jī)輸入端出現(xiàn)的噪聲是均值為0的高斯白噪聲；未考慮碼間串?dāng)_的影響；采用瞬時(shí)抽樣判決；要注意的特殊條件已在表的備注中

8、注明。表5-1中所有計(jì)算誤碼率的公式都僅是的函數(shù)。式中，是解調(diào)器輸入端的信號(hào)噪聲功率比。   對(duì)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能做如下兩個(gè)方面的比較： （1）同一調(diào)制方式不同檢測(cè)方法的比較對(duì)表1-1做縱向比較，可以看出，對(duì)于同一調(diào)制方式不同檢測(cè)方法，相干檢測(cè)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測(cè)。但是，隨著信噪比的增大，相干與非相干誤碼性能的相對(duì)差別越不明顯。另外，相干檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備比非相干的要復(fù)雜。 （2）同一檢測(cè)方法不同調(diào)制方式的比較對(duì)表1-1做橫向比較，可以看出： 1）相干檢測(cè)時(shí)，在相同誤碼率條件下，對(duì)信噪比的要求是：2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB； 2）非

9、相干檢測(cè)時(shí)，在相同誤碼率條件下，對(duì)信噪比的要求是：2DPSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。  反過(guò)來(lái)，若信噪比一定，2PSK系統(tǒng)的誤碼率低于2FSK系統(tǒng)，2FSK系統(tǒng)的誤碼率低于2ASK系統(tǒng)。因此，從抗加性白噪聲上講，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。1.1.2 頻帶寬度  各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的頻帶寬度也示于表1-1中，其中為傳輸碼元的時(shí)間寬度。     從表1-1可以看出，2ASK系統(tǒng)和2PSK（2DPSK）系統(tǒng)頻帶寬度相同，均為2/Tb，是碼元傳輸速率的二倍；2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度近

10、似為，大于2ASK系統(tǒng)和2PSK（2DPSK）系統(tǒng)的頻帶寬度。因此，從頻帶利用率上看，2FSK調(diào)制系統(tǒng)最差。1.2.3 對(duì)信道特性變化的敏感性信道特性變化的靈敏度對(duì)最佳判決門限有一定的影響。在2FSK系統(tǒng)中，是比較兩路解調(diào)輸出的大小來(lái)做出判決的，不需人為設(shè)置的判決門限。在2PSK系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門限為0，與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。因此，判決門限不隨信道特性的變化而變化，接收機(jī)總能工作在最佳判決門限狀態(tài)。對(duì)于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為（當(dāng)時(shí)），它與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)。當(dāng)信道特性發(fā)生變化時(shí)，接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度將隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致最佳判決門限隨之而變。這時(shí)，接收機(jī)不容

11、易保持在最佳判決門限狀態(tài)，誤碼率將會(huì)增大。因此，從對(duì)信道特性變化的敏感程度上看，2ASK調(diào)制系統(tǒng)最差。     當(dāng)信道有嚴(yán)重衰落時(shí)，通常采用非相干解調(diào)或差分相干解調(diào)，因?yàn)檫@時(shí)在接收端不易得到相干解調(diào)所需的相干參考信號(hào)。當(dāng)發(fā)射機(jī)有嚴(yán)格的功率限制時(shí)，則可考慮采用相干解調(diào)，因?yàn)樵诮o定的傳碼率及誤碼率情況下，相干解調(diào)所要求的信噪比比非相干解調(diào)小。1.2.4 設(shè)備的復(fù)雜程度就設(shè)備的復(fù)雜度而言，2ASK、2PSK及2FSK發(fā)端設(shè)備的復(fù)雜度相差不多，而接收端的復(fù)雜程度則和所用的調(diào)制和解調(diào)方式有關(guān)。對(duì)于同一種調(diào)制方式，相干解調(diào)時(shí)的接收設(shè)備比非相干解調(diào)的接收設(shè)備復(fù)雜；同為

12、非相干解調(diào)時(shí)，2DPSK的接收設(shè)備最復(fù)雜，2FSK次之，2ASK的設(shè)備最簡(jiǎn)單。     通過(guò)從以上幾個(gè)方面的比較可以看出，在選擇調(diào)制方式時(shí)，要考慮的因素是比較多的。只有對(duì)系統(tǒng)要求做全面的考慮，并且抓住其中最主要的因素才能做出比較正確的選擇。1.3 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)原理所謂多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，就是利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)去調(diào)制高頻載波的某個(gè)參量，如幅度、頻率或相位的過(guò)程。根據(jù)被調(diào)參量的不同，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可分為多進(jìn)制幅度鍵控（MASK）、多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）以及多進(jìn)制相移鍵控（MPSK或MDPSK）。也可以把載波的兩個(gè)參量組合起來(lái)進(jìn)行調(diào)制，如把幅度和相位

13、組合起來(lái)得到多進(jìn)制幅相鍵控（MAPK）或它的特殊形式多進(jìn)制正交幅度調(diào)制（MQAM）等。1.3.1 MASK調(diào)制原理實(shí)現(xiàn)電平調(diào)制的原理框圖如圖1-12所示，它與2ASK系統(tǒng)非常相似相同。不同的只是基帶信號(hào)由二電平變?yōu)槎嚯娖健榇?，發(fā)送端增加了2-M電平變換器，將二進(jìn)制信息序列每個(gè)分為一組（），變換為電平基帶信號(hào)，再送入調(diào)制器。相應(yīng)地，在接收端增加了M-2電平變換器。多進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制信號(hào)的解調(diào)可以采用相干解調(diào)方式，也可以采用包絡(luò)檢波方式。其原理與2ASK的完全相同。  由于采用多電平，因而要求調(diào)制器為線性調(diào)制器，即已調(diào)信號(hào)幅度應(yīng)與輸入基帶信號(hào)幅度成正比。圖1-8 

14、進(jìn)制幅度調(diào)制系統(tǒng)原理框圖除圖5-34所示的雙邊帶幅度調(diào)制外，多進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制還有多電平殘留邊帶制、多電平單邊帶調(diào)制等，其原理與模擬調(diào)制時(shí)完全相同。  MASK調(diào)制中最簡(jiǎn)單的基帶信號(hào)波形是矩形，為了限制信號(hào)頻譜也可以采用其它波形，例如升余弦滾降波形，部分響應(yīng)波形等。1.3.2 MFSK調(diào)制原理多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制（MFSK）簡(jiǎn)稱多頻制，是2FSK方式的推廣。它是用個(gè)不同的載波頻率代表種數(shù)字信息。MFSK系統(tǒng)的組成方框圖如圖5-35所示。發(fā)送端采用鍵控選頻的方式，接收端采用非相干解調(diào)方式。  圖1-9  多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)的組成方框圖

15、 圖中，串/并變換器和邏輯電路1將一組組輸入的二進(jìn)制碼（每個(gè)碼元為一組）對(duì)應(yīng)地轉(zhuǎn)換成有（）種狀態(tài)的一個(gè)個(gè)多進(jìn)制碼。這個(gè)狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)個(gè)不同的載波頻率（）。當(dāng)某組位二進(jìn)制碼到來(lái)時(shí)，邏輯電路1的輸出一方面接通某個(gè)門電路，讓相應(yīng)的載頻發(fā)送出去，另一方面同時(shí)關(guān)閉其余所有的門電路。于是當(dāng)一組組二進(jìn)制碼元輸入時(shí)，經(jīng)相加器組合輸出的便是一個(gè)進(jìn)制調(diào)頻波形。    頻制的解調(diào)部分由個(gè)帶通濾波器、包絡(luò)檢波器及一個(gè)抽樣判決器、邏輯電路2組成。各帶通濾波器的中心頻率分別對(duì)應(yīng)發(fā)送端各個(gè)載頻。因而，當(dāng)某一已調(diào)載頻信號(hào)到來(lái)時(shí)，在任一碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)，只有與發(fā)送端頻率相應(yīng)的一個(gè)帶

16、通濾波器能收到信號(hào)，其它帶通濾波器只有噪聲通過(guò)。抽樣判決器的任務(wù)是比較所有包絡(luò)檢波器輸出的電壓，并選出最大者作為輸出，這個(gè)輸出是一位與發(fā)端載頻相應(yīng)的進(jìn)制數(shù)。邏輯電路2把這個(gè)進(jìn)制數(shù)譯成位二進(jìn)制并行碼，并進(jìn)一步做并/串變換恢復(fù)二進(jìn)制信息輸出，從而完成數(shù)字信號(hào)的傳輸。1.3.3 MPSK調(diào)制原理 多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制又稱多相制，是二相制的推廣。它是利用載波的多種不同相位狀態(tài)來(lái)表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。與二進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制相同，多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制也有絕對(duì)相位調(diào)制和相對(duì)相位調(diào)制（MDPSK）兩種。設(shè)載波為，則進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號(hào)可表示為     式

17、中，是高度為1，寬度為的門函數(shù)；為進(jìn)制碼元的持續(xù)時(shí)間，亦即（）比特二進(jìn)制碼元的持續(xù)時(shí)間；為第個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的相位，共有種不同取值                     且進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號(hào)還可以用矢量圖來(lái)描述，圖1-10畫出了2、4、8三種情況下的矢量圖。具體的相位配置的兩種形式，根據(jù)CCITT的建議，圖（a）所示的移相方式，稱為A方式；圖（b）所示的移相方式，稱為B方式。圖中注明了各相

18、位狀態(tài)及其所代表的比特碼元。以A方式4PSK為例，載波相位有0、和四種，分別對(duì)應(yīng)信息碼元00、10、11和01。虛線為參考相位，對(duì)MPSK而言，參考相位為載波的初相；對(duì)MDPSK而言，參考相位為前一已調(diào)載波碼元的初相。各相位值都是對(duì)參考相位而言的，正為超前，負(fù)為滯后。  圖1-10  相位配置矢量圖    在進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制中，四進(jìn)制絕對(duì)移相鍵控（又稱QPSK）和四進(jìn)制差分相位鍵控（4DPSK，又稱QDPSK）用的最為廣泛。下面著重介紹多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制的這兩種形式。    

19、 （1）4PSK信號(hào)的產(chǎn)生  多相制信號(hào)常用的產(chǎn)生方法有：直接調(diào)相法及相位選擇法。 1）相位選擇法。其原理如圖1-11所示。圖中，四相載波發(fā)生器產(chǎn)生4PSK信號(hào)所需的四種不同相位的載波。輸入的二進(jìn)制數(shù)碼經(jīng)串/并變換器輸出雙比特碼元。按照輸入的雙比特碼元的不同，邏輯選相電路輸出相應(yīng)相位的載波。例如，B方式情況下，雙比特碼元為11時(shí)，輸出相位為45度的載波；雙比特碼元為01時(shí)，輸出相位為135度的載波等。  圖1-11  相位選擇法產(chǎn)生4PSK信號(hào)（B方式）方框圖  圖1-11產(chǎn)生的是B方式的4PSK信號(hào)。要想形成A方

20、式的4PSK信號(hào)，只需調(diào)整四相載波發(fā)生器輸出的載波相位即可。2）直接調(diào)相法。B方式4PSK時(shí)的原理方框圖如圖1-12（a）所示。它可以看成是由兩個(gè)載波正交的2PSK調(diào)制器構(gòu)成，分別形成圖1-12（b）中的虛線矢量，再經(jīng)加法器合成后，得圖（b）中實(shí)線矢量圖。顯然其為B方式4PSK相位配置情況。 圖1-12  直接調(diào)相法產(chǎn)生4PSK信號(hào)方框圖    若要產(chǎn)生4PSK的A方式波形，只需適當(dāng)改變振蕩載波相位就可實(shí)現(xiàn)。（1）4DPSK信號(hào)的產(chǎn)生    與2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生相類似，在直接調(diào)相的基

21、礎(chǔ)上加碼變換器，就可形成4DPSK信號(hào)。圖1-13示出了4DPSK信號(hào)（A方式）產(chǎn)生方框圖。圖中的單/雙極性變換的規(guī)律與4PSK情況相反，為0+1，1-1，相移網(wǎng)絡(luò)也與4PSK不同，其目的是要形成A方式矢量圖。圖中的碼變換器用于將并行絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換為并行相對(duì)碼，其邏輯關(guān)系比二進(jìn)制時(shí)復(fù)雜的多，但可以由組合邏輯電路或由軟件實(shí)現(xiàn)，具體方法可參閱有關(guān)參考書。 4DPSK信號(hào)也可采用相位選擇法產(chǎn)生，但同樣應(yīng)在邏輯選相電路之前加入碼變換器。1.4 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能分析根據(jù)被調(diào)參量的不同，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可分為多進(jìn)制幅度鍵控（MASK）、多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）以及多進(jìn)制相移鍵控（MPSK或MD

22、PSK）。也可以把載波的兩個(gè)參量組合起來(lái)進(jìn)行調(diào)制，如把幅度和相位組合起來(lái)得到多進(jìn)制幅相鍵控（MAPK）或它的特殊形式多進(jìn)制正交幅度調(diào)制（MQAM）等。由于多進(jìn)制數(shù)字已調(diào)信號(hào)的被調(diào)參數(shù)在一個(gè)碼元間隔內(nèi)有多個(gè)取值，因此，與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制相比，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）在碼元速率（傳碼率）相同條件下，可以提高信息速率（傳信率），使系統(tǒng)頻帶利用率增大。碼元速率相同時(shí)，M進(jìn)制數(shù)傳系統(tǒng)的信息速率是二進(jìn)制的log2M倍。在實(shí)際應(yīng)用中，通常取M=2k，k為大于1的正整數(shù)。（2）在信息速率相同條件下，可以降低碼元速率，以提高傳輸?shù)目煽啃?。信息速率相同時(shí)，M進(jìn)制的碼元寬度是二進(jìn)制的log2M倍，這樣可以

23、增加每個(gè)碼元的能量，并能減小碼間串?dāng)_影響等。正是基于這些特點(diǎn)，使多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式得到了廣泛的使用。不過(guò)，獲得以上幾點(diǎn)好處所付出的代價(jià)是，信號(hào)功率需求增加和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度加大。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制載波參數(shù)有M 種不同的取值，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制比二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：一是有于多進(jìn)制數(shù)字信號(hào)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(shí)間長(zhǎng)，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。現(xiàn)實(shí)中用得最多的一種調(diào)制方式是多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）。多進(jìn)制相移鍵控又稱為多相制，因?yàn)榛鶐盘?hào)有M 種不同的狀態(tài)，所以它的載波相位有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

24、對(duì)移相和相對(duì)移相兩種，實(shí)際中大多采用四相絕對(duì)移相鍵控（4PSK，有稱QPSK），四相制的相位有0、/2、3/2 四種，分別對(duì)應(yīng)四種狀態(tài)11、01、00、10。2 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真本章主要介紹對(duì)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)和多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)的調(diào)制信號(hào)的波形和功率譜，并在次基礎(chǔ)上將信道加入高斯白噪聲，進(jìn)行解調(diào)，得到相應(yīng)的解調(diào)信號(hào)。從而加深了對(duì)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的理解和認(rèn)識(shí)。2.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真2.1.1 2ASK調(diào)制系統(tǒng)仿真1. 隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生圖2-1隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生2. ASK信號(hào)調(diào)制圖2-2 2ASK調(diào)制信號(hào)3. 傅里葉頻域分析圖2-3 2ASK頻譜4. 信道加噪聲后信號(hào)圖2-

25、4 加噪調(diào)制信號(hào)5. 接收信號(hào)的解調(diào)圖2-5 解調(diào)過(guò)程6. 解調(diào)出的二進(jìn)制信號(hào)圖2-6 解調(diào)后信號(hào)2.1.2 2FSK調(diào)制系統(tǒng)仿真1.隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生圖2-7隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生2.FSK信號(hào)調(diào)制圖2-8 2FSK調(diào)制信號(hào)3.功率譜分析圖2-9 2FSK調(diào)制信號(hào)功率譜4.信道加噪聲后信號(hào)圖2-10 信道加噪聲后信號(hào) 5.接收信號(hào)的解調(diào)圖2-11解調(diào)高頻率信號(hào)圖2-12 解調(diào)低頻率信號(hào)6.解調(diào)出的二進(jìn)制信號(hào)圖2-13 解調(diào)出的二進(jìn)制信號(hào)2.1.3 2PSK調(diào)制系統(tǒng)仿真1. 隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生圖2-14 隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生2.PSK信號(hào)調(diào)制圖2-15 2PSK調(diào)制信號(hào)3.功率譜分析圖2-16 2PSK功率譜4.信

26、道加噪聲后信號(hào)圖2-17 信道加噪聲后信號(hào)5.接收信號(hào)的解調(diào)圖2-18 解調(diào)過(guò)程7. 解調(diào)出的二進(jìn)制信號(hào)圖2-19 解調(diào)出的二進(jìn)制信號(hào)2.2 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制是利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)去調(diào)制載波的振幅、頻率或相位。由于多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)的被調(diào)參數(shù)在一個(gè)碼元寬度內(nèi)有多個(gè)可能的取值，因此與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制相比，具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)在相同的信道碼元傳輸速率下，L進(jìn)制系統(tǒng)的信息傳輸速率是二進(jìn)制系統(tǒng)的logL倍；(2)在相同的系統(tǒng)傳信率下，多進(jìn)制信道的符號(hào)速率可以低于二進(jìn)制的符號(hào)速率，因而所需信道帶寬減小。因此，多進(jìn)制調(diào)制方式獲得了廣泛的應(yīng)用，成為提高通信效率的主要手段。2.2.1

27、MASK調(diào)制系統(tǒng)仿真多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)又稱為多電平調(diào)制，它可以看成是時(shí)間上互不相容的多個(gè)不同振幅值的通斷鍵控信號(hào)的疊加。與2ASK信號(hào)相比，這種體制的優(yōu)點(diǎn)在于頻帶利用率高。現(xiàn)以四進(jìn)制振幅鍵控為例，四進(jìn)制振幅鍵控(4ASK)是載波幅度受到多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的調(diào)制，每個(gè)多進(jìn)制碼元含有2 b的信息，用雙比特元(ab)代表這兩個(gè)比特。發(fā)送碼元序列編碼時(shí)需要先形成雙比特元，然后用四種幅度之一的載波去表示它。4ASK調(diào)制信號(hào)的仿真圖如下：圖2-20 4ASK調(diào)制信號(hào)由仿真結(jié)果圖可以看出，載波幅度受到數(shù)字基帶信號(hào)的調(diào)制，載波幅度由雙比特元決定，當(dāng)雙比特元為00，01，10，11時(shí)，載波信號(hào)的幅度分別

28、調(diào)制為A V，2A V，3A V，4A V。2.2.2 MFSK調(diào)制系統(tǒng)仿真多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)是載波的頻率受到多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的調(diào)制。四進(jìn)制頻移鍵控(4FSK)采用4個(gè)具有不同頻率的載波信號(hào)分別表示四進(jìn)制碼元，每個(gè)碼元含有2 b信息，用雙比特元(ab)表示。4FSK調(diào)制信號(hào)的仿真圖如下： 圖2-21 4FSK調(diào)制信號(hào)由仿真結(jié)果圖可以看出，載波頻率受到數(shù)字基帶信號(hào)的調(diào)制，當(dāng)雙比特元為00，01，10，11時(shí)，載波信號(hào)頻率調(diào)制為1Hz，2 Hz，3 Hz，4 Hz。2.2.3 MPSK調(diào)制系統(tǒng)仿真多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制又稱多相制，它利用載波的多種不同相位或相位差來(lái)表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。4P

29、SK常稱為正交相移鍵控(QPSK)，它的每個(gè)碼元含有2 b的信息，用雙比特元(ab)表示。發(fā)送碼元序列編碼時(shí)需要先形成雙比特元，然后用四種相位之一去表示它。它們與相位之間的關(guān)系通常按格雷碼的規(guī)律安排。4PSK調(diào)制信號(hào)的仿真圖如下：圖2-22 調(diào)制及加入噪聲后仿真圖圖2-23 解調(diào)過(guò)程圖圖2-24 解調(diào)后序列與原始序列比較2.3 數(shù)字調(diào)制誤碼率分析誤碼率（BER：bit error ratio）是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)*100%。如果有誤碼就有誤碼率。另外，也有將誤碼率定義為用來(lái)衡量誤碼出現(xiàn)的頻率。通過(guò)Matlab仿真模塊，對(duì)相同進(jìn)制的AS

30、K、FSK、QSK誤碼率進(jìn)行仿真分析，對(duì)比其誤碼率大小，然后，對(duì)MPSK，取進(jìn)制M=2、M=4、M=8、M=16時(shí)，仿真誤碼率曲線并進(jìn)行分析，最后，對(duì)MFSK進(jìn)行仿真，列出M=2、M=8的誤碼率仿真曲線，將兩種進(jìn)制的頻移鍵控的誤碼率曲線放在同一個(gè)窗口中，有助于分析對(duì)比。（1） 相同進(jìn)制的ASK、FSK、QSK誤碼率進(jìn)行仿真分析圖2-25 ASK、FSK、QSK誤碼率曲線圖由上圖分析可知，ASK誤碼率最高，PSK誤碼率最低，且三種調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率都隨信噪比的增大而減小。（2） 對(duì)MPSK，取進(jìn)制M=2、M=4、M=8、M=16時(shí)，仿真誤碼率曲線并進(jìn)行分析16psk8psk4psk2psk圖2-2

31、6 MPSK的誤碼率曲線比較圖中橫坐標(biāo)是信噪比，縱坐標(biāo)是信號(hào)的誤碼率。在這里著重比較不同進(jìn)制間的誤碼率性能。從圖中可以看出，相同的信噪比的情況下，誤碼率R2<R4<R8<R16。雖然僅僅列出了四個(gè)進(jìn)制的相移鍵控的誤碼率曲線，可以驗(yàn)證，在同等信源，相同信道傳輸時(shí)，多進(jìn)制誤碼率更高，這就是多進(jìn)制傳輸為了得到更高的傳輸效率所付出的代價(jià)。圖2-27 MFSK的誤碼率曲線比較2FSK8FSK（3），對(duì)MFSK進(jìn)行仿真，列出M=2、M=8的誤碼率仿真曲線，將兩種進(jìn)制的頻移鍵控的誤碼率曲線放在同一個(gè)窗口中，有助于分析對(duì)比。圖中橫坐標(biāo)是信噪比，縱坐標(biāo)是信號(hào)的誤碼率。在這里比較M=2和M=8是

32、的MFSK誤碼率性能。從圖中可以看出，對(duì)于給定的誤碼率，需要的帶寬隨M的增大而下降，即所需的信號(hào)功率隨M的增大而下降。但是由于M的增大，MFSK信號(hào)占據(jù)的帶寬也隨之增加，這相當(dāng)于用頻帶換取了功率。3 成員分工及小結(jié)通過(guò)在本次設(shè)計(jì)中的實(shí)踐明白了自己知識(shí)上的誤區(qū)，例如，在低通濾波的過(guò)程中，主要目的是濾去高頻分量，濾去載波成分，所以對(duì)于低通濾波器的截止頻率的設(shè)置較為關(guān)鍵。而在2PSK的調(diào)制與解調(diào)中所用信號(hào)為雙極性的信號(hào)，因此要將在本次設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的單極性信號(hào)經(jīng)過(guò)碼的變化形成雙極性碼來(lái)傳輸。本次設(shè)計(jì)只是按理論上的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單地系統(tǒng)構(gòu)建，目的是明確數(shù)字基帶傳輸?shù)脑砑斑^(guò)程，而對(duì)于具體問(wèn)題，例如，實(shí)際中

33、信道噪聲一般為高斯白噪聲，本次設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)便并未采用而是用rand函數(shù)產(chǎn)生了隨機(jī)噪聲信號(hào)。此外，還有在2PSK實(shí)際傳輸系統(tǒng)中，在恢復(fù)載波的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“倒現(xiàn)象”即相位模糊現(xiàn)象，但是在本次設(shè)計(jì)中直接在解調(diào)時(shí)給其同頻同相的載波，所以不會(huì)出現(xiàn)此種現(xiàn)象，因?yàn)椴槐乜紤]。這是自己第一次利用Matlab編程功能實(shí)現(xiàn)通信原理中基礎(chǔ)知識(shí)系統(tǒng)地構(gòu)建，以前都是利用Matlab中Simulink模塊搭建系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)自己親自去動(dòng)手和調(diào)試我明白了實(shí)踐的重要性，尤其是對(duì)程序的調(diào)試，更需要大量的時(shí)間反復(fù)上機(jī)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并改正，這樣也就加強(qiáng)了自己對(duì)程序分析的能力，更深刻地明白了通信原理中的知識(shí)內(nèi)容，更進(jìn)一步懂得了理論聯(lián)系實(shí)際

34、的含義，同時(shí)提高了自己的思考能力，使得自己對(duì)課本里的內(nèi)容理解、記憶地更加透徹，這無(wú)論是在我以后的工作中或是學(xué)習(xí)中都是非常有用的。數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展日新月異，如今在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)大部分是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的，性能較好的系統(tǒng)，但是，作為理論發(fā)展最成熟的調(diào)制方式，ASK，F(xiàn)SK，PSK 等的研究仍然具有很重大的意義，因此，我們選擇了這幾種調(diào)制方式做仿真研究。仿真這幾種理論已經(jīng)很成熟的數(shù)字調(diào)制方式，一方面，可以更容易將仿真結(jié)果與成熟的理論進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證仿真的合理性；另一方面，也可以以此為基礎(chǔ)將仿真系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)擴(kuò)展，使其成為仿真更多的數(shù)字調(diào)制方式的模板。另外，數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)只是通信系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部

35、分，因此，我們所設(shè)計(jì)的數(shù)字調(diào)制仿真系統(tǒng)也可以擴(kuò)展成通信系統(tǒng)的仿真。這種擴(kuò)展只需在輸入端與調(diào)制器間增加一些數(shù)字基帶處理模塊，如信源編碼、加密、信道編碼等，在解調(diào)后增加相應(yīng)的解碼解密器即可。4 附錄附錄1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真1、2 ASK：close allclear alln=16;fc=1000000; %fc>=bitRate fc/bitRate為每個(gè)二進(jìn)制包含sin周期個(gè)數(shù)bitRate=1000000;N=50;%noise=ti;noise=10;signal=source(n,N);transmittedSignal=askModu(signal,bitRate,fc,N

36、);signal1=gussian(transmittedSignal,noise);configueSignal=demoASK(signal1,bitRate,fc,n,N);2、2FSKclose allclear allti=0;fpefsk=;startn=-6;endn=18;for ti=startn:endnn=1000;f1=18000000;f2=6000000;bitRate=1000000;N=50;noise=ti;signal=source(n,N);transmittedSignal=fskModu(signal,bitRate,f1,f2,N);signal1=

37、gussian(transmittedSignal,noise);configueSignal=demoFSK(signal1,bitRate,f1,f2,N);configueSignal;3、2PSKclose allclear alln=16;fc=1000000;bitRate=1000000;N=50;noise=10;signal=source(n,N);transmittedSignal=bpskModu(signal,bitRate,fc,N);signal1=gussian(transmittedSignal,noise);configueSignal=demoBPSK(si

38、gnal1,bitRate,fc,n,N);附錄2 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真1、MASK調(diào)制% 多進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制 MASK% 本例 M=4N=20;f=2;t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;for i=1:N/2                       %M=4，設(shè)置4種取值情況    temp=rand;&

39、#160;   if(temp<0.25)        ak(i)=0;bk(i)=0;    elseif(temp<0.5)        ak(i)=0;bk(i)=1;    elseif(temp<0.75)       

40、0;ak(i)=1;bk(i)=1;    else        ak(i)=1;bk(i)=0;    endendfor i=1:N/2                       %根據(jù)4種取值情況 進(jìn)

41、去對(duì)應(yīng)取值    if(ak(i)=0)&(bk(i)=0)        m=zeros(1,100);    elseif(ak(i)=0)&(bk(i)=1)        m=ones(1,100);    elseif(ak(i)=1)&(bk(i)=0)  

42、60;     m=2*ones(1,100);    else        m=3*ones(1,100);    end    c=sin(f*t);    m1=m1 m;    c1=c1 c;endask=c1.*m1;subplot(211); 

43、     %繪制圖形plot(m1)title('隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)');axis(0 50*N -0.1 4);subplot(212);plot(ask)title('4ASK信號(hào)');axis(0 50*N -4 4);2、MFSK調(diào)制% 多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制 MFSK% 本例 M=4N=20; f1=1; f2=2; f3=3; f4=4;t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;b1=;for i=1:N/2      %根據(jù)4FSK 取4

44、種不同情況    temp=rand;    if(temp<0.25)        ak(i)=0;bk(i)=0;    elseif(temp<0.5)        ak(i)=0;bk(i)=1;    elseif(temp<0.75) 

45、       ak(i)=1;bk(i)=1;    else        ak(i)=1;bk(i)=0;    endendfor i=1:N/2      %對(duì)應(yīng)4種情況分別取值為0、1、2、3    if(ak(i)=0)&(bk(i)=0) 

46、;       m=ones(1,100);        c=sin(f1*t);        b=zeros(1,100);    elseif(ak(i)=0)&(bk(i)=1)        m=ones(1,100); 

47、;       c=sin(f2*t);        b=ones(1,100);    elseif(ak(i)=1)&(bk(i)=0)        m=ones(1,100);        c=sin(f3*t); &#

48、160;      b=2*ones(1,100);    else        m=ones(1,100);        c=sin(f4*t);        b=3*ones(1,100);    end

49、60;   m1=m1 m;    c1=c1 c;    b1=b1 b;endfsk=c1.*m1;subplot(211);       %繪制波形plot(b1)title('隨機(jī)產(chǎn)生4進(jìn)制數(shù)字序列');axis(0 50*N -0.1 4);subplot(212);plot(fsk)title('4FSK信號(hào)');axis(0 50*N -1.1 1.1);3、MPSKfu

50、nction mdpsk()sim('m_dpsk');t1=ScopeData(:,1);y1=ScopeData(:,2);t2=ScopeData1(:,1);y2=ScopeData1(:,2);t3=ScopeData2(:,1);y3=ScopeData2(:,2);t4=ScopeData3(:,1);y4=ScopeData3(:,2);subplot(4,2,1);stairs(t1,y1),axis(0 20 -1/2 8),grid;xlabel('源信號(hào)')subplot(4,2,3);plot(t2,y2),grid;xlabel(&#

51、39;調(diào)制后的波形')subplot(4,2,5);plot(t3,y3),grid;xlabel('經(jīng)過(guò)高斯信道后的波形')subplot(4,2,7);stairs(t4,y4),axis(0 20 -1/2 8),grid;xlabel('相干解調(diào)后的波形')n1=1024;f1=(-n1/2:1:n1/2-1);s=fft(y1,n1);subplot(4,2,2);plot(f1,abs(fftshift(s),%axis(-30 30 0 7)xlabel('源信號(hào)頻譜')n2=1024;f2=(-n2/2:1:n2/2-1)

52、;s=fft(y2,n2);subplot(4,2,4);plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel('調(diào)制后的頻譜')f2=(-n2/2:1:n2/2-1);s=fft(y3,n2);subplot(4,2,6);plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel('經(jīng)過(guò)高斯信道后的頻譜')f2=(-n1/2:1:n1/2-1);s=fft(y4,n1);subplot(4,2,8);plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-40

53、0 400 0 300)xlabel('解調(diào)后的頻譜')附錄3 誤碼分析P=CheckRatePe(signal,configueSignal,n)fpefsk=fpefsk,P;endfigure(8);semilogy(startn:length(fpefsk)+startn-1,fpefsk);grid on;title('Bit Error Rate Of FSK');xlabel('r/dB');ylabel('PeFSK');load PeRatesave PeRate.mat fpefsk fpeaskN = 2*1

54、05;% 2PSK誤碼率計(jì)算M = 2;thetaMpsk = 0:M-1*2*pi/M; Es_N0_dB = 0:25; ipPhaseHat = zeros(1,N);for ii = 1:length(Es_N0_dB) ipPhase = randsrc(1,N,thetaMpsk); ip = exp(j*ipPhase); s = ip; n = 1/sqrt(2)*randn(1,N) + j*randn(1,N); y = s + 10(-Es_N0_dB(ii)/20)*n; opPhase = angle(y); opPhase(find(opPhase<0) =

55、opPhase(find(opPhase<0) + 2*pi; ipPhaseHat = 2*pi/M*round(opPhase/(2*pi/M) ; ipPhaseHat(find(ipPhaseHat=2*pi) = 0; nErr(ii) = size(find(ipPhase- ipPhaseHat),2); end simBer = nErr/N;theoryBer2 = erfc(sqrt(10.(Es_N0_dB/10)*sin(pi/M);figuresemilogy(Es_N0_dB,theoryBer2,'bs-','LineWidth

56、9;,2);hold on N = 2*105; % 4PSK誤碼率計(jì)算M = 4;thetaMpsk = 0:M-1*2*pi/M; Es_N0_dB = 0:25; ipPhaseHat = zeros(1,N);for ii = 1:length(Es_N0_dB) ipPhase = randsrc(1,N,thetaMpsk); ip = exp(j*ipPhase); s = ip; n = 1/sqrt(2)*randn(1,N) + j*randn(1,N); y = s + 10(-Es_N0_dB(ii)/20)*n; opPhase = angle(y); opPhase

57、(find(opPhase<0) = opPhase(find(opPhase<0) + 2*pi; ipPhaseHat = 2*pi/M*round(opPhase/(2*pi/M) ; ipPhaseHat(find(ipPhaseHat=2*pi) = 0; nErr(ii) = size(find(ipPhase- ipPhaseHat),2); end simBer = nErr/N;theoryBer4 = erfc(sqrt(10.(Es_N0_dB/10)*sin(pi/M); semilogy(Es_N0_dB,theoryBer4,'bs-',

58、'LineWidth',2);hold on N = 2*105; % 16PSK誤碼率計(jì)算M = 16;thetaMpsk = 0:M-1*2*pi/M; Es_N0_dB = 0:25; ipPhaseHat = zeros(1,N);for ii = 1:length(Es_N0_dB) ipPhase = randsrc(1,N,thetaMpsk); ip = exp(j*ipPhase); s = ip; n = 1/sqrt(2)*randn(1,N) + j*randn(1,N); y = s + 10(-Es_N0_dB(ii)/20)*n; opPhase

59、= angle(y); opPhase(find(opPhase<0) = opPhase(find(opPhase<0) + 2*pi; ipPhaseHat = 2*pi/M*round(opPhase/(2*pi/M) ; ipPhaseHat(find(ipPhaseHat=2*pi) = 0; nErr(ii) = size(find(ipPhase- ipPhaseHat),2); end simBer = nErr/N;theoryBer16 = erfc(sqrt(10.(Es_N0_dB/10)*sin(pi/M); semilogy(Es_N0_dB,theor

60、yBer16,'bs-','LineWidth',2);hold onN = 2*105; % 8PSK誤碼率計(jì)算M = 8;thetaMpsk = 0:M-1*2*pi/M; Es_N0_dB = 0:25; ipPhaseHat = zeros(1,N);for ii = 1:length(Es_N0_dB) ipPhase = randsrc(1,N,thetaMpsk); ip = exp(j*ipPhase); s = ip; n = 1/sqrt(2)*randn(1,N) + j*randn(1,N); y = s + 10(-Es_N0_dB(ii)/20)*n; opPhase = angle(y); opPhase(find(opPhase<0) = opPhase(find(opPhase<0) + 2*pi; ipPhaseHat = 2*pi/M*round(opPha