基于MATLAB的二二進制數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制(包括2ask-2fsk-2psk-2dpsk)

1、基于MATLAB的三種二進制數(shù)字調(diào)制仿真基于MATLAB實現(xiàn)三種二進制數(shù)字調(diào)制ASK、FSK、PSK課 程現(xiàn)代通信技術(shù)任課老師 學生姓名 學 號 專 業(yè) 電子信息科學與技術(shù) 聯(lián)系方式 二零一七年十二月目錄一、實驗要求4二、實驗儀器4三、實驗原理4實驗一 二進制幅度鍵控（2ASK）5一、2ASK信號的調(diào)制5（1）2ASK定義5（2）2ASK調(diào)制原理5（3）2ASK信號的解調(diào)6二、MATLAB編程實現(xiàn)仿真7實驗二 二進制頻移鍵控（2FSK）10一、2FSK調(diào)制原理101、2FSK定義102、典型波形圖103、2FSK調(diào)制114、2FSK解調(diào)原理112FSK解調(diào)原理11二、 MATLAB編程實現(xiàn)仿真

2、12（1）生成序列13（2）時域波形13（3）三者頻譜圖14實驗三 二進制相移鍵控（2PSK）15一、PSK調(diào)制解調(diào)原理15（1）2PSK定義15（2）2PSK調(diào)制15（3）2PSK解調(diào)16（4）2PSK解調(diào)時域波形16二、MATLAB編程實現(xiàn)仿真16實驗四 用simulink實現(xiàn)2ASK/2FSK/2PSK的仿真20一、2ASK的仿真20二、2ASK仿真實驗結(jié)果及分析211、 2ASK調(diào)制前和調(diào)制后的信號對比212、解調(diào)過程223、2ASK調(diào)制前、解調(diào)后和零階保持后的編碼數(shù)據(jù)22三、2FSK的simulimk仿真23四、2FSK的仿真分析23（1）基帶數(shù)字信號和載波23（2）調(diào)制與解調(diào)24五

3、、2PSK的simulink仿真25六、2PSK仿真結(jié)果分析25（1）基帶信號及載波25（2）調(diào)制與解調(diào)26一、實驗要求使用matlab軟件仿真實現(xiàn)三種二進制數(shù)字調(diào)制ASK、FSK、PSK，滿足下列要求：1.使用隨機序列產(chǎn)生10位二進制基帶信號an，顯示基帶信號的時域波形及頻譜。2.載波頻率設(shè)為基帶信號速率的2倍，產(chǎn)生三種調(diào)制信號（FSK另一個頻率設(shè)為4倍基帶信號速率）并顯示時域波形和頻譜。3.分析比較基帶信號和三種已調(diào)信號的帶寬。二、實驗儀器1. PC機一臺（系統(tǒng)：Windows 7 X64）；2. MATLAB2016a仿真軟件。三、實驗原理二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理及實現(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng), 按

4、調(diào)制方式可以分為基帶傳輸和帶通傳輸。數(shù)字基帶信號的功率一般處于從零開始到某一頻率（如06M）低頻段，因而在很多實際的通信（如無線信道）中就不能直接進行傳輸，需要借助載波調(diào)制進行頻譜搬移，將數(shù)字基帶信號變換成適合信道傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號進行傳輸，這種傳輸方式，稱為數(shù)字信號的頻帶傳輸或調(diào)制傳輸、載波傳輸。所謂調(diào)制，是用基帶信號對載波波形的某參量進行控制，使該參量隨基帶信號的規(guī)律變化從而攜帶消息。對數(shù)字信號進行調(diào)制可以便于信號的傳輸；實現(xiàn)信道復(fù)用；改變信號占據(jù)的帶寬；改善系統(tǒng)的性能。數(shù)字基帶通信系統(tǒng)中四種基本的調(diào)制方式分別稱為振幅鍵控（ASK，Amplitude-Shift keying）、移頻鍵控（

5、 FSK，F(xiàn)requency-Shift keying）、移相鍵控(PSK，Phase-Shift keying )和差分移相鍵（DPSK，Different Phase-Shift keying）。本次課程設(shè)計對前三種調(diào)制方式進行了仿真。實驗一 二進制幅度鍵控（2ASK）一、2ASK信號的調(diào)制（1）2ASK定義幅移鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。在2ASK中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)二進制信息“0”或“1”。二進制振幅鍵控的表達式為：st=Atcos0+, 0<tT.式中，w0=2f0為載波的角頻率；A(t)是隨基帶調(diào)制信號變化的時變振幅

6、，即At=A1 ,當發(fā)送“1”時A2,當發(fā)送“0”時（2）2ASK調(diào)制原理典型波形如圖所示：2ASK信號的產(chǎn)生方法通常有兩種：相乘法和鍵控法，相應(yīng)的調(diào)制器如圖：相乘法：由2ASK信號的表達式可知2ASK信號是調(diào)制信號和載波信號的乘積，因此與一般的模擬幅度調(diào)制方法類似，可用相乘法產(chǎn)生2ASK信號，如圖2（a）所示。鍵控法：由2ASK信號的波形圖可以看出2ASK信號是用載波信號的有無來表示的，因此可用開關(guān)電路來控制載波的通斷來產(chǎn)生2ASK信號，如圖2（b）所示，這里的開關(guān)電路受控制。（3）2ASK信號的解調(diào)在接收端，2ASK有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）相干解調(diào)（同步檢測法）非相干

7、解調(diào)方式（a）相干解調(diào)方式（b）相干解調(diào)法相干解調(diào)也叫同步解調(diào)，就是利用相干波和接收到的2ASK信號相乘分離出包含原始信號的低頻信號，再進行抽樣判決恢復(fù)數(shù)字序列。相干波必須是與發(fā)送端同頻同相的正弦信號：Z（t）=y(t)cos()=m(t)cos2()=m(t)1+cos()=m(t)+m(t)cos().式中1/2m(t)是基帶信號，1/2m(t)cos(2)是頻率為2的高頻信號，利用低通濾波器可檢測出基帶信號，再經(jīng)過抽樣判決，即可恢復(fù)出原始數(shù)字信號序列an,2ASK信號帶寬為碼元速率的2倍，即：B2ASK=2Rb.式中Rb為信息速率。相干解調(diào)的原理圖如下：非相干解調(diào)2ASK信號與模擬調(diào)制中

8、的AM信號類似。所以,對2ASK信號也能夠采用非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)。在本次仿真中，由于2ASK相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)，所以選取相干解調(diào)方式。二、MATLAB編程實現(xiàn)仿真采用matlab編程實現(xiàn)2ASK調(diào)制，用隨機函數(shù)生成10位二進制基帶信號，同時生成3Hz的載波，用相乘得出2ASK信號，使用傅里葉變換分析基帶信號、載波信號和2ASK信號的頻譜，得出結(jié)論。程序如下：N=10;x=;%調(diào)制信號生成a=(randint(1,10,2); for i=1:Nif a(i)=1x(i*80-79:i*80)=ones(1,80);elsex(i*80-79:i*80)=zeros(1,80)

9、;endendfigure(1);subplot(3,1,1)plot(x);title('調(diào)制信號');axis(0 800 -2 2);%載波信號t=0.0125:0.0125:N;carry=cos(2*pi*3*t);subplot(3,1,2)plot(carry);title('載波');axis(0 800 -2 2);%調(diào)制生成2ASK信號st=x.*carry;subplot(3,1,3)plot(st);title('2ASK信號');axis(0 800 -1.5 1.5);%頻譜分析m=length(st);T=t(end

10、);df=1/T;f=(-m/2:m/2-1)*df;xf=fftshift(abs(fft(x);figure(2);subplot(3,1,1);plot(f,xf);title('調(diào)制信號頻譜');cf=abs(fft(carry);subplot(3,1,2);plot(f,cf);title('載波信號頻譜');st1=fftshift(abs(fft(st);sf=fftshift(st1);subplot(3,1,3);plot(f,sf);title('2ASK信號頻譜');有如下實驗結(jié)果：（1）生成序列為：0 1 1 1 1 0

11、 0 1 0 0（2）調(diào)制信號、載波和已調(diào)信號時域波形如下：（3）三者頻譜圖如下：波形分析：由基帶信號和已調(diào)信號對比可知，一個碼元間隔Tb內(nèi)，有兩個正弦波形，即載波頻率是碼元速率的兩倍；隨機信號時域波形上升下降沿會稍有陡峭，說明產(chǎn)生基帶信號an的方法還需再優(yōu)化；由頻譜分析可知，基帶信號位于低頻附近，而ASK讓基帶頻譜搬移到載波頻率處。若基帶信號的帶寬為B，則ASK信號的帶寬應(yīng)為；實驗二 二進制頻移鍵控（2FSK）一、2FSK調(diào)制原理1、2FSK定義載波的幅度不變，頻率隨an在兩個頻率中變化，用兩個不同的頻率攜帶傳遞二進制數(shù)字信息，當發(fā)送“1 ”時對應(yīng)于某個載波頻率c1發(fā)送 “0”時對應(yīng)于另 個

12、載頻 c0 我們把這種調(diào)制方式稱之為二進制頻移鍵控（2FSK）。當二進制數(shù)字信息序列是具有邏輯電平1和0的單極性不歸零碼時，二進制頻移鍵控信號可以看成是兩個不同載頻的二進制幅度鍵控信號之和，所以，二進制頻移鍵控信號的時域表達式為：一個FSK信號可以看成是兩個不同載波的2ASK信號的疊加。其解調(diào)和解調(diào)方法和ASK差不多。2FSK信號的頻譜可以看成是f1和f2的兩個2ASK頻譜的組合。頻移鍵控是利用載波的頻率來傳遞數(shù)字信號，在2FSK中，載波的頻率隨著二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化，頻移鍵控是利用載波的頻移變化來傳遞數(shù)字信息的。在2FSK中，載波的頻率隨基帶信號在f1和f2兩個頻率點間

13、變化。故其表達式為：2、典型波形圖圖 2FSK典型波形圖3、2FSK調(diào)制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)計采用鍵控法。鍵控法中可以用二進制“1”來對應(yīng)于載頻f1，而“0”用來對應(yīng)于另一頻率f2，而這個可以用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立的頻率源f1、f2進行選擇通。二者原理圖如圖所示：2FSK調(diào)制原理圖4、2FSK解調(diào)原理2FSK信號的常用解調(diào)方法是相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）和相干解調(diào)解調(diào)。原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別解調(diào)，然后進行判決。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小，可以不專門設(shè)置門限判決規(guī)則。但應(yīng)與調(diào)制規(guī)則相呼應(yīng)，調(diào)制時若規(guī)

14、定“1”符號對應(yīng)載波頻率f1，則接收時上支路的樣值較大，應(yīng)判為“1”；反之則判為“0”，即擇大判決。圖 2FSK解調(diào)原理2、 MATLAB編程實現(xiàn)仿真用randint函數(shù)生成10個隨機數(shù)，形成基帶數(shù)字信號an。由于一個FSK信號可以看成是兩個不同載波的2ASK信號的疊加，故可利用：生成已調(diào)信號，再通過傅里葉變換得到頻譜，分析數(shù)據(jù)。N=10;x=;%調(diào)制信號生成a=(randint(1,10,2); for i=1:Nif a(i)=1x(i*80-79:i*80)=ones(1,80);elsex(i*80-79:i*80)=zeros(1,80);endendfigure(1)subplot

15、(4,1,1)plot(x);title('調(diào)制信號');axis(0 800 -2 2);%載波信號t=0.0125:0.0125:N;ca1=sin(2*pi*2*t);ca2=sin(2*pi*4*t);subplot(4,1,2)plot(ca1);title('載波1');axis(0 800 -2 2);subplot(4,1,3)plot(ca2);title('載波2');axis(0 800 -2 2);%調(diào)制生成2ASK信號x1=x;fsk=x.*ca1+x1.*ca2;subplot(4,1,4)plot(fsk);titl

16、e('2FSK信號');axis(0 800 -1.5 1.5);%頻譜分析m=length(fsk);T=t(end);df=1/T;f=(-m/2:m/2-1)*df;xf=fftshift(abs(fft(x);figure(2);subplot(4,1,1);plot(f,xf);title('調(diào)制信號頻譜');cf1=abs(fft(ca1);subplot(4,1,2);plot(f,cf1);title('載波1信號頻譜');cf2=abs(fft(ca2);subplot(4,1,3);plot(f,cf2);title('

17、;載波2信號頻譜');st1=fftshift(abs(fft(fsk);sf=fftshift(st1);subplot(4,1,4);plot(f,sf);title('2FSK信號頻譜');有如下實驗結(jié)果：（1）生成序列為： 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0（2）調(diào)制信號、載波1信號、載波2信號和2FSK信號時域波形如下：（3）三者頻譜圖如下：波形分析：由基帶信號和已調(diào)信號對比可知：時，一個碼元間隔Tb內(nèi)有兩個正弦波形，即載波頻率是碼元速率的兩倍，為；時，Tb內(nèi)有四個正弦波形，即載波頻率是碼元速率的四倍，為；可知，2FSK滿足兩載波頻率為：由頻譜分析可知，基

18、帶信號位于低頻附近，而FSK讓基帶頻譜搬移到載波頻率處。若基帶信號的帶寬為B，則2FSK信號的帶寬應(yīng)為；實驗三二進制相移鍵控（2PSK）一、PSK調(diào)制解調(diào)原理（1）2PSK定義當Am(t)=1，載波的幅度不變，瞬時相位偏移m(t)隨數(shù)字信息序列m(t)而變化，則稱為數(shù)字調(diào)相或相移鍵控，其時域表達式可一般地表示為：（2）2PSK調(diào)制在二進制數(shù)字調(diào)制中，當正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化時，則產(chǎn)生二進制移相鍵控(2PSK)信號。2PSK信號調(diào)制有兩種方法，即模擬調(diào)制法和鍵控法。通常用已調(diào)信號載波的 0°和 180°分別表示二進制數(shù)字基帶信號的 1 和 0，模擬調(diào)制法用

19、兩個反相的載波信號進行調(diào)制。2PSK以載波的相位變化作為參考基準的，當基帶信號為0時相位相對于初始相位為0°，當基帶信號為1時相對于初始相位為180°。鍵控法，是用未調(diào)載波的相位來攜帶二進制信息的調(diào)制方式。通常用0°和180°來分別代表0和1。其時域表達式為：其中，2PSK的調(diào)制中an必須為雙極性碼。兩種方法原理圖分別如圖2-18和圖2-19所示。圖 模擬調(diào)制法原理圖圖 鍵控法原理圖（3）2PSK解調(diào)2PSK信號的解調(diào)通常不能采用非相干解調(diào)方法，只能采用相干解調(diào)法，解調(diào)器原理框圖如下：2PSK信號相干解調(diào)各點波形如圖所示。圖中假設(shè)想干載波的基準相位與2P

20、SK信號的調(diào)制載波的基準相位一致。但是，由于在2PSK信號的載波恢復(fù)過程中存在180°的相位模糊，也就是當恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180°倒相時，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號全部出錯。這種現(xiàn)象通常稱為“倒”現(xiàn)象。由于在2PSK信號的載波恢復(fù)過程中存在著180°的相位模糊，所以2PSK信號的相干解調(diào)存在隨機的“倒”現(xiàn)象，從而使得2PSK方式在實際中很少采用。（4）2PSK解調(diào)時域波形圖 2PSK信號相干解調(diào)時域波形二、MATLAB編程實現(xiàn)仿真采用matlab編程實現(xiàn)2PSK調(diào)制，用隨機函數(shù)生成10位二進制基帶信號，同時生成載

21、波1和載波2（和載波1有的相差），用相乘之和得出2PSK信號，使用傅里葉變換分析基帶信號、載波信號和2ASK信號的頻譜，得出結(jié)論。N=10;x=;%調(diào)制信號生成a=(randint(1,10,2); for i=1:Nif a(i)=1x(i*80-79:i*80)=ones(1,80);elsex(i*80-79:i*80)=zeros(1,80);endendfigure(1)subplot(4,1,1)plot(x);title('調(diào)制信號');axis(0 800 -2 2);%載波信號t=0.0125:0.0125:N;ca1=sin(2*pi*2*t);ca2=si

22、n(2*pi*2*t+pi);subplot(4,1,2)plot(ca1);title('載波1');axis(0 800 -2 2);subplot(4,1,3)plot(ca2);title('載波2');axis(0 800 -2 2);%調(diào)制生成2ASK信號x1=x;psk=x.*ca1+x1.*ca2;subplot(4,1,4)plot(psk);title('2PSK信號');axis(0 800 -1.5 1.5);%頻譜分析m=length(psk);T=t(end);df=1/T;f=(-m/2:m/2-1)*df;xf=f

23、ftshift(abs(fft(x);figure(2);subplot(4,1,1);plot(f,xf);title('調(diào)制信號頻譜');cf1=abs(fft(ca1);subplot(4,1,2);plot(f,cf1);title('載波信號0相位頻譜');cf2=abs(fft(ca2);subplot(4,1,3);plot(f,cf2);title('載波信號1相位頻譜');st1=fftshift(abs(fft(psk);sf=fftshift(st1);subplot(4,1,4);plot(f,sf);title('2PSK信號頻譜');有如下實驗結(jié)果：（1）生成序列為：1 1 1 0 0 1 1 1 0 1（2）調(diào)制信號、載波1信號、載波2信號和2FSK信號時域波形如下