無線通信系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制的Simulink仿真ASK-PSK-FSK-QPSK-QAM

1、編號(hào):審定成績(jī):重慶郵電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文設(shè)計(jì)(論文題目:無線通信系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制的Simulink仿真學(xué)院名稱:通信與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名:李海廣專業(yè):電子信息工程班級(jí):0120902學(xué)號(hào):2009210364指導(dǎo)教師:張?zhí)祢U答辯組負(fù)責(zé)人:劉喬壽填表時(shí)間:2013年6月重慶郵電大學(xué)教務(wù)處制摘要在當(dāng)今新技術(shù)革命的快速推動(dòng)下,在信息高速公路建設(shè)和全球網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展浪潮的推動(dòng)下,通信技術(shù)得到迅猛發(fā)展,載波通信、衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信技術(shù)正在向數(shù)字化、智能化、寬帶化發(fā)展。信息的數(shù)字轉(zhuǎn)換處理技術(shù)走向成熟,為大規(guī)模、多領(lǐng)域的信息產(chǎn)品制造和信息服務(wù)創(chuàng)造了條件。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,通信系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)也會(huì)越來越復(fù)雜,利用

2、計(jì)算機(jī)軟件的仿真,可以大大地降低通信過程中的實(shí)驗(yàn)成本。幸運(yùn)地是,MathWorks公司推出的MATLAB產(chǎn)品給無線通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件仿真提供了軟件資源,MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory的簡(jiǎn)稱,除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外,它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。Simulink就是MATLAB軟件下的一個(gè)仿真工具,是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的MATLAB軟件包,它支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng),同時(shí)它也支持具有不同采樣率的仿真系統(tǒng)。本文詳細(xì)分析了2ASK、2FSK、2PSK、QPSK、OQPSK、MSK、1

3、6QAM以及64QAM信號(hào)的調(diào)制解調(diào)原理,并用Matlab軟件的Simulink仿真工具對(duì)以上各信號(hào)的調(diào)制解調(diào)方法進(jìn)行了仿真,得出了調(diào)制解調(diào)過程中各階段的波形圖,從而更加深入地理解了各種調(diào)制解調(diào)方法的原理?！娟P(guān)鍵詞】無線通信系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制數(shù)字解調(diào)Simulink仿真ABSTRACTDriven by the high-speed revolution of new technology, the information highway construction and global network development, communication technology has rapidly

4、 developed. Carrier communication, satellite communications and mobile communication technology are also developed in digital, intelligent, broadband way. The technology of information digital conversion became mature which can create a better circumstance for information products manufacturing an i

5、nformation service.As the development of the communication technology, communication system design also will be more and more complicated, the use of computer software of the simulation, can greatly reduce the cost in the process of communication. Fortunately, the product produced by the company of

6、MathWorks provides the software resource for the computer simulation of wireless communication system, MATLAB is the abbreviation of Matrix Laboratory, except for its excellent ability of numerical c alculatio n, it also provides the functions of professional symbolic computation, visual modeling an

7、d simulation, real-time control and so on. Simulink is a simulation tool of the software MATLAB, it is a software package to modeling, simulate and analysis the dynamical system, it supports continuous system, discrete system or the mix of the two, the system can be linear or nonlinear. At the same

8、time, it also supports the simulation system with different sampling frequency.This text analyses the modulation and demodulation of 2ASK signal, 2FSK signal, 2PSK signal, QPSK signal, OQPSK signal, MSK signal, 16QAM signal and 64QAM signal in detail, and use Simulink to simulate the modulation and

9、demodulation principle of various signal, then obtain the oscillograms of different stage in modulation and demodulation, thus we can understand the principle of different modulation and demodulation ways deeply.【Key words】wireless communication digital modulation digital demodulation Simulink simul

10、ation目錄前言 (1第一章 MATLAB及Simulink簡(jiǎn)介 (2第一節(jié)MATLAB的發(fā)展歷史 (2第二節(jié)Simulink簡(jiǎn)介 (2第三節(jié)本章小結(jié) (3第二章 2ASK信號(hào)的仿真 (4第一節(jié)2ASK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理 (4一、2ASK信號(hào)的時(shí)域表達(dá) (4二、2ASK信號(hào)的調(diào)制方法 (5三、2ASK信號(hào)的非相干解調(diào) (5四、2ASK信號(hào)的相干解調(diào) (6第二節(jié) 2ASK信號(hào)的Simulink仿真 (7一、仿真模型圖 (7二、調(diào)制的仿真 (7三、解調(diào)的仿真 (9第三節(jié)本章小結(jié) (12第三章 2FSK信號(hào)的仿真 (13第一節(jié) 2FSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理 (13一、2FSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá) (1

11、3二、2FSK信號(hào)的調(diào)制方法 (13三、2FSK信號(hào)的非相干解調(diào) (14四、2FSK信號(hào)的相干解調(diào) (15第二節(jié) 2FSK信號(hào)的Simulink仿真 (15一、仿真模型圖 (15二、調(diào)制的仿真 (16三、解調(diào)的仿真 (21第三節(jié)本章小結(jié) (24第四章 2PSK信號(hào)的仿真 (25第一節(jié) 2PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理 (25一、2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá) (25二、2PSK信號(hào)的調(diào)制方法 (26三、2PSK信號(hào)的解調(diào)方法 (26第二節(jié) 2PSK信號(hào)的Simulink仿真 (27一、仿真模型圖 (27二、調(diào)制的仿真 (28三、解調(diào)的仿真 (31第三節(jié)本章小結(jié) (33第五章 QPSK信號(hào)的仿真 (34第一

12、節(jié) QPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理 (34一、多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 (34二、QPSK信號(hào)的調(diào)制方法 (34三、QPSK信號(hào)的解調(diào)原理 (36第二節(jié) QPSK信號(hào)的Simulink仿真 (36一、仿真模型圖 (36二、調(diào)制的仿真 (37三、解調(diào)的仿真 (40第三節(jié)本章小結(jié) (45第六章 OQPSK信號(hào)的仿真 (46第一節(jié) OQPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理 (46一、OQPSK信號(hào)的分析 (46二、OQPSK信號(hào)的調(diào)制方法 (47三、OQPSK信號(hào)的解調(diào)原理 (47第二節(jié) OQPSK信號(hào)的Simulink仿真 (47一、仿真模型圖 (47二、調(diào)制的仿真 (48三、解調(diào)的仿真 (50第三節(jié)本章小結(jié)

13、(54第七章 MSK信號(hào)的仿真 (55第一節(jié) MSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理 (55一、MSK信號(hào)簡(jiǎn)介 (55二、MSK信號(hào)的相位連續(xù)性 (56三、MSK信號(hào)的調(diào)制方法 (58四、MSK信號(hào)的解調(diào)原理 (59第二節(jié) MSK信號(hào)的Simulink仿真 (59一、仿真模型圖 (60二、調(diào)制的仿真 (61三、解調(diào)的仿真 (64第三節(jié)本章小結(jié) (67第八章 QAM信號(hào)的仿真 (68第一節(jié) QAM信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理 (68一、QAM信號(hào)的時(shí)域表達(dá) (68二、QAM信號(hào)的矢量圖 (68三、QAM信號(hào)的調(diào)制方法 (69四、QAM信號(hào)的解調(diào)原理 (70第二節(jié) 16QAM信號(hào)的Simulink仿真 (70一、仿真

14、模型圖 (70二、調(diào)制的仿真 (72三、解調(diào)的仿真 (76第三節(jié) 64QAM信號(hào)的Simulink仿真 (83一、仿真模型圖 (83二、調(diào)制的仿真 (85三、解調(diào)的仿真 (88第四節(jié)本章小結(jié) (95結(jié)論 (96致謝 (97參考文獻(xiàn) (98附錄 (99一、英文原文 (99二、英文翻譯 (104三、源程序 (109前言在過去的幾十年里無線通信已經(jīng)成為電信行業(yè)中最大的產(chǎn)業(yè)之一,并逐漸成為21世紀(jì)最有前途的產(chǎn)業(yè)。在過去的十年中,蜂窩系統(tǒng)經(jīng)歷了指數(shù)型的快速增長(zhǎng),全球用戶數(shù)已經(jīng)到達(dá)20億,無線通信爆炸式的增長(zhǎng)以及筆記本電腦、平板電腦和智能手機(jī)的大量普及,充分顯示無線通信系統(tǒng)有著光明的前景。第一代無線通信系

15、統(tǒng)采用頻分多址技術(shù),這些系統(tǒng)中,話務(wù)是主要的通信方式,由于采用模擬調(diào)制,這些系統(tǒng)容易被第三方竊聽,而且數(shù)據(jù)傳輸速率極低。由于第一代無線通信系統(tǒng)不能滿足當(dāng)今大城市的通信容量需求,從2G開始,采用數(shù)字調(diào)制的無線通信系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生,它可以極大地提高通信系統(tǒng)的容量和性能,本文闡述了8種最常見的數(shù)字調(diào)制技術(shù)的原理,它們分別是2ASK、2FSK、2PSK、QPSK、OQPSK、MSK、16QAM和64QAM,它們均使用了高頻載波,這樣的已調(diào)信號(hào)頻帶利用率高,信噪比高,易于加密和解密,因此,在當(dāng)今的信息時(shí)代里獲得了廣泛地應(yīng)用。由于采用實(shí)際的通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字調(diào)制技術(shù)的研究和試驗(yàn)花費(fèi)較高,耗時(shí)耗財(cái),因此我們采用

16、無線通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù), MATLAB軟件里自帶的Simulink仿真工具便是一個(gè)很好的無線通信系統(tǒng)仿真軟件, Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具,是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境,是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包,被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模,它也支持多速率系統(tǒng),也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型,Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI ,這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成,它

17、提供了一種更快捷、直接明了的方式,而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。第一章 MATLAB及Simulink簡(jiǎn)介第一節(jié) MATLAB的發(fā)展歷史美國(guó)MathWorks公司于1967年推出了矩陣實(shí)驗(yàn)室“Matrix Laboratory”,這就是MATLAB最早的雛形。開發(fā)的最早目的是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更方便的授課和學(xué)習(xí)。從MATLAB誕生開始,由于其高度的集成性及應(yīng)用的方便性,在高校中受到了極大地歡迎。由于它使用方便,能很快的實(shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想,極大地節(jié)約了科研人員的時(shí)間,受到了大多數(shù)科研人員的支持。MATLAB是一種解釋性執(zhí)行語(yǔ)言,具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡(jiǎn)單,擴(kuò)充方便,

18、尤其是世界上有成千上萬的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴(kuò)充MATLAB的功能,使其成了巨大的知識(shí)寶庫(kù)?？蒲腥藛T通常可以通過MATLAB來學(xué)習(xí)某個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)知識(shí),這就是MATLAB真正在全世界推廣開來的原因。MATLAB和其他的高級(jí)語(yǔ)言也具有良好的接口,可以方便的實(shí)現(xiàn)與其他語(yǔ)言的混合編程,進(jìn)一步拓寬了MATLAB的應(yīng)用潛力。可以說,MATLAB已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一,掌握這門工具對(duì)學(xué)習(xí)各門學(xué)科有非常重要的推進(jìn)作用。第二節(jié) Simulink簡(jiǎn)介Simulink是MATLAB中的一種可視化工具,也是目前在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一。確切的說,Simul

19、ink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)間模型,或者是兩者的混合。系統(tǒng)可以是多種采樣頻率的系統(tǒng),而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。Simulink工作環(huán)境經(jīng)過幾年的發(fā)展,已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來建模和仿真的主流工具包,它為用戶提供了進(jìn)行建模的圖形接口,采用這種結(jié)構(gòu)畫流程圖就如同用手在紙上畫模型一樣方便,所以用戶只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊和拖動(dòng)就能完成建模,并進(jìn)行系統(tǒng)的仿真,快速地得到仿真結(jié)果。它的主要特點(diǎn)在于:1、建模方便、快捷;2、易于進(jìn)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相比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulin

20、k模塊庫(kù)包含有Sinks(輸出方式、Sources(輸入源、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(shù)運(yùn)算的Simulink庫(kù)模塊,而且每個(gè)子模塊庫(kù)中包含有相應(yīng)的功能模塊,用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有階梯結(jié)構(gòu),因此用戶可以采用從上到下和從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型用戶可以從最高級(jí)開始觀看模型,然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊,來查看其下一級(jí)的內(nèi)容,以此類推,從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié),幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后,用戶可以通過Sim

21、ulink的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便,而命令行方式對(duì)于運(yùn)行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其他的顯示模塊,可以在仿真運(yùn)行時(shí)立即觀看到仿真結(jié)果,若改變模塊的參數(shù)繼續(xù)運(yùn)行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果,這適用于因果關(guān)系的問題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB的工作空間里做后事處理。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(yīng)用工具箱都包含這些工具。由于MATLAB和Simulink集成在一起,所有用戶可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改模型,但是Simulink不能脫離MATLAB而獨(dú)

22、立工作。第三節(jié)本章小結(jié)MATLAB和Simulink在通信系統(tǒng)的仿真中具有極大的優(yōu)勢(shì),因此,本論文使用Simulink對(duì)無線通信系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行仿真,節(jié)約了大量的人力和財(cái)力,為在校大學(xué)生提供了研究無線通信系統(tǒng)的途徑。第二章 2ASK 信號(hào)的仿真第一節(jié) 2ASK 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理一、2ASK 信號(hào)的時(shí)域表達(dá)二進(jìn)制幅移鍵控(2ASK 是指高頻載波的幅度受調(diào)制信號(hào)的控制,而頻率和相位保持不變。也就是說,用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的“1”和“0”控制載波的通和斷,所以又稱通斷鍵控。假定載波信號(hào)(cos c c t t =,設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由0、1序列組成,發(fā)送0符號(hào)的概率為P ,發(fā)送1符號(hào)的概

23、率為1-P ,且相互獨(dú)立。該二進(jìn)制基帶符號(hào)序列可表示為(n s ns t a g t nT =- (2-1其中,s T 是二進(jìn)制基帶信號(hào)序列(碼元的時(shí)間間隔,(g t 是調(diào)制信號(hào)的脈沖表達(dá)式,為方便討論,這里設(shè)其為寬度為s T 的單極性矩形脈沖波形且幅度為1,即=1,0(0,其它t T s g t (2-2n a 是二進(jìn)制數(shù)字信號(hào),其取值服從下述關(guān)系=0,概率P 1,概率1-P n a (2-3由2ASK 的定義可得其表達(dá)式為 =-2ASK S (cos (cos c n s c nt s t t a g t nT t (2-4可見,2ASK 信號(hào)可以表示為一個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦型載

24、波相乘。一個(gè)典型的2ASK 信號(hào)的時(shí)間波形如圖2.1所示(圖中載波頻率在數(shù)值上是碼元速率的三倍。1011001S(t 載波信號(hào)2ASK信號(hào)ttt 圖2.1 2ASK 信號(hào)的時(shí)間波形二、2ASK 信號(hào)的調(diào)制方法2ASK 信號(hào)的產(chǎn)生有兩種方法,如圖2.2所示,圖(a 是通過二進(jìn)制基帶信號(hào)序列s(t與載波直接相乘而產(chǎn)生2ASK信號(hào)的模擬調(diào)制法;圖(b 是一種鍵控法,這里的電子開關(guān)受調(diào)制信號(hào)s(t的控制。 (a模擬調(diào)制法(b 鍵控法圖2.2 調(diào)制方法三、2ASK 信號(hào)的非相干解調(diào)2ASK 信號(hào)可以采用包絡(luò)檢波法解調(diào),圖2.3是2ASK 非相干解調(diào)的原理框圖和處理過程中各點(diǎn)的波形圖。 脈沖原理框圖信息代

25、碼 ab c d111101各點(diǎn)波形圖 圖2.3四、2ASK 信號(hào)的相干解調(diào) 脈沖原理框圖信息代碼 bc d e各點(diǎn)波形圖a 圖2.4 2ASK 相干解調(diào)原理圖第二節(jié)2ASK信號(hào)的Simulink仿真一、仿真模型圖2ASK信號(hào)的Simulink仿真模塊圖如圖2.5所示。 圖2.5 2ASK信號(hào)仿真模塊圖其中,仿真時(shí)的仿真步長(zhǎng)設(shè)置為固定步長(zhǎng)模式,且其值為0.001s。二、調(diào)制的仿真本文中2ASK信號(hào)的調(diào)制采用模擬調(diào)制法,信源為伯努利二進(jìn)制序列產(chǎn)生器,將其與正弦載波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦載波相乘,即得到2ASK已調(diào)信號(hào)。二者的參數(shù)設(shè)置分別如圖2.6和圖2.7所示。由參數(shù)設(shè)置可知,信源頻率為4Hz,即1秒

26、鐘信源產(chǎn)生4個(gè)比特,其中0和1產(chǎn)生的概率相等,均為50%。該二進(jìn)制序列為隨即序列,滿足隨機(jī)過程的基本特征,因此符合實(shí)際通信系統(tǒng)的條件,適合于通信系統(tǒng)的仿真。正弦載波的幅度為1,頻率為20Hz,但實(shí)際通信系統(tǒng)的載波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20Hz,在這里是為了便于觀察仿真結(jié)果,不采用過高頻率的載波。 圖2.6 圖2.7已調(diào)信號(hào)通過高斯白噪聲信道后,波形會(huì)發(fā)生畸變,還會(huì)產(chǎn)生碼間串?dāng)_,這些都會(huì)降低通信系統(tǒng)的性能,增加誤碼率。在該仿真方法中,使用眼圖示波器來觀察通過高斯信道前后的波形眼圖,觀測(cè)到的眼圖如圖2.8和圖2.9所示。 圖2.8 通過高斯信道前的眼圖 圖2.9 通過高斯信道后的眼圖三、解調(diào)的仿真本例中2A

27、SK信號(hào)的解調(diào)采用相干解調(diào)方式,通過高斯信道后的已調(diào)信號(hào)首先與載波相乘,為了保持解調(diào)器和調(diào)制器所用載波的同步,在這里解調(diào)器所需載波由調(diào)制時(shí)所用載波提供,這樣可以減少模塊的復(fù)雜度。但在實(shí)際的通信系統(tǒng)中,解調(diào)端載波是靠精確的時(shí)鐘來保持同步的。與載波相乘后,將信號(hào)通過低通濾波器來濾波,濾除高頻成分,從而得到可以進(jìn)行抽樣的信號(hào)成分。低通濾波器的參數(shù)設(shè)置如圖2.10所示。 圖2.10 低通濾波器參數(shù)設(shè)置通過低通濾波器后的波形是連續(xù)波形,這種波形的幅度攜帶著要傳輸?shù)男畔?通過抽樣判決器就可以恢復(fù)出這些信息,在抽樣判決器中設(shè)置一個(gè)合適的常數(shù)作為閥門,其參數(shù)設(shè)置如圖2.11所示。 圖2.11 判決器參數(shù)設(shè)置最

28、后將判決器輸出的信息輸入到示波器,使用圖2.12所示模塊計(jì)算誤碼率。 圖2.12 誤碼率計(jì)算模塊最終計(jì)算出的誤碼率如表2.1所示,為了使誤碼率的計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際的通信系統(tǒng),在計(jì)算誤碼率時(shí),增大了信源和載波的頻率,信源頻率設(shè)為50Hz ,載波頻率設(shè)為500Hz ,仿真時(shí)間為10s ,仿真步長(zhǎng)設(shè)為0.0001s ,所以共送入500個(gè)比特來計(jì)算誤碼率。表2.1 誤碼率隨信噪比的變化表 由表2.1所示的數(shù)據(jù)經(jīng)過描點(diǎn)繪圖得出2ASK 信號(hào)誤碼率隨信噪比的變化曲線如圖2.13所示。 圖2.13 2ASK 信號(hào)誤碼率隨信噪比的變化曲線由表2.1和圖2.13可看出,2ASK 信號(hào)的誤碼率隨信噪比的增加而減小

29、,當(dāng)誤碼率減少到一定的程度后,信噪比無論怎么增加,誤碼率都不再降低。這就啟示我們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)際的通信系統(tǒng)時(shí),只能盡量降低誤碼率,而很難消除誤碼率,甚至是不可能消除誤碼率。-20-15-10-50510152025信噪比(單位:dB 誤碼率誤碼率隨信噪比的變化曲線調(diào)制解調(diào)過程中的波形圖如圖2.14所示。 圖2.14 調(diào)制解調(diào)過程波形圖第三節(jié)本章小結(jié)本章使用Simulink仿真工具對(duì)2ASK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行了仿真,得出了調(diào)制與解調(diào)過程中各階段的時(shí)域波形圖,并通過誤碼率計(jì)算模塊計(jì)算出了該信號(hào)的誤碼率隨信噪比的變化曲線,由變化曲線看出,誤碼率隨信噪比的增加而減小,且有一定的極限值。第三章 2FSK 信

30、號(hào)的仿真第一節(jié) 2FSK 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理一、2FSK 信號(hào)的時(shí)域表達(dá)二進(jìn)制頻移鍵控是指載波的頻率受調(diào)制信號(hào)的控制,其頻率隨著調(diào)制信號(hào)的變化而變化,而幅度和相位保持不變。如果二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的“1”對(duì)應(yīng)載波頻率1f ,“0”對(duì)應(yīng)載波頻率2f ,并且1f 和2f 之間的轉(zhuǎn)換時(shí)瞬間完成的。因此,二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)可以看作是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制幅移鍵控信號(hào)的疊加。由上面的分析可得出2FSK 信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為-=-+-+212(cos(cos(FSK n s n n s n nnS t a g t nT t a g t nT t (3-1在其中,n 和n 分別表示第n 個(gè)信號(hào)碼元的初始相位,n a

31、 -是n a 的反碼,并且有0,P 1,1-P 概率為概率為=n a ,0,1-P1,P 概率為概率為-=n a (3-2其中,將g(t看作是寬度為s T 的單極性矩形脈沖波。設(shè)12(-=-=-n s nn s n s t a g t nT s t a g t nT (3-3 則可以將2FSK 信號(hào)表示成21122(cos(cos(=+FSK n n S t s t t s t t (3-4二、2FSK 信號(hào)的調(diào)制方法2FSK 信號(hào)可以由兩種方法實(shí)現(xiàn),圖3.1(a 為模擬調(diào)制法,它利用二進(jìn)制基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)頻,采用了頻率隨電壓的變化而變化的壓控振蕩器,這是頻移鍵控通信方式早期采用的實(shí)現(xiàn)方法

32、。圖 3.1(b 是用數(shù)字鍵控法產(chǎn)生二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的原理圖,圖中兩個(gè)振蕩器的輸出載波受輸入的二進(jìn)制基帶信號(hào)的控制,在一個(gè)碼元s T 期間輸出1f 或2f 兩個(gè)載波之一。這種方法由于使用了兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器,使得信號(hào)波形的相位存在不連續(xù)的現(xiàn)象,但它具有轉(zhuǎn)換速度快、波形好、穩(wěn)定度高且易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),故應(yīng)用十分廣泛。 圖3.1 2FSK 信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法2FSK 信號(hào)調(diào)制時(shí)間波形如圖3.2所示。 圖3.2 2FSK 信號(hào)調(diào)制時(shí)間波形三、2FSK 信號(hào)的非相干解調(diào)2FSK 信號(hào)的解調(diào)可以分為非相干解調(diào)(即包絡(luò)檢波法和相干解調(diào)。圖3.3是非相干解調(diào)原理框圖,在圖中,兩個(gè)中心頻率分別為1f 和2f 的帶通濾

33、波器的作用是電壓控制振蕩器s(t(a模擬調(diào)制法振蕩器1振蕩器2(b 鍵控法s(ttttttttn a1(s t取出頻率為1f 和2f 的高頻信號(hào),包絡(luò)檢波器將各自的包絡(luò)取出至抽樣判決器,抽樣判決器在抽樣時(shí)刻到達(dá)時(shí)對(duì)包絡(luò)的抽樣值1V 和2V 進(jìn)行判決,判決準(zhǔn)則是當(dāng)抽樣值滿足12V V >時(shí)判為1f 頻率代表的數(shù)字基帶信號(hào),即“1”碼。當(dāng)12V V <時(shí)判為2f 頻率代表 四、2FSK 信號(hào)的相干解調(diào) 圖3.4是2FSK 相干解調(diào)原理框圖,接收信號(hào)經(jīng)過上下兩路帶通濾波器,與本地相干載波相乘和低通濾波后,進(jìn)行抽樣判決。若抽樣值12x x >,則判為1f 代表的數(shù)字基帶信號(hào),若抽樣值

34、12x x <,則判為2f 代表的數(shù)字基帶信號(hào)。第二節(jié) 2FSK 信號(hào)的Simulink 仿真一、仿真模型圖2FSK 仿真模塊圖如圖3.4所示,圖中包括調(diào)制模塊、解調(diào)模塊、示波器顯示模塊、眼圖模塊和誤碼率計(jì)算模塊。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如圖3.5所示,本仿真采用固定步長(zhǎng)仿真,仿真步長(zhǎng)為0.001s 。 圖3.4 2FSK仿真模塊圖 二、調(diào)制的仿真2FSK的調(diào)制采用兩個(gè)頻率不同的載波,信源和載波參數(shù)設(shè)置如下面幾個(gè)圖所示。 圖3.6 信源參數(shù)設(shè)置 圖3.7 載波1的參數(shù)設(shè)置 圖3.8 載波2的參數(shù)設(shè)置信源與載波2相乘時(shí)要先經(jīng)過碼反變換,碼反變換器的參數(shù)設(shè)置如圖3.9所示,使原碼中的1變?yōu)?,0變?yōu)?/p>

35、1。 圖3.9 取反變換參數(shù)設(shè)置載波1和載波2分別與原碼和原碼的反碼相乘后,再相加,就得到了2FSK已調(diào)信號(hào),從波形上看,有稀有疏,這就說明2FSK信號(hào)是由兩種不同頻率的波形組成,2FSK信號(hào)調(diào)制過程各點(diǎn)的波形圖如圖3.10所示。 圖3.10 2FSK調(diào)制過程波形圖已調(diào)信號(hào)通過高斯信道之后進(jìn)入解調(diào)端。高斯信道參數(shù)設(shè)置如下圖3.11所示。為了驗(yàn)證已調(diào)信號(hào)的正確性,以及觀察已調(diào)信號(hào)通過高斯信道后的噪聲水平,在這里使用了眼圖觀察模塊,通過觀察眼圖可以確定解調(diào)器的相關(guān)參數(shù),比如判決電平等,所得到的解調(diào)前和解調(diào)后的眼圖分別為圖3.12和圖3.13。 圖3.11 高斯信道的參數(shù)設(shè)置 圖3.12 通過高斯信

36、道前已調(diào)信號(hào)眼圖 圖3.13 通過高斯信道后已調(diào)信號(hào)的眼圖三、解調(diào)的仿真因?yàn)橐颜{(diào)信號(hào)由兩種不同頻率的載波組成,所以在解調(diào)時(shí)相干載波也是用兩個(gè)不同頻率的載波,將已調(diào)信號(hào)輸入到兩個(gè)帶通濾波器,然后在這兩條支路上分別乘以兩個(gè)不同頻率的相干載波,然后通過兩個(gè)的低通濾波器,再進(jìn)行抽樣判決,最后將抽樣判決后的兩路信號(hào)相加,即得到最終結(jié)果。各模塊的參數(shù)設(shè)置如下所示。 圖3.14 帶通濾波器1參數(shù)設(shè)置 圖3.15 帶通濾波器2參數(shù)設(shè)置 圖3.16 低通濾波器1參數(shù)設(shè)置 圖3.17 低通濾波器2參數(shù)設(shè)置解調(diào)過程中各點(diǎn)的波形圖如圖3.18所示。 圖3.18 2FSK解調(diào)過程波形圖該系統(tǒng)誤碼率隨信噪比的變化如表3.

37、1所示。 由表3.1所示的數(shù)據(jù)經(jīng)過描點(diǎn)繪圖得出2FSK信號(hào)誤碼率隨信噪比的變化曲線如圖3.19所示。圖3.19 2FSK 信號(hào)誤碼率隨信噪比的變化曲線由表3.1和圖3.19可看出,2FSK 信號(hào)的誤碼率隨信噪比的增加而減小,當(dāng)誤碼率減少到一定的程度后,信噪比無論怎么增加,誤碼率都不再降低。這就啟示我們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)際的通信系統(tǒng)時(shí),只能盡量降低誤碼率,而很難消除誤碼率,甚至是不可能消除誤碼率。第三節(jié) 本章小結(jié)本章使用Simulink 仿真工具對(duì)2FSK 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行了仿真,得出了調(diào)制與解調(diào)過程中各階段的時(shí)域波形圖,并通過誤碼率計(jì)算模塊計(jì)算出了該信號(hào)的誤碼率隨信噪比的變化曲線,由變化曲線看出,誤

38、碼率隨信噪比的增加而減小,且有一定的極限值。-5510152025303540 信噪比(單位:dB 誤碼率誤碼率隨信噪比的變化曲線第四章 2PSK 信號(hào)的仿真第一節(jié) 2PSK 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理一、2PSK 信號(hào)的時(shí)域表達(dá)相移鍵控是利用載波相位的變化來傳遞數(shù)字信息,可以分為絕對(duì)相移鍵控(2PSK 和差分(相對(duì)相移鍵控(2DPSK 兩種方式。在此,只討論絕對(duì)相移鍵控信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。如果二進(jìn)制序列的數(shù)字信號(hào)“1”和“0”分別用載波相位和0這兩個(gè)離散值來表示,而其幅度和頻率保持不變,這種調(diào)制方式就稱為二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控。換句話說,絕對(duì)相移鍵控是指已調(diào)信號(hào)的相位直接由數(shù)字基帶信號(hào)控制。2PSK 信

39、號(hào)的一般表達(dá)式為2(cos (cos PSK n s c c nS t a g t nT t s t t =-= (4-1式中的n a 可表示為1,P1,1-P n a +=-出現(xiàn)的概率為出現(xiàn)的概率為 (4-2 這里(s t 是與n a 對(duì)應(yīng)的雙極性矩形脈沖序列。在一個(gè)碼元周期s T 內(nèi)二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控信號(hào)可表示為2cos+0P (=cos+1c PSK c w t S t w t P -(,概率為(,概率為 (4-3 即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0”時(shí),n a 取+1,2(PSK S t 取0相位;發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“1”時(shí),n a 取-1,2(PSK S t 取相位。2PSK 信號(hào)的典型時(shí)間波形如圖4

40、.1所示,圖中所有數(shù)字信號(hào)“1”碼對(duì)應(yīng)載波信號(hào)的相位,而“0”碼對(duì)應(yīng)載波信號(hào)的0相位(當(dāng)然也可以反之。 圖4.1 2PSK 時(shí)間波形二、2PSK 信號(hào)的調(diào)制方法2PSK 信號(hào)可以采用兩種方法實(shí)現(xiàn),一種是如圖4.2所示的模擬調(diào)制法,二進(jìn)制數(shù)字序列n a 經(jīng)碼型變換,由單極性碼來形成幅度為1±的雙極性不歸零碼,與載波相乘而產(chǎn)生2PSK 信號(hào)。另一種是如圖 4.3所示的相移鍵控法,由開關(guān)電路來控制2(PSK S t 圖4.2 模擬調(diào)制法 圖4.3 相移鍵控法三、2PSK 信號(hào)的解調(diào)方法2PSK 信號(hào)的解調(diào)一般采用相干解調(diào),2PSK 相干解調(diào)原理框圖和各點(diǎn)波形分別如 圖4.4 相干解調(diào)原理框

41、圖圖4.5 相干解調(diào)各點(diǎn)波形第二節(jié) 2PSK 信號(hào)的Simulink 仿真一、仿真模型圖2PSK 信號(hào)的仿真模塊圖由調(diào)制部分、解調(diào)部分、眼圖觀察部分、信噪比計(jì)算部分組成,伯努利二進(jìn)制序列產(chǎn)生器參數(shù)設(shè)置如圖4.6所示,仿真模塊圖為圖4.7。圖4.6 信源參數(shù)設(shè)置ttttt abcde 圖4.7 2PSK仿真模塊圖二、調(diào)制的仿真2PSK信號(hào)的相位不是連續(xù)的,而是由兩種相位值組成,將二進(jìn)制信源序列經(jīng)過極性變換后變?yōu)殡p極性不歸零信號(hào),將該雙極性不歸零信號(hào)與載波相乘之后,即可得到由兩種相位值組成的二進(jìn)制相移鍵控信號(hào),調(diào)制過程中各模塊的參數(shù)設(shè)置如下。 圖4.8 極性轉(zhuǎn)換模塊參數(shù)設(shè)置 圖4.9 載波參數(shù)設(shè)置

42、 圖4.10 2PSK調(diào)制過程波形圖已調(diào)信號(hào)經(jīng)過高斯信道后,受到噪聲的影響會(huì)產(chǎn)生失真,這可以通過眼圖來觀察,信道模塊參數(shù)設(shè)置和觀測(cè)到的眼圖如下所示。 圖4.11 高斯信道參數(shù)設(shè)置 圖4.12 通過高斯信道前已調(diào)信號(hào)眼圖 圖4.13 通過高斯信道后已調(diào)信號(hào)眼圖三、解調(diào)的仿真本文中2PSK信號(hào)的解調(diào)采用相干解調(diào)方式,各模塊的參數(shù)設(shè)置如下。 圖4.14 低通濾波器參數(shù)設(shè)置 圖4.15 判決比較器參數(shù)設(shè)置 圖4.16 解調(diào)過程各點(diǎn)波形圖誤碼率和信噪比的關(guān)系表如下所示。表4.1 2PSK 信號(hào)誤碼率隨信噪比的變化表 由表4.1所示的數(shù)據(jù)經(jīng)過描點(diǎn)繪圖得出2PSK 信號(hào)誤碼率隨信噪比的變化曲線如圖4.17所

43、示。 圖4.17 2PSK 信號(hào)誤碼率隨信噪比的變化曲線由表4.1和圖4.17可看出,2PSK 信號(hào)的誤碼率隨信噪比的增加而減小,當(dāng)誤碼率減少到一定的程度后,信噪比無論怎么增加,誤碼率都不再降低。這就啟示我們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)際的通信系統(tǒng)時(shí),只能盡量降低誤碼率,而很難消除誤碼率,甚至是不可能消除誤碼率。第三節(jié) 本章小結(jié)本章使用Simulink 仿真工具對(duì)2PSK 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行了仿真,得出了調(diào)制與解調(diào)過程中各階段的時(shí)域波形圖,并通過誤碼率計(jì)算模塊計(jì)算出了該信號(hào)的誤碼率隨信噪比的變化曲線。-20-15-10-50510152025信噪比(單位:dB 誤碼率誤碼率隨信噪比的變化曲線第五章 QPSK 信

44、號(hào)的仿真第一節(jié) QPSK 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理一、多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)簡(jiǎn)介為了更有效地利用通信資源,提高信息傳輸速率,現(xiàn)代通信往往采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。多進(jìn)制數(shù)字就是利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)去控制載波的幅度、頻率或者相位,因此,相應(yīng)地有多進(jìn)制數(shù)字幅移鍵控、多進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控和多進(jìn)制數(shù)字相移鍵控等三種基本方式。與二進(jìn)制調(diào)制方式相比,多進(jìn)制調(diào)制方式的特點(diǎn)是:(1在相同碼元速率下,多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的信息傳輸速率高于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng);(2在相同信息速率下,多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的碼元傳輸速率低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng);(3采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜,判決電平增多,誤碼率高于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。在此只研究

45、正交相移鍵控即QPSK 的調(diào)制與解調(diào),QPSK 屬于多進(jìn)制絕對(duì)數(shù)字相移鍵控。二、QPSK 信號(hào)的調(diào)制方法正交相移鍵控也就是四相相移鍵控(4PSK ,它是用載波的四個(gè)不同相位來代表數(shù)字信息的調(diào)制方式,假設(shè)兩位二進(jìn)制碼元的持續(xù)時(shí)間為s T ,則正交相移鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可表示為4(cos(PSK s ckk S t g t kT t =-=-+(cos (sin k s c k s ca g t kT tb g t kT t -=- (5-1 其中,k 為受調(diào)相位,有四種不同取值;cos k k a =; sin k k b =。正交相移鍵控信號(hào)可以用矢量圖來描述,在矢量圖中通常以未調(diào)載波相位作

46、為參考矢量。QPSK 信號(hào)的相位配置常用兩種方式:A 方式如圖5.1所示和B 方式如圖5.2所示。圖5.1 圖5.2(b B 方式(a A 方式四相制是用載波的4種不同相位來表征數(shù)字信息,由于4中不同相位可代表4種不同的數(shù)字信息,因此,對(duì)輸入的二進(jìn)制數(shù)字序列先進(jìn)行分組,將每?jī)蓚€(gè)比特編為一組,可以有4種組合(00,10,11,01,然后用載波的四種相位來分別表示它們。由于每一種載波相位代表兩個(gè)比特信息,故一個(gè)四進(jìn)制碼元又被稱為雙比特碼元。下表是雙比特碼元和載波相位的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系。 QPSK 的產(chǎn)生方法可采用調(diào)相法和相位選擇法。圖5.3是調(diào)相法產(chǎn)生B 方式QPSK信號(hào)的原理框圖。 圖5.3 調(diào)相法產(chǎn)生B 方式QPSK 信號(hào)的原理框圖上圖中輸入的二進(jìn)制串行碼元經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換器后變?yōu)椴⑿械碾p比特碼流,再經(jīng)單/雙極性變換后,將單極性碼變?yōu)殡p極性碼,然后與載波相乘,就完成了二進(jìn)制相位調(diào)制,兩路信號(hào)疊加后,即得到B 方式的QPSK 信號(hào)。由此可見,四相制信號(hào)既可A0B 10A (1B (0(A (0(以看成是4個(gè)幅度及頻率均相同、初相不同的2ASK信號(hào)之和,又可以看成是對(duì)兩個(gè)正交載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)制所得的信號(hào)之和。相位選擇法產(chǎn)生QPSK信號(hào)的組成方框圖如圖5.4所示,在圖中,四相載波發(fā)生器分別輸出調(diào)相所需的4種不同相位的載波,按照串/并變換器輸出的雙比特碼元的不同,邏輯選相電路輸出相