數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)分析與仿真學(xué)年論文

1、赤峰學(xué)院 學(xué)年論文（設(shè)計(jì)）題 目 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)分析與仿真 學(xué)生姓名 張曉龍 學(xué) 號 07131300203 院 系 物理與電子信息工程系 專 業(yè) 應(yīng)用物理 指導(dǎo)教師 初玉玲 二一年 五月二十一日數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)分析與仿真張曉龍赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程系，赤峰 024000摘要：數(shù)字調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)是通信系統(tǒng)性能提高的重要途徑之一。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(yùn)用Matlab及附帶的圖形仿真工具 Simulink設(shè)計(jì)了這幾種數(shù)字調(diào)制方法的仿真模型。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(jì)算的性能，證明了仿真模型的可行性。另外，本文還利

2、用Matlab的圖形用戶界面（GUI）功能為仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個便于操作的人機(jī)交互界面，使仿真系統(tǒng)更加完整，操作更加方便。關(guān)鍵詞：數(shù)字調(diào)制；分析與仿真；Matlab；Simulink；GUI圖形界面。1 引言數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)字基帶信號對載波的某些參量進(jìn)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(jìn)行長距離傳輸。為了進(jìn)行長途傳輸，必須對數(shù)字信號進(jìn)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)字調(diào)

3、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(jìn)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(jìn)系統(tǒng)，獲得更佳的傳輸性能。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(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制，多進(jìn)制調(diào)制是二進(jìn)制調(diào)制的推廣，所以本文主要討論二進(jìn)制的調(diào)制與解調(diào)，最后簡單討論一下多進(jìn)制調(diào)制中的差分相位鍵控調(diào)制（M-DPSK）。最

4、常見的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式有二進(jìn)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。 二進(jìn)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(shí)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(diǎn)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

5、；（2）已調(diào)信號的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。 二進(jìn)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(dú)立的振蕩源交替輸出。對二進(jìn)制的頻移鍵控調(diào)制方式，其有效帶寬為B=2xF+2Fb,xF是二進(jìn)制基帶信號的帶寬也是FSK信號的最大頻偏，由于數(shù)字信號的帶寬即Fb值大，所以二進(jìn)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(diǎn)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|f

6、1 -f2|fs，則出現(xiàn)單峰。 二進(jìn)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(jìn)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(dá)到調(diào)制的目的。2-PSK信號的功率密度有如下特點(diǎn)： (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。 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制    上面所討論的都是在二進(jìn)制數(shù)字基帶信號的情況，在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常用一種稱為多進(jìn)制（

7、如4進(jìn)制，8進(jìn)制，16進(jìn)制等）的基帶信號。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)制有兩個突出的優(yōu)點(diǎn)：一是有于多進(jìn)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(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盘栍蠱種不同的狀態(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對移相和相對移相兩種，實(shí)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、

8、/2、3/2四種，分別對應(yīng)四種狀態(tài)11、01、00、10。3 運(yùn)用Matlab仿真模型的設(shè)計(jì)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(jì)和仿真數(shù)字調(diào)制模型，本文主要針對2-FSK信號進(jìn)行設(shè)計(jì)并對仿真結(jié)果在時域和頻域進(jìn)行分析。2-FSK信號是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)生如圖1.0所示：圖1.0 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1.1所示Cos1t相乘器相乘器輸入12LPFLPF抽樣脈沖輸出抽樣判決LPFLPFCos2tos2tos2t:圖1.1

9、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(jì)2-FSK仿真模型時，只需利用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(jì)的2-FSK仿真模型如圖1.2：圖1.2 2-FSK仿真模型 模型中運(yùn)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(jì)算儀計(jì)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 Demodulator Passband：根據(jù)調(diào)

10、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 seed：120（與Bernoulli Binary Gen

11、erator/ 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(dá)式可表示為 ：（1） 由式（1）可看出2-FSK信號是由兩個2-ASK信號相加而成的將圖1.2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)制后信號及解調(diào)后信號波形如圖1.3所示：（a）源信號波形（b）調(diào)制后信號

12、波形（c）解調(diào)后信號波形圖1.3 2-FSK源信號、調(diào)制后信號及解調(diào)后信號波形由圖1.3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（1）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 separation (Hz)和Carrier frequency (Hz)兩個參數(shù)的值單獨(dú)

13、觀察調(diào)制后的頻譜，獲得圖1.4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1.4 2-FSK調(diào)制后頻譜對比圖1.4（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,這與相關(guān)原理中闡述的2-FSK頻譜的特點(diǎn)完全相符。結(jié)論：仿真結(jié)果的分析說明該2-FSK仿真模型是可行的。致謝：本人在分析設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)制仿真系統(tǒng)及撰寫論文期間，得到了很多老師和同學(xué)的幫助，在這里我首先要感謝的是我的指導(dǎo)老師副教授。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個過程中，教授在理論知識、工作任務(wù)、工作方向和進(jìn)度安排等方面給了我大量的

14、指導(dǎo)和幫助，使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利進(jìn)行，并按時完成預(yù)計(jì)任務(wù)。同時，我還要感謝大學(xué)四年里幫助我的各位老師，從他們身上，我不僅學(xué)到了理論知識，還學(xué)到了一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的科學(xué)態(tài)度。參考文獻(xiàn)：1 樊昌信等. 通信原理（第5版）. 北京：國防工業(yè)出版社，20012 曹志剛，錢亞生. 現(xiàn)代通信原理. 北京：清華大學(xué)出版社，20013 李建新等. 現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真MATLAB通信工具箱. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20004 王沫然. Simulink4建模及動態(tài)仿真. 北京：電子工業(yè)出版社，20025 D.Hanselman,B.Littilefield著，張航等譯. 精通MATLAB6. 北京

15、：清華大學(xué)出版社，2002Abstract Digital modulation techniques to improve communication system performance is an important way to improve. In this paper, five usual methods of digital modulation are introduced firstly. Then their simulation models are built by using MATLABs simulation tool, SIMULINK. Through o

16、bserving the results of simulation, the factors that affect the capability of the digital modulation system and the 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. At last, the conclusion is gotten: The simulation models are