數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)分析與仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)分析與仿真1 引言1. 1 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(hào)對(duì)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(hào)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(hào)不適合在各種信道上進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。為了進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸，必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制，將信號(hào)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)制技術(shù)。另外，由于數(shù)字通信

2、具有建網(wǎng)靈活，容易采用數(shù)字差錯(cuò)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(shì)。因此，對(duì)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(duì)它的研究也是有必要的。通過對(duì)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。1. 2 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(yàn)等分析設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展的需要,通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)日益顯示出其巨大的優(yōu)越性.。計(jì)算機(jī)仿真是根據(jù)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的模

3、型,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法.它具有利用模型進(jìn)行仿真的一系列優(yōu)點(diǎn),如費(fèi)用低,易于進(jìn)行真實(shí)系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)的各種試驗(yàn),以及易于實(shí)現(xiàn)完全相同條件下的重復(fù)試驗(yàn)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(jì)算與可視化。Matlab的編程功能簡(jiǎn)單,并且很容易擴(kuò)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(jì)算問題。Matlab具有強(qiáng)大的Simulink動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境,可以實(shí)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),也支持多種采樣速率的多速率

4、系統(tǒng);Simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)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(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。用于實(shí)現(xiàn)通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,也叫Commlib,通信工具箱)是Matlab語言中的一個(gè)科學(xué)性工具包,提供通信領(lǐng)域中計(jì)算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的功能,可以在Matlab環(huán)境下獨(dú)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(gè)人機(jī)交

5、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(duì)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)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(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(jiǎn)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。2.1 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(hào)1或0的控制下通或斷，在信號(hào)為1的狀態(tài)載波

6、接通，此時(shí)傳輸信道上有載波出現(xiàn)；在信號(hào)為0的狀態(tài)下，載波被關(guān)斷，此時(shí)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(hào)的1和0。2-ASK信號(hào)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(hào)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(hào)的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。2.2 二進(jìn)制頻移鍵控（2-FSK） 頻移鍵控是利用兩個(gè)不同頻率f1和f2的振蕩源來代表信號(hào)1和0，用數(shù)字信號(hào)的1和0去控制兩個(gè)獨(dú)立的振蕩源交替輸出。對(duì)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(hào)的帶寬也是FSK信號(hào)的最大頻偏，由于

7、數(shù)字信號(hào)的帶寬即Fb值大，所以二進(jìn)制頻移鍵控的信號(hào)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(hào)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(gè)載頻之差|f1 -f2|fs，則出現(xiàn)單峰。2.3二進(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(hào)的控制，如在二進(jìn)制基帶信號(hào)中為0時(shí)，載波相位為0或，為1時(shí)載波相位為或0。載波相位和基帶信號(hào)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，從而達(dá)到調(diào)制的目的。2-PSK信號(hào)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(duì)脈沖序列的二倍；

8、(3) 與2ASK功率譜的區(qū)別是當(dāng)P1/2時(shí)，2PSK無離散譜，而2ASK存在離散譜。 2.4 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(hào)的情況，在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常用一種稱為多進(jìn)制（如4進(jìn)制，8進(jìn)制，16進(jìn)制等）的基帶信號(hào)。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?，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?hào)有M種不同的狀態(tài)，所以它的載波

9、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(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。3 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)3.1 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)各個(gè)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?hào)。對(duì)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，我們并不關(guān)心基帶信號(hào)的碼型，因此，我們?cè)诜抡娴臅r(shí)候可以給數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)直接輸入數(shù)字基帶信號(hào)，不用在經(jīng)過編碼

10、器。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(kù)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(jì)和仿真的專業(yè)化模型庫(kù)CommTbxLibrary。在這里，整個(gè)通信系統(tǒng)的流程被概括為：信號(hào)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(gè)設(shè)計(jì)模塊中還包含有大量的子模塊，它們

11、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(dá)式)，用戶只要從上述各個(gè)模型庫(kù)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(gè)模塊參數(shù), 就可方便地進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真.從輸出模塊可實(shí)時(shí)看到仿真結(jié)果,如時(shí)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(duì)Simulink中沒有的模塊，可運(yùn)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(kù)，以便隨時(shí)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(jiǎn)化成如圖3.2所示的模型：3.1.2 信號(hào)源仿真及參數(shù)設(shè)置

12、Simulink通信工具箱中的Comm Sources/Data Sources提供了數(shù)字信號(hào)源Bernoulli Binary Generator，這是一個(gè)按Bernoulli分布提供隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的通用信號(hào)發(fā)生器。在現(xiàn)實(shí)中，對(duì)受信者而言，發(fā)送端的信號(hào)是不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)信號(hào)。因此，我們?cè)诜抡嬷锌梢杂肂ernoulli Binary Generator來模擬基帶信號(hào)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(hào)中0符號(hào)的概率，在仿真的時(shí)候一般設(shè)成0.5，這樣便于頻譜的計(jì)算；Initial seed ：控制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的參數(shù)，要求不小于30，而且與后面信

13、道中的Initial seed設(shè)置不同的值；Sample time：抽樣時(shí)間，這里指一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)所占的時(shí)間，用來控制號(hào)發(fā)生的速率，這個(gè)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(hào)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(xì)介紹。M-DPSK Modulator Passband和M-DPSK Demodulator Passb

14、and 分別是數(shù)字信號(hào)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(hào)的階次數(shù)，比如2-DPSK就是2階的；Symbol period：符號(hào)周期，即，一個(gè)符號(hào)所占的時(shí)間，這必須與信號(hào)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(hào)的抽樣時(shí)間；Output sample time：輸出信號(hào)的抽樣時(shí)間。其中，各參數(shù)要滿足以下關(guān)系：Symbol period 1/(Carrier frequency) （3.1（3.1）Outp

15、ut sample time 1/2*Carrier frequency + 2/(Symbol period)3.1.4 信道 在分析通信系統(tǒng)時(shí)通常選擇高斯噪聲作為系統(tǒng)的噪聲來考查，因?yàn)檫@種噪聲在現(xiàn)實(shí)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(shí)可以用該模塊模擬現(xiàn)實(shí)中的信道，該模塊的主要參數(shù)有：Initial seed：控制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的參數(shù)，要求不小于30，且與前面信號(hào)源中的Initial seed設(shè)置不同的值；Es/No (dB)：信號(hào)每個(gè)符號(hào)的能量與噪聲的功率譜密度的比值；SNR (dB)： 信號(hào)功率與噪聲功率的比值；注：Es/

16、No (dB) 和SNR (dB)是表征信號(hào)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(gè)。3.1.5 誤碼計(jì)算儀信號(hào)經(jīng)過信道后，由于噪聲的干擾，在接收端可能出現(xiàn)誤碼，Simulink中提供了Error Rate Calculation 模塊來計(jì)算誤碼率，其主要參數(shù)的設(shè)置為：Receive delay：接收延遲，表明在計(jì)算誤碼率時(shí)接收到的信號(hào)比源信號(hào)延遲的碼元數(shù)，便于準(zhǔn)確計(jì)算 Output data：數(shù)據(jù)輸出，將誤碼率、誤碼數(shù)及碼元總數(shù)輸出，有兩個(gè)選項(xiàng)可選擇：Work space 和 Port。將數(shù)據(jù)輸出到Work space就是將誤碼率等數(shù)據(jù)存在內(nèi)存中，以便下一步使用，而輸出到Port中

17、，則是在誤碼計(jì)算儀后面再接一個(gè)模塊（比如結(jié)果顯示模塊），將數(shù)據(jù)傳到該模塊中（顯示出來）； Variable name：變量名稱，該參數(shù)只有在前面選擇了Work space后才有用，它決定數(shù)據(jù)輸出到Wok space后的名稱，默認(rèn)值為ErrorVec。3.1.6 示波器在仿真過程中，必須觀察各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)域和頻域波形，因此，必須在各個(gè)環(huán)節(jié)加上示波器以觀察波形。另外，還可將示波器的數(shù)據(jù)輸出到Work space中存儲(chǔ)，以便對(duì)仿真結(jié)果做進(jìn)一步處理，比如將各個(gè)環(huán)節(jié)的波形對(duì)比顯示和做頻域變換等。3.2 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)和仿真各種數(shù)字調(diào)制模型，并對(duì)仿真結(jié)果

18、在時(shí)域和頻域進(jìn)行分析。3.2.1 2-ASK通常，二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)（2-ASK）的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）有兩種，如圖3.3所示： 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：根據(jù)3.3（a）所示方框圖產(chǎn)生2-ASK信號(hào)，并用圖3.4（b）所示的相干解調(diào)法來解調(diào)，設(shè)計(jì)2-ASK仿真模型如圖3.5所示：圖3.5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(gè)載波，目的是為了保證相干解調(diào)的同頻同相，雖然這在實(shí)際運(yùn)用中是不可能實(shí)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： 1Bernoulli Binary Generator的參數(shù)設(shè)置為：Prob

19、ability of a zero ：0.5Initial seed ：67Sample time：12. 載波頻率設(shè)為：50（可調(diào)）3. Sample and Decide 模塊是一個(gè)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(hào)（Sychronizing signal）完成，其參數(shù)period（sec）設(shè)置和信號(hào)源的參數(shù)Sample time保持一致。判決模塊是一個(gè)由M文件編寫的S函數(shù)，S函數(shù)是Simulnk中用以功能擴(kuò)展的一個(gè)功能，用S函數(shù)可以自己編制Simulink庫(kù)中沒有的Simulink模塊，從而使Simulink的功能大大加強(qiáng)，本模型中使用的判決模塊就是這樣一

20、個(gè)應(yīng)用，其M文件詳見附錄9。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)5. Error Rate Calculation的參數(shù)設(shè)置： Receive delay：2 Output data： Work space Variable name：ErrorVec仿真結(jié)果時(shí)域分析設(shè)信息源發(fā)出的是由二進(jìn)制符號(hào)0、1組成的序列，且假定0符號(hào)出現(xiàn)的概率為P，1符號(hào)出現(xiàn)的概率為1-P，他們彼此獨(dú)立。則，2ASK信號(hào)的時(shí)間表示式為: （3.（3.2.） s(t)為隨機(jī)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

21、space中做統(tǒng)一處理（處理程序見附錄2），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(hào)波形在符號(hào)1持續(xù)時(shí)間內(nèi)是載波的波形，在符號(hào)0持續(xù)時(shí)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(hào)與源信號(hào)波形大體一致，只是有兩個(gè)碼元的延遲，這說明如果將Error Rate Calculation的Receive delay參數(shù)設(shè)置為2，則此模型最后的誤碼率為0。這個(gè)值與理論值有些出入，原因是我們?cè)诜抡鏁r(shí)為了便于觀察信號(hào)的波形，將信號(hào)源發(fā)送的碼元數(shù)設(shè)定為20個(gè)（碼元速率為1，仿真時(shí)間20秒），這大大低于現(xiàn)實(shí)中的傳碼率，所以在

22、只傳送20個(gè)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(jìn)制的隨機(jī)脈沖序列是一個(gè)隨機(jī)過程,所以調(diào)制后的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)也是一個(gè)隨機(jī)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(hào)的中心頻譜被搬移到了載波頻率f上。對(duì)圖3.7中各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)做1024點(diǎn)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中可以看到，源信號(hào)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(hào)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

23、號(hào)源同2-ASK一樣的假設(shè)，那么，2-FSK信號(hào)便是0符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波1，而1符號(hào)則對(duì)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(hào)的產(chǎn)生如圖3.9所示：圖3.9 2-FSK信號(hào)產(chǎn)生方法2-FSK信號(hào)最常用的解調(diào)方法是采用的相干檢測(cè)法，如圖3.10所示CosCos1t相乘器相乘器輸入12LPFLPF抽樣脈沖輸出抽樣判決LPFLPFCos2tos2tos2t:圖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(hào)。因此，設(shè)計(jì)2-FSK仿真模型時(shí)，只需根據(jù)圖3.2所示框圖

24、，利用Simulink通信工具箱中中的FSK調(diào)制解調(diào)模塊及信號(hào)源與信道即可。設(shè)計(jì)的2-FSK仿真模型如圖3.11圖3.11 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(hào)源參數(shù)設(shè)置同2-ASK；2. M-FSK Modulator Passband及M-FSK Demodulator 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

25、 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 Generator/ Initial seed不同）； Mode：SNR（dB） SNR (dB)：10（可調(diào)）4. Error Rate Calcu

26、lation的參數(shù)設(shè)置： Receive delay：3 Output data： Work space Variable name：ErrorVec2仿真結(jié)果時(shí)域分析： 根據(jù)上述2-FSK信號(hào)產(chǎn)生原理，已調(diào)信號(hào)的時(shí)間表達(dá)式可表示為 ：（3.5） （3.5）由式（3.5）可看出2-FSK信號(hào)是由兩個(gè)2-ASK信號(hào)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（處理程序見附錄3），其中源信號(hào)、調(diào)制后信號(hào)及解調(diào)后信號(hào)波形如圖3.12所示：（a）源信號(hào)波形（b）調(diào)制后信號(hào)波形（c）解調(diào)后信號(hào)波形圖3.12 2-FSK源信號(hào)、調(diào)制后信號(hào)及解調(diào)后信號(hào)波形由圖3.12可知，調(diào)制

27、后信號(hào)波形由兩種頻率不同的波形組成，且兩種頻率分別對(duì)應(yīng)解調(diào)后信號(hào)的符號(hào)0和符號(hào)1，即2-FSK信號(hào)波形可以看作是由兩個(gè)2-ASK信號(hào)相加而成的，這與式（3.5）完全相符。另外，源信號(hào)波形與解調(diào)后信號(hào)波形只是在時(shí)間上有3個(gè)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(gè)參數(shù)的值單獨(dú)觀察調(diào)制后的頻譜，獲得圖3.13中的兩個(gè)頻譜圖（a）:載波差值：1 載波為30（b）: :載波

28、差值：5 載波為20圖3.13 2-FSK調(diào)制后頻譜對(duì)比圖3.13（a）和 (b)可知，當(dāng)兩個(gè)載波差值很小時(shí)，已調(diào)信號(hào)的頻譜呈現(xiàn)單峰如（a）圖；當(dāng)兩個(gè)載波差值較大時(shí)，已調(diào)信號(hào)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(diǎn)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(duì)碼的2-PSK調(diào)制，在仿真數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)時(shí)，我們并不關(guān)心基帶信號(hào)的碼型，因此，在仿真時(shí)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。

29、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(jìn)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(hào)源的Sample time設(shè)為1/2，仿真觀察40個(gè)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）（3.6）若在某一碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)觀察時(shí)，（2.3-1）可以簡(jiǎn)寫為：（3.7）（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(shí)域頻域?qū)?/p>

30、比圖如圖3.15所示，仿真結(jié)果處理程序見附錄4圖3.15 2-DPSK各環(huán)節(jié)時(shí)域頻域波形從上圖可以看出，調(diào)制后的信號(hào)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(shí)域波形和源信號(hào)相比，不僅有一個(gè)碼元的延遲，而且第一個(gè)碼元由1變成了0，出現(xiàn)了誤碼，由誤碼計(jì)算儀的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)在傳送40個(gè)碼元的情況下誤碼率為0.025，這是一個(gè)理論上和現(xiàn)實(shí)中都可以接受的值。將式（3.6）與式（3.2）比較可見，2-ASK和2-DPSK時(shí)間表達(dá)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(hào)調(diào)制后頻譜與

31、圖3.8中的2-ASK信號(hào)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(hào)的改進(jìn)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(hào)源的Sample time設(shè)為1/2，仿真觀察40個(gè)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)置： Receive delay：3仿真結(jié)果時(shí)域分析： 各環(huán)節(jié)時(shí)域?qū)Ρ葓D如圖3.17所示，仿真結(jié)果處理程序見附錄5圖3.17 2-MSK各環(huán)節(jié)時(shí)域?qū)Ρ?/p>

32、圖從上圖可以看出，MSK信號(hào)波形的振幅非常穩(wěn)定，而圖3.12中2-FSK信號(hào)波形的振幅有些波動(dòng)。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(shí)域波形和源信號(hào)相比，除了有5個(gè)碼元的延遲外，其信號(hào)波形與源信號(hào)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(hào)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MSK信號(hào)的功率主要包含在主瓣之內(nèi)。因此，MSK信號(hào)比較適合在窄帶信道中傳輸，對(duì)鄰道的干擾也較小。3.2.5 M M-DPSK是

33、多進(jìn)制相對(duì)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(jìn)制，如2、4、8等，模型如3.19所示，圖3.19 M主要模塊參數(shù)設(shè)置如下：信號(hào)源選擇Random Integer Generator 模塊，因?yàn)樵撃K可以產(chǎn)生不同進(jìn)制的數(shù)字基帶信號(hào)。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Symbol period與信號(hào)源模塊相對(duì)應(yīng)；信道信噪比SNR：30Error Rate Calculation的參數(shù)設(shè)置： Receive delay：1仿真

34、結(jié)果分析：M-DPSK各環(huán)節(jié)時(shí)域波形圖如圖3.20所示，結(jié)果處理程序見附錄6（a）4-DPSK源信號(hào)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(hào)（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(hào)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(jìn)制的相位調(diào)制。對(duì)比源信號(hào)與解調(diào)后信號(hào)波形，發(fā)現(xiàn)解調(diào)后波形除了比源信號(hào)延遲了一個(gè)碼元外，沒有任何差別，這說明在傳送40個(gè)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)

35、傳送的碼元數(shù)增加到2000個(gè)時(shí)，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(gè)碼元時(shí)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，因此，我們研究以上仿真模型的性能，并進(jìn)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

36、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?yàn)椋?-ASK在現(xiàn)實(shí)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(duì)各仿真模型的參數(shù)做如下修改：信號(hào)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 tim

37、e(s)：1/48000 Output sample time(s)：1/48000然后在M文件中編寫程序，對(duì)各模型的調(diào)制性能進(jìn)行比較，并做出關(guān)系曲線。運(yùn)行程序（具體程序見附錄7），得到性能比較的結(jié)果如圖3.22所示：圖3.22 2-FSK、2-DPSK及MSK性能比較上圖是2-FSK、 2-DPSK和 MSK三種模型在傳送1200個(gè)碼元的情況下，誤碼率與信噪比的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，誤碼率隨著信道信噪比的增大而減小，而且，信噪比越大，誤碼率減小得越快。三種模型比較，2-FSK性能最好，MSK次之，2-DPSK最差。3.3.2 仿真模型性能與理論性能的比較我們以2-FSK為例研究仿真模型性

38、能與理論性能的比較，從而考察仿真模型的有效性。 根據(jù)理論計(jì)算，2-FSK的誤碼率Pe與信道信噪比r關(guān)系為：（3.8）（3.8）式中erfc（x）= 是補(bǔ)誤差函數(shù)。根據(jù)式（3.8）及2-FSK模型編寫Matlab比較程序（比較程序詳見附錄8），運(yùn)行程序得到如圖3.23所示的比較結(jié)果： 圖3.23 2-FSK模型性能與理論性能的比較 圖3.23中，曲線是根據(jù)式（3.8）畫出的，星點(diǎn)則是運(yùn)行2-FSK模型得到的，從圖中可以看出，兩者的變化趨勢(shì)是一致的，而且，兩者的值也比較接近，說明2-FSK仿真模型是成功的，可行的。3.4 GUI用戶界面設(shè)計(jì)為了使整個(gè)數(shù)字調(diào)制仿真系統(tǒng)便于操作，我們利用Matlab

39、中的GUI圖形用戶界面將各種調(diào)制模型集合到一個(gè)操作界面上，使該仿真系統(tǒng)成為一個(gè)整體。GUI全稱Graphical User Interface即，圖形用戶界面，就是通過窗口、選單、按鈕、文字說明等對(duì)象構(gòu)成一個(gè)美觀的界面，提供用戶利用鼠標(biāo)或鍵盤方便地實(shí)現(xiàn)操作。GUI是Matlab自帶的用于生成人機(jī)交互界面的工具，Matlab設(shè)計(jì)圖形用戶界面的方法有兩種：使用可視化的界面環(huán)境和通過編寫程序。用戶可根據(jù)自己的需要生成符合用戶要求的圖形界面，并通過編寫各控件的回調(diào)函數(shù)（callback function）使控件和該控件所要實(shí)現(xiàn)的功能聯(lián)系起來，從而實(shí)現(xiàn)圖形界面的操作功能。GUI的具體設(shè)計(jì)方法請(qǐng)參見有關(guān)書

40、籍，這里不做詳細(xì)介紹。 我們利用GUI的可視化界面環(huán)境設(shè)計(jì)了數(shù)字調(diào)制仿真系統(tǒng)界面，并用M文件編寫了相關(guān)控鍵的回調(diào)函數(shù)，最終可操作的界面如圖3.24所示，生成界面的主程序和控件回調(diào)詳見附錄1。 圖3.24 數(shù)字調(diào)制仿真系統(tǒng)操作界面 只要在Matlab命令窗口輸入仿真系統(tǒng)的名稱：ddmod即可進(jìn)入如上圖所示的仿真操作界面。從上圖可以看出，該仿真系統(tǒng)操作界面主要由時(shí)間域波形顯示框、頻率波形顯示框、調(diào)制方式單選項(xiàng)、設(shè)置參數(shù)按鈕、打開模型按鈕、仿真按鈕、關(guān)閉按鈕及包含所要觀察的各環(huán)節(jié)的下拉式菜單等控件組成。通過該操作界面，我們可以使各個(gè)仿真模型及相關(guān)函數(shù)在后臺(tái)運(yùn)行，同時(shí)將我們需要的結(jié)果在界面上顯示出來，使系統(tǒng)的操作方便簡(jiǎn)潔。 另一方面，可以通過“參數(shù)設(shè)置”按鈕對(duì)仿真模型的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以觀察在不同參數(shù)下仿真的結(jié)果， “參數(shù)設(shè)置”對(duì)話框如圖3.25所示， 圖3.25 M-DPSK 如果需要對(duì)更多的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或者需要修改仿真模型的某些模塊，可以通過單擊“打開模型”按鈕來打開所需要的模型。當(dāng)各種參數(shù)設(shè)置好后，可以在下拉式菜單中選擇一個(gè)要觀察的仿真環(huán)節(jié)，然后單擊仿真按鈕就可以在時(shí)間域波形顯示框、頻率波形顯