數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸系統(tǒng)的仿真分析

西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文摘要本文首先介紹了通訊的歷史和發(fā)展，隨后介紹了數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制和多進(jìn)制對(duì)載波的幅度、頻率或相位進(jìn)行調(diào)制，并以幅度鍵控（ASK）為例利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)對(duì)調(diào)制解調(diào)的原理、過程以及特點(diǎn)進(jìn)行深入了解以及各種模擬調(diào)制方式性能的比較。對(duì)于不同的調(diào)制解調(diào)方式，讓它們處于高斯白噪聲或者隨機(jī)環(huán)境下，對(duì)它們的信噪比、增益、誤碼率等進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)歸納出各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用。關(guān)鍵字：二進(jìn)制，多進(jìn)制，MATLAB，Simulink，高斯白噪聲

ABSTRACTInthispaper,wefirstintroducethehistoryanddevelopmentofcommunication,thenintroducesthedigitalsignalofbinaryandM-arythecarrieramplitude,frequency,orphasemodulation,andamplitudeshiftcontrol(ask)forexampletousetheintegratedenvironmentofMATLABSimulinksimulationplatformofmodulationanddemodulationprinciple,processandcharacteristicsofthedeepunderstandingandvariousmodulationperformancesimulation.Fordifferentmodulationanddemodulation,letthemunderGaussianwhitenoiseorrandomenvironment,theirsignaltonoiseratio,gainandbiterrorrate(BER)arecomparedandanalyzed,summeduptheirrespectiveadvantagesanddisadvantagesaswellasapplication.Keywords:binary,multiband,MATLAB,Simulink,Gausswhitenoise

目錄摘要 其中：

（2-1）Ts用來表示二進(jìn)制基帶信號(hào)的時(shí)間間隔，g(t)用來代表持續(xù)時(shí)間Ts的矩形脈沖：

那么二進(jìn)制幅度鍵控信號(hào)可表示為：

（2-2）二進(jìn)制幅度鍵控信號(hào)時(shí)間波型如圖2.1所示：圖2.12ASK信號(hào)時(shí)域波形2.1.1.12ASK的調(diào)制2ASK的產(chǎn)生方法主要有兩種。第一種，可以把2ASK信號(hào)當(dāng)做載波與S(t)二者的乘積，因此對(duì)其進(jìn)行調(diào)制的時(shí)候需要采用模擬乘法器，即“乘積法”。第二種，2ASK信號(hào)的傳播與載波的通斷有直接的聯(lián)系，也就是說可以用模擬開關(guān)控制載波通斷，此時(shí)二進(jìn)制序列S(t)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)：S(t)=1時(shí)開關(guān)導(dǎo)通，S(t)=0時(shí)開關(guān)截止，即“通—斷鍵控法”。圖2.2為“乘積法”的原理圖，圖2.3為“通—斷鍵控法”的原理圖。圖2.22ASK調(diào)制乘積法圖2.32ASK調(diào)制通斷鍵控法2.1.1.22ASK的解調(diào)由圖2.1可以知道，2ASK是一種100%的AM調(diào)制信號(hào)，信號(hào)解調(diào)方法有兩種：1包絡(luò)檢波法2相干檢測(cè)法。下圖2.4、圖2.5分別展示了包絡(luò)檢波法和相干檢測(cè)法的解調(diào)原理【3】：圖2.42ASK信號(hào)包絡(luò)檢波法解調(diào)原理框圖圖2.52ASK信號(hào)相干檢測(cè)法解調(diào)原理框圖2.1.2頻移鍵控（2FSK）數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控（FSK），二進(jìn)制頻移鍵控記作2FSK。數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來傳送數(shù)字信息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。頻移鍵控通過完全不一樣的兩個(gè)頻率F1、F2產(chǎn)生的振蕩源來體現(xiàn)信號(hào)1和0，然后用1和0去控制兩個(gè)獨(dú)立的振蕩源的交替輸出，其波形如圖2.6所示。圖2.6圖2.72FSK信號(hào)的產(chǎn)生原理框圖模擬調(diào)頻法（b）鍵控法2.1.2.12FSK的調(diào)制2FSK主要是通過鍵控法來進(jìn)行調(diào)頻，鍵控法的主要原理就是利用矩形脈沖序列的開關(guān)電路根據(jù)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源來進(jìn)行選通，2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法及波形示例如圖2.8所示。其中s(t)代表信息的二進(jìn)制矩形脈沖序列，即是2FSK信號(hào)。圖2.82FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法及波形示例2.1.2.22FSK的解調(diào)數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法很多，如包絡(luò)檢波法、相干檢測(cè)法、過零檢測(cè)法、差分檢測(cè)法、鑒頻法等。（1）包絡(luò)檢波法這種方法則可以看作是2路2ASK對(duì)電路的解調(diào)，如下圖2.9所示：圖2.92FSK信號(hào)包絡(luò)檢波方框圖其中、代表上下兩支路，上支路對(duì)應(yīng)，下支路對(duì)應(yīng)，s(t)及指的是包絡(luò)，指的是經(jīng)過包絡(luò)檢測(cè)之后抽取的包絡(luò)抽樣值，判決準(zhǔn)則通過的值來決定即：（2-3）（2）相干檢測(cè)法相干檢測(cè)的具體解調(diào)電路是同步檢波器，如下圖2.10所示：圖2.102FSK同步檢測(cè)方框圖除了上述兩種方法，過零檢測(cè)法、差分檢測(cè)法、鑒頻法等也被廣泛應(yīng)用。2.1.3相移鍵控（2PSK）數(shù)字相位調(diào)制又稱相移鍵控（PSK），是利用高頻載波相位的變化來傳送數(shù)字信息的，二進(jìn)制相移鍵控記作（2PSK）。在2PSK中，初始相位0和p用來代表二進(jìn)制“1”和“0”，如圖2.11所示。因此，2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為:（2-4）式中，jn表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位：圖2.11000010t1Ts（2-5）2.1.3.12PSK的調(diào)制模擬調(diào)制的方法，如圖2.12所示：乘法器乘法器)(2tSPSK雙極性不歸零t0cos)(tf碼型變換單/雙圖2.12鍵控法如圖2.13ttccos)(tf)(2tSPSK開關(guān)電路移相01800圖2.132.1.3.22PSK的解調(diào)因?yàn)榘l(fā)”0”或”1”的時(shí)候,其采用相位變化攜帶信息，故2PSK只能采用相干解調(diào),。如圖2.14所示：帶通帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時(shí)脈沖輸出)(2tSPSKtccosabcde00101Ttabcd0tttte00110圖2.142.2數(shù)字信號(hào)的多進(jìn)制調(diào)制多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，就是一數(shù)字基帶信號(hào)去調(diào)制高頻載波的幅度、相位、頻率的過程。因此，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可以分為多進(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）。2.2.1MASK的調(diào)制多進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制（MASK）是二進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制方式的推廣。進(jìn)制幅度調(diào)制信號(hào)的載波振幅有種取值，在一個(gè)碼元期間內(nèi)，發(fā)送其中的一種幅度的載波信號(hào)。MASK已調(diào)信號(hào)的表示式為：

（2-6）這里，為進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)（2-7）式中，是高度為1、寬度為的門函數(shù)；有種取值

2.2.2MFSK的調(diào)制多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制（MFSK）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2.15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2.15

多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)的組成方框圖2.2.3MPSK的調(diào)制

多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制是二相制的推廣。通過利用載波的多種不同相位狀態(tài)來表征數(shù)字信息。MPSK也有絕對(duì)相位調(diào)制(MPSK)和相對(duì)相位調(diào)制（MDPSK）兩種。

設(shè)載波為，則MPSK信號(hào)可表示為

（2-8）式中，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

（2-9）且（5-114）

由于一般都是在范圍內(nèi)等間隔劃分相位的，因此相鄰相移的差值為

（2-10）令

這樣式（2-8）變?yōu)?/p>

（2-11）

這里

（2-12）

（2-13）其相關(guān)矢量圖如圖2.16所示

圖2.16

相位配置矢量圖在M進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制中，四進(jìn)制絕對(duì)移相鍵控（4PSK，又稱QPSK）和四進(jìn)制差分相位鍵控（4DPSK又稱QDPSK）用得最為廣泛。QPSK利用載波的四種不同相位來表征數(shù)字信息。由于每一種載波相位代表兩個(gè)比特信息，故每個(gè)四進(jìn)制碼元又稱為雙比特碼元，習(xí)慣上把雙比特的前一位用a代表，后一位用b代表。常用的產(chǎn)生方法有：直接調(diào)相法及相位選擇法，如下圖2.17和2.18所示。圖2.17

相位選擇法產(chǎn)生4PSK信號(hào)（B方式）方框圖圖2.18

直接調(diào)相法產(chǎn)生4PSK信號(hào)方框圖QPSK通常通過極性比較法進(jìn)行解調(diào)，如圖2.19所示：

圖2.19

4PSK信號(hào)的相干解調(diào)第3章仿真及結(jié)果分析本章節(jié)主要以ASK為例研究其在MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)下進(jìn)行的仿真及結(jié)果分析。3.1ASK調(diào)制與解調(diào)該仿真系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程可解釋為：首先利用相乘器將信號(hào)源的輸出信號(hào)與再通進(jìn)行乘法計(jì)算，在接收端將濾波器帶通實(shí)現(xiàn)與載波再次相乘，然后信號(hào)通過低通濾波器、抽樣判決器，最后通過示波器顯示波形，用誤碼器觀察誤碼率[5]。ASK調(diào)制與解調(diào)仿真電路如下圖3.1:圖3.1ASK調(diào)制與解調(diào)仿真電路將信號(hào)源的碼數(shù)率設(shè)為1B/S,即頻率為1Hz。參數(shù)設(shè)置如圖3.2所示：圖3.2信號(hào)源參數(shù)設(shè)置在該系統(tǒng)中，設(shè)置載波參數(shù)時(shí)，因?yàn)檩d波頻率要大于信號(hào)源頻率，故信號(hào)源頻率1Hz的話，那么載波頻率設(shè)置為6Hz，頻率的單位是rad/sec，所以即為12*pi，載波信號(hào)參數(shù)如圖3.3所示：圖3.3載波信號(hào)參數(shù)設(shè)置：低通濾波器的信號(hào)源的頻率與頻帶邊緣頻率相同，在前面設(shè)置中信號(hào)源頻率為1Hz，故對(duì)話框中“Passbandedgefrequency(rads/sec)：”中應(yīng)填寫“2*pi”。圖3.4低通濾波器參數(shù)設(shè)置對(duì)2ASK仿真系統(tǒng)而言，接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度影響判決器的最佳判決門限a/2(當(dāng)P(1)=P(0)時(shí))，當(dāng)其發(fā)生變化時(shí)，最佳判決門限也將隨之變動(dòng)。抽樣判決器參數(shù)設(shè)置如圖3-5所示：圖3.5抽樣判決器的參數(shù)設(shè)置量化器抽樣頻率與信號(hào)源頻率相同。前面已經(jīng)設(shè)置信號(hào)源頻率為1Hz，即抽樣頻率為1Hz。量化器參數(shù)設(shè)置如圖3.6所示：圖3.6量化器參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真后，由結(jié)果可以知道存在1比特的時(shí)延，故誤碼器的可接納時(shí)延為1比特。其參數(shù)設(shè)置如圖3.7所示：圖3.7誤碼器的參數(shù)設(shè)置經(jīng)過誤碼器的1比特時(shí)延后，其誤碼率為0，結(jié)果正確。如圖3.8所示：圖3.8誤碼率的查看按照ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出的各個(gè)波形，如下圖3.9所示，第一路為信號(hào)源模塊波形圖，第二路為ASK調(diào)制后波形圖，第三路為調(diào)制信號(hào)與載波相乘后波形圖，第四路為經(jīng)過低通濾波器后波形圖，第五路為ASK解調(diào)波形圖。圖3.9各點(diǎn)信號(hào)的波形3.2加入高斯白噪聲后的ASK調(diào)制與解調(diào)在ASK調(diào)節(jié)解調(diào)仿真系統(tǒng)中加入高斯白噪聲后，可以將過程描述為：信號(hào)源的輸出信號(hào)與載波在相乘器中進(jìn)行相乘計(jì)算后，進(jìn)入增加高斯白噪聲（AWGN）的信道中進(jìn)行傳輸。在接收端將濾波器帶通實(shí)現(xiàn)與載波再次相乘，然后信號(hào)通過低通濾波器、抽樣判決器，最后通過示波器顯示波形，用誤碼器觀察誤碼率。如圖3.10所示：圖3.10ASK調(diào)制與解調(diào)中加入高斯白噪聲仿真圖高斯白噪聲的抽樣時(shí)間設(shè)置為0.01，如圖3.11所示：圖3.11高斯白噪聲的參數(shù)設(shè)置帶通濾波器的上頻應(yīng)該等于載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率之和，下頻應(yīng)該等于載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率之差。由前面的設(shè)置可以知道信號(hào)源頻率為1Hz，載波頻率為6Hz,經(jīng)過計(jì)算可以得出上截止頻率為7Hz，下截止頻率為5Hz，轉(zhuǎn)換成以rads/sec為單位即為14*pi、10*pi。所以“Lowerpassbandedgefrequency(rads/sec)Upperpassbandedgefrequency(rads/sec)”應(yīng)填“10*pi、14*pi”。參數(shù)設(shè)置如圖3.12所示：圖3.12帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行仿真，由輸出結(jié)果可以知道，調(diào)制解調(diào)獲得成功，但是存在0.01秒的時(shí)延，也就是說信號(hào)時(shí)延了2比特，故無碼器的可接納時(shí)延為2比特。其參數(shù)設(shè)置如圖3.13所示：圖3.13誤碼器的參數(shù)設(shè)置經(jīng)過誤碼器的2比特時(shí)延后，其誤碼率為0。如圖3.14所示：圖3.14誤碼率的查看按照ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出的各個(gè)波形，如下圖3.9所示，第一路為信號(hào)源模塊波形圖，第二路為ASK調(diào)制后的波形圖，第三路為加入高斯白噪聲后的波形圖，第四路為經(jīng)過帶通濾波器后的波形圖，第五路為經(jīng)過帶通濾波器后與載波相乘后的波形圖，第六路為經(jīng)過低通濾波器后的波形圖，第七路為ASK解調(diào)后的波形圖。雖然加入高斯白噪聲后，波形失真，解調(diào)也有誤碼存在，但是節(jié)本能夠符合設(shè)計(jì)的要求。如圖3.15所示：圖3.15各點(diǎn)信號(hào)的波形3.3誤碼率的計(jì)算現(xiàn)如今誤碼率已經(jīng)成為衡量一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在加入高斯白噪音干擾的信道中，調(diào)節(jié)器輸入信噪比決定這個(gè)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率。與此同時(shí)誤碼率表現(xiàn)的形式取決于解調(diào)方式。ASK調(diào)制與解調(diào)中計(jì)算誤碼率仿真圖如圖3.16所示：圖3.16ASK調(diào)制與解調(diào)中計(jì)算誤碼率仿真圖在繪制信噪比-誤碼率關(guān)系曲線圖之前，先將源程序創(chuàng)建M文件，將仿真圖及M文件放入MATLAB軟件的work文件夾下，并重新設(shè)置高斯噪聲和誤碼器模型參數(shù)。高斯白噪聲的“Variance（vectorormatrix）”應(yīng)該設(shè)置為“var”。如圖3.17所示圖3.17高斯白噪聲的參數(shù)設(shè)置誤碼器“Outputdata”應(yīng)該設(shè)置為“workspace”。如圖3.18所示：圖3.18誤碼器的參數(shù)設(shè)置二進(jìn)制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的調(diào)制方式，即誤碼率與信號(hào)形式，與噪聲的統(tǒng)計(jì)特性,解調(diào)及譯碼判決方式有關(guān)。[8]。參考文獻(xiàn)[1] 張圣勤.MATLAB7.0實(shí)用教程.北京：機(jī)械工程出版社，2006[2]桑林，郝建軍，劉丹譜.數(shù)字通信.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007[3]樊昌信，曹麗娜.通信原理.北京：國防工業(yè)出版社，2009[4]徐遠(yuǎn)明.MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005[5]邵玉斌，Matlab/Simulink通信原理建模與仿真實(shí)例分析，清華大學(xué)出版社，2008[6]吳偉鈴，龐沁華，通信原理，北京郵電大學(xué)出版社，2005[7]苗云長等主編，現(xiàn)代通信原理及應(yīng)用。電子工業(yè)出版社，2005[8]曹志剛，錢亞生，現(xiàn)代通信原理，清華大學(xué)出版社，1992[9]ITU-TRecommendation:Q400系列致謝通過幾個(gè)月的奮戰(zhàn)，論文終于完成。在這幾個(gè)月的時(shí)間里，我學(xué)會(huì)了如何更好更多地利用自己手邊的資源來幫助自己完成知識(shí)的總結(jié)，我經(jīng)常穿梭于圖書館、書店中和網(wǎng)上搜索相關(guān)資料，大大的彌補(bǔ)了自己之前知識(shí)的嚴(yán)重匱乏，并學(xué)會(huì)將這些年所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中去。在完成論文的同時(shí)，特別感謝耐心指導(dǎo)過我的老師，在我迷茫的時(shí)候，老師耐心指導(dǎo)，指明方向，讓我在迷霧中豁然開朗，還有幫助過我的同學(xué)，在自己也需要完成論文的情況下，卻依然對(duì)我伸出援助之手，再次感謝！目錄TOC\o"1-2"\h\u253321總論 1311911.1項(xiàng)目概況 1317891.2建設(shè)單位概況 3162241.3項(xiàng)目提出的理由與過程 3311231.4可行性研究報(bào)告編制依據(jù) 4225921.5可行性研究報(bào)告編制原則 426521.6可行性研究范圍 5265791.7結(jié)論與建議 665262項(xiàng)目建設(shè)背景和必要性 9302042.1項(xiàng)目區(qū)基本狀況 9237942.2項(xiàng)目背景 11327472.3項(xiàng)目建設(shè)的必要性 11265903市場(chǎng)分析 14297233.1物流園區(qū)的發(fā)展概況 1479553.2市場(chǎng)供求現(xiàn)狀 1669963.3目標(biāo)市場(chǎng)定位 17108883.4市場(chǎng)競爭力分析

17160544項(xiàng)目選址和建設(shè)條件 1950564.1選址原則 1969314.2項(xiàng)目選址 19544.3場(chǎng)址所在位置現(xiàn)狀 19297334.4建設(shè)條件 20123545主要功能和建設(shè)規(guī)模 22282555.1主要功能 22281835.2建設(shè)規(guī)模及內(nèi)容 26195696工程建設(shè)方案 27137726.1設(shè)計(jì)依據(jù) 27219396.2物流空間布局的要求 27262516.3空間布局原則 2853886.4總體布局 2936766.5工程建設(shè)方案 30235856.6給水工程 33115596.7排水工程 3553126.8電力工程 38288986.9供熱工程 46314656.10電訊工程 47153607工藝技術(shù)和設(shè)備方案 51276227.1物流技術(shù)方案 5142607.2制冷工藝技術(shù)方案 6769868節(jié)能方案分析 7336228.1節(jié)能依據(jù) 73176248.2能耗指標(biāo)分析 73235218.3主要耗能指標(biāo)計(jì)算 74272888.4節(jié)能措施和節(jié)能效果分析 76295509環(huán)境影響評(píng)價(jià) 83267939.1設(shè)計(jì)依據(jù) 8335089.2環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)堅(jiān)持的原則 83134559.3項(xiàng)目位置環(huán)境現(xiàn)狀 84208539.4項(xiàng)目建設(shè)與運(yùn)營對(duì)環(huán)境的影響 8430919.5項(xiàng)目建設(shè)期環(huán)境保護(hù)措施 8459489.6項(xiàng)目運(yùn)行期環(huán)境保護(hù)措施 861431110安全與消防 873017710.1安全措施 872680010.2消防 88921011組織機(jī)構(gòu)和人力資源配置 921053611.1施工組織機(jī)構(gòu) 922404211.2基建項(xiàng)目部的主要職責(zé) 923031711.3運(yùn)營管理 931573811.4人員來源、要求及培訓(xùn) 942246412工程進(jìn)度安排 96591412.1建設(shè)工期 9622