基于mat-lab的數(shù)字調制系統(tǒng)仿真與分析畢業(yè)論文正文終稿

基于Matlab的數(shù)字調制系統(tǒng)仿真與分析摘要數(shù)字調制是通信系統(tǒng)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，數(shù)字調制技術的改進也是通信系統(tǒng)性能提高的重要途徑。本文首先分析了數(shù)字調制系統(tǒng)的五種基本調制解調方法，然后，運用Matlab及附帶的圖形仿真工具——Simulink設計了這幾種數(shù)字調制方法的仿真模型。通過仿真，觀察了調制解調過程中各環(huán)節(jié)時域和頻域的波形，并結合這幾種調制方法的調制原理，跟蹤分析了各個環(huán)節(jié)對調制性能的影響及仿真模型的可靠性。最后，在仿真的基礎上分析比較了各種調制方法的性能，并通過比較仿真模型與理論計算的性能，證明了仿真模型的可行性。關鍵詞：數(shù)字調制；分析與仿真；Matlab；Simulink；GUI圖形界面。ABSTRACTInthispaper,fiveusualmethodsofdigitalmodulationareintroducedfirstly.ThentheirsimulationmodelsarebuiltbyusingMATLAB’ssimulationtool,SIMULINK.Throughobservingtheresultsofsimulation,thefactorsthataffectthecapabilityofthedigitalmodulationsystemandthereliabilityofthesimulationmodelsareanalyzed.Andthen,thecapabilityofthreedigitalmodulationsimulationmodels,2-FSK,2-DPSKandMSK,havebeencompared,aswellascomparingtheresultsofsimulationandtheory.Keywords:Digitalmodulation;analysis;simulation;MATLAB;SIMULINK.目錄1引言.......................................................11.1數(shù)字調制系統(tǒng)概述.......................................11.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成...................................11.1.2數(shù)字通信系統(tǒng)的特點...................................21.2數(shù)字調制的意義.........................................51.3Matlab在通信系統(tǒng)仿真中的應用..........................62數(shù)字調制系統(tǒng)的相關原理.....................................72.1二進制幅度鍵控(2-ASK)..................................72.2二進制頻移鍵控(2-FSK)..................................72.3二進制相移鍵控(2-PSK)..................................82.4多進制數(shù)字調制.........................................83數(shù)字調制系統(tǒng)的仿真設計.....................................93.1數(shù)字調制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)分析...............................93.1.1仿真框圖...........................................103.1.2信號源仿真及參數(shù)設置...............................113.1.3調制與解調模塊.....................................113.1.4信道...............................................123.2仿真模型的設計及結果分析...............................133.2.12-ASK..............................................133.2.22-FSK..............................................183.2.32-DPSK.............................................223.2.42-MSK..............................................253.2.5M-DPSK.............................................273.3數(shù)字調制的性能比較.....................................303.3.1各種仿真模型的性能比較.............................303.3.2仿真模型性能與理論性能的比較.......................324結論.......................................................33致謝........................................................34參考文獻....................................................35基于Matlab的數(shù)字調制系統(tǒng)仿真與分析1引言1.1數(shù)字調制系統(tǒng)概述數(shù)字載波調制(簡稱數(shù)字調制)與模擬調制沒有本質上的區(qū)別，它是用數(shù)字基帶信號作為原始信號，去控制高頻正弦載波信號的振幅、頻率和相位，相應的有三種基本的調制方式：數(shù)字振幅調制（ASK）、數(shù)字頻率調制（FSK）、數(shù)字相位調制（PSK）。1.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)就是利用數(shù)字信號傳遞消息的通信系統(tǒng)。而數(shù)字信號指的是不僅在時間上是離散的且在幅度上也是離散的信號。數(shù)字通信系統(tǒng)的形式各種各樣，但從數(shù)字通信的特點以及所完成的功能上來看，可把它概括成圖1-1所示的系統(tǒng)模型。圖1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成框圖信源是信息的發(fā)出源，接其性質可分為離散信息源，如電報、數(shù)據(jù)等;另一種是連續(xù)的模擬信息源，如電路等。信宿是信息的歸宿。信源編碼廣義地說包含兩個方面:(1)將輸入信號變換成適合于數(shù)字通信系統(tǒng)處理和傳輸?shù)臄?shù)字信號。如果信源是模擬信號，應首先進行模擬/數(shù)字變換，使經過編碼后的輸出信號成為時間上離散、幅度取值有限，且按一定規(guī)律組合的數(shù)字脈沖串:(2)通過信源編碼提高數(shù)字信號的有效性，盡可能地減少原信號中的多余度，進行壓縮信號的帶寬的編碼，使單位時間、單位系統(tǒng)頻帶上所傳輸?shù)男畔⒘孔畲?這兩個方面是在信源編碼的過程中同時完成的。信源譯碼則是信源編碼的逆過程。加密與解密是為了實現(xiàn)保密通信，通過加密人為地把待傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂。這種編碼可采用周期非常長的偽隨機碼序列等，在接收端根據(jù)己知的解密方法，對接收序列進行解密。信道編解碼主要是為解決可靠性問題而設置的。由于信源編碼后的數(shù)字信號是要通過信道來傳輸，而信號又不可避免地要受到各種噪聲的干擾，因此可能會導致接收端數(shù)字信號的判決錯誤。信道編碼就是采用一種對傳輸?shù)脑夹畔匆欢ㄒ?guī)則人為地加入一些數(shù)據(jù)，在接收端通過信道譯碼以達到自身發(fā)現(xiàn)和糾正誤碼的目的，這種技術稱為“差錯控制技術”。一般來講經信道編碼的二元數(shù)字信號不適合在信道上直接傳輸，調制器的任務是把數(shù)字信號變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男盘?而解調器的過程正好相反。通常對數(shù)字信號的頻帶調制有ASK,FSK和PSK等.調制與解調方式對通信質量的影響比較大，因此應合理選擇。定時同步系統(tǒng)使數(shù)字信號序列按節(jié)拍一步一步地工作，收、發(fā)兩端的節(jié)拍一定要一致，否則將出現(xiàn)混亂。另外發(fā)送的數(shù)字信號序列常常是編組的，收端必須知道這些編組的頭尾，否則就無法恢復原始信息。要保證收、發(fā)兩端的節(jié)拍一致，必須有同步系統(tǒng)的控制。1.1.2數(shù)字通信的特點從數(shù)字通信的過程來看，很容易發(fā)現(xiàn)數(shù)字通信有著許多模擬通信無法比擬的優(yōu)點。(1)抗干擾能力強信號在傳輸過程中不可避免地要受到各種噪聲的干擾。對于模擬信號來說，疊加在信號上的噪聲難以與信號分開。同樣，疊加在數(shù)字信號波形上的噪聲也是難以去掉，但由于數(shù)字通信系統(tǒng)傳送的數(shù)字信號，其信息并不包含在信號脈沖的波形之中，而是包含在脈沖的有無之中，因而只有當噪聲在判決時超過某個范圍，才有可能改變信號的值，產生錯誤判決，造成誤碼。因此，數(shù)字信號比模擬信號的抗干擾能力強，且數(shù)字信號還可進行糾錯編碼，進一步提高其抗干擾能力。由于數(shù)字信號的抗千擾能力強，在類似的信道條件下，數(shù)字通信的傳輸精度比模擬通信高的多。(2)采用再生中繼可實現(xiàn)高質量遠距離傳輸遠距離模擬通信系統(tǒng)中的噪聲是積累的，因而隨著通信距離的增加，傳輸質量也隨之下降。而在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳送的數(shù)字信號大多是二元或三元信號。例如:二元數(shù)字信號只有兩個狀態(tài)“0”和“1"，在傳輸信道中也會受到噪聲干擾，當干擾達到一定程度，進入再生中繼器，再生中繼器中的幅度識別電路對收到的二元波形信號進行判決，這些判決值通過波形形成電路，以沒有噪聲千擾的“純凈”脈沖波形向下一站發(fā)送，這樣就消除了噪聲的千擾。在理想情況下，噪聲可全部清除，不會產生積累。正因為數(shù)字信號可以再生，所以可通過多個再生中繼器實現(xiàn)高質量的遠距離傳輸。(3)靈活性強適應各種業(yè)務要求在數(shù)字通信中，各種消息(電報、電話、圖像和數(shù)據(jù)等)均可變?yōu)榻y(tǒng)一的數(shù)字信號進行傳輸。在系統(tǒng)中對數(shù)字信號傳輸情況的監(jiān)視信號、控制信號及業(yè)務信號均可采用數(shù)字信號。數(shù)字傳輸與數(shù)字交換技術結合起來組成的綜合業(yè)務數(shù)字通信網(ISDN)，對于來自不同信息源的信號自動地進行變換、綜合、傳輸、處理、存儲和分離，實現(xiàn)各種綜合業(yè)務，這給實際應用帶來了極大的方便。(4)便于自動化、智能化由于數(shù)字通信所傳輸?shù)男盘柵c數(shù)字電子計算機所采用的數(shù)字信號完全一致，所以可以方便地與計算機進行接口連接，構成復雜的、遠距離的、大規(guī)模的、靈活多樣的系統(tǒng)，使數(shù)字通信系統(tǒng)趨向于自動化、智能化。(5)易于加密數(shù)字信號可用各種極其復雜規(guī)律的密碼進行加密，只要用簡單的邏輯電路就能實現(xiàn)，從而使通信具有高度的保密性。(6)設備易于集成化、微型化由于數(shù)字通信系統(tǒng)中大都采用數(shù)字電路，數(shù)字電路比模擬電路易于集成化，因此通信設備可以采用中、大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路制成體積小、功耗低、成本低、可靠性高的設備。數(shù)字通信較模擬通信有如此多的優(yōu)點是有代價的。傳輸數(shù)字信號所需帶寬遠比模擬信號的寬。但是隨著寬頻帶傳輸媒質(光纖等)的廣泛使用和頻帶壓縮編碼技術(如ADPCM、矢量編碼、預測編碼等)的日趨成熟和實用化，數(shù)字通信占用頻帶寬的問題己得到解決，不再是數(shù)字通信發(fā)展的一個障礙.另一方面，數(shù)字通信的實現(xiàn)過程要復雜于模擬通信的實現(xiàn)過程，若是沒有集成工藝作基礎，很難在設備的體積、功耗、可靠性和經濟性方面與發(fā)展已十分完美的模擬系統(tǒng)競爭，數(shù)字通信這種通信手段早在20世紀30年代就己提出，但它的真正發(fā)展和使用是從晶體管和集成電路的發(fā)明之后才開始的。特別是現(xiàn)在，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的廣泛使用，使數(shù)字通信得到了突飛猛進的發(fā)展和廣泛的使用。1.2數(shù)字調制的意義數(shù)字調制是指用數(shù)字基帶信號對載波的某些參量進行控制，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)字調制有調幅、調相和調頻三種基本形式，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特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸。為了進行長途傳輸，必須對數(shù)字信號進行載波調制，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)字調制技術。另外，由于數(shù)字通信具有建網靈活，容易采用數(shù)字差錯控制技術和數(shù)字加密，便于集成化，并能夠進入綜合業(yè)務數(shù)字網（ISDN網），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。通過對調制系統(tǒng)的仿真，我們可以更加直觀的了解數(shù)字調制系統(tǒng)的性能及影響性能的因素，從而便于改進系統(tǒng)，獲得更佳的傳輸性能。1.3Matlab在通信系統(tǒng)仿真中的應用隨著通信系統(tǒng)復雜性的增加,傳統(tǒng)的手工分析與電路板試驗等分析設計方法已經不能適應發(fā)展的需要,通信系統(tǒng)計算機模擬仿真技術日益顯示出其巨大的優(yōu)越性.。計算機仿真是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的模型,利用計算機進行實驗研究的一種方法.它具有利用模型進行仿真的一系列優(yōu)點,如費用低,易于進行真實系統(tǒng)難于實現(xiàn)的各種試驗,以及易于實現(xiàn)完全相同條件下的重復試驗等。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、以矩陣為基礎的軟件開發(fā)環(huán)境,它用于科學和工程的計算與可視化。Matlab的編程功能簡單,并且很容易擴展和創(chuàng)造新的命令與函數(shù)。應用Matlab可方便地解決復雜數(shù)值計算問題。Matlab具有強大的Simulink動態(tài)仿真環(huán)境,可以實現(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系統(tǒng);Simulink為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口,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)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。用于實現(xiàn)通信仿真的通信工具包(Communicationtoolbox,通信工具箱)是Matlab語言中的一個科學性工具包,提供通信領域中計算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設計和分析的功能,可以在Matlab環(huán)境下獨立使用,也可以配合Simulink使用。另外，Matlab的圖形界面功能GUI（GraphicalUserInterface）能為仿真系統(tǒng)生成一個人機交互界面，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用，本文也選用該工具對數(shù)字調制系統(tǒng)進行仿真。2數(shù)字調制系統(tǒng)的相關原理數(shù)字調制可以分為二進制調制和多進制調制，多進制調制是二進制調制的推廣，所以本文主要討論二進制的調制與解調，最后簡單討論一下多進制調制中的差分相位鍵控調制（M-DPSK）。最常見的二進制數(shù)字調制方式有二進制振幅鍵控（2-ASK）、移頻鍵控（2-FSK）和移相鍵控（2-PSK和2-DPSK）。下面是這幾種調制方式的相關原理。2.1二進制幅度鍵控（2-ASK）

幅度鍵控可以通過乘法器和開關電路來實現(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如下：

（1）由連續(xù)譜和離散譜兩部分構成；連續(xù)譜由傳號的波形g(t)經線性調制后決定，離散譜由載波分量決定；

（2）已調信號的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。2.2二進制頻移鍵控（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去控制兩個獨立的振蕩源交替輸出。對二進制的頻移鍵控調制方式，其有效帶寬為B=2xF+2Fb,xF是二進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功率譜密度的特點如下：(1)2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分構成,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|f1-f2|≤fs，則出現(xiàn)單峰。2.3二進制相移鍵控（2-PSK）

在相移鍵控中，載波相位受數(shù)字基帶信號的控制，如在二進制基帶信號中為0時，載波相位為0或π，為1時載波相位為π或0。載波相位和基帶信號有一一對應的關系，從而達到調制的目的。2-PSK信號的功率密度有如下特點：(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P＝1/2時，2PSK無離散譜，而2ASK存在離散譜。2.4多進制數(shù)字調制

上面所討論的都是在二進制數(shù)字基帶信號的情況，在實際應用中，我們常常用一種稱為多進制（如4進制，8進制，16進制等）的基帶信號。多進制數(shù)字調制載波參數(shù)有M種不同的取值，多進制數(shù)字調制比二進制數(shù)字調制有兩個突出的優(yōu)點：一是有于多進制數(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。現(xiàn)實中用得最多的一種調制方式是多進制相移鍵控（MPSK）。

多進制相移鍵控又稱為多相制，因為基帶信號有M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、π/2、π、3π/2四種，分別對應四種狀態(tài)11、01、00、10。3數(shù)字調制系統(tǒng)的仿真設計3.1數(shù)字調制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)分析典型的數(shù)字通信系統(tǒng)由信源、編碼解碼、調制解調、信道及信宿等環(huán)節(jié)構成，其框圖如圖3.1所示：數(shù)字調制是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)字調制系統(tǒng)的輸入端是經編碼器編碼后適合在信道中傳輸?shù)幕鶐盘枴?shù)字調制系統(tǒng)進行仿真時，我們并不關心基帶信號的碼型，因此，我們在仿真的時候可以給數(shù)字調制系統(tǒng)直接輸入數(shù)字基帶信號，不用在經過編碼器。圖3.1數(shù)字通信系統(tǒng)框圖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)分析設計和仿真的專業(yè)化模型庫CommTbxLibrary。在這里，整個通信系統(tǒng)的流程被概括為：信號的產生與輸出、編碼與解碼、調制與解調、濾波器以及傳輸介質的模型。在每個設計模塊中還包含有大量的子模塊，它們基本上覆蓋了目前通信系統(tǒng)中所應用到的各種模塊模型。通信系統(tǒng)一般都可以建立數(shù)學模型。根據(jù)所需仿真的通信系統(tǒng)的數(shù)學模型(或數(shù)學表達式)，用戶只要從上述各個模型庫中找出所需的模塊,用鼠標器拖到模型窗口中組合在一起,并設定好各個模塊參數(shù),就可方便地進行動態(tài)仿真.從輸出模塊可實時看到仿真結果,如時域波形圖、頻譜圖等。每次仿真結束后還可以更改各參數(shù),以便觀察仿真結果的變化情況。另外，對Simulink中沒有的模塊，可運用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，以便隨時調用。根據(jù)Simulink提供的仿真模塊，數(shù)字調制系統(tǒng)的仿真可以簡化成如圖3.2所示的模型：圖3.2數(shù)字調制系統(tǒng)仿真框圖3.1.2信號源仿真及參數(shù)設置Simulink通信工具箱中的CommSources/DataSources提供了數(shù)字信號源BernoulliBinaryGenerator，這是一個按Bernoulli分布提供隨機二進制數(shù)字信號的通用信號發(fā)生器。在現(xiàn)實中，對受信者而言，發(fā)送端的信號是不可預測的隨機信號。因此，我們在仿真中可以用BernoulliBinaryGenerator來模擬基帶信號發(fā)生器。其中主要參數(shù)的含義為：Probabilityofazero：產生的信號中0符號的概率，在仿真的時候一般設成0.5，這樣便于頻譜的計算；Initialseed：控制隨機數(shù)產生的參數(shù)，要求不小于30，而且與后面信道中的Initialseed設置不同的值；Sampletime：抽樣時間，這里指一個二進制符號所占的時間，用來控制號發(fā)生的速率，這個參數(shù)必須與后面調制和解調模塊的Symbolperiod保持一致。3.1.3調制與解調模塊Simulink通信工具箱中提供了數(shù)字信號各種調制方式的模塊，如AM、CPM、FM及PM等。雖然不同的調制模塊，參數(shù)設置有所不同，但很多參數(shù)在各種調制中是一致的，下面我們以DPSK調制模塊為例介紹一下調制模塊的參數(shù)及其設置，其余模塊將在下面仿真模型的建立過程中詳細介紹。M-DPSKModulatorPassband和M-DPSKDemodulatorPassband分別是數(shù)字信號DPSK調制和解調的專用模塊，其中主要參數(shù)有：M-arynumber：輸入信號的階次數(shù)，比如2-DPSK就是2階的；Symbolperiod：符號周期，即，一個符號所占的時間，這必須與信號源的Sampletime保持一致；Carrierfrequency：載波頻率；Carrierinitialphase：載波的初始相位；Inputsampletime：輸入信號的抽樣時間；Outputsampletime：輸出信號的抽樣時間。其中，各參數(shù)要滿足以下關系：Symbolperiod>1/(Carrierfrequency)Inputsampletime<1/[2*Carrierfrequency+2/(Symbolperiod)Outputsampletime<1/[2*Carrierfrequency+2/(Symbolperiod)]3.1.4信道在分析通信系統(tǒng)時通常選擇高斯噪聲作為系統(tǒng)的噪聲來考查，因為這種噪聲在現(xiàn)實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：AWGNChanne。仿真時可以用該模塊模擬現(xiàn)實中的信道，該模塊的主要參數(shù)有：Initialseed：控制隨機數(shù)產生的參數(shù)，要求不小于30，且與前面信號源中的Initialseed設置不同的值；Es/No(dB)：信號每個符號的能量與噪聲的功率譜密度的比值；SNR(dB)：信號功率與噪聲功率的比值；注：Es/No(dB)和SNR(dB)是表征信號與噪聲關系的兩種方法，在一次仿真中只能選擇其中一個。3.2仿真模型的設計及結果分析了解了仿真所需的主要模塊后，下一步就是設計和仿真各種數(shù)字調制模型，并對仿真結果在時域和頻域進行分析。3.2.12-ASK通常，二進制振幅鍵控信號（2-ASK）的產生方法（調制方法）有兩種，如圖3.3所示：圖3.32-ASK信號產生的兩種方法2-ASK解調的方法也有兩種相應的接收系統(tǒng)組成方框如圖3.4所示：圖3.42-ASK信號接收系統(tǒng)組成框圖根據(jù)圖3.3（a）所示方框圖產生2-ASK信號，并用圖3.4（b）所示的相干解調法來解調，設計2-ASK仿真模型如圖3.5所示：圖3.52-ASK模型在該模型中，調制和解調使用了同一個載波，目的是為了保證相干解調的同頻同相，雖然這在實際運用中是不可能實現(xiàn)的，但是作為仿真，這樣能獲得更理想的結果。主要模塊參數(shù)設置如下：1.BernoulliBinaryGenerator的參數(shù)設置為：Probabilityofazero：0.5Initialseed：67Sampletime：12.載波頻率設為：50（可調）3.SampleandDecide模塊是一個子系統(tǒng)，其內部結構由抽樣和判決兩部分組成，其中，抽樣由同步沖激信號（Sychronizingsignal）完成，其參數(shù)period（sec）設置和信號源的參數(shù)Sampletime保持一致。判決模塊是一個由M文件編寫的S函數(shù)，S函數(shù)是Simulnk中用以功能擴展的一個功能，用S函數(shù)可以自己編制Simulink庫中沒有的Simulink模塊，從而使Simulink的功能大大加強，本模型中使用的判決模塊就是這樣一個應用。SampleandDecide模塊內部結構如圖3.6所示：圖3.6SampleandDecide子系統(tǒng)內部結構仿真結果時域分析設信息源發(fā)出的是由二進制符號0、1組成的序列，且假定0符號出現(xiàn)的概率為P，1符號出現(xiàn)的概率為1-P，他們彼此獨立。則，2ASK信號的時間表示式為:（3.2.（3.2.）

s(t)為隨機的單極性矩形脈沖序列。將圖3.5中各示波器的值輸出到Workspace中做統(tǒng)一處理，各環(huán)節(jié)波形如圖3.7所示；圖3.72-ASK各環(huán)節(jié)波形示意圖從圖3.7中可以看出，經過調制后的信號波形在符號1持續(xù)時間內是載波的波形，在符號0持續(xù)時間內無波形，這與式（3.2）是完全吻合的。最后經過解調和抽樣判決出來的信號與源信號波形大體一致，只是有兩個碼元的延遲，這說明如果將ErrorRateCalculation的Receivedelay參數(shù)設置為2，則此模型最后的誤碼率為0。這個值與理論值有些出入，原因是我們在仿真時為了便于觀察信號的波形，將信號源發(fā)送的碼元數(shù)設定為20個（碼元速率為1，仿真時間20秒），這大大低于現(xiàn)實中的傳碼率，所以在只傳送20個碼元的情況下，誤碼率為0是可能的。仿真結果頻域分析由于二進制的隨機脈沖序列是一個隨機過程,所以調制后的二進制數(shù)字信號也是一個隨機過程，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信號的中心頻譜被搬移到了載波頻率f上。對圖3.7中各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)做1024點快速傅立葉可得頻域波形，如圖3.8所示：圖3.82-ASK各環(huán)節(jié)頻譜圖從圖3.8中可以看到，源信號中心頻率經調制后搬移到了載波頻率上，這與公式（3.4）是相符的。最后經過抽樣判決后的頻譜與源信號頻譜也大體一致，說明該2-ASK仿真模型是成功的、符合理論的。3.2.22-FSK如果信號源同2-ASK一樣的假設，那么，2-FSK信號便是0符號對應于載波ω1，而1符號則對應于ω2（與ω1不同的另一載波）的已調波形，而且ω1與ω2之間的改變是瞬間完成的。2-FSK信號的產生如3.9所示:圖3.92-FSK信號產生方法2-FSK信號最常用的解調方法是采用的相干檢測法，如圖3.10所示CosωCosω1t相乘器相乘器輸入ω1ω2LPFLPF抽樣脈沖輸出抽樣判決LPFLPFCosω2tosω2tosω2t:圖3.102-FSK相干解調的方法Simulink通信工具箱中提供了專門的FSK調制和解調模塊，應用FSK調制模塊能方便的產生2-FSK信號。因此，設計2-FSK仿真模型時，只需根據(jù)圖3.2所示框圖，利用Simulink通信工具箱中中的FSK調制解調模塊及信號源與信道即可。設計的2-FSK仿真模型如圖3.11圖3.112-FSK仿真模型模型中運用了Simulink工具箱中的現(xiàn)成調制解調模塊和信道模塊，然后用示波器觀察各環(huán)節(jié)波形，最后由誤碼計算儀計算誤碼。重要模塊參數(shù)設置如下：1.信號源參數(shù)設置同2-ASK；2.M-FSKModulatorPassband及M-FSKDemodulatorPassband：根據(jù)公式（3.1）所示的調制解調模塊所滿足的關系，設置參數(shù)如下：M-arynumber：2Symbolperiod(s)：1（與BernoulliBinaryGenerator/Sampletime一致）Frequencyseparation(Hz)：1（可調）Carrierfrequency(Hz)：30（可調）Carrierinitialphase(rad)：0Inputsampletime(s)：1/100Outputsampletime(s)：1/1003.AWGNChannel：Initialseed：120（與BernoulliBinaryGenerator/Initialseed不同）；Mode： SNR（dB）SNR(dB)：10（可調）4.ErrorRateCalculation的參數(shù)設置：Receivedelay：3Outputdata：WorkspaceVariablename：ErrorVec2仿真結果時域分析：根據(jù)上述2-FSK信號產生原理，已調信號的時間表達式可表示為：（3.5）（3.5）由式（3.5）可看出2-FSK信號是由兩個2-ASK信號相加而成的將圖3.11中各示波器的值輸出到Workspace中做統(tǒng)一處理，其中源信號、調制后信號及解調后信號波形如圖3.12所示：（a）源信號波形（b）調制后信號波形（c）解調后信號波形圖3.122-FSK源信號、調制后信號及解調后信號波形由圖3.12可知，調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解調后信號的符號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（3.5）完全相符。另外，源信號波形與解調后信號波形只是在時間上有3個單位的延遲，如果將ErrorRateCalculation的Receivedelay參數(shù)設置為3，則此模型最后的誤碼率為0。原因同2-ASK分析。仿真結果頻域分析改變Frequencyseparation(Hz)和Carrierfrequency(Hz)兩個參數(shù)的值單獨觀察調制后的頻譜，獲得圖3.13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3.132-FSK調制后頻譜對比圖3.13（a）和(b)可知，當兩個載波差值很小時，已調信號的頻譜呈現(xiàn)單峰如（a）圖；當兩個載波差值較大時，已調信號的頻譜呈現(xiàn)雙峰如（b）圖,這與2.2節(jié)中闡述的2-FSK頻譜的特點完全相符。仿真結果的分析說明該2-FSK仿真模型是可行的。3.2.32-DPSK2-PSK和2-DPSK調制的原理是相同的，2-DPSK可以看作是相對碼的2-PSK調制，在仿真數(shù)字調制系統(tǒng)時，我們并不關心基帶信號的碼型，因此，在仿真時去掉了編碼和解碼環(huán)節(jié)，同樣，這里也可將2-PSK和2-DPSK當作同一種調制方式來仿真，因此，我們只仿真2-DPSK。和2-FSK一樣我們也用Simulink通信工具箱提供的現(xiàn)成DPSK調制解調模塊來構建仿真模型，并由M文件編制程序對仿真結果進行統(tǒng)一處理。2-DPSK仿真模型如圖3.14所示：圖3.142-DPSK仿真模型主要模塊參數(shù)設置如下：將信號源的Sampletime設為1/2，仿真觀察40個碼元，調制解調模塊中的Symbolperiod(s)也相應設成1/2，其余參數(shù)可參照2-FSK，兩者參數(shù)類似。仿真結果分析：（3.6）2-DPSK信號的時間表達式為：（3.6）若在某一碼元持續(xù)時間Ts內觀察時，（2.3-1）可以簡寫為：（3.7）2.3-2（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)時域頻域對比圖如圖3.15所示，圖3.152-DPSK各環(huán)節(jié)時域頻域波形從上圖可以看出，調制后的信號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。解調后的時域波形和源信號相比，不僅有一個碼元的延遲，而且第一個碼元由1變成了0，出現(xiàn)了誤碼，由誤碼計算儀的計算數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)在傳送40個碼元的情況下誤碼率為0.025，這是一個理論上和現(xiàn)實中都可以接受的值。將式（3.6）與式（3.2）比較可見，2-ASK和2-DPSK時間表達式形式完全相同，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信號調制后頻譜與圖3.8中的2-ASK信號調制后頻譜比較也可得出相同結論。3.2.42-MSK2-MSK（最小頻移鍵控）是2-FSK信號的改進型，其Simulink仿真模型如圖3.16所示圖3.162-MSK仿真模型主要模塊參數(shù)設置如下：將信號源的Sampletime設為1/2，仿真觀察40個碼元，調制解調模塊中的Symbolperiod(s)也相應設成1/2，其余參數(shù)可參照2-FSK，兩者參數(shù)類似。ErrorRateCalculation的參數(shù)設置：Receivedelay：3仿真結果時域分析：各環(huán)節(jié)時域對比圖如圖3.17所示，圖3.172-MSK各環(huán)節(jié)時域對比圖從上圖可以看出，MSK信號波形的振幅非常穩(wěn)定，而圖3.12中2-FSK信號波形的振幅有些波動。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，解調后的時域波形和源信號相比，除了有5個碼元的延遲外，其信號波形與源信號波形是一致的，這說明2-MSK調制性能較好。仿真結果頻域分析各環(huán)節(jié)頻域對比圖如圖3.18所示圖3.18各環(huán)節(jié)頻域對比圖從上圖可以看出，與其他調制方法相比，MSK信號的頻譜比較緊湊，在主瓣之外，頻譜旁瓣的下降非常迅速。這說明MSK信號的功率主要包含在主瓣之內。因此，MSK信號比較適合在窄帶信道中傳輸，對鄰道的干擾也較小。3.2.5M-DPSKM-DPSK是多進制相對移相鍵控調制，用Simulink構建的M-DPSK仿真系統(tǒng)可一通過改變M的值來選擇調制進制，如2、4、8等，模型如3.19所示，圖3.19M-DPSK仿真模型主要模塊參數(shù)設置如下：信號源選擇RandomIntegerGenerator模塊，因為該模塊可以產生不同進制的數(shù)字基帶信號。該模塊主要參數(shù)為：M-arynumber：4或8（可調）Initialseed：60Sampletime：1/2調制解調模塊的M-arynumber和Symbolperiod與信號源模塊相對應；信道信噪比SNR：30ErrorRateCalculation的參數(shù)設置：Receivedelay：1仿真結果分析：M-DPSK各環(huán)節(jié)時域波形圖如圖3.20所示，（a）4-DPSK源信號波形（b）4-DPSK調制后波形(c)4-DPSK解調后波形（d）8-DPSK源信號（e）8-DPSK調制后波形(b)8-DPSK解調后波形圖3.20M-DPSK各環(huán)節(jié)波形8-DPSK仿真結果由圖3.20可看出，M-DPSK信號由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進制的相位調制。對比源信號與解調后信號波形，發(fā)現(xiàn)解調后波形除了比源信號延遲了一個碼元外，沒有任何差別，這說明在傳送40個碼元，信道信噪比為30的情況下，4-DPSK和8-DPSK的誤碼率為0。但是，當傳送的碼元數(shù)增加到2000個時，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個碼元時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)字調制的性能比較3.3.1各種仿真模型的性能比較數(shù)字調制的方式有很多種，各種調制方式的調制性能也存在差異，因此，我們研究以上仿真模型的性能，并進行比較。調制系統(tǒng)的調制性能是指誤碼率與信道信噪比之間的關系，因此，我們需要連續(xù)改變信道的信噪比，然后獲得相應的誤碼率，在做出兩者的關系曲線。這里我們比較2-FSK、2-DPSK和MSK三種模型的調制性能，因為，2-ASK在現(xiàn)實中用的很少，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，我們對各仿真模型的參數(shù)做如下修改：信號源Sampletime：1/1200；調制和解調模塊Symbolperiod：1/1200Frequencyseparation(Hz)：1000（可調）Carrierfrequency(Hz)：10000（可調）Carrierinitialphase(rad)：0Inputsampletime(s)：1/48000Outputsampletime(s)：1/48000然后在M文件中編寫程序，對各模型的調制性能進行比較，并做出關系曲線。運行程序，得到性能比較的結果如圖3.22所示：圖3.222-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個碼元的情況下，誤碼率與信噪比的關系曲線，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)理論計算，2-FSK的誤碼率Pe與信道信噪比r關系為：（3.8）（3.8）式中erfc（x）=是補誤差函數(shù)。根據(jù)式（3.8）及2-FSK模型編寫Matlab比較程序，運行程序得到如圖3.23所示的比較結果：圖3.232-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，星點則是運行2-FSK模型得到的，從圖中可以看出，兩者的變化趨勢是一致的，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。4結論數(shù)字調制技術的發(fā)展日新月異，如今在現(xiàn)實中應用的數(shù)字調制系統(tǒng)大部分是經過改進的，性能較好的系統(tǒng)，但是，作為理論發(fā)展最成熟的調制方式，ASK，F(xiàn)SK，PSK等的研究仍然具有很重大的意義，因此，我們選擇了這幾種調制方式做仿真研究。仿真這幾種理論已經很成熟的數(shù)字調制方式，一方面，可以更容易將仿真結果與成熟的理論進行比較，從而驗證仿真的合理性；另一方面，也可以以此為基礎將仿真系統(tǒng)進行改進擴展，使其成為仿真更多的數(shù)字調制方式的模板。另外，如圖3.1所示，數(shù)字調制系統(tǒng)只是通信系統(tǒng)的一個重要組成部分，因此，我們所設計的數(shù)字調制仿真系統(tǒng)也可以擴展成通信系統(tǒng)的仿真。這種擴展只需在輸入端與調制器間增加一些數(shù)字基帶處理模塊，如信源編碼、加密、信道編碼等，在解調后增加相應的解碼解密器即可。這套數(shù)字調制仿真系統(tǒng)還可以作為通信原理課程的課堂演示工具，使通信原理課程變得生動易懂。本系統(tǒng)可以編譯成可執(zhí)行文件，脫離Matlab環(huán)境運行，這樣該仿真系統(tǒng)的應用將更加廣泛。致謝本人在分析設計數(shù)字調制仿真系統(tǒng)及撰寫論文期間，得到了很多老師和同學的幫助，在這里我首先要感謝的是我的指導老師。在畢業(yè)設計的整個過程中，在理論知識、工作任務、工作方向和進度安排等方面給了我大量的指導和幫助，使我的畢業(yè)設計能順利進行，并按時完成預計任務。同時，我還要感謝大學四年里幫助我的各位老師，從他們身上，我不僅學到了理論知識，還學到了一絲不茍、嚴謹治學的科學態(tài)度。另外，在畢業(yè)設計過程中，同學和我一起解決了很多設計中遇到的難題，還有通信工程專業(yè)的其他同學也在各方面給了我很大的幫助，在這里，我對他們表示感謝，并衷心希望他們都能順利完成學業(yè)。

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