基于simulink的數(shù)字調制解調仿真與設計

目錄TOC\o"1-3"\h\u數(shù)字信號的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸，在實際應用中，大多數(shù)信道具有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號。為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號對載波進行調制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號的過程稱為數(shù)字調制。通常使用鍵控法來實現(xiàn)數(shù)字調制，比方對載波的振幅、頻率和相位進行鍵控。其次，還有4PSK、16QAM等調制方式。Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平臺的著名仿真環(huán)境Simulink作為一種專業(yè)和功能強大且操作簡單的仿真工具，目前已被越來越多的工程技術人員所青睞，它搭建積木式的建模仿真方式既簡單又直觀，而且已經在各個領域得到了廣泛的應用。本文主要是以simulink為根底平臺，對2ASK、2FSK、2PSK以及QPSK信號的仿真。文章第一章內容是對simulink的簡單介紹和說明；第二章是對通信原理系統(tǒng)通信技術的未來展望和開展前景的簡單介紹以及對數(shù)字傳輸系統(tǒng)的分析與介紹；第三章是對2ASK、2FSK和2PSK以及QPSK信號調制及解調原理與仿真的詳細說明，調制和解調都是simulink建模的的方法，在解調局部各信號都是采用相干解調的方法；第四章是對本次課程設計的總結與體會。Matlab/Simulink1.1Matlab/Simulink的簡介2.1通信技術的歷史和開展2.1.1通信的概念通信就是克服距離上的障礙，從一地向另一地傳遞和交換消息。消息是信息源所產生的，是信息的物理表現(xiàn)，例如，語音、文字、數(shù)據(jù)、圖形和圖像等都是消息(Message)。消息有模擬消息〔如語音、圖像等〕以及數(shù)字消息〔如數(shù)據(jù)、文字等〕之分。所有消息必須在轉換成電信號〔通常簡稱為信號〕后才能在通信系統(tǒng)中傳輸。所以，信號〔Signal〕是傳輸消息的手段，信號是消息的物質載體。相應的信號可分為模擬信號和數(shù)字信號，模擬信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是連續(xù)的，如機、電視攝像機輸出的信號就是模擬信號。數(shù)字信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是離散的，如電船傳機、計算機等各種數(shù)字終端設備輸出的信號就是數(shù)字信號。通信的目的是傳遞消息，但對受信者有用的是消息中包含的有效內容，也即信息(Information)。消息是具體的、外表的，而信息是抽象的、本質的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量來度量。通信技術，特別是數(shù)字通信技術近年來開展非常迅速，它的應用越來越廣泛。通信從本質上來講就是實現(xiàn)信息傳遞功能的一門科學技術，它要將大量有用的信息無失真，高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。當今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有儲存、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學技術的一個重要組成局部。通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術設備和傳輸媒質的總和，包括信息源、發(fā)送設備、信道、接收設備和信宿(受信者)，它的一般模型如圖2-1-1所示?！鼒D2-1-1通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)可分為數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖2-1-2所示?！鼒D2-1-2數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖2-1-3所示。↑圖2-1-3模擬通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)較模擬通信系統(tǒng)而言，具有抗干擾能力強、便于加密、易于實現(xiàn)集成化、便于與計算機連接等優(yōu)點。2.2數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中，為了使數(shù)字基帶信號能夠在信道中傳輸，要求信道應具有低通形式的傳輸特性。然而，在實際信道中，大多數(shù)信道具有帶通傳輸特性，數(shù)字基帶信號不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸。必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調制，產生各種已調數(shù)字信號。圖2-2-1數(shù)字調制系統(tǒng)的根本結構數(shù)字調制與模擬調制原理是相同的，一般可以采用模擬調制的方法實現(xiàn)數(shù)字調制。但是，數(shù)字基帶信號具有與模擬基帶信號不同的特點，其取值是有限的離散狀態(tài)。3.1二進制振幅鍵控(2ASK)3.1.1二進制振幅鍵控(2ASK)的原理振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號而變化的數(shù)字調制。當數(shù)字基帶信號為二進制時，那么為二進制振幅鍵控。設發(fā)送的二進制符號序列由0，1序列組成，發(fā)送0符號的概率為P，發(fā)送1符號的概率為1-P，且相互獨立。該二進制符號序列可表示為：〔3-1-1〕

其中：〔3-1-2〕Ts是二進制基帶信號時間間隔,g(t)是持續(xù)時間為Ts的矩形脈沖：〔3-1-3〕那么二進制振幅鍵控信號可表示為：

〔3-1-4〕二進制振幅鍵控信號時間波型如圖3-1-1所示。由圖4-1可以看出2ASK信號的時間波形e2ASK(t)隨二進制基帶信號s(t)通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號(OOK信號).。二進制振幅鍵控信號的產生方法如圖3-1-2所示，圖(a)是采用模擬相乘的方法實現(xiàn)，圖(b)是采用數(shù)字鍵控的方法實現(xiàn)。由圖3-1-1可以看出2ASK信號與模擬調制中的AM信號類似。所以,對2ASK信號也能夠采用非相干解調(包絡檢波法)和相干解調(同步檢測法)，其相應原理方框圖如圖3-1-3所示。2ASK信號非相干解調過程的時間波形如圖3-1-4所示。圖3-1-1二進制振幅鍵控信號時間波型圖3-1-2二進制振幅鍵控信號調制器原理框圖圖3-1-3二進制振幅鍵控信號解調器原理框圖圖3-1-4二進制振幅鍵控信號時間波型3.1.22ASK基于simulink的調制與解調仿真設計1.調制仿真〔1〕建立模型方框圖2ASK信號調制的模型方框圖由DSP模塊中的sinwave信號源、方波信號源、相乘器等模塊組成，Simulink模型圖如下所示：圖3-1-52ASK信號調制的模型方框圖其中正弦信號是載波信號，方波代表S(t)序列的信號塬，正弦信號和方波相乘后就得到鍵控2ASK信號?！?〕參數(shù)設置建立好模型之后就要設置系統(tǒng)參數(shù)，以到達系統(tǒng)的最正確仿真。從正弦信號源開始依次的仿真參數(shù)設置如下：圖3-1-6正弦信號參數(shù)設置其中sin函數(shù)是幅度為2頻率為1Hz采樣周期為0.002的雙精度DSP信號。圖3-1-7方波信號源的參數(shù)設置方波信號是基于采樣的，其幅度設置為2，周期為3，占1比為2/3。〔3〕系統(tǒng)仿真及各點波形圖經過上面參數(shù)的設置后，就可以進行系統(tǒng)的仿真下面是示波器顯示的各點的波形圖：圖3-1-8各點的時間波形圖由上圖可以看出信息源和載波信號相乘之后就產生了受幅度控制的2ASK信號。2.解調仿真2ASK的解調分為相干解調和非相干解調法，采用相干解調法對2ASK信號進行解調。(1)建立simulink模型方框圖相干解調也叫同步解調，就是用已調信號恢復出載波——既同步載波。再用載波和已調信號相乘，經過低通濾波器和抽樣判決器恢復出S(t)信號，simulink模型圖如下：圖3-1-92ASK相干解調的simulink模型方框圖〔2〕參數(shù)設置由于低通濾波器是濾去高頻的載波，所以為了使已調信號的頻譜有明顯的搬移，就要使載波和信息源的頻率有明顯的差異，在此直接使用原載波信號作為同步載波信號。下面是低通濾波器的參數(shù)設置：圖3-1-10低通濾波器的參數(shù)設置圖圖3-1-112ASK信號解調的各點時間波形圖〔3〕系統(tǒng)仿真及各點時間波形圖由圖3-1-11可以看出由于載波頻率的提高使的示波器在波形顯示上出現(xiàn)了一定的困難，不過要想顯示調制局部的理想波形只要調整示波器的顯示范圍即可?！?〕誤碼率分析由于在解調過程中沒有信道和噪聲，所以誤碼率相對較小，一般是由于碼間串擾或是參數(shù)設置的問題，由3-1-11圖可以看出此系統(tǒng)的誤碼率為0.3636。3.2二進制頻移鍵控(2FSK)3.2.1二進制頻移鍵控(2FSK)的原理在二進制數(shù)字調制中，假設正弦載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化，那么產生二進制頻移鍵控信號(2FSK信號)。二進制頻移鍵控信號的時間波形如圖4-2-1所示，圖中波形g可分解為波形e和波形f，即二進制頻移鍵控信號可以看成是兩個不同載波的二進制振幅鍵控信號的疊加。假設二進制基帶信號的1符號對應于載波頻率f1，0符號對應于載波頻率f2，那么二進制頻移鍵控信號的時域表達式為：〔3-2-1〕〔3-2-2〕〔3-2-3〕圖3-2-1二進制移頻鍵控信號的時間波形由圖3-2-1可看出bn是an的反碼,即假設an=1,那么=0,假設an=0,那么bn=1,于是bn=，θn和分別代表第n個信號碼元的初始相位.在二進制頻移鍵控信號中,和θn不攜帶信息,通常可令和θn為零.因此,二進制頻移鍵控信號的時域表達式可簡化為

〔3-2-4〕二進制頻移鍵控信號的產生,可以采用模擬調頻電路來實現(xiàn)，也可以采用數(shù)字鍵控的方法來實現(xiàn)。圖3-2-2是數(shù)字鍵控法實現(xiàn)二進制頻移鍵控信號的原理圖。二進制頻移鍵控信號的解調方法很多，有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測法,有非相干解調方法也有相干解調方法。采用非相干解調和相干解調兩種方法的原理圖如圖3-2-3所示，非相干解調過程的時間波形如圖3-2-4所示。圖3-2-2二進制移頻鍵控信號解調器原理圖圖3-2-3非相干解調和相干解調兩種方法的原理圖圖3-2-42FSK非相干解調過程的時間波形2FSK的調制與解調仿真1．調制仿真2FSK信號是由頻率分別為f1和f2的兩個載波對信號源進行頻率上的控制而形成的，其中f1和f2是兩個頻率有明顯差異的且都遠大于信號源頻率的載波信號，2FSK信號產生的simulink仿真模型圖如下所示：圖3-2-52FSK信號的simulink模型方框圖其中sinwave和sinwave1是兩個頻率分別為f1和f2的載波，PulseGenerator模塊是信號源，NOT實現(xiàn)方波的反相，最后經過相乘器和相加器生成2FSK信號，各參數(shù)設置如下：載波f1的參設：其中幅度為2，f1=1Hz，采樣時間為0.002s，在此選擇載波為單精度信號。圖3-2-6載波sinwave的參數(shù)設置圖3-2-7載波sinwave1的參數(shù)設置f2的參數(shù)設置如圖3-2-7所示。其中載波是幅度為2，f2=2,采樣時間為0.002s的單精度信號。本來信號源s(t)序列是用隨機的0和1信號產生，在此為了方便仿真就選擇了基于采樣的PulseGenerator信號模塊其參數(shù)設置如下：圖3-2-8PulseGenerator信號模塊參數(shù)設置其中方波是幅度為1，周期為3，占1比為1/3的基于采樣的信號。圖3-2-92FSK信號調制各點的時間波形經過以上參數(shù)的設置后就可以進行系統(tǒng)的仿真，其各點的時間波形如圖3-2-9所示?？梢钥闯鼋涍^f1和f2兩個載波的調制，2FSK信號有明顯的頻率上的差異。2．解調仿真解調方框圖如下所示：圖3-2-102FSK信號解調方框圖經過系統(tǒng)的仿真可以觀察出系統(tǒng)的誤碼率為0.7273，如下列圖所示：圖3-2-112FSK相干解調誤碼率經過系統(tǒng)仿真后的各點時間波形如圖3-2-12所示：圖3-2-122FSK信號解調各點時間波形3.3二進制相移鍵控(2PSK)3.3.1二進制相移鍵控(2PSK)的原理在二進制數(shù)字調制中，當正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化時，那么產生二進制移相鍵控(2PSK)信號。通常用已調信號載波的0°和180°分別表示二進制數(shù)字基帶信號的1和0二進制移相鍵控信號的時域表達式為：e2PSK(t)=g(t-nTs)]cosωct(3-1-1)

其中，an與2ASK和2FSK時的不同，在2PSK調制中，an應選擇雙極性，即：〔3-1-2〕〔3-1-3〕假設g(t)是脈寬為Ts，高度為1的矩形脈沖時，那么有：

e2PSK(t)=cosωct發(fā)送概率為P

e2PSK(t)=-cosωct發(fā)送概率為1-P〔3-1-4〕

由式(3-1-4)可看出，當發(fā)送二進制符號1時，已調信號e2PSK(t)取0°相位，發(fā)送二進制符號時，e2PSK(t)取180°相位。圖3-3-1二進制移相鍵控信號的時間波形

二進制移相鍵控信號的調制原理圖如圖3-3-2所示。2PSK信號的解調通常都是采用相干解調，解調器原理圖如圖3-3-3所示，相干解調各點時間波形如圖3-3-4所示。當恢復的相干載波產生180°倒相時，解調出的數(shù)字基帶信號將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好是相反，解調器輸出數(shù)字基帶信號全部出錯。這種現(xiàn)象通常稱為"倒π"現(xiàn)象。圖3-3-22PSK信號的調制原理圖圖3-3-32PSK信號的解調原理圖圖3-3-42PSK信號相干解調各點時間波形3.3.22PSK的調制與解調仿真1．調制仿真在二進制數(shù)字調制中,當正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化時,那么產生二進制移相鍵控(2PSK)信號.在此用已調信號載波的0°和180°分別表示二進制數(shù)字基帶信號的1和0用兩個反相的載波信號進行調制，其方框圖如下：圖3-3-62PSK信號調制的simulink的模型圖圖3-3-7Sinwave信號參數(shù)設置圖3-3-8Sinwave1信號的參數(shù)設置由圖3-3-7和3-3-8可看出兩個載波是幅度為3頻率為4Hz采樣時間為0.002s的反相信號。圖3-3-9脈沖信號的參數(shù)設置脈沖信號是幅度為2周期為1占空比為50%的基于時間的信號。圖3-3-102PSK調制的各點時間波形解調仿真〔1〕建立simulink模型方框圖如下：圖3-3-112PSK解調框圖〔2〕各點的時間波形如下所示：圖3-3-122PSK解調各點的時間波形3.4QPSK設計原理QPSK星座圖QPSK是QuadraturePhaseShiftKeying的簡稱，意為正交移相鍵控，是數(shù)字調制的一種方式。它規(guī)定了四種載波相位，分別為0,,,(或者，，，)，星座圖如圖3-4-1所示?！瞐〕〔b〕〔a〕〔b〕圖3-4-1QPSK星座圖QPSK的調制因為輸入信息是二進制序列，所以需要將二進制數(shù)據(jù)變換成四進制數(shù)據(jù)，才能和四進制的載波相位配合起來。采取的方法是將二進制數(shù)字序列中每兩個序列分成一組，共四種組合〔00,01,10,11〕，每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK每次調制可傳輸兩個信息比特。本次課程設計主要采用正交調制法調制。圖3-4-2正交調制圖3-4-3QPSK調制仿真圖查閱資料，熟悉simulink的工作環(huán)境，理解simulink的模塊功能，根據(jù)圖3-4-2的方框圖搭建QPSK調制電路如圖3-4-3所示，采用Buffer和Demux將信號源進行串并轉換，UnipolartoBipolar實現(xiàn)電平轉換。QPSK的解調QPSK信號可以用兩個正交的載波信號實現(xiàn)相干解調，它的相干解調器如圖3-4-4所示，正交路分別設置兩個匹配濾波器，得到I〔t〕和Q〔t〕，經電平判決和并轉串即可恢復出原始信息。圖3-4-4QPSK相干解調圖根據(jù)圖3-4-4的方框圖搭建QPSK解調電路如圖3-4-5所示，載波采用調制時的載波信號，解調后的信號經位定時后判決得到并行二進制序列，再經并轉串輸出二進制序列。圖3-4-5QPSK解調仿真電路QPSK設計結果及分析信號調制解調后的時域波形圖如圖3-4-6所示，由于仿真時示波器采樣時間過少時會造成波形失真，而信號頻率很高時仿真時間過長，所以采用數(shù)據(jù)低傳輸速率，載波也采用低頻信號進行模擬仿真。圖3-4-6QPSK調制時域波形圖從模擬仿真圖中可以看出QPSK調制過程產生了四種相位，與理論相符合。QPSK的誤碼主要來源于高斯信道的噪聲干擾，以及信號的碼間串擾。其次由于位定時不準確也會造成抽樣判決錯誤，導致信號與原始信號不同，產生誤碼。利用MATLAB軟件完成了一個完整的數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的課程設計，充分發(fā)揮了SIMULINK功能強大，建模簡單，參數(shù)易于調整的特點。結果說明，基于SIMULINK仿真模型，能夠反映數(shù)字通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，其可視化界面具有很好的演示效果，為通信系統(tǒng)的設計和研究提供了強有力的工具，也為學習通信系統(tǒng)理論提供了一條非常好的途徑。在通信原理的教學過程中,一直注重理論的教學,但是深奧的理論難以理解,很有必要以某種可見的、圖形化的形式來加深對理論的理解。MATLAB的引入帶來了直觀的感受,提供了完整的動態(tài)系統(tǒng)設計、仿真和可視化的分析環(huán)境,可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)以及各種速率的系統(tǒng),主要用于電路與通信系統(tǒng)的設計和仿真。通過MATLAB語言對2ASK、2FSK、2PSK以及QPSK信號的仿真與設計，使