基于Matlab的數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計

1、課程設(shè)計(論文)任務(wù)書 信息工程 學(xué)院通信工程 專業(yè) 15-1 班 一、 課程設(shè)計(論文)題目基于Matlab的數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計二、課程設(shè)計(論文)工作自2018年 1 月2日起至2018年1月 12日止。三、課程設(shè)計(論文) 地點: 圖書館、寢室、通信實驗室（4-410） 四、課程設(shè)計(論文)內(nèi)容要求：1本課程設(shè)計的目的（1）使學(xué)生掌握通信系統(tǒng)各功能模塊的基本工作原理； （2）培養(yǎng)學(xué)生采用Matlab仿真軟件對各種電路進行仿真的方法； （3）培養(yǎng)學(xué)生對二進制數(shù)字調(diào)制及解調(diào)電路的理解能力；（4）能提高和挖掘?qū)W生對所學(xué)知識的實際應(yīng)用能力即創(chuàng)新能力；（5）提高學(xué)生的科技論文寫作能力。 2課程

2、設(shè)計的任務(wù)及要求1）基本要求：（1）學(xué)習(xí)Matlab仿真軟件的使用；（2）對數(shù)字通信系統(tǒng)調(diào)制及解調(diào)電路各功能模塊的工作原理進行分析；（3）提出數(shù)字通信系統(tǒng)調(diào)制及解調(diào)電路的設(shè)計方案，選用合適的模塊； （4）對所設(shè)計系統(tǒng)進行仿真；（5）并對仿真結(jié)果進行分析。a. 2ASK調(diào)制及解調(diào)b. 2FSK調(diào)制及解調(diào)c. 2PSK調(diào)制及解調(diào)d. 2DPSK調(diào)制及解調(diào)e.GUI界面設(shè)計（能顯示以上信號的時域和頻域圖形；也可加入其他數(shù)字信號）2）創(chuàng)新要求： 3）課程設(shè)計論文編寫要求（1）要按照書稿的規(guī)格打印謄寫畢業(yè)論文（2）論文包括目錄、緒論、正文、小結(jié)、參考文獻、謝辭、附錄等（3）畢業(yè)論文裝訂按學(xué)校的統(tǒng)一要求完

3、成4）答辯標準： （1）完成原理分析（20分） （2）系統(tǒng)方案選擇（30分） （3）仿真結(jié)果分析（30分） （4）論文寫作（20分）5）參考文獻：（1）王俊峰.通信原理MATLAB仿真教程 人民郵電出版社第1版 .2010.11.1（2）趙靜.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真 北京航空航天大學(xué)出版社6）課程設(shè)計進度安排內(nèi)容 天數(shù)地點構(gòu)思及收集資料 2圖書館仿真 5實驗室撰寫論文 2實驗室學(xué)生簽名： 2018年1月2日課程設(shè)計(論文)評審意見（1）完成原理分析（20分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （2）系統(tǒng)方案選擇（30分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （3）仿真

4、結(jié)果分析（30分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（4）論文寫作（20分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（5）格式規(guī)范性及考勤是否降等級：是（）、否（）評閱人： 職稱： 副教授 2018年1月 12日1基于Matlab的數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計摘要當今，隨著通信技術(shù)日新月異的發(fā)展，尤其是數(shù)字通信的快速普及，使得通信技術(shù)日新月異。現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求通信距離遠、通信容量大、傳輸質(zhì)量好，因此通信系統(tǒng)也日趨復(fù)雜。在各種通信系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)環(huán)節(jié)中，軟件仿真已成為必不可少的部分。應(yīng)用MatlabSimulink的計算機仿真具有經(jīng)濟、安全、可靠、編程簡易以及實驗周期短等特點。因此，本文就

5、以Matlab為軟件平臺，利用其通信工具箱和信號處理工具箱中的模塊，尤其是Matlab語言的Simulink動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件包，對數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行仿真，并且對仿真結(jié)果進行誤差分析，從而對現(xiàn)代數(shù)字通信有更加明確的認識和直觀的了解。重點對2ASK、2PSK、2FSK進行性能比較，在實際通信系統(tǒng)中，根據(jù)具體情況選擇最合適的調(diào)制方式，進一步促進數(shù)字通信的發(fā)展。 本文首先介紹了課題研究的背景和進行數(shù)字通信仿真的意義，然后介紹對數(shù)字通信系統(tǒng)進行仿真所使用的MatlabSimulink軟件以及這些軟件在使用時的注意事項和采用的一些方法，隨后又介紹了數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理并據(jù)此進行數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真，最后

6、對仿真結(jié)果進行誤差分析，對設(shè)計進行總結(jié)歸納。MATLAB是集數(shù)值計算、圖形繪制、圖像處理及系統(tǒng)仿真等強大功能于一體的科學(xué)計算語言，它強大的矩陣運算和圖形可視化的功能以及豐富的工具箱，為通信系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程的分析提供了極大的方便。關(guān)鍵詞：數(shù)字通信系統(tǒng)；調(diào)制解調(diào)；Matlab；Simulink；仿真AbstractNowadays, with the rapid development of communication technology, especially the rapid spread of the digital communication, makes communicatio

7、n technology is developing rapidly. Modern communication system requirements communication distance, communication capacity, transmission quality is good, because this communication system has become more and more complex. In all kinds of communication system design r&d link, the software has become

8、 an indispensable part of. Application of computer simulation, Simulink Matlab has economic, safe, reliable, easy programming and the cycle is short, etc.Therefore, this paper is using Matlab software platform, Use its communication tool box and signal processing toolbox module, especially Matlab la

9、nguage dynamic system simulation software package of simulink on digital demodulation system, and simulation results of simulation and error analysis, and the modern digital communication have more explicit recognition and intuitive understanding. Emphasis on 2 ASK, 2 PSK, 2 FSK performance comparis

10、on, in actual communication system, according to the specific circumstances to select the most appropriate modulation mode, and further promote the development of digital communication.This paper firstly introduces the background of the subject research and the meaning of digital communication simul

11、ation, and then introduced to digital communication system simulation of Matlab /Simulink used by the software used in the software and the matters needing attention and some methods used, then introduces digital modulation system and based on the principle of digital demodulation system simulation,

12、 finally the results for error was analyzed, the design was summarized, summed up in the digital demodulation of the simulation to the matters of attention when, to the aspects of learning and provide some reference for researchers and their own experience.MATLAB is a numerical computation, graphics

13、 rendering, image processing and system simulation and other powerful features in one of the scientific computing language, it is a powerful matrix calculation and graphical visualization features and a rich toolbox provides a great convenience for the communication system of modulation and demodula

14、tion process.Key words：Digital communication system；Demodulation；Matlab；Simulink；Simulation目錄第一章 緒論11.1 研究目的11.2 研究意義1第二章 仿真軟件介紹與仿真意義42.1 Matlab與Simulin簡介42.11 MATLAB簡介42.12 Simulin簡介52.2 Matlab與Simulink的聯(lián)系52.3仿真的意義6第三章 信號的調(diào)制與解調(diào)73.1 模擬信號的調(diào)制與解調(diào)73.1.1幅度調(diào)制73.1.2角度調(diào)制93.2 數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)103.2.1 數(shù)字頻率調(diào)制103.2.2

15、數(shù)字相位調(diào)制113.3.3 正交振幅調(diào)制13第四章 系統(tǒng)設(shè)計與仿真144.1 2ASK信號的調(diào)制與解調(diào)144.1.1 2ASK信號調(diào)制仿真144.1.2 2ASK信號解調(diào)仿真164.2 2FSK信號的調(diào)制與解調(diào)184.2.1 2FSK信號調(diào)制仿真184.2.2 2FSK信號解調(diào)仿真214.3 2PSK信號的調(diào)制與解調(diào)234.3.1 2PSK信號調(diào)制仿真234.3.2 2PSK信號解調(diào)仿真254.4 2DFSK信號的調(diào)制與解調(diào)274.4.1 2DFSK信號調(diào)制仿真274.4.2 2DFSK信號解調(diào)仿真27結(jié)論31參考文獻32第一章 緒論1.1 研究目的信息是一種資源，通過廣泛的傳播與交流，能促進

16、社會成員之間的合作，推動生產(chǎn)力的發(fā)展和社會的進步。在當今高度信息化的社會，信息和通信已成為現(xiàn)代社會的“命脈”，因此人們對信息傳遞的速度、質(zhì)量等要求也越來越高。現(xiàn)代通信可以分為模擬通信和數(shù)字通信兩類，與模擬通信相比，數(shù)字通信具有抗干擾能力強、噪聲不積累、傳輸差錯可控、易于集成和加密、便于用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)對數(shù)字信息進行處理、變換和儲存等優(yōu)點，而其缺點相比其優(yōu)點來說則不重要，因此數(shù)字通信的應(yīng)用必將越來越廣泛。作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一的調(diào)制解調(diào)技術(shù)是人們重點研究的方向。在各種通信系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)環(huán)節(jié)中，軟件仿真已成為必不可少的部分。應(yīng)用MatlabSimulink的計算機仿真具有經(jīng)濟、安全、

17、可靠、編程簡易以及實驗周期短等特點，因此基于Matlab的數(shù)字通信系通調(diào)制解調(diào)研究具有重要意義。二進制數(shù)字信號調(diào)制最基礎(chǔ)的三個方面是二進制振幅鍵控2ASK、二進制頻移鍵控2FSK和二進制相移鍵控2PSK，由于2PSK體制中存在相位不確定性，又發(fā)展出差分相移鍵控2DPSK。ASK是一種應(yīng)用最早的基本調(diào)制方式，優(yōu)點是設(shè)備簡單，頻譜利用率較高，但它也是受噪聲影響最大的調(diào)制技術(shù)，抗噪聲性能差。2FSK在數(shù)字通信中應(yīng)用較為廣泛，優(yōu)點是抗干擾能力強，不受信道參數(shù)變化的影響，但其占用頻帶較寬，頻帶利用率較低。PSK和DPSK是高傳輸效率的調(diào)制方式，其抗噪聲能力比ASK和FSK都要好而且不易受信道特性變化的影

18、響，但2PSK系統(tǒng)會出現(xiàn)倒現(xiàn)象，實際中很少采用，而多采用差分相移鍵控DPSK1。通過此次的調(diào)制與解調(diào)仿真，使我們對2ASK、2FSK、2PSK調(diào)制與解調(diào)的工作原理以及Simulink軟件有了比較深刻的認識和了解。進而改善這幾種數(shù)字調(diào)制方式在實際應(yīng)用中存在的如頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴重等不足之處。1.2 研究意義對數(shù)字通信系統(tǒng)仿真的意義在于促進了信息技術(shù)與此方面知識的整合，同時對在一定程度上克服儀器設(shè)備的不足，構(gòu)造、組合新型通信系統(tǒng)，根據(jù)實際情況選擇合適的調(diào)制方式，加強使用者的綜合素質(zhì)也具有重要意義。本課題根據(jù)現(xiàn)代數(shù)字通信發(fā)展具體實際情況，對數(shù)字信號在傳輸過程中的

19、調(diào)制解調(diào)過程利用Matlab/Simulink軟件進行設(shè)計和仿真。加深對數(shù)字通信系統(tǒng)的認識，提前了解信號在傳輸過程中可能遇到的問題，從而及早采用適當?shù)姆椒右灶A(yù)防和克服，使得通信系統(tǒng)在實際應(yīng)用中運行的更為順利，更好的保重人們能及時的發(fā)出和收到可靠、安全、高質(zhì)量的信息。同時通過發(fā)現(xiàn)和解決數(shù)學(xué)通信系統(tǒng)在仿真中遇到的棘手的問題，促進國際通信技術(shù)的發(fā)展。 近幾年，通信技術(shù)飛速發(fā)展，從二十世紀九十年代初以來，全球向信息密集的工作方式和生活方式轉(zhuǎn)變。從傳統(tǒng)的電話、電報、電視、收音機到如今的移動電話、傳真、衛(wèi)星通信，這些通信方式使數(shù)據(jù)和信息的傳遞速率得到很大的提高。在設(shè)計數(shù)字傳輸系統(tǒng)時，調(diào)制技術(shù)作為實現(xiàn)高效

20、通信的關(guān)鍵問題，是通信技術(shù)中研究的重點之一。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)在模擬電話網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、蜂窩移動通信、視頻廣播系統(tǒng)、寬帶接入網(wǎng)等方面都取得了迅速的發(fā)展。電話網(wǎng)絡(luò)是最為普及而且資源最為豐富的傳輸網(wǎng)絡(luò)，它的調(diào)制方式在經(jīng)歷了FSK、4-DOSK、QAM后，現(xiàn)在主要以脈沖編碼調(diào)制（PCM）為主，最高傳輸速率可以達到56kbps。近幾年，隨著科技與經(jīng)濟的迅速發(fā)展，衛(wèi)星通信在通信方式中也逐漸占有重要地位。1965年，國際衛(wèi)星通信組織成立，并發(fā)射了第一課靜止國際通信衛(wèi)星，由此開啟了衛(wèi)星通信的大門。我國的同步通信衛(wèi)星是在1984年4月升空并投入使用。由于衛(wèi)星通信具有非線性特性，以BOSK、QPSK、

21、OQPSK、/4-QPSK為主的恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。同時，以QPSK、SQAM等為主的非恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)在經(jīng)過改進后，以頻譜集中、抗非線性失真、誤碼性能好、頻譜利用率高等特點引起了人們的普遍關(guān)注。亞洲是世界上的蜂窩系統(tǒng)發(fā)展速度最快的地區(qū)，現(xiàn)代蜂窩移動通信系統(tǒng)中，調(diào)制方式主要以PSK、固定電平QAM和可變電平QAM為主。其中，可變電平的星形QAM能提供可變的傳輸速率，根據(jù)信道情況選用合適的調(diào)制方式。當信道失真嚴重時，多采用4PSK方式；當SNR較高時，多采用32或64電平的星形QAM方式。視頻廣播（DVB）系統(tǒng)自1992年出現(xiàn)以來，如今已普及全球并發(fā)展為DVB-S系統(tǒng)、DVB-C系

22、統(tǒng)和DVB-T系統(tǒng)。其中，DVB-S系統(tǒng)多采用BPSK和QPSK方式對信號進行調(diào)制，DVB-C系統(tǒng)則多采用16、64、256電平的QAM調(diào)制方式和VSB（殘留邊帶調(diào)制）方式對信號進行調(diào)制。因為寬帶接入網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為通信發(fā)展的前沿技術(shù)，所以利用電纜調(diào)制解調(diào)器在有線電視混合光纜同軸網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)，用其做為互聯(lián)網(wǎng)的寬帶接入網(wǎng)是現(xiàn)有有線電視網(wǎng)寬帶技術(shù)發(fā)展的熱點。利用同軸電纜進行數(shù)據(jù)傳輸時多采用QPSK、QAM和VSB等調(diào)制方式；利用雙絞線進行數(shù)據(jù)傳輸時則多采用QAM、CAM（無載波幅度相位調(diào)制）、DMT和DWMT等調(diào)制方式。近幾年，隨著人類外太空探索步伐的不斷前進，深空通信數(shù)字調(diào)制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展

23、。目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)多采用BPSK和QPSK等調(diào)制方式，但這兩種方式在衛(wèi)星通信中容易產(chǎn)生頻譜擴展?；诖耍?jīng)過大量的研究，CCSDS（時空系統(tǒng)咨詢委員會）建議采用與深空網(wǎng)絡(luò)接收機結(jié)構(gòu)相兼容的寬帶有效調(diào)制技術(shù)，JPL（噴氣推進實驗室）也研究出一系列的深空探測任務(wù)調(diào)制方案。6第2章 仿真軟件介紹與仿真意義2.1 Matlab與Simulin簡介2.11 MATLAB簡介Matlab是美國Math Works公司于1967年推出的矩陣實驗室Matrix Laboratory的縮寫，是一種跨平臺的，用于矩陣數(shù)值計算的簡單高效的數(shù)學(xué)語言3。MATLAB的編程語句接近數(shù)學(xué)描述，可讀性好，其強大的圖形功能和

24、可視化數(shù)據(jù)處理能力也是其他如C、C+、Fortran等計算機高級語言望塵莫及的。Matlab使人們擺脫了常規(guī)計算機編程的繁瑣，從而讓人們能夠把大部分的時間、精力放到研究問題的數(shù)學(xué)建模上，使科學(xué)研究的效率得到了極大的提高。目前，Matlab已經(jīng)被理工科大學(xué)廣泛采用，成為幾乎各門專業(yè)課程進行虛擬實驗的有效工具。在科研部門，Matlab成為全世界科技人員進行學(xué)術(shù)交流首選的共同語言，國內(nèi)外有關(guān)著名論文的大部分數(shù)值結(jié)果和圖形都是用Matlab完成的。與其他計算機高級語言相比，Matlab獨特的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：1Matlab是一種跨平臺的數(shù)學(xué)語言。采用Matlab編寫的程序可以在目前所有的操作系統(tǒng)上運行，

25、不依賴于計算機類型和操作系統(tǒng)類型。2Matlab是一種超高級語言。Matlab平臺本身是用C語言寫成的，匯聚了許多專業(yè)數(shù)學(xué)家和過程學(xué)者多年編寫的最新的數(shù)學(xué)算法庫，在編程效率，程序的可讀性、可靠性和可移植性上遠遠超過了其他的計算機高級語言。3Matlab語法簡單，編程風(fēng)格接近數(shù)學(xué)語言描述，是數(shù)學(xué)算法開發(fā)和驗證的最佳工具。在其他計算機高級語言中需使用許多語句才能實現(xiàn)的功能，如矩陣分解和求逆、快速傅里葉變換等，在Matlab中用簡單的幾句指令即可實現(xiàn)，且其數(shù)值算法的可信度和可靠性都很高。此外，Matlab還有計算精度高，繪圖功能強大，具有串口操作、聲音輸入/輸出等硬件操控能力，執(zhí)行效率比其他語言高等

26、特點。Matlab系統(tǒng)由語言體系、工作環(huán)境、圖形系統(tǒng)、數(shù)學(xué)函數(shù)庫和應(yīng)用程序接口五個主要部分組成。1Matlab是高層次的矩陣/數(shù)組語言，具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性，利用它既可以完成算法設(shè)計和算法實驗的基本步驟，也可以開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。2Matlab的工作環(huán)境是對其管理功能的總稱，包括管理工作空間中的變量數(shù)據(jù)輸入、輸出的方式和方法，和開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。3圖形系統(tǒng)不僅包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖像顯示等功能需要的高層Matlab命令，也包括用戶對圖形、圖像進行特性控制的低層Matlab命令以及開發(fā)圖形用戶界面GUI應(yīng)用程序的各種工具。4M

27、atlab數(shù)學(xué)函數(shù)庫是對Matlab使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱，包括各種初等函數(shù)的算法和高層數(shù)學(xué)算法。5應(yīng)用程序接口API是一個函數(shù)庫，讓用戶能夠在Matlab環(huán)境中使用C程序或Fortran程序。2.12 Simulin簡介Simulink是Matlab中的一個建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級的系統(tǒng)仿真環(huán)境，附帶了許多專業(yè)仿真模塊庫，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和仿真結(jié)果分析的軟件包?？梢哉f，在通用系統(tǒng)的仿真領(lǐng)域，Simulink是無所不包的4。使用Simulink可以方便的對系統(tǒng)進行可視化建模，并進行基于時間流的系統(tǒng)級仿真，使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來，建立直觀的功能強大的系統(tǒng)模型

28、，不必編寫Matlab仿真程序，使仿真建模過程更為簡化，更加適應(yīng)于大型系統(tǒng)的建模和仿真。SIMULINK的專業(yè)仿真模塊庫都已經(jīng)通過權(quán)威專家和專業(yè)測試機構(gòu)的評測，具有很高的可信度和穩(wěn)定性。在建模前，最好先根據(jù)需要繪制模型圖。當在建模過程中遇到較為復(fù)雜的系統(tǒng)時，需要根據(jù)層次結(jié)構(gòu)來繪制框圖，先將大系統(tǒng)中的一些具有獨立功能的部分封裝成一些子系統(tǒng)，再利用這些子系統(tǒng)來構(gòu)造整個系統(tǒng)。Simulink模塊庫包含有Sources（輸入源）、Sinks（輸出方式）、Linear（線性環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)）等具有不同功能的SIMULINK庫模塊，而且每個子模型庫中包含相應(yīng)的功能模塊，用戶可以根據(jù)特

29、定的需要創(chuàng)建自己的模塊。2.2 Matlab與Simulink的聯(lián)系我們可以通過Matlab命令來打開Simulink模型并進行仿真。在Matlab命令窗口中，使用open lizila.mdl，然后使用sim(lizila.mdl)就可以啟動對模型lizila.mdl的仿真，實現(xiàn)Simulink仿真的自動化。Matlab提供了許多途徑用于與Simulink的數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)Matlab編程與Simulink模型相結(jié)合的綜合仿真，使仿真更為人性化，滿足使用者的不同需求。2.3仿真的意義在當代，信息科學(xué)發(fā)展迅速，用于研發(fā)、測試的儀器更新速度也正在加快，隨著科技含量的提高，價格也越來越昂貴。受經(jīng)

30、濟條件的限制，許多從事研究與開發(fā)的工程技術(shù)人員不能夠擁有先進的儀器設(shè)備，采用仿真的方法可以在一定程度上克服因缺乏合適的儀器設(shè)備而帶來的問題。再者，由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)功能強大且都比較復(fù)雜，在實際電子通信系統(tǒng)中進行試驗研究比較困難或根本無法實現(xiàn)時，仿真技術(shù)就成為必然的選擇。電子與通信領(lǐng)域與計算機技術(shù)有著密切的聯(lián)系，因此計算機仿真可以用于大部分電子工程、現(xiàn)代通信技術(shù)和通信系統(tǒng)的實驗研究工作，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)和通信系統(tǒng)研究的主要手段。本質(zhì)上，只要能構(gòu)造出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，Matlab/Simulink就可以對任意的系統(tǒng)進行仿真，而且在實際應(yīng)用中，Matlab/Simulink特別適合于針對電子通信系統(tǒng)模塊

31、的系統(tǒng)級仿真2。傳統(tǒng)的研究開發(fā)工作是從購買元件，做印制電路板，搭建電路，配置相應(yīng)的儀器做實驗開始的，這樣的方法復(fù)雜而且容易造成資源的浪費。現(xiàn)代通信設(shè)備和通信系統(tǒng)的設(shè)計步驟是：需求分析、方案設(shè)計、建模、仿真實驗、制作芯片、設(shè)備制造和系統(tǒng)集成。建模、仿真技術(shù)在研究、開發(fā)領(lǐng)域舉足輕重，直接影響到研發(fā)、設(shè)計通信設(shè)備和通信系統(tǒng)的成敗。第3章 信號的調(diào)制與解調(diào)3.1 模擬信號的調(diào)制與解調(diào) 3.1.1幅度調(diào)制設(shè)正弦型載波為c(t)=Acos(wct+) 式中：A為載波幅度；wc為載波角頻率；為載波初始相位。根據(jù)調(diào)制的定義，幅度調(diào)制信號可以表示為s(t)=Am(t)coswct 式中：m(t)為基帶調(diào)制信號。

32、由以上表示式可知，在波形上，幅度已調(diào)信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律呈正比變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號的頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移。1 調(diào)幅標準調(diào)幅就是常規(guī)雙邊帶調(diào)制，簡稱調(diào)幅(AM)。 m(t) sm(t) A0 coswct 如圖所示，假設(shè)調(diào)制信號m(t)的平均值為0，將其疊加一個直流偏量A0后與載波相乘，即可形成調(diào)幅信號。它的時域表示式為SAM(t)=A0+m(t)coswct = A0coswct+m(t)coswct 式中：A0為外加直流分量；m(t)可以是確知信號或隨機信號。AM信號的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶三部分組成，上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是

33、上邊帶的鏡像，它的帶寬是基帶信號帶寬fH的2倍，B=2fH。當滿足條件m(t)A0時，AM波的包絡(luò)與調(diào)制信號m(t)的形狀一樣，這時，用包絡(luò)檢波的方法就很容易恢復(fù)出原始信號；如果上述條件沒有滿足，就會出現(xiàn)“過調(diào)幅”現(xiàn)象，此時如果繼續(xù)采用包絡(luò)檢波就會發(fā)生失真，因此需要用到同步檢波。2雙邊帶調(diào)制 雙邊帶信號(DSB)是將AM調(diào)制模型圖4-1中的直流A0去掉，得到的一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式。它的時域表示為SDSB(t)=m(t)coswct 式中，假設(shè)m(t)的平均值為0。與AM信號相比，DSB信號不存在載波分量，調(diào)制效率是100%，全部功率都用于信息傳輸。由于DSB信號的包絡(luò)與調(diào)制信號的變化規(guī)律不

34、一致，所以不能采用包絡(luò)檢波來恢復(fù)調(diào)制信號。因此，DSB信號需要采用相干解調(diào)來進行解調(diào)。3單邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制(SSB)是將雙邊帶信號中的一個邊帶濾掉而形成的，因為DSB信號的兩個邊帶中的任意一個都包含了M(w)的所有頻譜成分，所以僅傳輸其中一個即可。因此，SSB不僅比DSB節(jié)省發(fā)送功率，而且還節(jié)省一半的傳輸頻帶。SSB信號的時域表示為SSSB(t)=m(t)coswCtM(t)sinwCt 式中，M(t)為m(t)的希爾伯特變換。根據(jù)濾波方法的不同，產(chǎn)生SSB信號的方法有濾波法和相移法。（1）濾波法濾波法是產(chǎn)生SSB信號最直觀的方法，需要先產(chǎn)生一個雙邊帶信號，然后讓其通過一個邊帶濾波器，將不要

35、的邊帶濾除，就可以得到單邊帶信號。它的原理圖如下圖所示。 H(w) m(t) SDSB(t) SSSB(t) 載波c(t) 實現(xiàn)濾波器的難易程度與過渡帶相對載頻的歸一化值有關(guān)，該值越小，邊帶濾波器就越難實現(xiàn)。在不太高的載頻時，濾波器不難實現(xiàn)，但當載頻較高時，采用一級調(diào)制直接濾波的方法就不可能實現(xiàn)單邊帶調(diào)制了，這時就需要采用多級DSB調(diào)制及邊帶濾波的方法。當調(diào)制信號中含有直流及低頻分量時就不能（2）相移法相移法是利用相移網(wǎng)絡(luò)，對載波和調(diào)制信號進行適當?shù)南嘁?，以便在合成過程中將其中的一個邊帶抵消而獲得SSB信號，它的原理圖如下圖所示。 m(t)coswctm（t） coswct Hh(w) /2

36、sSSB(t) M(t) M(t)sinwct4. 殘留邊帶調(diào)制殘留邊帶調(diào)制是介于SSB與DSB之間的一種折中方式，它不像SSB中那樣完全抑制DSB信號的一個帶寬，而是逐步切割，使其殘留一小部分，這樣，它克服了DSB信號占用頻帶寬的缺點，又解決了SSB信號實現(xiàn)中的困難。 3.1.2角度調(diào)制角度調(diào)制信號的一般表達式為sm(t)=Acoswct+(t) 式中：A為載波的恒定振幅；wct+(t)為信號的瞬時相位，記為；(t)為相對于載波相位wct的瞬時相位偏移；dwct+(t)/dt是信號的瞬時角頻率，可記為w(t)；而d(t)/dt相對于載頻wc的瞬時頻偏。1頻率調(diào)制(FM) 頻率調(diào)制指的是瞬時頻

37、率偏移隨著調(diào)制信號m(t)作成比例的變化，即d(t)/dt=Kfm(t) 式中：Kf為調(diào)頻靈敏度。2 相位調(diào)制(PM)相位調(diào)制是指瞬時相位偏移隨調(diào)制信號m(t)作線性變化，即(t)=Kpm(t)式中：Kp為調(diào)相靈敏度，是指單位調(diào)制信號幅度引起PM信號的相位偏移量。3 FM與PM的關(guān)系將調(diào)制信號先微分再進行調(diào)頻，則得到調(diào)相波，這種方式叫間接調(diào)相；如果將調(diào)制信號先積分再進行調(diào)相，則得到調(diào)頻波，這種方式叫間接調(diào)頻。 PM調(diào)制器積分器m(t) sFM(t)FM調(diào)制器微分器m(t) spm(t)3.2 數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào) 3.2.1 數(shù)字頻率調(diào)制 1頻移鍵控(FSK)調(diào)制設(shè)輸入到調(diào)制器的比特流為an，

38、an=1，n=-+。FSK的輸出信號形式為s(t)=cos（w1t+1） an=+1 cos(w2t+2) an=-1 公式4-(1)當輸入為信號“+1”，輸出為頻率是f1的正弦波；當輸入為空號“-1”時，輸出為頻率是f2的正弦波。 FSK可采用包絡(luò)檢波法、相干解調(diào)法和非相干解調(diào)法等方法進行解調(diào)。其中，包絡(luò)檢波法是指接收端采用兩個帶通濾波器，中心頻率分別為f1和f2，它們的輸出經(jīng)過包絡(luò)檢波。若f1支路的包絡(luò)比f2支路的強，則判為“+1”，否則判為“-1”。2最小頻移鍵控(MSK)調(diào)制MSK是一種特殊形式的FSK，其頻差是滿足兩個頻率相互正交的最小頻差，而且要求FSK信號的相位連續(xù)。MSK的信號

39、表達式為S(t)=coswct+(/2Tb)akt+xk 式中，xk是相位常量，其作用是保證t=kTb時相位連續(xù)。MSK信號可以采用鑒頻器解調(diào)，也可以用相干解調(diào)。MSK信號各支路偶的實際碼元寬度為2Tb，其對應(yīng)的低通濾波器帶寬減少為原帶寬的1/2，輸出信噪比比FSK提高了一倍。3高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)調(diào)制GMSK信號是通過在FM調(diào)制器前加入高斯低通濾波器而產(chǎn)生的，如下圖所示高斯低通濾波器FM調(diào)制器輸入數(shù)據(jù)不歸零（NRZ）調(diào)制指數(shù)為0.5 GMSK信號的解調(diào)可以用與MSK一樣的正交相干解調(diào)電路。順便指出，在相干解調(diào)中最為重要也較為困難的是相干載波的提取，因而通常采用差分相干解調(diào)和鑒頻器

40、解調(diào)等非相干解調(diào)。3.2.2 數(shù)字相位調(diào)制 1移相鍵控(PSK)調(diào)制設(shè)輸入比特率為an,an=1，n=-+。PSK的輸出信號形式為：s(t)= Acos（wct） an=+1 -Acos（wct） an=-1 nTbt（n+1）Tb 公式4-(2)即當輸入為+1時，對應(yīng)的信號附加相位為0；當輸入為-1時，對應(yīng)的信號附加相位為。PSK可采用相干解調(diào)和差分相干解調(diào)，原理如下圖所示。 輸入 輸出 coswct 抽樣判決器帶通濾波器低通濾波器 相干解調(diào) 抽樣判決器帶通濾波器帶通濾波器輸入 輸出延時器Tb 差分相干解調(diào)2四相移相鍵控(QPSK)調(diào)制和交錯四相移相鍵控(OQPSK)調(diào)制在QPSK的碼元速率

41、(TS)與PSK信號比特速率相等的情況下，QPSK信號是兩個PSK信號之和，它具有和PSK信號相同的頻頻特性和誤比特率性能。OQPSK調(diào)制與QPSK調(diào)制類似，不過OQPSK在正交支路引入一個比特的時延，使得兩個支路的數(shù)據(jù)不會同時發(fā)生變化，而不能像QPSK那樣產(chǎn)生的相位跳變，只能產(chǎn)生/2的相位跳變，如下圖所示。 +串/并轉(zhuǎn)換 coswct -QPSK信號的產(chǎn)生原理 sinwct +串/并轉(zhuǎn)換 coswctTb _ OQPSK信號的產(chǎn)生原理 sinwct QPSK和OQPSK調(diào)制與PSK調(diào)制相同，均可采用相干解調(diào)。3 差分四相鍵控(DQPSK)調(diào)制/4-DQPSK是對QPSK信號的特性進行改進的一

42、種調(diào)制方式。一方面，它將QPSK的最大相位跳變由降為3/4，從而改善了/4-DQPSK的頻譜特性；另一方面，QPSK只能采用相干解調(diào)，而/4-DQPSK既可以用相干解調(diào)也可以用非相干解調(diào)。其原理如下圖所示。 coswct 串/并轉(zhuǎn)換差分相位解碼LPFLPF放大大輸入數(shù)據(jù) 3.3.3 正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制(QAM)是二進制的PSK、四進制的QPSK調(diào)制的進一步推廣，通過相位和振幅的聯(lián)合鍵控，可以得到更高頻譜效率的調(diào)制方式，從而可以使數(shù)據(jù)可以在限定的頻帶內(nèi)以更高速率的數(shù)據(jù)傳輸。正交振幅調(diào)制的一般表達式為y(t)=Amcoswct+Bmsinwct 0tTS 式中：TS為碼元寬度；m=1,2,M

43、,M為Am和Bm的電平數(shù)。QAM信號一般多采用相干解調(diào)，常用的QAM信號的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則是在信號功率相同的條件下，選擇信號空間中信號點之間距離最大的信號結(jié)構(gòu)。34第4章 系統(tǒng)設(shè)計與仿真4.1 2ASK信號的調(diào)制與解調(diào) 4.1.1 2ASK信號調(diào)制仿真（1）建立系統(tǒng)模型。從Simulink工具箱選擇器件用來組建系統(tǒng)模型：從Sources中選取Pulse Generator作為方波信號源，再從Sources中選取sine wave作為載波信號，然后從Math中選取Product作為乘法器，再從sinks中選取to file模塊，最后從Sinks中選取Scope作為示波器。Simulink的組建模型如

44、圖所示。2ASK信號調(diào)制仿真模型正弦信號是載波信號，方波代表s(t)序列的信號源，正弦信號和方波相乘后就得到二進制鍵控信號。（2）參數(shù)設(shè)置。建立好模型之后就要設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，來對系統(tǒng)進行仿真。系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置如圖所示。正弦信號參數(shù)設(shè)置方波信號源的參數(shù)設(shè)置其中sin函數(shù)是幅度為2、頻率為1Hz、采樣周期為0.005的雙精度DSP信號。方波的幅度設(shè)置為2、周期為3、脈沖持續(xù)設(shè)置2、采樣時間為1。（3）系統(tǒng)仿真及各點波形圖。設(shè)置完系統(tǒng)的參數(shù)后，就可以進行系統(tǒng)的仿真。下面第一個波形是方波信號源輸出的方波；第二個波形正弦信號源輸出的頻率為1Hz的正弦波；第三個是方波與正弦波經(jīng)過乘法器后輸出的2ASK信號

45、。4.1.2 2ASK信號解調(diào)仿真（1）建立Simulink模型。從Simulink模塊選擇器件組建系統(tǒng)模型：從Sources中選取Pulse Generator作為方波信號源，再從DSP工具箱的DSP Sources中選取sine wave作為載波信號，然后從Math Operations中選取Product作為乘法器，最后從Sinks中選取Scope作為示波器。Simulink的組建模型如圖所示。2ASK解調(diào)模型（1）參數(shù)設(shè)置。為了使載波和信息源的頻率有明顯的差別，載波的頻率設(shè)置的要相對高一些，這里設(shè)置為150Hz。為了更好的恢復(fù)出信源信號，此處直接使用原載波信號作為同步載波信號。主要部件

46、的參數(shù)設(shè)置如圖所示。低通濾波器的參數(shù)設(shè)置（2）系統(tǒng)仿真及各點波形。仿真波形如圖所示，其中，第一個波形是原始信號，第二個是載波信號，第三調(diào)制后的2ASK信號，第四個是2ASK信號與載波信號相乘后得到的信號，第五個是經(jīng)過低通濾波器的波形，第六個是經(jīng)抽樣判決器后解調(diào)出的原始信號。（3）誤碼率分析。由于在解調(diào)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(shè)置的問題，可以得出此系統(tǒng)的誤碼率為0.3636。 解調(diào)波形圖4.2 2FSK信號的調(diào)制與解調(diào)4.2.1 2FSK信號調(diào)制仿真（1）建立系統(tǒng)模型。2FSK信號產(chǎn)生的SIMULINK仿真模型圖如圖所示。 2FSK信號SIMULINK

47、調(diào)制模型（2）參數(shù)設(shè)置。sine wave和sine wave1是兩個頻率分別為f1和f2的載波，Pulse Generator模塊是信號源，NOT實現(xiàn)方波的反相，經(jīng)相乘器和相加器生成2FSK。信號源s(t)序列本應(yīng)該是用隨機的0、1信號產(chǎn)生的，在此為了方便仿真選擇了基于采樣的Pulse Generator信號模塊，其參數(shù)設(shè)置如圖。 信號源模塊參數(shù)載波sin wave參數(shù)設(shè)置如圖所示，其幅度為2，頻率f1=1Hz，采樣時間為0.002，載波為單精度信號。 載波sin wave1參數(shù)設(shè)置如圖5.11所示，該載波是幅度為2、頻率為2Hz、采樣時間為0.002的單精度信號。（3）系統(tǒng)仿真及波形。系統(tǒng)

48、的仿真的結(jié)果如圖所示。其中，第一個波形是原始信號，第二個是正弦載波周期為1Hz的載波信號，第三個是周期為2Hz的正弦載波，第四個是調(diào)制后的2FSK信號。2FSK信號調(diào)制波形圖4.2.2 2FSK信號解調(diào)仿真（1）2FSK解調(diào)系統(tǒng)模型如下圖所示。其中From File是2FSK信號的調(diào)制模塊，兩個帶通濾波器分別將2FSK信號上下分頻為和，再經(jīng)過與載波相乘，經(jīng)過低通濾波后兩路信號相加，再經(jīng)抽樣判決器解調(diào)出原始信號。2FSK解調(diào)框圖（2）參數(shù)設(shè)置。分別上下兩路進行分頻的帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置。 2FSK信號f1帶通濾波器參數(shù)設(shè)置 2FSK信號帶通濾波器參數(shù)設(shè)置（3）系統(tǒng)仿真及各點波形。 2FSK信號解

49、調(diào)仿真波形4.3 2PSK信號的調(diào)制與解調(diào) 4.3.1 2PSK信號調(diào)制仿真（1）2PSK信號系統(tǒng)模型。此處用已調(diào)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(diào)制，其系統(tǒng)框圖如下圖所示。其中Sine Wave1和Sine Wave2是反相的載波，用正弦脈沖作為信號源。2PSK信號調(diào)制框圖（2）參數(shù)設(shè)置。Sine Wave1參數(shù)設(shè)置Sine Wave2參數(shù)設(shè)置脈沖信號的參數(shù)設(shè)置脈沖信號是幅度為2、周期為1、占空比為50%的時鐘的信號。（3）仿真波形。仿真波形如圖所示。2PSK調(diào)制信號波形圖4.3.2 2PSK信號解調(diào)仿真（1）建立SIMULINK模型。2PSK信號與本地載波相乘后進入低通濾波器，