通信原理數字頻帶通信系統(tǒng)的設計與仿真分析

1、通信原理課程設計目錄前言11 數字頻帶通信系統(tǒng)原理21.1 二進制振幅鍵控(2ASK)21.2 二進制頻移鍵控(2FSK)51.3二進制相移鍵控(2PSK)71.4 正交相移鍵控(QPSK)102 Matlab/Simulink介紹152.1 Matlab簡介152.2 Simulink簡介152.1.1 Simulink基本模塊庫152.1.2 Simulink建模仿真的一般過程172.3 Simulink在通信仿真中的應用193利用Simulink進行模型建立和系統(tǒng)仿真213.1 2ASK的調制與解調仿真223.1.1 建立模型方框圖22 3.1.2 參數設置233.1.3系統(tǒng)仿真及各點波

2、形圖243.1.4 誤碼率分析253.2 2FSK的調制與解調仿真253.2.1 建立模型方框圖25 3.2.2 參數設置263.2.3系統(tǒng)仿真及各點波形圖293.3 2PSK的調制與解調仿真313.3.1 建立模型方框圖313.3.2 參數設置313.3.3系統(tǒng)仿真及各點波形圖343.4 QPSK的調制與解調仿真353.4.1 建立模型方框圖353.4.2 參數設置363.4.3系統(tǒng)仿真及各點波形圖38總結40參考文獻41前言隨著現代通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，計算機仿真已經成為分析和設計通信系統(tǒng)的主要工具，在通信系統(tǒng)的研發(fā)和教學中具有越來越重要的意義。在當代社會中，信息的交換日益頻繁，隨著通信技術

3、和計算機技術的發(fā)展及它們的密切結合，通信能克服對空間和時間的限制，大量的、遠距離的信息傳遞和存取已成為可能。展望未來，通信技術正在向數字化、智能化、綜合化、寬帶化、個人化方向迅速發(fā)展，各種新的電信業(yè)務也應運而生，正沿著信息服務多種領域廣泛延伸。Simulink是The MathWorks公司開發(fā)的用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具，常集成于MathWorks公司的另一產品MATLAB中與之配合使用。Simulink提供了一個交互式的圖形化環(huán)境及可定制模塊庫（Library），可對各種時變系統(tǒng)，例如通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)等進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。本

4、次課設在深刻理解通信系統(tǒng)理論的基礎上，利用MATLAB提供的Simulink建模和仿真原理，做出數字通信系統(tǒng)的基本模型，分別是ASK、FSK、PSK、QPSK，并且用Simulink來實現通信系統(tǒng)中各個部分的仿真，調制部分，解調部分等等，并且整合到一起，設置不同的參數，觀察示波器的波形圖并記錄。通過對仿真結果進行分析，更深入地掌握數字調制系統(tǒng)的相關知識。1 數字頻帶通信系統(tǒng)原理在數字基帶傳輸系統(tǒng)中，為了使數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，大多數信道具有帶通傳輸特性，數字基帶信號不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸。必須用數字基帶信號對載波進行

5、調制，產生各種已調數字信號。 圖1-1 數字調制系統(tǒng)的基本結構數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數字調制。但是，數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)。這樣，可以用載波的某些離散狀態(tài)來表示數字基帶信號的離散狀態(tài)?；镜娜N數字調制方式是：振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。1.1 二進制振幅鍵控(2ASK) 振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數字基帶信號而變化的數字調制。當數字基帶信號為二進制時，則為二進制振幅鍵控。二進制振幅鍵控信號可表示為 （1-1）二進制振幅鍵控信號時間波型如圖1-2所示。由圖1-2可以看出,2ASK信

6、號的時間波形隨二進制基帶信號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1-3所示,其中圖(a)是采用模擬相乘的方法實現，圖(b)是采用數字鍵控的方法實現。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1-4所示。2ASK信號非相干解調過程的時間波形如圖1-5所示。圖1-2 2ASK信號時間波形 （a）模擬相乘法 （b）數字鍵控法圖1-3 2ASK信號調制器原理框圖（a）非相干解調方式（b）相干解調方式 圖1-4 2ASK信號的接收系統(tǒng)組成方框圖圖1-5 2ASK信號非相干解調過程的時間波形1.2 二進

7、制頻移鍵控(2FSK)頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數字信息。在2FSK中，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。典型波形如圖1-6所示。 圖1-6 2FSK信號的時間波形有圖可見，2FSK信號的波形(a)可以分解為波形(b)和波形(c)。也就是說，一個2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。2FSK信號的表達式又可簡化為 （1-2） （1-3） （1-4）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，也可以采用數字鍵控的方法來實現。 圖1-7是數字鍵控法實現二進制頻移鍵控信號的原理圖。 圖中兩個振蕩器的輸出載波受輸入的二進制基帶信號控制，在一個碼

8、元Ts期間輸出f1或f2兩個載波之一。二進制頻移鍵控信號的解調方法很多，有模擬鑒頻法和數字檢測法，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1-8所示。其解調原理是將二進制頻移鍵控信號分解為上下兩路二進制振幅鍵控信號，分別進行解調，通過對上下兩路的抽樣值進行比較最終判決出輸出信號。圖1-7 鍵控法產生2FSK信號的原理圖（a）非相干解調（b）相干解調圖1-8 2FSK信號解調原理圖過零檢測法解調器的原理圖和各點時間波形如圖1-9所示。二進制移頻鍵控信號的過零點數隨載波頻率不同而異，通過檢測過零點數得到頻率的變化。輸入信號經過限幅后產生矩形波，經微分整流波形整

9、形，形成與頻率變化相關的矩形脈沖波，經低通濾波器濾除高次諧波，便恢復出與原數字信號對應的基帶數字信號。（a）過零檢測法原理圖（b）各點時間波形圖1-9 過零檢測法原理圖及各點時間波形1.3二進制相移鍵控(2PSK)在二進制數字調制中,當正弦載波的相位隨二進制數字基帶信號離散變化時，則產生二進制相移鍵控(2PSK)信號。通常用已調信號載波的0°和180°分別表示二進制數字基帶信號的1和0。二進制相移鍵控信號的時域表達式為 （1-5）由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘： （1-6） （1-7） 這里，g(t

10、)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，且 （1-8）這種以載波的不同相位直接去表示相應二進制數字信號的調制方式，稱為二進制絕對相移方式。二進制相移鍵控信號的典型時間波形如圖1-10所示。二進制相移鍵控信號的調制原理圖如圖1-11所示。其中圖(a)是采用模擬調制的方法產生2PSK信號，圖(b)是采用數字鍵控的方法產生2PSK信號。2PSK信號的解調通常都是采用相干解調，解調器原理圖如圖1-12所示。2PSK信號相干解調各點時間波形如圖1-13所示。當恢復的相干載波產生180°倒相時，解調出的數字基帶信號將與發(fā)送的數字基帶信號正好是相反，解調器輸出數字基帶信號全部出錯。圖1-10 2PSK信號的

11、時間波形 （a）模擬調試方法 （b）鍵控法圖1-11 2PSK信號的調制原理框圖圖1-12 2PSK的解調原理框圖圖1-13 2PSK信號相干解調時各點時間波形1.4 正交相移鍵控(QPSK)多進制數字相位調制（QPSK）也稱多元調相或多相制。他利用具有多個相位狀態(tài)的正弦波來代表多組二進制信息碼元，即用載波的一個相位對應于一組二進制信息碼元。如果載波有2k個相位，它可以代表k位二進制碼元的不同碼組。在MPSK信號中，載波相位可取個可能值： (1-9)因此MPSK信號可表示為 (1-10)假定載波頻率0是基帶數字信號的整數倍 (1-11)則上式可改寫為 (1-12)由上式表明，MPSK信號可等效

12、為兩個正交載波進行多電平雙邊帶調幅所得已調波之和。帶寬的產生可按類似于雙邊帶正交調制信號的方式實現。串/并變換相干載波產生/2相移相乘電路相乘電路相加電路單/雙極性變換單/雙極性變換圖1-14 QPSK的產生框圖由于QPSK信號可以看作是兩個正交2PSK信號的疊加，所以用兩路正交的相干載波去解調，可以很容易地分離這兩路正交的2PSK信號。相干解調后的兩路并行碼元a和b，經過并串變換后，成為串行數據輸出。此法是一種正交相平解調法，又稱極性比較法，原理如圖1-15所示。圖1-15 QPSK解調框圖為了便于分析，可不考慮噪聲的影響。這樣，加到接收機上的信號在符號持續(xù)時間內可表示為 (1-13)假定討

13、論的/4相移系統(tǒng),那么n只能取/4、3/4、5/4、7/4。根據/4移相系統(tǒng)PSK信號的相位配置規(guī)定，抽樣判決器的判決準則列于表2，當判決器按極性判決時，若正抽樣值判為1，負抽樣判定為0，則可將調相信號解調為相應的數字信號。解調出來的a和b在經過并/串變換，就可以還原出原調制信號。若解調/2移相系統(tǒng)的PSK信號，需改變移相網絡及判決準則。表1-1 /4系統(tǒng)判決器判決準則輸入相位 ncosn的極性sinn的極性 判決器輸出 a B 45o 135 o225 o315 o+-+-100111002 Matlab/Simulink介紹2.1 Matlab簡介美國Mathworks公司于1967年推出

14、了矩陣實驗室“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。開發(fā)的最早的目的是幫助學校的老師和學生更好的授課和學習。從Matlab誕生開始，由于其高度的集成性及應用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。Matlab是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單，擴充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識寶庫。目前的Matlab版本已經可以方便的設計漂亮的界面，它可以像VB等語言一樣設計漂亮的用戶接口，同時因為有最豐富的函數庫（工具箱），所以計算的功能實

15、現也很簡單，進一步受到了科研工作者的歡迎。另外，Matlab和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便的實現與其他語言的混合編程，進一步拓寬Matlab的應用潛力。2.2 Simulink簡介Simulink是MATLAB提供的用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的工具包。Simulink提供了專門用于顯示輸出信號的模塊，可以在仿真的過程中隨時觀察仿真結果。同時，通過Simulink的存儲模塊，仿真數據可以方便地以各種形式保存到工作空間或文件夾中，以供用戶在仿真結束后對數據進行分析和處理?；谝陨细鼽c，Simulink作為一種通信的仿真建模工具，廣泛應用于通信仿真、數字信號處理、模糊邏輯、神經網絡

16、、機械控制和虛擬實現等領域中。作為一款專業(yè)仿真軟件，Simulink具有一下特點：1. 基于矩陣的數值計算；2. 高級編程語言以及可視化的圖形操作界面；3. 包含各領域的仿真工具箱，使用方便快捷并可以擴展；4. 豐富的數據I/O接口；5. 提供與其他高級語言的接口；根據輸出信號與輸入信號的關系，Simulink提供3種類型的模塊：連續(xù)模塊、離散模塊和混合模塊。連續(xù)模塊是指輸出信號發(fā)生連續(xù)變化的模塊；離散模塊則是輸出信號固定間隔變化的模塊。對于連續(xù)模塊，Simulink采用積分方式計算輸出信號的數值。離散模塊的輸出信號在下一個采樣到來之前保持恒定，這個時候，Simulink只需要以一定的間隔計算

17、輸出信號的數值。混合模塊是根據輸入信號的類型來確定信號類型的，它既能產生連續(xù)輸出信號，也能夠產生離散輸出信號。3調制與解調仿真3.1 2ASK的調制與解調仿真3.1.1 建立模型方框圖2ASK信號的調制部分由DSP模塊中的Sine wave信號源、方波信號源、相乘器等模塊組成；2ASK的解調分為相干解調和非相干解調法，下面采用相干解調法對2ASK信號進行解調，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模型圖如圖3-1所示：圖3-1 2ASK信號調制解調的模型方框圖3.1.2 參數設置建立好模型

18、之后，開始設置各點的參數，為了更好的恢復出信源信號，所以在此直接使用原載波信號作為同步載波信號。從正弦信號源開始依次的仿真參數設置如下：Sin函數是幅度為1，頻率為10Hz，采樣周期為0.002的雙精度DSP信號。方波信號是基于采樣的，其幅度設置為1，周期為3，占1比為2/3下面是低通濾波器的參數設置：圖3-2 低通濾波器的參數設置圖3.1.3系統(tǒng)仿真及各點波形圖經過上述參數設置后，就可以進行系統(tǒng)仿真，示波器顯示的各點的波形圖如圖3-3所示。自上而下分別是正弦DSP波形、脈沖發(fā)生器波形、脈沖發(fā)生器與正弦DSP信號相乘后波形、以及再次與正弦DSP信號相乘后波形、經過低通濾波器后波形、經過抽樣判決

19、器后波形，最后一組波形即為還原后波形，雖然有一定誤差，但仍能反映基本波形。圖3-3 各點的時間波形圖3.1.4 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設置的問題，由3-1圖可以看出此系統(tǒng)的誤碼率為0.3636。3.2 2FSK的調制與解調仿真3.2.1 建立模型方框圖2FSK信號的調試部分由Sine wave信號源、Bernoulli Binary Generator基帶信號源、反相器、相乘器組成；經過帶通濾波器與低通濾波器進行解調。Simulink模型圖如圖3-4所示：圖3-4 2FSK信號調制解調的模型方框圖3.2.2 參數設置將Berno

20、ulli Binary Generator模塊出現0的概率調為0.5，取樣時間設為1，其余參數不變；載波（Sine Wave Function）的幅度設置為1，角頻率設置為20*pi，其余參數不改變；載波（Sine Wave Function1）的幅度設置為1，角頻率設置為4*pi，其余參數不改變。將調制信號進行相干解調，為了無失真地恢復原始基帶信號，調制信號需要與相同頻率的載波相乘，先經過帶通濾波器去除一定頻率的分量，然后再經過包絡檢波器以及抽樣判決器可得到原始的基帶調制信號。帶通濾波器（Analog Filter Design）的參數設如圖3-5 所示；帶通濾波器（Analog Filte

21、r Design1）的參數設如圖3-6所示；包絡檢波器（Analog Filter Design2）的參數設如圖3-7所示；包絡檢波器（Analog Filter Design3）的參數設如圖3-8所示；抽樣判決器（Quantizing Encode）的參數設如圖3-9所示；圖3-5帶通濾波器（Analog Filter Design）的參數設置圖3-6 帶通濾波器（Analog Filter Design1）的參數設置圖3-7 包絡檢波器（Analog Filter Design2）的參數設置圖3-8 包絡檢波器（Analog Filter Design3）的參數設置圖 3-9 抽樣判決器（

22、Quantizing Encode1）的參數3.2.3系統(tǒng)仿真及各點波形圖經過上面參數的設置后，就可以進行系統(tǒng)的仿真，圖3-10是2FSK調制時示波器顯示的各點的波形圖，圖3-11是2FSK解調時示波器顯示的各點的波形圖。圖3-10中，自上而下分別是基帶信號波形、正弦載波波形、正弦載波1波形、基帶信號與正弦載波信號相乘后波形、以及取反后與正弦載波1信號相乘后波形、上述兩波形相加后波形。圖3-11中，自上而下分別是基帶信號波形、只經過包絡檢波器后的波形、解調后波形。解調信號與基帶信號相對比，除了產生延時情況之外，波形大致上與基帶信號相同，延時是不可避免的。圖3-10 2FSK調制各點波形圖圖3-

23、11 2FSK解調各點波形圖3.3 2PSK的調制與解調仿真3.3.1 建立模型方框圖2PSK信號的調試部分由Sine wave信號源、Bernoulli Binary Generator基帶信號源、碼型變化器、多路選擇器組成；經過帶通濾波器與低通濾波器進行解調。Simulink模型圖如圖3-12所示：圖3-12 2PSK信號調制解調的模型方框圖3.3.2 參數設置將Bernoulli Binary Generator模塊出現0的概率調為0.5，取樣時間設為1，其余參數不變；載波（Sine Wave Function）的幅度設置為2，角頻率設置為8*pi，其余參數不改變；載波（Sine Wav

24、e Function1）的幅度設置為2，角頻率設置為8*pi，其余參數不改變。碼型變化器（Unipolar to Bipolar Converter）參數設置如圖3-13所示；多路選擇器（Switch）參數設置如圖3-14所示；帶通濾波器（Analog Filter Design）的參數設置如圖3-15所示；低通濾波器（Analog Filter Design1）的參數設置如圖3-16所示；取樣判決器（Sign）參數設置如圖3-17所示；圖3-13 碼型變化器（Unipolar to Bipolar Converter）的參數設置圖3-14 多路選擇器（Switch）參數設置圖3-15 帶通濾

25、波器（Analog Filter Design）的參數設置圖3-16 低通濾波器（Analog Filter Design1）的參數設置圖3-17 取樣判決器（Sign）的參數設置3.3.3系統(tǒng)仿真及各點波形圖經過上面參數的設置后，就可以進行系統(tǒng)的仿真，圖3-18是2PSK調制時示波器顯示的各點的波形圖，圖3-19是2PSK解調時示波器顯示的各點的波形圖。圖3-18中，自上而下分別是基帶信號波形、基帶信號經碼型變換器后波形、正弦載波波形、經多路選擇器后波形。圖3-19中，自上而下分別是調制信號加波斯白噪聲后波形、加噪聲后信號與正弦載波相乘后波形、只經過包絡檢波器后的波形、解調后波形。圖3-18

26、 2PSK調制各點波形圖圖3-19 2PSK解調各點波形圖3.4 QPSK的調制與解調仿真3.4.1 建立模型方框圖QPSK模型主要由信源Random Integer Generater、QPSK調制器、AWGN信道、QPSK解調器、信宿模塊組成，并用到信宿模塊Scope以觀察各個階段信號的波形；Error Rate Calculation來計算信號的誤碼率，并通過Display顯示出來。Simulink模型圖如圖3-20所示：圖3-20 QPSK信號調制解調的模型方框圖3.4.2 參數設置信源（Random Integer Generater）模塊產生隨機整數序列0,1,2,3。并將產生的隨

27、機整數信號傳送至QPSK調制器。這里要求產生的必須是四進制隨機整數，所以M-ary number設置為4，具體的參數設置如圖3-21所示。圖3-21信源（Random Integer Generater）模塊參數設置QPSK調制器（QPSK Modulator Baseband）的主要作用是將信源產生的四進制隨機序列進行QPSK調制,使之產生QPSK信號。需要注意QPSK調制模塊的參數設置與解調模塊的參數設置必須一致。輸入數據類型為整型，相位偏移設置為/2。QPSK解調器（QPSK Demodulator Baseband）的主要作用是將經過信道的QPSK調制信道進行解調,使之恢復出原來的輸入信號。QPSK解調模塊的參數設置與調制模塊的參數設置一致。輸入數據類型為整型，相位偏移設置為/2。AWGN（AWGN Channel）信道模塊是加性高斯白噪聲信道，可以通過改變該信道的的信噪比，實現在不同的噪聲條件下對解調性能的測試，從而得出信噪比與誤碼率的關系。參數設置如圖3-22所示。圖3-22 AW