基于MATLAB的數(shù)字調(diào)制性能仿真與比較

1、基于MATLAB的數(shù)字調(diào)制性能仿真與比較基于MATLAB的數(shù)字調(diào)制性能仿真與比較 作者姓名： 專業(yè)名稱： 指導老師：- 35 -摘要利用Matlab作為編程工具，對二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進行了分析，設計了二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)模型，并對模型的仿真流程以及仿真結(jié)果進行具體分析，加強對理論知識的學習和掌握。隨著通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，通信技術(shù)越來越受到重視，其中二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)也得到了全面的發(fā)展，作為通信專業(yè)的學生更應該熟練地掌握通信的知識，但是僅僅通過書面的知識難免太過于抽象。Matlab是一款功能強大的應用工具軟件，Matlab提供了可視化的系統(tǒng)仿真環(huán)境，可以方便、靈活的建立各種形象的仿真模型，讓抽象的

2、理論通過圖形形象的呈現(xiàn)在我們眼前。本文即利用Matlab建立通信仿真模型對理論知識加深學習。經(jīng)過最近對通信原理的學習，本文中對通信系統(tǒng)中的二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進行編程和仿真，并對結(jié)果進行比較和分析。數(shù)字信號有兩種傳輸方式，分別是基帶傳輸方式和調(diào)制傳輸方式，即帶通，在實際應用中，因基帶信號含有大量低頻分量不利于傳送，所以必須經(jīng)過載波和調(diào)制形成帶通信號，通過數(shù)字基帶信號對載波某些參量進行控制，使之隨基帶信號的變化而變化，這一過程即為數(shù)字調(diào)制。數(shù)字調(diào)制為信號長距離高效傳輸提供保障，現(xiàn)已廣泛應用于生活和生產(chǎn)中。另外根據(jù)控制載波參量方式的不同，數(shù)字調(diào)制主要有振幅鍵控（ASK），頻移鍵控(FSK)，相移鍵控

3、(PSK) 三種基本形式。本次設計針對二進制的2ASK、2FSK、2PSK進行討論，應用Matlab矩陣實驗室進行仿真，分析和修改，通過仿真系統(tǒng)生成一個人機交互界面，以利于仿真系統(tǒng)的操作。通過對系統(tǒng)的仿真，更加直觀的了解數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能及影響其性能的各種因素，以便于比較，評論和改進。關(guān)鍵詞 ：MATLAB 數(shù)字調(diào)制 振幅鍵控 頻移鍵控 相移鍵控AbstractUsing Matlab as a programming tool , the binary digital modulation system analysis, design binary digital modulation s

4、ystem model , a specific analysis and model simulation process and simulation results strengthen the theoretical knowledge to learn and master.With the continuous development of communication systems , communication technology is more and more attention , in which the binary digital modulation syste

5、m been fully developed as a communications professional students should be proficient in the communication of knowledge , but only through the written knowledge inevitably too too abstract . Matlab is a powerful application tools , Matlab provides a visualization system simulation environment , Conv

6、enient and flexible simulation model, the establishment of a variety of image abstract theories through graphic image in front of us . This article namely the use of the Matlab to to establish communication simulation model to to deepen learning the theoretical knowledge . After a recent study on th

7、e communication principle , this paper binary digital modulation communication system programming and simulation , and the results were analyzed .Digital signal there are two transmission modes , respectively, baseband transmission manner and modulation transmission mode , i.e. , band-pass , in prac

8、tical applications , a baseband signal containing a large number of low - frequency component is not conducive to transmission , so must be after the carrier and the modulation is formed with a communication number , through the digital baseband signal to control certain parameters of the carrier ,

9、so that the signal with random changes , this process is known as the digital modulation . Digital modulation signals over long distances efficient transmission to provide protection , is now widely used in the life and production . Further , different ways according to the parameters of the control

10、 carrier , digital modulation and amplitude modulation ( ASK ) , frequency modulation (FSK), phase modulation (PSK) are three basic forms . The topics for discussion of the application of Matlab Matrix Laboratory on binary 2ASK, 2FSK, 2PSK simulation , analysis and modification , A man-machine inter

11、face generated by the simulation system , in order to facilitate the operation of the simulation system . Simulation system , a more intuitive understanding of digital modulation system performance and affect the performance of a variety of factors , in order to compare , review and improve .Keyword

12、s: MATLAB, Digital modulation, ASK, FSK, PSK目錄摘要IAbstractII目錄II前言21 緒論21.1 通信技術(shù)的歷史和發(fā)展21.1.1 通信的概念21.1.2 通信的發(fā)展史簡介21.2 數(shù)字調(diào)制技術(shù)21.3 數(shù)字調(diào)制的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢21.4 數(shù)字調(diào)制方式22 MATLAB仿真技術(shù)22.1 通信系統(tǒng)仿真簡介22.2 MATLAB簡介22.3 Simulink建模環(huán)境簡介23 二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)原理分析23.1 二進制振幅鍵控（2ASK）23.2 二進制頻移鍵控（2FSK）23.3 二進制相移鍵控（2PSK）24 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真的編程實現(xiàn)24.1

13、2ASK系統(tǒng)的編程實現(xiàn)24.2 2FSK系統(tǒng)的編程實現(xiàn)24.3 2PSK系統(tǒng)的編程實現(xiàn)24.4 時域特性的比較25 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的Simulink仿真25.1 基帶頻移鍵控25.2 基帶相移鍵控25.3 性能比較2總結(jié)2致謝2參考文獻2前言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(zhuǎn)換成電信號（通常簡稱為信號）后才能在通信系統(tǒng)中傳輸。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，如電話機、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

14、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)。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。因而，數(shù)字通信更能適應對通信技術(shù)的越來越高的要求?，F(xiàn)代通信的發(fā)展趨勢為數(shù)字化，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷開發(fā)，數(shù)字調(diào)制技術(shù)已日趨成熟，在各個領域都得到了廣泛的應用和認同?，F(xiàn)代社會發(fā)展要求通信系統(tǒng)功能越來越強，性能越來越高，構(gòu)成越來越復雜；這就要借助于功能強大的計算機輔助分析設計技術(shù)和工具才能實現(xiàn)。現(xiàn)代計算機科學技術(shù)快速發(fā)展，已經(jīng)研發(fā)

15、出了新一代的可視化的仿真軟件。這些功能強大的仿真軟件，使得通信系統(tǒng)仿真的設計和分析過程變得相對直觀和便捷，由此也使得通信系統(tǒng)仿真技術(shù)得到了更快的發(fā)展。本文使用的是功能強大的MATLAB軟件。MATLAB是一種使用簡便的、特別適用于科學研究和工程計算的高級語言，與其他計算機語言相比，它的特點是簡潔和智能化，具有極高的編程和調(diào)試效率。通過使用MATLAB工具箱函數(shù)對數(shù)字調(diào)制進行仿真，更能直觀徹底的掌握數(shù)字通信，數(shù)字調(diào)制的原理。有助于我們的學習和研究，加深對知識的理解和運用。MATLAB的便利性還體現(xiàn)在它的仿真結(jié)果還可以存放到MATLAB 的工作空間里做事后處理。方便我們修改參數(shù)對不同情況下的輸出結(jié)

16、果進行對比。由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。本文利用MATLAB軟件來仿真二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，包括2ASK，2FSK，2PSK的調(diào)制過程。1 緒論通信按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸。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”。信息作為一種資源,只有通過廣泛傳播與交流,才能產(chǎn)生利用價值、促進社會成員之間的合作、推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展、創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益。而通信作為傳輸信息的手段或方式,與傳感技術(shù)、計算機技術(shù)相互融合，已成為21世紀國際社會和世界經(jīng)濟發(fā)展的強大推動力?？梢灶A見，未來的通信對人們的生活方式和社

17、會的發(fā)展將會產(chǎn)生更加重大和意義深遠的影響。1.1 通信技術(shù)的歷史和發(fā)展通信的目的是傳遞消息中所包含的信息。消息是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映,在不同時期具有不同的表現(xiàn)形式。例如:話音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動圖像等都是消息(message)。人們接收消息,關(guān)心的是消息中所包含的有效內(nèi)容,即信息(infomation)。通信則是進行信息的時空轉(zhuǎn)移,即把消息從一方傳送到另一方。基于這種認識,“通信”也就是“信息傳輸”或“消息傳輸”。 實現(xiàn)通信的方式和手段很多,如手勢、語言、旌旗、消息樹、烽火臺和擊鼓傳令,以及現(xiàn)代社會的電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)、數(shù)據(jù)和計算機通信等,這些都是消息傳遞

18、的方式和信息交流的手段。 1837年莫爾斯發(fā)明的有線電報開創(chuàng)了利用電傳遞信息(即電信)的新時代;1876年貝爾發(fā)明的電話已成為我們?nèi)粘Ｉ钪型ㄐ诺闹饕ぞ?1918年,調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世;1936年,商業(yè)電視廣播開播;,伴隨著人類的文明、社會的進步和科學技術(shù)的發(fā)展,電信技術(shù)也是以一日千里的速度飛速發(fā)展。電信技術(shù)的不斷進步導致人們對通信的質(zhì)與量提出了更高的要求,這種要求反過來又促進了電信技術(shù)的完善和發(fā)展。如今,在自然科學領域涉及“通信”這一術(shù)語時,一般是指“電通信”。廣義來講,光通信也屬于電通信,因為光也是一種電磁波。本書中討論的通信均指電通信。 1.1.1 通信的概念通信就是克服

19、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(chǎn)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）。消息由模擬消息（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(zhuǎn)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，信號是消息的物資載體。相應的信號可以分為模擬信號和數(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，如電話機、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

20、是傳遞消息，但對受信者有用的是消息中包含的有效內(nèi)容，即信息（Information）。消息是具體的、表面的，而信息是抽象的、本質(zhì)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(shù)，特別是數(shù)字通信技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速，它的應用越來越廣泛。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。因而，數(shù)字通信更能適應對通信技術(shù)的高要求。1.1.2 通信的發(fā)展史簡介遠古時代，遠距離的傳遞消息是以書信的形式來完成的，這種通信方式明顯具有傳遞時間長的缺點。為了在盡量短的時間內(nèi)傳遞盡量多的消息，人們不斷地嘗試所能找到的各種最新技術(shù)手段。1837年發(fā)明的莫

21、爾斯電磁式電報標志著電通信的開始。之后，利用電進行通信的研究取得了長足的進步。1866年利用海底電纜實現(xiàn)了跨大西洋的越洋電報通信。1876年貝耳發(fā)明了電話，利用電信號實現(xiàn)了語音信號的有線傳遞，使信息的傳遞變得既迅速又準確，這標志著模擬通信的開始，由于它比電報更便于交流使用，所以直到20世紀前半葉這種采用模擬技術(shù)的電話通信技術(shù)比電報得到了更為迅速和廣泛的發(fā)展。1937年瑞威斯發(fā)明的脈沖編碼調(diào)制標志數(shù)字通信的開始。20世紀60年代以后集成電路、電子計算機的出現(xiàn)，使得數(shù)字通信迅速發(fā)展。在70年代末在全球發(fā)展起來的模擬移動電話在90年代中期被數(shù)字移動電話所代替，現(xiàn)有的模擬電視也正在被數(shù)字電視所代替。數(shù)

22、字通信的高速率和大容量等各方面的優(yōu)越性也使人們看到了它的發(fā)展前途1.2 數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字信號在信號處理、傳輸、再生、交換、加密信號質(zhì)量等許多方面比模擬信號優(yōu)越，因此數(shù)字通信發(fā)展很快，而且在許多領域取代了模擬通信。數(shù)字調(diào)制是數(shù)字通信中的重要部分。數(shù)字調(diào)制又可分為基帶調(diào)制和頻帶調(diào)制。把頻譜從零開始而未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號所占用的頻率范圍叫基帶頻率，簡稱基帶。利用基帶信號直接傳輸?shù)姆绞椒Q為基帶傳輸。通信按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸與交換。在當今信息社會，通信則與遙感，計算技術(shù)緊密結(jié)合，成為整個社會的高級“神經(jīng)中樞”。沒有通信，人類社會是不可想象的。一般來說，社會生產(chǎn)力水平要求社會通信水平與之相適應。若通

23、信水平跟不上，社會成員之間的合作程度就受到限制?？梢?，通信是十分重要的。 信息傳輸?shù)南⑹嵌喾N多樣的，可以是符號的，文字的，數(shù)據(jù)和圖像的等等。各種不同的消息可以分為兩類：一類稱為離散消息；另一類稱為連續(xù)消息。離散消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的，比如符號，文字或數(shù)據(jù)等。離散消息也稱數(shù)字消息。而連續(xù)消息則是其狀態(tài)連續(xù)變化的消息，例如，連續(xù)變化的語音，圖像等。連續(xù)消息也稱模擬消息。因此按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號可以將通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 數(shù)字通信有以下突出的特點：第一，數(shù)字信號傳輸時，信道噪聲或干擾所造成的差錯，原則上是可以控制的。第二，當需要保密的時候，可以有效的對基帶

24、信號進行人為的“擾亂”，即加上密碼。數(shù)字通信系統(tǒng)模型如圖1.1所示：編碼器調(diào)制器信道解調(diào)器譯碼器受信者解密器信息源加密器噪 聲 源圖1.1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信在近20年來得到了迅速的發(fā)展，其原因是：（1） 抗干擾能力強（2） 便于進行各種數(shù)字信號處理（3） 易于實現(xiàn)集成化（4） 經(jīng)濟效益正趕上或超過模擬通信（5） 傳輸與交換可結(jié)合起來，傳輸電話與傳輸數(shù)據(jù)也可結(jié)合起來，成為一個統(tǒng)一整體，有利于實現(xiàn)綜合業(yè)務通信網(wǎng)。本設計主要研究數(shù)字通信過程中的調(diào)制過程。從原理上說受調(diào)載波可以是任意的，只要已調(diào)信號適合心動的傳輸就可以了，但是實際上，大多數(shù)通信系統(tǒng)中，都選擇正弦信號作為載波。這是因為正弦信號簡

25、單，便于產(chǎn)生和接收。 1.3 數(shù)字調(diào)制的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進入20世紀以來，隨著晶體管、集成電路的出現(xiàn)與普及、無線通信迅速發(fā)展。特別是在20世紀后半葉，隨著人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，大規(guī)模集成電路、電子計算機和光導纖維等現(xiàn)代技術(shù)成果的問世，通信技術(shù)在以下幾個不同方向都取得了巨大的成功。（1） 微波中繼通信使長距離、大容量的通信成為了現(xiàn)實。（2） 移動通信和衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，使人們隨時隨地可通信的愿望可以實現(xiàn)。（3） 光導纖維的出現(xiàn)更是將通信容量提高到了以前無法想象的地步。（4） 電子計算機的出現(xiàn)將通信技術(shù)推上了更高的層次，借助現(xiàn)代電信網(wǎng)和計算機的融合，人們將世界變成了地球村。（5） 微電子技術(shù)的發(fā)展，使通

26、信終端的體積越來越小，成本越來越低，范圍越來越廣。例如2003年我國的移動電話用戶首次超過了固定電話用戶。根據(jù)國家信息產(chǎn)業(yè)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到2005年底移動電話用戶近4億。 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化和寬帶化的方向發(fā)展。隨著科學技術(shù)的進步，人們對通信的要求越來越高，各種技術(shù)會不斷地應用于通信領域，各種新的通信業(yè)務將不斷地被開發(fā)出來。到那時人們的生活將越來越離不開通信。本文中提到的調(diào)制方式大都是可以實用的，已經(jīng)采用多年，并且至今仍然被采用著。但是，這些調(diào)制方法還不是很完善，有許多值得改進之處。因此，在這些基本的數(shù)字調(diào)制方法基礎上，多年來不斷研究出新的或改進的調(diào)制方

27、法。實際上，在基本的和先進的調(diào)制方法之間并沒有明確的界限。這些方法都是不間斷地發(fā)展出來的，后來者自然比原有者更先進。此外，隨著技術(shù)的進步，特別是超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，使得復雜的電路設計得以用少量的幾塊即成電路模塊實現(xiàn)，有些硬件電路的功能還可以用軟件代替實現(xiàn)。因此使得一些較復雜的調(diào)制技術(shù)能夠容易地實現(xiàn)并投入使用。這方面的條件使得新的更復雜的調(diào)制體制迅速地不斷涌現(xiàn)。目前，改進的數(shù)字調(diào)制方式主要有偏置正交相移鍵控， p/4正交差分相移鍵控，最小頻移鍵控，高斯最小頻移鍵控，正交頻分復用，網(wǎng)格編碼調(diào)制等。1.4 數(shù)字調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制就是將數(shù)字符號變成適合于信道傳輸?shù)牟ㄐ?。所用載波一般

28、是余弦信號，調(diào)制信號為數(shù)字基帶信號。利用基帶信號去控制載波的某個參數(shù)，就完成了調(diào)制。調(diào)制的方法主要是通過改變余弦波的幅度、相位或頻率來傳送信息。其基本原理是把數(shù)據(jù)信號寄生在載波的上述三個參數(shù)中的一個上，即用數(shù)據(jù)信號來進行幅度調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制。數(shù)字信號只有幾個離散值，因此調(diào)制后的載波參數(shù)也只有有限個值，類似于用數(shù)字信息控制開關(guān)，從幾個具有不同參量的獨立振蕩源中選擇參量，為此把數(shù)字信號的調(diào)制方式稱為“鍵控”。數(shù)字調(diào)制分為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻三類，分別對應“ 振幅鍵控”（ASK）、“相移鍵控”（PSK）和“頻移鍵控”（FSK）三種數(shù)字調(diào)制方式。在“振幅鍵控”方式中，當“1”出現(xiàn)時接通振幅為A的載

29、波，“0”出現(xiàn)時關(guān)斷載波，這相當于將原基帶信號（脈沖列）頻譜搬到了載波的兩側(cè)。如果用改變載波頻率的方法來傳送二進制符號，就是“頻移鍵控”的方法，當“1”出現(xiàn)時是低頻，“0”出現(xiàn)時是高頻。這時其頻譜可以看成碼列對低頻載波的開關(guān)鍵控加上碼列的反碼對高頻載波的開關(guān)鍵控。如果用“0”和“1”來改變載波的相位，則稱為“相移鍵控”。這時在比特周期的邊緣出現(xiàn)相位的跳變，但在間隔中部保留了相位信息。接收端解調(diào)通常在其中心點附近進行。一般來說，PSK系統(tǒng)的性能要比開關(guān)鍵控FSK系統(tǒng)好，但必須使用同步檢波。調(diào)制的基本原理是用數(shù)字信號對載波的不同參量進行調(diào)制，其基本公式如下：載波S（t） = Acos（t+） (1

30、-1)S（t）的參量包括：幅度A、頻率、初相位，調(diào)制就是要使A、或隨數(shù)字基帶信號的變化而變化。其中ASK調(diào)制方式是用載波的兩個不同振幅表示0和1；FSK調(diào)制方式是用載波的兩個不同頻率表示0和1；而PSK調(diào)制方式是用載波的起始相位的變化表示0 和1。根據(jù)傳輸信號是二進制信號還是多進制信號和對載波的哪個參數(shù)進行調(diào)制，可以把數(shù)字頻帶傳輸分為：l 二進制、多進制數(shù)字振幅鍵控（ASK）l 二進制、多進制數(shù)字頻移鍵控（FSK）l 二進制、多進制數(shù)字相移鍵控（PSK）l 二進制、多進制差分相移鍵控（DPSK）除上面所述的二相位、二頻率和二幅度系統(tǒng)外，還可以采用各種多相位、多振幅和多頻率的方案。在DVB系統(tǒng)中

31、衛(wèi)星傳輸采用QPSK，有線傳輸采用QAM方式，地面?zhèn)鬏敳捎肅OFDM（編碼正交頻分復用）方式。但ASK、PSK和FSK這三種數(shù)字調(diào)制方式仍是最主要的，所以本文要對這三種調(diào)制技術(shù)分別進行具體介紹。2 MATLAB仿真技術(shù)MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。2.1 通信系統(tǒng)仿真簡介隨著科學技術(shù)、仿真理論及計算機的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)不斷提高。在如今的科學研究中，仿真技術(shù)提高了科學研究水平，縮短了科學研究周期、降低了科學研究成本及風險、促進了各不同領域?qū)W

32、科融合、加速了科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。可以說仿真技術(shù)已成為科學研究中必不可少的實用技術(shù)。因此在現(xiàn)代科學研究及應用中，仿真技術(shù)被廣泛應用于數(shù)學、物理、電子、通信、醫(yī)學、生物等眾多領域。所謂系統(tǒng)仿真，通俗的說就是模型試驗，它是指通過系統(tǒng)模型試驗去研究一個已經(jīng)存在的或者正在設計的系統(tǒng)的過程。系統(tǒng)仿真，它不是對原型的簡單再現(xiàn)，而是按照研究的側(cè)重點對系統(tǒng)進行提煉，以利于研究者抓住問題的本質(zhì)，這種建立在模型系統(tǒng)上的實驗技術(shù)，稱為仿真技術(shù)。仿真方法可以分為3類：實物仿真、數(shù)學仿真和半實物仿真。系統(tǒng)仿真的研究重點在于仿真環(huán)節(jié)，即在模型建立之后，設計適當?shù)乃惴?，并編制成計算機程序。因此，便產(chǎn)生了很多仿真算法和仿真

33、軟件，其中以MATLAB提供的動態(tài)仿真工具Simulink最為耀眼，它不僅具有強大的功能，并且具有很好的實用性。MATLAB就是大量的計算機仿真軟件中的優(yōu)秀代表，它在科學研究特別是電子信息科學中有著極為廣泛的應用。MATLAB現(xiàn)已被廣泛應用于數(shù)學、通信、信號處理、自動控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、圖形處理等許多不同學科的研究中。仿真是衡量系統(tǒng)性能的工具，它通過仿真模型的仿真結(jié)果來推斷原系統(tǒng)的性能，從而為新系統(tǒng)的建立或原系統(tǒng)的改造提供可靠的參考。實際的通信系統(tǒng)是一個功能結(jié)構(gòu)相當復雜的系統(tǒng)，對這個系統(tǒng)做出的任何改變都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。因此，在對原有的通信系統(tǒng)做出改進或建立一個新系統(tǒng)之前，通常需要對

34、這個系統(tǒng)進行建模和仿真，通過仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設置，然后再應用于實際系統(tǒng)中。這個過程就是通信仿真。通信系統(tǒng)仿真可以分成離散事件仿真和連續(xù)事件仿真。在離散事件仿真中，仿真系統(tǒng)只對離散事件做出反應，而在連續(xù)事件仿真中，仿真系統(tǒng)對輸入信號產(chǎn)生連續(xù)的輸出信號。離散事件仿真是對實際通信系統(tǒng)的一種簡化，它的仿真建模比較簡單，整個仿真過程需要花費的時間也比連續(xù)仿真少。雖然離散事件仿真舍棄了一些仿真細節(jié)，在有些場合顯得不夠具體，但仍然是通信系統(tǒng)仿真的主要形式。2.2 MATLAB簡介美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實驗室“Matrix Laboratory

35、”（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。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。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，也是目前在動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應用最廣泛的工具之一 。確切的說，Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。在Simulink環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自

36、如、方便，故用戶只需進行簡單的點擊和拖動就能完成建模，并可直接進行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結(jié)果。但是Simulink不能脫離MATLAB而獨立工作。Matlab將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應用于科學計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領域的分析、仿真和設計工作，而且利用Matlab產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對Matlab的功能進行擴充，從而在不斷深化對問題認識的同時，不斷完善Matlab產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競爭能力。利用M語言還開發(fā)了相應的Matlab專業(yè)工具箱函數(shù)供用戶直接使用。這些工具箱應用的算法是開放的可擴展的，用戶不僅可以查看其中的算法，還可

37、以針對一些算法進行修改，甚至允許開發(fā)自己的算法擴充工具箱的功能。目前Matlab產(chǎn)品的工具箱有四十多個，分別涵蓋了數(shù)據(jù)獲取、科學計算、控制系統(tǒng)設計與分析、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、金融財務分析以及生物遺傳工程等專業(yè)領域。2.3 Simulink建模環(huán)境簡介近幾年，在學術(shù)界和工業(yè)領域，Simulink已成為在動態(tài)系統(tǒng)領域建模和仿真方面分，Simulink具有相對獨立的功能和使用方法。確切的說，它是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、應用最廣泛的軟件包之一 。它的魅力在于強大的功能和簡便的操作。作為MATLAB的重要組成部仿真和分析的軟件包。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采

38、樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。在Simulink環(huán)境中，利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地畫出系統(tǒng)模型，然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。Simulink包含有SINKS（輸出方式）、SOURCE（輸入源）、LINEAR（線性環(huán)節(jié)）、NONLINEAR（非線性環(huán)節(jié)）、CONNECTIONS（連接與接口）和EXTRA（其他環(huán)節(jié)）子模型庫，而且每個子模型庫中包含有相應的功能模，用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具

39、有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個模型后，用戶可以通過Simulink的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真非常有用。采用SCOPE模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進行的同時，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。模

40、型分析工具包括線性化和平衡點分析工具、MATLAB的許多工具及MATLAB的應用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。3 二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)原理分析數(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(diào)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(diào)制。通常使用鍵控法來實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，在二進制數(shù)字調(diào)制中，載波的幅度、頻率和相位只有兩種變化狀態(tài)。相應

41、的調(diào)制方式有二進制振幅鍵控(2ASK)、二進制頻移鍵控(2FSK)和二進制相移鍵控(2PSK)。3.1 二進制振幅鍵控（2ASK）這種調(diào)制方式是根據(jù)基帶信號的不同，調(diào)節(jié)正弦波的幅度。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(guān)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。原理圖如圖3.1所示：基帶信號2ASK 圖3.1 2ASK調(diào)制原理波形圖2ASK信號的一般表達式為： (3-1)2ASK的已調(diào)信號的幅度受s(t)控制，也就是說它的幅度上攜帶有s(t)的信息。2ASK信號的產(chǎn)生方

42、法通常有兩種：模擬調(diào)制法（相乘器法）和鍵控法。模擬調(diào)制法就是用基帶信號與載波相乘，進而把基帶信號調(diào)制到載波上進行傳輸。鍵控法由s(t)來控制電路的開關(guān)進而進行調(diào)制。如圖3.2所示為2ASK調(diào)制原理框圖：乘法器二進制不歸零信號s(t)coswcte2ASK(t)圖3.2 2ASK調(diào)制原理框圖3.2 二進制頻移鍵控（2FSK）所謂FSK就是用數(shù)字信號去調(diào)制載波的頻率。即用兩個不同頻率承載二進制1和0的系統(tǒng)。在基帶信號為1時載波頻率為f1，當基帶信號為0時載波頻率為f0，這樣調(diào)制信號就在基帶信號的控制下調(diào)制在不同的頻率上。可看作是兩個不同載波頻率的ASK已調(diào)信號之和。原理圖如圖3.3所示：基帶信號2

43、FSK 圖3.3 2FSK調(diào)制原理波形圖2FSK信號的一般表達式為： (3-2)2FSK信號產(chǎn)生的方法可分為兩種，一種是通過模擬調(diào)頻電路來實現(xiàn)，另一種可以采用鍵控法來實現(xiàn)，鍵控法即在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關(guān)電路對兩個不同獨立的頻率源進行選通，使其在每一個碼元Ts期間輸出f0或f1兩個載波之一。如圖3.4所示為2FSK調(diào)制原理框圖：振蕩器 f1振蕩器 f0反相器選通開關(guān)選通開關(guān)相加器基帶信號e2FSK(t)圖3.4 2FSK調(diào)制原理框圖3.3 二進制相移鍵控（2PSK）所謂PSK就是根據(jù)數(shù)字基帶信號的兩個電平使載波相位在兩個不同的數(shù)值之間切換的一種相位調(diào)制方法。這里用數(shù)字基帶信號去

44、對相位相差180度的兩個載波進行選擇。當基帶信號為0時調(diào)制信號相位從180度開始，當基帶信號為1時調(diào)制信號相位從0度開始。原理圖如圖3.5所示：基帶信號 2PSK 圖3.5 2PSK調(diào)制原理波形圖2PSK信號的一般表達式為： (3-3) 2PSK信號的調(diào)制原理框圖如圖3-6所示。與2ASK信號產(chǎn)生方法相比較，只是對s(t)的要求不同，在2ASK中s(t)是單極性的，而在2PSK中s(t)是雙極性的基帶信號。如圖3.6所示為2PSK調(diào)制原理框圖：碼型變換s(t)乘法器雙極性不歸零e2PSK(t)coswct圖3.6 2PSK調(diào)制原理框圖4 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真的編程實現(xiàn)本畢業(yè)設計借助MATLAB的M

45、文件編程功能，對2ASK,2PSK,2FSK進行調(diào)制設計并比較分析，并繪制出調(diào)制后的時域波形，軟件仿真可在已有平臺上實現(xiàn)。4.1 2ASK系統(tǒng)的編程實現(xiàn)振幅鍵控是利用載波幅度的變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。用于研究、描述2ASK信號調(diào)制的時域特性的MATLAB程序如下：close all;clear all;s=round(rand(1,10); %產(chǎn)生數(shù)值為0或1的隨機矩陣t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;for n=1:length(s) if s(n)=0; m=zeros(1,100); else %s(n)=1; m=ones(1,100); end

46、 c=sin(2*t); m1=m1 m; c1=c1 c;end a=c1.*m1;subplot(3,1,1);plot(m1);title(基帶信號);ylim(-0.2 1.2);subplot(3,1,2);plot(c1);title(載波信號);ylim(-1.2 1.2);subplot(3,1,3);plot(a);title(2ASK已調(diào)信號);ylim(-1.2 1.2);程序運行結(jié)果如圖4.1所示：圖4.1 2ASK信號時間波形4.2 2FSK系統(tǒng)的編程實現(xiàn)頻移鍵控是利用載波頻率的變化來傳遞數(shù)字信息。而其振幅和初始相位保持不變。用于研究、描述2FSK信號調(diào)制的時域特性的

47、MATLAB程序如下：close all;clear all;s=round(rand(1,10); %產(chǎn)生數(shù)值為0或1的隨機矩陣t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;b1=;d1=;e1=;for n=1:length(s) if s(n)=0; m=ones(1,100); c=sin(5*t); b=zeros(1,100); else %s(n)=1; m=ones(1,100); c=sin(2*t); b=ones(1,100); end d=sin(5*t); e=sin(2*t); m1=m1 m; c1=c1 c; d1=d1 d; e1=e1 e; b1=b1,

48、b;end f=c1.*m1;subplot(4,1,1);plot(b1);title(基帶信號);ylim(-0.2 1.2);subplot(4,1,2);plot(d1);title(載頻f0);ylim(-1.2 1.2);subplot(4,1,3);plot(e1);title(載頻f1);ylim(-1.2 1.2);subplot(4,1,4);plot(f);title(2FSK已調(diào)信號);ylim(-1.2 1.2);程序運行結(jié)果如圖4.2所示：圖4.2 2FSK信號時間波形4.3 2PSK系統(tǒng)的編程實現(xiàn)相移鍵控是利用載波相位的變化來傳遞數(shù)字信息，而其振幅和頻率保持不變。

49、用于研究、描述2PSK信號調(diào)制的時域特性的MATLAB程序如下：close all;clear all;s=round(rand(1,10); %產(chǎn)生數(shù)值為0或1的隨機矩陣t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;b1=;for n=1:length(s) if s(n)=0; m=-ones(1,100);b=zeros(1,100); else %s(n)=1; m=ones(1,100);b=ones(1,100); end c=sin(2*t);m1=m1 m;c1=c1 c;b1=b1,b;end p=c1.*m1;subplot(3,1,1);plot(b1);title(

50、基帶信號);ylim(-0.2 1.2);subplot(3,1,2);plot(c1);title(載波信號);ylim(-1.2 1.2);subplot(3,1,3);plot(p);title(2PSK已調(diào)信號);ylim(-1.2 1.2);程序運行結(jié)果如圖4.3所示：圖4.3 2PSK信號時間波形4.4 時域特性的比較通過對這三種二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的編程實現(xiàn)，描述了它們的時域特性，我們從中可以看出2ASK，2FSK，2PSK它們的聯(lián)系在于它們都是用數(shù)字基帶信號去調(diào)制高頻正弦波，區(qū)別在于2ASK是用頻率相同而載波幅度不同來區(qū)分0和1；2FSK是利用兩個不同頻率的載波來分別表示0和1，

51、載波幅度相同；2PSK是利用載波的初始相位不同（幅度和頻率相同）來表示0和1，一般一個初始相位為0，另一個為。如圖4.4所示為三種二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)與基帶信號的時域特性比較：圖4.4 2ASK、2FSK、2PSK時域特性比較5 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的Simulink仿真本畢業(yè)設計借助MATLAB中Simulink的模塊庫對主要的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進行仿真，由于Simulink模塊庫中沒有與ASK相關(guān)的調(diào)制、解調(diào)模塊，無法對ASK進行數(shù)字調(diào)制仿真，所以本章就對2FSK和2PSK進行Simulink仿真設計，繪制出調(diào)制后的頻譜圖。為了便于比較，建立了兩個條件基本一致的仿真系統(tǒng)，即相同的信號源（隨機整數(shù)發(fā)生器），

52、相同的傳輸環(huán)境及參數(shù)（加性高斯白噪聲環(huán)境，F(xiàn)SK和PSK的信噪比均為-3dB），相同的頻譜儀及參數(shù)，都是基帶調(diào)制、解調(diào)模塊。5.1 基帶頻移鍵控用二進制數(shù)字基帶信號控制載頻的頻率實現(xiàn)調(diào)制稱為頻移鍵控FSK。如圖5.1所示是2FSK的仿真實驗框圖：圖5.1 2FSK基帶調(diào)制仿真系統(tǒng)各模塊的主要參數(shù)設置如下：表5-1 Random-Integer Genrrator（隨機整數(shù)發(fā)生器）的主要參數(shù)n 模塊名稱 Random-Integer Genrratorn 位置 Communications BlocksetComm Sources參 數(shù) 名 稱參 數(shù) 值M-ry number（元數(shù)）2Initi

53、al seed（初始化種子）12345Sample time（采樣時間）0.1Frame-based output（基于幀輸出）使能Sample per frame（每幀采樣數(shù)）10表5-2 Spectrum Scope（頻譜儀）的主要參數(shù)n 模塊名稱 Spectrum Scopen 位置 DSP BlocksetDSP Sinks參 數(shù) 名 稱參 數(shù) 值Buffer size（緩存長度）1024Buffer overlap（緩存交疊）512FFT length（FFT長度）1024Number ofspectral averages（譜（計算）平均（點）數(shù)）64Scope position（

54、顯示器位置）get(0,defaultfigureposition)Frequency units（頻率單位）HertzFrequency range （頻率范圍）-Fs/2.Fs/2Amplitude scaling（幅度刻度）dBInherit sample increment from input（與輸入信號采樣時間一致）使能MinmumY-limit(Y軸最小刻度)-50MaxmumY-limit(Y軸最大刻度)30表5-3 M-FSK Modulator Baseband（基帶M-FSK調(diào)制器）的主要參數(shù)n 模塊名稱 M-FSK Modulator Basebandn 位置 Comm

55、unications BlocksetModulationDigital Bseband Modulation參 數(shù) 名 稱參 數(shù) 值M-ray number（元數(shù)）2Input type（輸入類型）BitSymbol set ordering（符號排序）Binary（二進制）Frequency separation（Hz）（頻率間隔）10Phase continuity（相位連續(xù)性）Discontinuous（不連續(xù)）Sample per symbol（每符號采樣數(shù)）16表5-4 AWGN Channel（加性高斯白噪聲信道）的主要參數(shù)n 模塊名稱 AWGN Channeln 位置Communications BlocksetChannels參 數(shù) 名 稱參 數(shù) 值Initial seed（初始化種子