基于Mat lab的数字调制系统仿真与分析毕业论文

基于Mat lab的数字调制系统仿真与分析

摘 要

数字调制是通信系统中最为重要的环节之一，数字调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。本文首先分析了数字调制系统的五种基本调制解调方法，然后，运用Matlab及附带的图形仿真工具 ——Simulink设计了这几种数字调制方法的仿真模型。通过仿真，观察了调制解调过程中各环节时域和频域的波形，并结合这几种调制方法的调制原理，跟踪分析了各个环节对调制性能的影响及仿真模型的可靠性。最后，在仿真的基础上分析比较了各种调制方法的性能，并通过比较仿真模型与理论计算的性能，证明了仿真模型的可行性。

关键词：数字调制；分析与仿真；Matlab；Simulink；GUI图形界面。

ABSTRACT

In this paper, five usual methods of digital modulation are introduced firstly. Then their simulation models are built by using MATLAB’s simulation tool, SIMULINK. Through observing the results of simulation, the factors that affect the capability of the digital modulation system and the reliability of the simulation models are analyzed. And then, the capability of three digital modulation simulation models, 2-FSK, 2-DPSK and MSK, have been compared, as well as comparing the results of simulation and theory.

Keywords: Digital modulation; analysis; simulation; MATLAB; SIMULINK.

目 录

1引言.......................................................1 1.1数字调制系统概述.......................................1 1.1.1数字通信系统的组成...................................1 1.1.2数字通信系统的特点...................................2 1.2数字调制的意义.........................................5 1.3 Matlab在通信系统仿真中的应用..........................6 2数字调制系统的相关原理.....................................7 2.1二进制幅度键控(2-ASK)..................................7 2.2二进制频移键控(2-FSK)..................................7 2.3二进制相移键控(2-PSK)..................................8 2.4多进制数字调制.........................................8 3数字调制系统的仿真设计.....................................9 3.1数字调制系统各个环节分析...............................9 3.1.1仿真框图...........................................10 3.1.2信号源仿真及参数设置...............................11 3.1.3调制与解调模块.....................................11 3.1.4信道...............................................12 3.2仿真模型的设计及结果分析...............................13 3.2.1 2-ASK..............................................13 3.2.2 2-FSK..............................................18 3.2.3 2-DPSK.............................................22 3.2.4 2-MSK..............................................25 3.2.5 M-DPSK.............................................27 3.3数字调制的性能比较.....................................30 3.3.1各种仿真模型的性能比较.............................30 3.3.2仿真模型性能与理论性能的比较.......................32 4结论.......................................................33 致谢........................................................34

参考文献....................................................35

基于Matlab的数字调制系统仿真与分析

1引言

1.1数字调制系统概述

数字载波调制(简称数字调制)与模拟调制没有本质上的区别，它是用数字基带信号作为原始信号，去控制高频正弦载波信号的振幅、频率和相位，相应的有三种基本的调制方式：数字振幅调制（ASK）、数字频率调制（FSK）、数字相位调制（PSK）。

1.1.1数字通信系统的组成

数字通信系统就是利用数字信号传递消息的通信系统。而数字信号指的是不仅在时间上是离散的且在幅度上也是离散的信号。数字通信系统的形式各种各样，但从数字通信的特点以及所完成的功能上来看，可把它概括成图1-1所示的系统模型。

图1.1数字通信系统的组成框图

信源是信息的发出源，接其性质可分为离散信息源，如电报、数据等;另一种是连续的模拟信息源，如电路等。信宿是信息的归宿。 信源编码广义地说包含两个方面:(1)将输入信号变换成适合于数字通信

系统处理和传输的数字信号。如果信源是模拟信号，应首先进行模拟/数字变换，使经过编码后的输出信号成为时间上离散、幅度取值有限，且按一定规律组合的数字脉冲串:(2)通过信源编码提高数字信号的有效性，尽可能地减少原信号中的多余度，进行压缩信号的带宽的编码，使单位时间、单位系统频带上所传输的信息量最大.这两个方面是在信源编码的过程中同时完成的。信源译码则是信源编码的逆过程。

加密与解密是为了实现保密通信，通过加密人为地把待传输的数字序列扰乱。这种编码可采用周期非常长的伪随机码序列等，在接收端根据己知的解密方法，对接收序列进行解密。

信道编解码主要是为解决可靠性问题而设置的。由于信源编码后的数字信号是要通过信道来传输，而信号又不可避免地要受到各种噪声的干扰，因此可能会导致接收端数字信号的判决错误。信道编码就是采用一种对传输的原始信息按一定规则人为地加入一些数据，在接收端通过信道译码以达到自身发现和纠正误码的目的，这种技术称为“差错控制技术”。

一般来讲经信道编码的二元数字信号不适合在信道上直接传输，调制器的任务是把数字信号变为适合于信道传输的信号:而解调器的过程正好相反。通常对数字信号的频带调制有ASK, FSK和PSK等.调制与解调方式对通信质量的影响比较大，因此应合理选择。

定时同步系统使数字信号序列按节拍一步一步地工作，收、发两端的节拍一定要一致，否则将出现混乱。另外发送的数字信号序列常常是编组的，收端必须知道这些编组的头尾，否则就无法恢复原始信息。要

保证收、发两端的节拍一致，必须有同步系统的控制。

1.1.2数字通信的特点

从数字通信的过程来看，很容易发现数字通信有着许多模拟通信无法比拟的优点。 (1) 抗干扰能力强

信号在传输过程中不可避免地要受到各种噪声的干扰。对于模拟信号来说，叠加在信号上的噪声难以与信号分开。同样，叠加在数字信号波形上的噪声也是难以去掉，但由于数字通信系统传送的数字信号，其信息并不包含在信号脉冲的波形之中，而是包含在脉冲的有无之中，因而只有当噪声在判决时超过某个范围，才有可能改变信号的值，产生错误判决，造成误码。因此，数字信号比模拟信号的抗干扰能力强，且数字信号还可进行纠错编码，进一步提高其抗干扰能力。由于数字信号的抗千扰能力强，在类似的信道条件下，数字通信的传输精度比模拟通信高的多。

(2) 采用再生中继可实现高质量远距离传输

远距离模拟通信系统中的噪声是积累的，因而随着通信距离的增加，传输质量也随之下降。而在数字通信系统中传送的数字信号大多是二元或三元信号。例如:二元数字信号只有两个状态“0”和“1\，在传输信道中也会受到噪声干扰，当干扰达到一定程度，进入再生中继器，再生中继器中的幅度识别电路对收到的二元波形信号进行判决，这些判决值通过波形形成电路，以没有噪声千扰的“纯净”脉冲波形向下一站发送，这样就消除了噪声的千扰。在理想情况下，噪声可全部清除，不会产生

比二进制数字调制有两个突出的优点：一是有于多进制数字信号含有更多的信息使频带利用率更高；二是在相同的信息速率下持续时间长，可以提高码元的能量，从而减小由于信道特性引起的码间干扰。现实中用得最多的一种调制方式是多进制相移键控（MPSK）。

多进制相移键控又称为多相制，因为基带信号有M种不同的状态，所以它的载波相位有M种不同的取值，这些取值一般为等间隔。在多相制移键控有绝对移相和相对移相两种，实际中大多采用四相绝对移相键控（4PSK，有称QPSK），四相制的相位有0、π/2、π、3π/2四种，分别对应四种状态11、01、00、10。 3数字调制系统的仿真设计 3.1 数字调制系统各个环节分析

典型的数字通信系统由信源、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节构成，其框图如图3.1所示：

数字调制是数字通信系统的重要组成部分，数字调制系统的输入端是经编码器编码后适合在信道中传输的基带信号。对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心基带信号的码型，因此，我们在仿真的时候可以给数字调制系统直接输入数字基带信号，不用在经过编码器。

图3.1数字通信系统框图

3.1.1 仿真框图

MATLAB提供的图形界面仿真工具Simulink由一系列模型库组成,包括Sources(信源模块)，Sinks(显示模块)，Discrete(离散系统模块)，Linear(线性环节)，Nonlinear(非线性环节)，Connections(连接),Blocksets&Toolboxes(其他环节)。特别是在Blocksets&Toolboxes中还提供了用于通信系统分析设计和仿真的专业化模型库CommTbxLibrary。在这里，整个通信系统的流程被概括为：信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调、滤波器以及传输介质的模型。在每个设计模块中还包含有大量的子模块，它们基本上覆盖了目前通信系统中所应用到的各种模块模型。通信系统一般都可以建立数学模型。根据所需仿真的通信系统的数学模型(或数学表达式)，用户只要从上述各个模型库中找出所需的模块,用鼠标器拖到模型窗口中组合在一起,并设定好各个模块参数, 就可方便地进行动态仿真.从输出模块可实时看到仿真结果,如时域波形图、频谱图等。每次仿真结束后还可以更改各参数,以便观察仿真结果的变化情况。另外，对Simulink中没有的模块，可运用S函数生成所需的子模块，并且可以封装和自定义模块库，以便随时调用。

根据Simulink提供的仿真模块，数字调制系统的仿真可以简化成如图3.2所示的模型：

图3.2 数字调制系统仿真框图

3.1.2 信号源仿真及参数设置

Simulink通信工具箱中的Comm Sources/Data Sources提供了数字信号

源Bernoulli Binary Generator，这是一个按Bernoulli分布提供随机二进制数字信号的通用信号发生器。在现实中，对受信者而言，发送端的信号是不可预测的随机信号。因此，我们在仿真中可以用Bernoulli Binary Generator来模拟基带信号发生器。 其中主要参数的含义为：

Probability of a zero ：产生的信号中0符号的概率，在仿真的时候一般设成0.5，这样便于频谱的计算；

Initial seed ：控制随机数产生的参数，要求不小于30，而且与后面信道中的Initial seed设置不同的值；

Sample time：抽样时间，这里指一个二进制符号所占的时间，用来控制号发生的速率，这个参数必须与后面调制和解调模块的Symbol period保持一致。 3.1.3 调制与解调模块

Simulink通信工具箱中提供了数字信号各种调制方式的模块，如AM、

CPM、FM及PM等。虽然不同的调制模块，参数设置有所不同，但很多参数在各种调制中是一致的，下面我们以DPSK调制模块为例介绍一下调制模块的参数及其设置，其余模块将在下面仿真模型的建立过程中详细介绍。

M-DPSK Modulator Passband和M-DPSK Demodulator Passband 分别是数字信号DPSK调制和解调的专用模块，其中主要参数有： M-ary number：输入信号的阶次数，比如2-DPSK就是2阶的；

Symbol period：符号周期，即，一个符号所占的时间，这必须与信号源的Sample time保持一致；

Carrier frequency：载波频率；

Carrier initial phase：载波的初始相位； Input sample time： 输入信号的抽样时间； Output sample time：输出信号的抽样时间。 其中，各参数要满足以下关系：

Symbol period > 1/(Carrier frequency)

Input sample time < 1/[2*Carrier frequency + 2/(Symbol period) Output sample time <1/[2*Carrier frequency + 2/(Symbol period)] 3.1.4 信道

在分析通信系统时通常选择高斯噪声作为系统的噪声来考查，因为这种噪声在现实中比较常见而且容易分析。Simulink 中提供了带有加性高斯白噪声的信道：AWGN Channe。仿真时可以用该模块模拟现实中的信

道，该模块的主要参数有：

Initial seed：控制随机数产生的参数，要求不小于30，且与前面信号源中的Initial seed设置不同的值；

Es/No (dB)：信号每个符号的能量与噪声的功率谱密度的比值； SNR (dB)： 信号功率与噪声功率的比值；

注：Es/No (dB) 和SNR (dB)是表征信号与噪声关系的两种方法，在一次仿真中只能选择其中一个。 3.2 仿真模型的设计及结果分析

了解了仿真所需的主要模块后，下一步就是设计和仿真各种数字调制

模型，并对仿真结果在时域和频域进行分析。 3.2.1 2-ASK

通常，二进制振幅键控信号（2-ASK）的产生方法（调制方法）有两种，如图3.3所示：

图3.3 2-ASK信号产生的两种方法

2-ASK解调的方法也有两种相应的接收系统组成方框如图3.4所示：

图3.4 2-ASK信号接收系统组成框图

根据图3.3（a）所示方框图产生2-ASK信号，并用图3.4（b）所示的相干解调法来解调，设计2-ASK仿真模型如图3.5所示：

图3.5 2-ASK模型

在该模型中，调制和解调使用了同一个载波，目的是为了保证相干解调的同频同相，虽然这在实际运用中是不可能实现的，但是作为仿真，这样能获得更理想的结果。

主要模块参数设置如下：

1.Bernoulli Binary Generator的参数设置为：

Probability of a zero ：0.5 Initial seed ：67 Sample time：1

2.载波频率设为：50（可调）

3. Sample and Decide 模块是一个子系统，其内部结构由抽样和判决两部分组成，其中，抽样由同步冲激信号（Sychronizing signal）完

成，其参数period（sec）设置和信号源的参数Sample time保持一致。判决模块是一个由M文件编写的S函数，S函数是Simulnk中用以功能扩展的一个功能，用S函数可以自己编制Simulink库中没有的Simulink模块，从而使Simulink的功能大大加强，本模型中使用的判决模块就是这样一个应用。Sample and Decide 模块内部结构如图3.6所示：

图3.6 Sample and Decide 子系统内部结构

仿真结果时域分析

设信息源发出的是由二进制符号0、1组成的序列，且假定0符号出现的概率为P，1符号出现的概率为1-P，他们彼此独立。则，2ASK信号的时间表示式为:

（3.2.）

s(t)为随机的单极性矩形脉冲序列。

将图3.5中各示波器的值输出到Work space中做统一处理，各环节波形如图3.7所示；

图3.7 2-ASK各环节波形示意图

从图3.7中可以看出，经过调制后的信号波形在符号1持续时间内是载波的波形，在符号0持续时间内无波形，这与式（3.2）是完全吻合的。最后经过解调和抽样判决出来的信号与源信号波形大体一致，只是有两个码元的延迟，这说明如果将Error Rate Calculation的Receive delay参数设置为2，则此模型最后的误码率为0。这个值与理论值有些出入，原因是我们在仿真时为了便于观察信号的波形，将信号源发送的码元数设定为20个（码元速率为1，仿真时间20秒），这大大低于现实中的传码率，所以在只传送20个码元的情况下，误码率为0是可能的。 仿真结果频域分析

由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,?所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。

2ASK的功率谱密度为

（3.3） 当概率P=0.5时，2ASK的功率谱密度可进一步整理为

（3.4）1-3

由式（3.4）可知，2-ASK信号的中心频谱被搬移到了载波频率fc上。对图3.7中各环节数据做1024点快速傅立叶可得频域波形，如图3.8所示：

图3.8 2-ASK各环节频谱图

从图3.8中可以看到，源信号中心频率经调制后搬移到了载波频率

上，这与公式（3.4）是相符的。最后经过抽样判决后的频谱与源信号频谱也大体一致，说明该2-ASK仿真模型是成功的、符合理论的。 3.2.2 2-FSK

如果信号源同2-ASK一样的假设，那么，2-FSK信号便是0符号对应于载波ω1，而1符号则对应于ω2（与ω1不同的另一载波）的已调波形，而且ω1与ω2之间的改变是瞬间完成的。2-FSK信号的产生如3.9 所示:

图3.9 2-FSK信号产生方法

2-FSK信号最常用的解调方法是采用的相干检测法，如图3.10所示

Cosω1t ω1 LPF 输入 相乘器 LPF 抽样脉冲 输出 抽样判决 LPF ω2 相乘器 LPF Cosω2t :图3.10 2-FSK相干解调的方法

Simulink通信工具箱中提供了专门的FSK调制和解调模块，应用FSK调制模块能方便的产生2-FSK信号。因此，设计2-FSK仿真模型时，只需根据图3.2所示框图，利用Simulink通信工具箱中中的FSK调制解调模

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