基于MATLAB对信号调制与解调的仿真

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学校代码：10904

学 士 学 位 论 文

MATLAB对信号调制与解调的仿真

姓 名： XXX

学 号： 201205310141 指导教师： XXX 副教授 学 院： 光电工程学院 专 业： 电子信息工程 完成日期：

2014年5月20日

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学 士 学 位 论 文

MATLAB对信号调制与解调的仿真姓 名： XXX

学 号： 201205310141 指导教师： XXX 副教授 学 院： 光电工程学院 专 业： 电子信息工程 完成日期：

2014年5月20日

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几种基本调制解调方法，然后，运用MATLAB设计了这几种数字调制解调方法的仿真程序，主要包括2ASK，2FSK和2PSK。通过仿真，分析了这三种调制解调过程中各环节时域和频域的波形。通过仿真更深刻地理解了数字调制解调系统基本原理。最后，对三种调制解调系统的性能进行了比较。

【关键词】：数字调制；分析与仿真；MATLAB。

Abstract

Digital modulation is one of the most important part in communication system，and the improvement of digital modulation technology is an important way for the improvement of communication system capability.In this paper，some usual methods of digital modulation are introduced firstly．Then their simulation programs are built by using MATLAB，they mainly include 2ASK，2FSK，2PSK．Through simulation，we analyzed the time and frequency waveform for every part of these three modulations. Through the simulation，we understand the basic theory of modulation and demodulation more clearly．At last，the capability of these digital modulations have been compared．

[Key words]： Digital modulation; analysis; simulation; MATLAB.

目 录

第1章 绪论 .............................................................................................................................. 1

1.1 MATLAB/Simulink简介 ............................................................................................... 1

1.1.1 MATLAB简介 ..................................................................................................... 1 1.1.2 MATLAB下Simulink的简介 ............................................................................ 1 1.2 通信技术的历史和发展 ................................................................................................ 2

1.2.1 通信的概念 .......................................................................................................... 2 1.2.2 通信的发展史简介 .............................................................................................. 3 1.3 通信技术的发展现状和趋势 ........................................................................................ 3 第2章 数字频带传输系统 ...................................................................................................... 4

2.1 2ASK的基本原理和调制解调实现 ........................................................................... 4 2.2 2FSK的基本原理和调制解调实现 ............................................................................ 6 2.3 2PSK的基本原理和调制解调实现 ............................................................................ 8 第3章 Simulink的模型建立和仿真 .................................................................................... 10

3.1 2ASK的调制与解调仿真 ......................................................................................... 10 3.2 2FSK的调制与解调仿真 .......................................................................................... 13 3.3 2PSK的调制与解调仿真 .......................................................................................... 13 第4章 总结 .............................................................................................................................. 19 参考文献 .................................................................................................................................... 21 致谢 ............................................................................................................................................ 23

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第1章 绪论

1.1 MATLAB/Simulink简介

1.1.1 MATLAB简介

美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为MATLAB）这就是MATLAB最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。MATLAB是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充MATLAB的功能，使其成为了巨大的知识宝库。MATLAB可以方便的设计漂亮的界面，可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了MATLAB的应用潜力。可以说，MATLAB已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。 1.1.2 MATLAB下Simulink的简介

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。Simulink是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境。它的存在使得MATLAB的功能进一步扩展。它支持连续离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多重采样率的多速率系统。

Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像用笔和纸来画一样容易。它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。由于MATLAB和Simulink的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作[1-3]。

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1.2 通信技术的历史和发展

1.2.1 通信的概念

通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。信号是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。

相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。

通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。

通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图1-1所示。

图1-1 通信系统一般模型

图1-2 数字通信系统模型

通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2所示。模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-3所示。

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图1-3 模拟通信系统模型

数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。数字通信发展十分迅速，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统主流[4]。 1.2.2 通信的发展史简介

远古时代，远距离的传递消息是以书信的形式来完成的，这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息，人们不断地尝试所能找到的各种新技术手段。1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始，之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876年贝尔发明了电话，利用电信号实现了语音信号的有线传递，这标志着模拟通信的开始。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。

1.3 通信技术的发展现状和趋势

进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术取得了巨大的成功。随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信[5-6]。

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第2章 数字频带传输系统

在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。

图 2-1 数字调制系统的基本结构

数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的三种数字调制方式是：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK 或DPSK)。本章重点论述二进制数字调制系统的原理，简要介绍二进制数字调制原理。

2.1 2ASK的基本原理和调制解调实现

数字幅度键控。记作ASK（Amplitude shift-keying），二进制幅度键控记作2ASK。2ASK就是根据载波的幅度受到基带数字信号的调制而取不同的值，例如对应二进制0，载波振幅为0；对应二进制1，载波振幅为1 。

二进制幅度键控信号的时域表达式可以简单地记为

t ω c （2-1） S2ASK(t)?s(t)cos?ct? Acos0 二进制振幅键控信号时间波型如图2-2所示。由图2-2可以看出，2ASK信号的时间波形S2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号(OOK信号)。二进制振幅键控信号的产生方法如图2-3所示，图(a)是采用模拟相乘的方法实现，图(b)是采用数字键控的方法实现[7-8]。

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2ASK信号可以采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)，本论文采用相干解调的方式实现。其相应原理方框图如图2-4所示。2ASK信号相干解调过程的时间波形如图2-5所示。

图 2- 2 二进制振幅键控信号时间波型

图2-3 二进制振幅键控信号调制器原理框图

图 2-4 二进制振幅键控信号相干解调原理框图

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图 2 - 5 2ASK信号相干解调过程的时间波形

2.2 2FSK的基本原理和调制解调实现

数字频率键控，记作FSK，二进制频率键控记作2FSK。2FSK系统就是根据基带数字信号的值（0或1）来调制载波的频率。例如对应二进制0，载波频率为f1，而对应二进制1，载波频率为f2。

二进制移频键控信号的时域表达式可以简单地记为 S2FSK(t) =

Acosω1t Acos ω （2-2）

t 2 二进制移频键控信号的时间波形如图2-6所示，二进制移频键控信号可以看成是两个不同频率载波的二进制振幅键控信号的叠加[9-11]。二进制移频键控信号的产生，可以采用模拟调频电路来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。图2-7是实现二进制移频键控信号的原理图。

二进制移频键控信号的解调方法很多，有模拟鉴频法和数字检测法，有非相干解调方法也有相干解调方法。本论文采用的是相干解调法。采用相干解调两种方法的原理图如图2-8所示。 其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号，分别进行解调，通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号。

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图 2 –6 2FSK信号调制过程的时间波形

图 2 –7 实现二进制移频键控信号的原理图

图 2 –8 2FSK相干解调原理图

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2.3 2PSK的基本原理和调制解调实现

数字相移键控，记作PSK（Phase shift-keying ），二进制相位键控记作2PSK。 2PSK就是根据基带数字信号的值来调制载波相位。例如对应二进制1，载波相位为0，对应二进制0，载波相位为180。

二进制移相键控信号的时域表达式为 S2PSK(t)= Acos(ωct+0)=Acosωct Acos( ω (2-3) ct+π)=-Acosωct 二进制移相键控信号的调制原理图如图2-9所示。 其中图(a)是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图(b)是采用数字键控的方法产生2PSK信号。

图 2- 9 二进制移相键控信号的调制原理图

2PSK信号的调制波型图

图 2-10 2PSK信号的调制波型图

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2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波，2PSK信号相干解调各点时间波形如图 2 - 11 所示。当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错[12]。

图 2-11 2PSK相干解调原理图和各点时间波形

这种现象通常称为\倒π\现象。由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180°的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的\倒π\现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。

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第3章 Simulink的模型建立和仿真

3.1 2ASK的调制与解调仿真

1调制仿真

（1） 建立模型方框图

2ASK信号调制的模型方框图由sin wave信号源、方波信号源、相乘器等模块组成，Simulink 模型图3-1所示。其中正弦信号信是载波信号，方波代表S(t)序列的信号塬，正弦信号和方波相乘后就得到键控2ASK信号[13]。

图3-1 2ASK信号调制的模型方框图

（2）参数设置

其中Sine Wave function1模块的参数设置函数是幅度为2频率为1Hz采样周期为0.002s。方波信号是基于采样的，其幅度设置为2，周期为3，占空比为2/3。 （3）系统仿真及各点波形图

图3-2 各点的时间波形图

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经过上面参数的设置后，就可以进行系统的仿真，图3-2是示波器显示的各点的波形图。由该图可以看出信息源和载波信号相乘之后就产生了受幅度控制的2ASK信号。

2解调仿真

2ASK的解调分为相干解调和非相干解调法，下面采用相干解调法对2ASK信号进行解调。

(1) 建立Simulink模型方框图

相干解调也叫同步解调，就是用已调信号恢复出载波——既同步载波。再用载波和已调信号相乘，经过低通滤波器和抽样判决器恢复出S(t)信号，Simulink模型图如下：

图3-3 2ASK相干解调的 Simulink模型方框图

（2） 参数设置

建立好模型之后，开始设置各点的参数，由于低通滤波器是滤去高频的载波，才能恢复出原始信号，所以为了使已调信号的频谱有明显的搬移，就要使载波和信息源的频率有明显的差别，所以载波的频率设置为100Hz。为了更好的恢复出信源信号，所以在此直接使用原载波信号作为同步载波信号[14]。

下面是低通滤波器的参数设置[15]：

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图3-4 低通滤波器的参数设置

（3） 系统仿真及各点时间波形图

图3-5 2ASK信号解调的各点时间波形图

采用相干解调的方法，经过2ASK的建模解调仿真，成功的恢复出信号。

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3.2 2FSK的调制与解调仿真

1．调制仿真

2FSK信号是由频率分别为f1和f2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中f1和f2是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号[16-17]，2FSK信号产生的Simulink仿真模型图如下所示：

图3-6 2FSK信号的Simulink模型方框图

其中Sin Wave Function和Sin Wave Function1是两个频率分别为f1和f2的载波，Pulse Generator模块是信号源，NOT实现方波的反相，最后经过相乘器和相加器生成2FSK信号，各参数设置如下：

载波f1的参数设置：幅度为2，f1=1Hz，采样时间为0.002s的单精度信号。 载波f2的参数设置：幅度为2，f2=2Hz，采样时间为0.002s的单精度信号。 其中方波是幅度为1，周期为3，占空比为1/3的基于采样的信号。

经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形如图3-7所示。由图3-7可以看出经过f1和f2两个载波的调制，2FSK信号有明显的频率上的差别。

2．解调仿真

解调仿真原理图如图3-8所示。前一部分就是2FSK信号的调制模块，f1=100Hz，f2=200Hz两个带通滤波器分别将2FSK信号上下分频f1和f2，后面就和2ASK信号的解调过程相同[18]，各参数设置如下图所示。

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图3-7 2FSK信号调制各点的时间波形

图3-8 2FSK仿真原理图

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图3-9 带通滤波器的参数设置

图3-10 带通滤波器的参数设置

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图3-11 低通滤波器的参数设置图

图3-12 低通滤波器的参数设置图

经过系统仿真后的各点时间波形如图3-13所示。

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图3-13 经过系统仿真后的各点时间波形图

采用相干解调的方法，经过2FSK的建模解调仿真，成功的恢复出信号。

3.3 2PSK的调制与解调仿真

1．调制仿真

在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号[19-21]。 在此用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0用两个反相的载波信号进行调制，其仿真图如图3-14所示： 其中Sin wave和Sin wave1是反相的载波，正玄脉冲作为信号源，各个参数设置如下：

两个载波是幅度为3频率为4Hz采样时间为0.002s的反相信号。脉冲信号是幅度为2周期为1占空比为50%的基于时间的信号。开关的参数设置闸门选择为0.5。

图3-14 2PSK信号调制仿真图

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图3-15 2PSK调制的各点时间波形图

2.解调仿真

（1）建立Simulink模型方框图如下：

图3-16 2PSK解调框图

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图3-17 低通滤波器模块的参数设置图

（2）各点的时间波形如下所示：

图3-18 2PSK解调各点的时间波形

采用相干解调的方法，经过2PSK的建模解调仿真，成功的恢复出信号。

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第4章 总结

本文通过对数字信号的Simulink建模仿真，使我数字键控的概念又有了更深的了解和认识，而且也熟悉了Simulink软件的操作，将2ASK、2FSK、2PSK用Simulink建模仿真的形式来实现，从而认识到把理论应用到实际，以前在通信原理的课程中学习过数字键控的理论知识，但是没有真正的实验仿真感觉不直观，现在经过论文自己仿真出来，能够直观的看到数字信号的调制与解调，这是我觉得最有意义的一点。在论文实际的仿真的建模和各种模块的参数设置中遇到很多问题，很多时候一个仿真就因为一个模块的参数设置不合适导致调试不出结果来，尤其是在用FADTool工具设计滤波器的时候，曾遇到很多的问题，也让我学会了在遇到问题的时查阅各种资料找解决的办法。当然论文当中还有很多不足的地方，比如仿真出来的误码率偏高，由于个人能力和理论知识的的局限性，并没有研究当前理论发展最成熟的调制方式，比如QAM等的研究。

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致谢

至此，毕业设计已接近尾声。通过这段时间的亲生经历，我感觉自己学到了：收集、整理资料、分析及处理问题等许多方面的知识，我真诚感谢这期间梁老师给予我的全力帮助，从开题报告到建模仿真，从论文初稿到最终定稿，感谢梁老师一直以来的支持和细心指导，非常感谢闫昕老师在MATLAB软件方面对我的指导，非常感谢王亚茹老师对于信号调制与解调理论知识的授课，感谢各位老师对我无私的帮助和支持，也同样地感谢我的同学们和家人这段时间对我的帮助和支持，没有你们，我不可能这么顺利的完成毕业论，在这里再衷心的说一句：谢谢你们。

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