畢業(yè)論文--基于matlab的數字通信系統(tǒng)調制解調研究

1、<p>　　基于Matlab的數字通信系統(tǒng)調制解調研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　當今，隨著通信技術日新月異的發(fā)展，尤其是數字通信的快速普及，使得通信技術日新月異?，F代通信系統(tǒng)要求通信距離遠、通信容量大、傳輸質量好，因此通信系統(tǒng)也日趨復雜。在各種通信系統(tǒng)的設計研發(fā)環(huán)節(jié)中，軟件仿真已成為必不可少的部分。應用Matla

2、b＼Simulink的計算機仿真具有經濟、安全、可靠、編程簡易以及實驗周期短等特點。</p><p>　　因此，本文就以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，對數字調制解調系統(tǒng)進行仿真，并且對仿真結果進行誤差分析，從而對現代數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，

3、根據具體情況選擇最合適的調制方式，進一步促進數字通信的發(fā)展。</p><p>　　本文首先介紹了課題研究的背景和進行數字通信仿真的意義，然后介紹對數字通信系統(tǒng)進行仿真所使用的Matlab＼Simulink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，隨后又介紹了數字調制系統(tǒng)的原理并據此進行數字調制解調系統(tǒng)的仿真，最后對仿真結果進行誤差分析，對設計進行總結歸納。</p><p>　　關

4、鍵詞：數字通信系統(tǒng)；調制解調；Matlab；Simulink；仿真</p><p>　　Research of Modulation and Demodulation in Digital Communication System Based on the Matlab </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　

5、　Nowadays, with the rapid development of communication technology, especially the rapid spread of the digital communication, makes communication technology is developing rapidly. Modern communication system requirements

6、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

7、 become an indispensable part of. Application of computer simulat</p><p>　　Therefore, this paper is using Matlab software platform, Use its communication tool box and signal processing toolbox module, especi

8、ally Matlab language 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

9、 recognition and intuitive understanding. Emphasis on 2 ASK, 2 PSK, 2 FSK performance comparison, in actual communication system, according to the s</p><p>　　This paper firstly introduces the background of t

10、he subject research and the meaning of digital communication simulation, and then introduced to digital communication system simulation of Matlab /Simulink used by the software used in the software and the matters needin

11、g attention and some methods used, then introduces digital modulation system and based on the principle of digital demodulation system simulation, finally the results for error was analyzed, the design was summarized, su

12、mmed up in </p><p>　　Key words：Digital communication system；Demodulation；Matlab；Simulink；Simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p>

13、<p>　　1.1 研究的目的和意義1</p><p>　　1.1.1 研究目的1</p><p>　　1.1.2 研究意義2</p><p>　　1.2 國內外研究現狀2</p><p>　　第二章 仿真的意義和仿真軟件4</p><p>　　2.1仿真的意義4</p><

14、;p>　　2.2仿真軟件Matlab簡介4</p><p>　　2.3 Simulink簡介6</p><p>　　2.4 Matlab與Simulink的聯系6</p><p>　　第三章 數字通信系統(tǒng)7</p><p>　　3.1 數字通信系統(tǒng)的概念7</p><p>　　3.2 數字通信系統(tǒng)的組

15、成7</p><p>　　3.3 通信系統(tǒng)的分類與通信方式8</p><p>　　第四章 信號的調制與解調10</p><p>　　4.1調制的意義和類別10</p><p>　　4.2 模擬信號的調制與解調11</p><p>　　4.2.1幅度調制11</p><p>　　4.2

16、.2角度調制13</p><p>　　4.3 數字信號的調制與解調14</p><p>　　4.3.1數字頻率調制14</p><p>　　4.3.2數字相位調制15</p><p>　　4.3.3正交振幅調制17</p><p>　　第五章 系統(tǒng)設計與仿真19</p><p>　　

17、5.1 2ASK信號的調制與解調19</p><p>　　5.1.1 2ASK信號調制仿真19</p><p>　　5.1.2 2ASK信號解調仿真21</p><p>　　5.2 2FSK信號的調制與解調23</p><p>　　5.2.1 2FSK信號調制仿真23</p><p>　　5.2.2 2FSK

18、信號解調仿真26</p><p>　　5.3 2PSK信號的調制與解調28</p><p>　　5.3.1 2PSK信號調制仿真28</p><p>　　5.3.2 2PSK信號解調仿真30</p><p><b>　　結論33</b></p><p><b>　　參考文獻3

19、4</b></p><p><b>　　謝辭35</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義</p><p>　　信息是一種資源，通過廣泛的傳播與交流，能促進社會成員之間的合作，推動生產力的發(fā)展和社會的進步。在當今高度信息化的

20、社會，信息和通信已成為現代社會的“命脈”，因此人們對信息傳遞的速度、質量等要求也越來越高?，F代通信可以分為模擬通信和數字通信兩類，與模擬通信相比，數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、便于用現代數字信號處理技術對數字信息進行處理、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，因此數字通信的應用必將越來越廣泛。作為現代通信系統(tǒng)的關鍵技術之一的調制解調技術是人們重點研究的方向。在各種通信系統(tǒng)的設計研發(fā)環(huán)節(jié)中

21、，軟件仿真已成為必不可少的部分。應用Matlab＼Simulink的計算機仿真具有經濟、安全、可靠、編程簡易以及實驗周期短等特點，因此基于Matlab的數字通信系通調制解調研究具有重要意義。  </p><p>　　1.1.1 研究目的</p><p>　　二進制數字信號調制最基礎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2

22、PSK體制中存在相位不確定性，又發(fā)展出差分相移鍵控2DPSK。ASK是一種應用最早的基本調制方式，優(yōu)點是設備簡單，頻譜利用率較高，但它也是受噪聲影響最大的調制技術，抗噪聲性能差。2FSK在數字通信中應用較為廣泛，優(yōu)點是抗干擾能力強，不受信道參數變化的影響，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響，但2PSK系統(tǒng)會出現倒π現象，實際中很少采用，

23、而多采用差分相移鍵控DPSK[1]。通過此次的調制與解調仿真，使我們對2ASK、2FSK、2PSK調制與解調的工作原理以及Simulink軟件有了比較深刻的認識和了解。進而改善這幾種數字調制方式在實際應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。</p><p>　　1.1.2 研究意義</p><p>　　對數字通信系統(tǒng)仿真的意義在于促進了信息技術與

24、此方面知識的整合，同時對在一定程度上克服儀器設備的不足，構造、組合新型通信系統(tǒng)，根據實際情況選擇合適的調制方式，加強使用者的綜合素質也具有重要意義。</p><p>　　本課題根據現代數字通信發(fā)展具體實際情況，對數字信號在傳輸過程中的調制解調過程利用Matlab/Simulink軟件進行設計和仿真。加深對數字通信系統(tǒng)的認識，提前了解信號在傳輸過程中可能遇到的問題，從而及早采用適當的方法加以預防和克服，使得通信系統(tǒng)

25、在實際應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、高質量的信息。同時通過發(fā)現和解決數學通信系統(tǒng)在仿真中遇到的棘手的問題，促進國際通信技術的發(fā)展。</p><p>　　1.2 國內外研究現狀</p><p>　　近幾年，通信技術飛速發(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

26、些通信方式使數據和信息的傳遞速率得到很大的提高。</p><p>　　在設計數字傳輸系統(tǒng)時，調制技術作為實現高效通信的關鍵問題，是通信技術中研究的重點之一。隨著科技的發(fā)展，現代調制技術在模擬電話網絡、衛(wèi)星通信、蜂窩移動通信、視頻廣播系統(tǒng)、寬帶接入網等方面都取得了迅速的發(fā)展。</p><p>　　電話網絡是最為普及而且資源最為豐富的傳輸網絡，它的調制方式在經歷了FSK、4-DOSK、QAM后

27、，現在主要以脈沖編碼調制（PCM）為主，最高傳輸速率可以達到56kbps。近幾年，隨著科技與經濟的迅速發(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、OQPSK、π/4-QPSK為主的恒定包絡調制技術得到了廣泛的應用。同時，以QPSK、SQAM等為

28、主的非恒定包絡調制技術在經過改進后，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)，現代蜂窩移動通信系統(tǒng)中，調制方式主要以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，根據信道情況選用合適的調制方式。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199

29、2年出現以來，如今已普及</p><p>　　近幾年，隨著人類外太空探索步伐的不斷前進，深空通信數字調制技術也得到了迅速的發(fā)展。目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)多采用BPSK和QPSK等調制方式，但這兩種方式在衛(wèi)星通信中容易產生頻譜擴展。基于此，經過大量的研究，CCSDS（時空系統(tǒng)咨詢委員會）建議采用與深空網絡接收機結構相兼容的寬帶有效調制技術，JPL（噴氣推進實驗室）也研究出一系列的深空探測任務調制方案。</p>

30、<p>　　第二章 仿真的意義和仿真軟件</p><p><b>　　2.1 仿真的意義</b></p><p>　　在當代，信息科學發(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。受經濟條件的限制，許多從事研究與開發(fā)的工程技術人員不能夠擁有先進的儀器設備，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備而帶

31、來的問題。再者，由于現代通信系統(tǒng)功能強大且都比較復雜，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時，仿真技術就成為必然的選擇。</p><p>　　電子與通信領域與計算機技術有著密切的聯系，因此計算機仿真可以用于大部分電子工程、現代通信技術和通信系統(tǒng)的實驗研究工作，成為現代電子系統(tǒng)和通信系統(tǒng)研究的主要手段。本質上，只要能構造出系統(tǒng)的數學模型，Matlab/Simulink就可以對任意的系統(tǒng)進行仿真，而

32、且在實際應用中，Matlab/Simulink特別適合于針對電子通信系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)級仿真[2]。</p><p>　　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，配置相應的儀器做實驗開始的，這樣的方法復雜而且容易造成資源的浪費?，F代通信設備和通信系統(tǒng)的設計步驟是：需求分析、方案設計、建模、仿真實驗、制作芯片、設備制造和系統(tǒng)集成。建模、仿真技術在研究、開發(fā)領域舉足輕重，直接影響到研發(fā)、設計通信設備和通信

33、系統(tǒng)的成敗。</p><p>　　2.2 仿真軟件Matlab簡介</p><p>　　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，用于矩陣數值計算的簡單高效的數學語言[3]。MATLAB的編程語句接近數學描述，可讀性好，其強大的圖形功能和可視化數據處理能力也是其他如C、C++、Fortran等計算機高級語

34、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學建模上，使科學研究的效率得到了極大的提高。目前，Matlab已經被理工科大學廣泛采用，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術交流首選的共同語言，國內外有關著名論文的大部分數值結果和圖形都是用Matlab完成的。</p><p>　　與其他計算機高級

35、語言相比，Matlab獨特的優(yōu)勢主要表現在：</p><p>　　1．Matlab是一種跨平臺的數學語言。采用Matlab編寫的程序可以在目前所有的操作系統(tǒng)上運行，不依賴于計算機類型和操作系統(tǒng)類型。</p><p>　　2．Matlab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)數學家和過程學者多年編寫的最新的數學算法庫，在編程效率，程序的可讀性、可靠性和可移植性

36、上遠遠超過了其他的計算機高級語言。</p><p>　　3．Matlab語法簡單，編程風格接近數學語言描述，是數學算法開發(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，且其數值算法的可信度和可靠性都很高。</p><p>　　此外，Matlab還有計算精度高，繪圖功能強大，具有串口操作、聲

37、音輸入/輸出等硬件操控能力，執(zhí)行效率比其他語言高等特點。</p><p>　　Matlab系統(tǒng)由語言體系、工作環(huán)境、圖形系統(tǒng)、數學函數庫和應用程序接口五個主要部分組成。</p><p>　　1．Matlab是高層次的矩陣/數組語言，具有條件控制、函數調用、面向對象等程序語言特性，利用它既可以完成算法設計和算法實驗的基本步驟，也可以開發(fā)復雜的應用程序。</p><p>

38、;　　2．Matlab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據輸入、輸出的方式和方法，和開發(fā)、調試、管理M文件的各種工具。</p><p>　　3．圖形系統(tǒng)不僅包括完成2D和3D數據圖示、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應用程序的各種工具。</p><p>　

39、　4．Matlab數學函數庫是對Matlab使用的各種數學算法的總稱，包括各種初等函數的算法和高層數學算法。</p><p>　　5．應用程序接口API是一個函數庫，讓用戶能夠在Matlab環(huán)境中使用C程序或Fortran程序。</p><p>　　2.3 Simulink簡介</p><p>　　Simulink是Matlab中的一個建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級的

40、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、仿真和仿真結果分析的軟件包。可以說，在通用系統(tǒng)的仿真領域，Simulink是無所不包的[4]。</p><p>　　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，不必編寫Matlab仿真程序，使仿真建模過程更為簡化，更加適應于大型系統(tǒng)的建模和

41、仿真。SIMULINK的專業(yè)仿真模塊庫都已經通過權威專家和專業(yè)測試機構的評測，具有很高的可信度和穩(wěn)定性。</p><p>　　在建模前，最好先根據需要繪制模型圖。當在建模過程中遇到較為復雜的系統(tǒng)時，需要根據層次結構來繪制框圖，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)來構造整個系統(tǒng)。</p><p>　　Simulink模塊庫包含有Sources（輸入源）、Si

42、nks（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的功能模塊，用戶可以根據特定的需要創(chuàng)建自己的模塊。</p><p>　　2.4 Matlab與Simulink的聯系</p><p>　　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 li

43、zila.mdl，然后使用sim(lizila.mdl)就可以啟動對模型lizila.mdl的仿真，實現Simulink仿真的自動化[5]。</p><p>　　Matlab提供了許多途徑用于與Simulink的數據交互，從而實現Matlab編程與Simulink模型相結合的綜合仿真，使仿真更為人性化，滿足使用者的不同需求[6]。</p><p>　　第三章 數字通信系統(tǒng)</p>

44、;<p>　　3.1 數字通信系統(tǒng)的概念</p><p>　　數字通信系統(tǒng)是利用數字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)，相比模擬通信系統(tǒng)，具有頻譜利用率高，能夠提供多種業(yè)務服務，抗噪聲、抗干擾、抗多徑衰落能力強，能實現更加有效、靈活的網絡管理和控制，便于實現通信的安全保密，可降低設備成本以及減小用戶手機的體積和重量等優(yōu)點[7]。因此，數字通信的發(fā)展速度已明顯超過模擬通信，成為當代通信技術的主流。</p&

45、gt;<p>　　數字通信設計主要有信源編碼與譯碼、信道編碼與譯碼、數字調制與解調、同步以及加密與解密等許多技術問題。</p><p>　　3.2 數字通信系統(tǒng)的組成</p><p>　　最簡單的數字通信系統(tǒng)模型由信源、信道和信宿三個基本部分組成，但實際的數字通信系統(tǒng)模型要比這復雜得多。一般的數字通信系統(tǒng)模型如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.

46、1 數字通信系統(tǒng)模型</p><p>　　1．信源的作用是把各種消息轉換成原始的電信號，模擬信源輸出的是連續(xù)的模擬信號，數字信源輸出的是離散的數字信號，模擬信源送出的信號經數字化處理后可變?yōu)閿底中盘枴?lt;/p><p>　　2．信源編碼有提高信息傳輸的有效性和完成模/數（A/D）轉換兩個基本功能。提高信息傳輸有效性即通過某種數據壓縮技術減少碼元數目和降低碼元速度，完成模/數轉換即信源編碼器將

47、信源給出的模擬信號轉換成數字信號。信源譯碼是信源編碼的逆過程。</p><p>　　3．在特殊的情況下，需要保證信息的秘密性和安全性，因此就需要對傳輸的數字序列進行加密處理，并且在接收端用與且只能用與發(fā)送端相同的密碼復制品對收到的數字序列進行解密，這樣就能恢復原來的信息且保證了信息的安全。</p><p>　　4．信道編碼的目的是增強數字信號的抗干擾能力。信道編碼器通過對傳輸的信息碼元按一

48、定的規(guī)則加入保護成分，組成“抗干擾編碼”，來減小數字信號在信道傳輸時因受到噪聲等影響而引起的差錯。按照相應的逆規(guī)則，信道譯碼器在接收端對信號進行解碼，發(fā)現和糾正錯誤。</p><p>　　5．數字調制就是把數字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，將易受信道影響的基帶信號轉變成適合在信道中傳輸的帶通信號?；镜臄底终{制方式有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、絕對相移鍵控（PSK）、相對相移鍵控（DPSK）。這些調制方

49、式各有優(yōu)缺點，需要根據實際需求選擇合適的種類。在接收端用相干解調或非相干解調還原數字基帶信號。</p><p>　　6．信道即傳輸介質，是發(fā)送設備到接受設備之間信號傳輸所經過的媒介。在無線信道中，信道可以是自由空間；在有線信道中可以是明線、電纜和光纖。信道既給信號以通路，也會對信號產生干擾。信道的固有特性和干擾特性直接關系到通信的質量。</p><p>　　7．信宿即受信者，它的功能與信源

50、相反，需要把原始電信號還原成與之相應的消息。</p><p>　　3.3通信系統(tǒng)的分類與通信方式</p><p>　　現在的通信系統(tǒng)成熟且功能強大，種類多樣。</p><p>　　1．根據通信業(yè)務的類型，通信系統(tǒng)可以分為電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數據通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)等。由于電話通信網最為普及，因此其他一些通信業(yè)務也常通過公用電話通信網傳輸。</p>

51、;<p>　　2．根據信號是否經過調制，通信系統(tǒng)可以分為基帶傳輸系統(tǒng)和帶通傳輸系統(tǒng)?；鶐鬏斚到y(tǒng)是將沒有經過調制的信號直接傳送，帶通傳輸是先對信號加以調制然后再進行傳輸。</p><p>　　3．根據信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號，通信系統(tǒng)可以相應的分為模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。模擬信號和數字信號都是電信號，只是模擬信號的參量取值連續(xù)，而數字信號的參量盡可能取有限個值。</p>

52、<p>　　4．根據傳輸介質，通信系統(tǒng)可以分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩大類。有線通信是用導線作為介質來進行通信，無線通信是依靠電磁波在空間中傳遞消息。 </p><p>　　5．按通信設備額工作頻率或波長不同，可以分為長波通信、中波通信、短波通信、紅外線通信等。</p><p>　　6．按照信號的復用方式，傳輸多路信號可以分為頻分復用、時分復用和碼分復用三種復用

53、方式。</p><p>　　無線通信的傳輸方式分為單向傳輸（廣播式）和雙向傳輸（應答式）。單向傳輸只應用于無線電尋呼系統(tǒng)，雙向傳輸分為單工、雙工和半雙工三種工作方式。單工通信是指通信雙方電臺交替地進行收信和發(fā)信；雙工通信是指通信雙方可同時進行消息的傳輸；半雙工通信的移動臺采用單工的“按講”方式，即按下按講開關，發(fā)射機才工作，而接收機總是工作的。</p><p>　　第四章 信號的調制與解調

54、</p><p>　　4.1 調制的意義和類別</p><p>　　由于信號比較敏感，易受信道中噪聲等因素的影響，不能直接在信道中傳輸，因此就需要對要傳輸的模擬信號或數字信號進行調制，將其轉換成適合在信道中傳輸的高頻信號。解調是調制的逆過程，作用是在接收端將已調信號中的調制信號恢復出來。</p><p>　　調制對通信系統(tǒng)有重要的作用，采用合適的調制方式可以提高系統(tǒng)

55、的有效性和可靠性。</p><p>　　1．通過調制，把基帶信號的頻譜搬移到較高的載波頻率上，使已調信號的頻譜與信道的帶通特性相匹配，這樣就能提高傳輸性能，以較小的發(fā)射功率與較短的天線來輻射電磁波。</p><p>　　2．把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，從而實現信號的多路復用，提高信道利用率。</p><p>　　3．展寬信號帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力

56、，可以實現傳輸帶寬與信噪比之間的互換。</p><p>　　廣義的調制分為基帶調制和帶通調制（載波調制）。載波調制就是用調制信號去控制載波的參數的過程，使使載波的某一個或某幾個參數按照調制信號的規(guī)律而變化。調制信號是指來自信源的消息信號，未受調制的周期性振蕩信號稱為載波，載波調制后稱為已調信號，它含有調制信號的全部特征。</p><p>　　根據載波是連續(xù)波還是脈沖序列，調制方式有連續(xù)波調

57、制和脈沖調制。調制信號是模擬信號的連續(xù)波調制稱為模擬調制；調制信號是數字信號的連續(xù)波調制稱為數字調制。</p><p>　　最常用的模擬調制方式是用正弦波作為載波的幅度調制和角度調制。常見的幅度調制包括調幅(AM)、雙邊帶調制(DSB)、單邊帶調制(SSB)和殘留邊帶調制(VSB)等。幅度已調信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律相應的呈現正比的變化，它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內的簡單的線性搬移，由于這種搬移是線性的，

58、因此幅度調制又稱為線性調制。角度調制有頻率調制(FM)和相位調制(PM)。角度已調信號的頻譜不再是原調制信號頻譜的線性搬移，會產生新的頻率成分，是非線性變換，因此角度調制又稱為非線性調制。這里的線性并不意味著已調信號與調制信號之間符合線性變換關系，事實上，任何調制過程都是非線性的變換過程。</p><p>　　數字調制可以分為二進制調制和多進制調制。在二進制調制中，信號參量只有兩種可能的取值，而在多進制調制中，信

59、號參量可以有多種取值。常見的二進制調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)。隨著科技的進步，一些改進的、現代的、特殊的調制方式如正交振幅調制(QAM)、最小頻移鍵控(MSK)、高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)、正交頻分復用(OFDM)等也在快速發(fā)展并日益顯示出其優(yōu)勢。</p><p>　　4.2 模擬信號的調制與解調</p><p>　　

60、4.2.1 幅度調制</p><p>　　設正弦型載波為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。</p><p>　　根據調制的定義，幅度調制信號可以表示為s(t)=Am(t)coswct 式中：m(t)為基帶調制信號。</p><p>　　由以上表示式可知，在波形上，幅度已調信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律呈正比變化；在頻

61、譜結構上，它的頻譜完全是基帶信號的頻譜在頻域內的簡單搬移。</p><p><b>　　調幅</b></p><p>　　標準調幅就是常規(guī)雙邊帶調制，簡稱調幅(AM)。</p><p>　　m(t) sm(t)</p><p>　　A0 coswct<

62、;/p><p>　　圖4.1 AM調制模型</p><p>　　如圖所示，假設調制信號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，即可形成調幅信號。</p><p>　　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。</p>

63、;<p>　　AM信號的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶三部分組成，上邊帶的頻譜結構與原調制信號的頻譜結構相同，下邊帶是上邊帶的鏡像，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波的包絡與調制信號m(t)的形狀一樣，這時，用包絡檢波的方法就很容易恢復出原始信號；如果上述條件沒有滿足，就會出現“過調幅”現象，此時如果繼續(xù)采用包絡檢波就會發(fā)生失真，因此需要用到同步檢波。</p>

64、<p><b>　　2．雙邊帶調制 </b></p><p>　　雙邊帶信號(DSB)是將AM調制模型圖4-1中的直流A0去掉，得到的一種高調制效率的調制方式。</p><p>　　它的時域表示為SDSB(t)=m(t)coswct 式中，假設m(t)的平均值為0。</p><p>　　與AM信號相比，DSB信號不存在載波分量，調

65、制效率是100%，全部功率都用于信息傳輸。由于DSB信號的包絡與調制信號的變化規(guī)律不一致，所以不能采用包絡檢波來恢復調制信號。因此，DSB信號需要采用相干解調來進行解調。</p><p><b>　　3．單邊帶調制</b></p><p>　　單邊帶調制(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

66、，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。</p><p>　　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。</p><p>　　根據濾波方法的不同，產生SSB信號的方法有濾波法和相移法。</p><p><b>　　（1）濾波法&l

67、t;/b></p><p>　　濾波法是產生SSB信號最直觀的方法，需要先產生一個雙邊帶信號，然后讓其通過一個邊帶濾波器，將不要的邊帶濾除，就可以得到單邊帶信號。它的原理圖如下圖所示。</p><p>　　m(t) SDSB(t) SSSB(t)</p><p><b>　　載波c(t)</b

68、></p><p>　　圖4.2 濾波法SSB信號調制器</p><p>　　實現濾波器的難易程度與過渡帶相對載頻的歸一化值有關，該值越小，邊帶濾波器就越難實現。在不太高的載頻時，濾波器不難實現，但當載頻較高時，采用一級調制直接濾波的方法就不可能實現單邊帶調制了，這時就需要采用多級DSB調制及邊帶濾波的方法。當調制信號中含有直流及低頻分量時就不能</p><p&g

69、t;<b>　　（2）相移法</b></p><p>　　相移法是利用相移網絡，對載波和調制信號進行適當的相移，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。</p><p>　　m(t)coswct</p><p><b>　　m（t）</b></p><p><

70、;b>　　coswct</b></p><p><b>　　sSSB(t)</b></p><p><b>　　M(t)</b></p><p>　　M(t)sinwct</p><p>　　圖4.3 相移法SSB信號調制器 </p><p>

71、　　SSB信號的實現比AM、DSB都復雜，但SSB調制方式在傳輸信息時不僅可以節(jié)省發(fā)射功率，而且它占用的帶寬比AM、DSB減少了一半，因此它已成為目前短波通信中的一種重要的調制方式。 </p><p><b>　　4．殘留邊帶調制</b></p><p>　　殘留邊帶調制(VSB)調制是介于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

72、號的一個帶寬，而是逐漸切割，使其殘留一小部分。這樣，它既克服了DSB信號占用頻帶寬的缺點，又解決了SSB信號實現中的困難。</p><p>　　VSB信號不能采用包絡檢波，而需采用如下圖所示的相干解調。</p><p>　　sVSB(t) sp(t) sd(t)</p><p>　　c(t)=2cos

73、wct </p><p>　　圖4.4 VSB信號的相干解調</p><p><b>　　4.2.2角度調制</b></p><p>　　角度調制信號的一般表達式為sm(t)=Acos[wct+(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；d[wct+(t)]/d

74、t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。</p><p>　　1．頻率調制(FM)</p><p>　　頻率調制指的是瞬時頻率偏移隨著調制信號m(t)作成比例的變化，即d(t)/dt=Kfm(t) 式中：Kf為調頻靈敏度。</p><p><b>　　相位調制(PM)</b></p>&l

75、t;p>　　相位調制是指瞬時相位偏移隨調制信號m(t)作線性變化，即(t)=Kpm(t)式中：Kp為調相靈敏度，是指單位調制信號幅度引起PM信號的相位偏移量。</p><p><b>　　FM與PM的關系</b></p><p>　　將調制信號先微分再進行調頻，則得到調相波，這種方式叫間接調相；如果將調制信號先積分再進行調相，則得到調頻波，這種方式叫間接調頻。

76、 </p><p>　　m(t) sFM(t)</p><p><b>　　（a）間接調頻</b></p><

77、;p>　　m(t) spm(t)</p><p><b>　?。╞）間接調相</b></p><p>　　圖4.5 FM與PM之間的關系圖</p><p>　　4.3 數字信號的調制與解調 </p><p>　　4.3.1 數字

78、頻率調制</p><p>　　1．頻移鍵控(FSK)調制</p><p>　　設輸入到調制器的比特流為{an}，an=±1，n=-∞～+∞。FSK的輸出信號形式為</p><p>　　s(t)=｛cos（w1t+1） an=+1</p><p>　　cos(w2t+2) an=-1

79、 公式4-(1)</p><p>　　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。</p><p>　　FSK可采用包絡檢波法、相干解調法和非相干解調法等方法進行解調。其中，包絡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，它們的輸出經過包絡檢波。若f1支路的包絡比f2支路的強，則判為“+1”，否則

80、判為“-1”。</p><p>　　2．最小頻移鍵控(MSK)調制</p><p>　　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的信號表達式為</p><p>　　S(t)=cos[wct+(π/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)。</p>

81、<p>　　MSK信號可以采用鑒頻器解調，也可以用相干解調。MSK信號各支路偶的實際碼元寬度為2Tb，其對應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。</p><p>　　3．高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)調制</p><p>　　GMSK信號是通過在FM調制器前加入高斯低通濾波器而產生的，如下圖所示</p><p><b

82、>　　輸入數據</b></p><p><b>　　不歸零（NRZ）</b></p><p><b>　　調制指數為0.5</b></p><p>　　圖4.6 GMSK信號的產生原理</p><p>　　GMSK信號的解調可以用與MSK一樣的正交相干解調電路。順便指出，在相干解調

83、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和鑒頻器解調等非相干解調。</p><p>　　4.3.2 數字相位調制</p><p>　　1．移相鍵控(PSK)調制</p><p>　　設輸入比特率為{an},an=±1，n=-∞～+∞。PSK的輸出信號形式為：</p><p>　　s(t)={ Acos（wct

84、） an=+1</p><p>　　-Acos（wct） an=-1 nTb≤t<（n+1）Tb 公式4-(2)</p><p>　　即當輸入為+1時，對應的信號附加相位為0；當輸入為-1時，對應的信號附加相位為π。</p><p>　　PSK可采用相干解調和差分相干解調，原理如下圖所示。</p>

85、;<p>　　輸入 輸出</p><p>　　coswct </p><p>　　相干

86、解調 </p><p>　　輸入 輸出</p><p><b>　　差分相干解調</b></p><p>　　圖4.7 PSK的解調框圖</p><p>　　2．四相

87、移相鍵控(QPSK)調制和交錯四相移相鍵控(OQPSK)調制</p><p>　　在QPSK的碼元速率(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調制與QPSK調制類似，不過OQPSK在正交支路引入一個比特的時延，使得兩個支路的數據不會同時發(fā)生變化，而不能像QPSK那樣產生±π的相位跳變，只能產生±π/2

88、的相位跳變，如下圖所示。</p><p><b>　　+</b></p><p><b>　　coswct</b></p><p><b>　　-</b></p><p>　　QPSK信號的產生原理 sinwct

89、 </p><p><b>　　+</b></p><p><b>　　coswct</b></p><p><b>　　_</b></p><p>　　OQPSK信號的產生原理 sinwct </p><p>

90、　　圖4.8 QPSK和OQPSK信號的產生原理</p><p>　　QPSK和OQPSK調制與PSK調制相同，均可采用相干解調。</p><p>　　差分四相鍵控(DQPSK)調制</p><p>　　π/4-DQPSK是對QPSK信號的特性進行改進的一種調制方式。一方面，它將QPSK的最大相位跳變由±π降為±3π/4，從而改善了π/4-DQP

91、SK的頻譜特性；另一方面，QPSK只能采用相干解調，而π/4-DQPSK既可以用相干解調也可以用非相干解調。其原理如下圖所示。 coswct</p><p>　　Uk +</p><p>　　SI π/4-DQPSK <

92、;/p><p>　　SSQ Vk - </p><p

93、><b>　　sinwct</b></p><p>　　圖4.9 π/4-DQPSK調制器原理框圖</p><p>　　4.3.3 正交振幅調制 </p><p>　　正交振幅調制(QAM)是二進制的PSK、四進制的QPSK調制的進一步推廣，通過相位和振幅的聯合鍵控，可以得到更高頻譜效率的調制方式，從而可以使數據可以在限定的頻帶內以

94、更高速率的數據傳輸。</p><p>　　正交振幅調制的一般表達式為</p><p>　　y(t)=Amcoswct+Bmsinwct 0≤t<TS 式中：TS為碼元寬度；m=1,2,…M,M為Am和Bm的電平數。</p><p>　　QAM信號一般多采用相干解調，常用的QAM信號的結構設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

95、最大的信號結構。</p><p>　　第五章 系統(tǒng)設計與仿真</p><p>　　數字通信系統(tǒng)的調制方式有很多，但在實際應用中，數字基帶信號多為二進制。因此，本文只對最基本的二進制振幅鍵控2ASK、二進制頻率鍵控2FSK和二進制相移鍵控2PSK三種數字調制方式進行調制解調的仿真。</p><p>　　5.1 2ASK信號的調制與解調</p><p

96、>　　5.1.1 2ASK信號調制仿真</p><p>　?。?）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，</p><p>　　最后從Sinks中選取S

97、cope作為示波器。Simulink的組建模型如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 2ASK信號調制仿真模型</p><p>　　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。</p><p>　?。?）參數設置。建立好模型之后就要設置系統(tǒng)參數，來對系統(tǒng)進行仿真。系統(tǒng)的仿真參數設置如圖5.2所示。</p&

98、gt;<p>　　圖5.2 正弦信號參數設置</p><p>　　圖5.3 方波信號源的參數設置</p><p>　　其中sin函數是幅度為2、頻率為1Hz、采樣周期為0.005的雙精度DSP信號。方波的幅度設置為2、周期為3、脈沖持續(xù)設置2、采樣時間為1。</p><p>　?。?）系統(tǒng)仿真及各點波形圖。設置完系統(tǒng)的參數后，就可以進行系統(tǒng)的仿真。下面

99、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過乘法器后輸出的2ASK信號。</p><p>　　圖5.4 仿真各點波形圖</p><p>　　5.1.2 2ASK信號解調仿真</p><p>　?。?）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 G

100、enerator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5.5所示。</p><p>　　圖5.5 2ASK解調模型</p><p>　?。?）參數設置。為了使載波和信息源的頻率有明顯的差別，載波

101、的頻率設置的要相對高一些，這里設置為150Hz。為了更好的恢復出信源信號，此處直接使用原載波信號作為同步載波信號。主要部件的參數設置如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 低通濾波器的參數設置</p><p>　?。?）系統(tǒng)仿真及各點波形。仿真波形如圖5.7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，

102、第五個是經過低通濾波器的波形，第六個是經抽樣判決器后解調出的原始信號。</p><p>　?。?）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，可以得出此系統(tǒng)的誤碼率為0.3636。</p><p>　　圖5.7 解調波形圖</p><p>　　5.2 2FSK信號的調制與解調</p><p

103、>　　5.2.1 2FSK信號調制仿真</p><p>　?。?）建立系統(tǒng)模型。2FSK信號產生的SIMULINK仿真模型圖如圖5.8所示。</p><p>　　圖5.8 2FSK信號SIMULINK調制模型</p><p>　?。?）參數設置。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

104、，NOT實現方波的反相，經相乘器和相加器生成2FSK。</p><p>　　信號源s(t)序列本應該是用隨機的0、1信號產生的，在此為了方便仿真選擇了基于采樣的Pulse Generator信號模塊，其參數設置如圖5.9。</p><p>　　圖5.9 信號源模塊參數</p><p>　　圖5.10 載波sin wave參數設置</p><p&g

105、t;　　如圖5.10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。</p><p>　　圖5.11 載波sin wave1參數設置</p><p>　　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。</p><p>　　（3）系統(tǒng)仿真及波形。系統(tǒng)的仿真的結果如下圖所示。其中，第一個波形是原始信號，第

106、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，第四個是調制后的2FSK信號。</p><p>　　圖5.12 2FSK信號調制波形圖</p><p>　　5.2.2 2FSK信號解調仿真</p><p>　?。?）2FSK解調系統(tǒng)模型如下圖所示。其中From File是2FSK信號的調制模塊，兩個帶通濾波器分別將2FSK信號上下分頻為和，再經

107、過與載波相乘，經過低通濾波后兩路信號相加，再經抽樣判決器解調出原始信號。</p><p>　　圖5.13 2FSK解調框圖</p><p>　?。?）參數設置。圖5.14和圖5.15分別是對上下兩路進行分頻的帶通濾波器的參數設置。 </p><p>　　圖5.14 2FSK信號f1帶通濾波器參數設置</p><p>　　圖5.15 2FSK信

108、號帶通濾波器參數設置</p><p>　?。?）系統(tǒng)仿真及各點波形。</p><p>　　圖5.16 2FSK信號解調仿真波形</p><p>　　5.2 2PSK信號的調制與解調</p><p>　　5.2.1 2PSK信號調制仿真</p><p>　?。?）2PSK信號系統(tǒng)模型。此處用已調信號載波的 0°

109、和 180°分別表示二進制數字基帶信號的“1”和“0”。用兩個反相的載波信號進行調制，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。</p><p>　　圖5.17 2PSK信號調制框圖</p><p><b>　?。?）參數設置。</b></p><p>　　圖5.18 Si

110、ne Wave1參數設置</p><p>　　圖5.19 Sine Wave2參數設置</p><p>　　圖5.20脈沖信號的參數設置</p><p>　　脈沖信號是幅度為2、周期為1、占空比為50%的時鐘的信號。</p><p>　?。?）仿真波形。仿真波形如圖5.21所示。</p><p>　　圖5.21 2PS

111、K調制信號波形圖</p><p>　　5.2.2 2PSK信號解調仿真</p><p>　?。?）建立SIMULINK模型。2PSK信號與本地載波相乘后進入低通濾波器，在經過抽樣判決器解調出原始信號。</p><p>　　圖5.22 2PSK信號調制系統(tǒng)模型</p><p>　?。?）參數設置。信號源參數設置如圖5.23所示。</p&g