毕业设计（论文）-基于MATLAB的基本数字调制解调系统的设计.doc

东北大学本科毕业设计（论文） 毕业设计（论文）任务书基于MATLAB的基本数字调制解调系统的设计毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：基于MATLAB的基本数字调制解调系统的设计设计(论文)的基本内容：(1) 学习数字通信系统原理；掌握数字调制解调基本原理，以及MATLAB软件的应用；熟练SIMULINK建模设计，运用软件进行仿真；(2) 将对数字调制解调进行仿真，将仿真结果进行性能分析，得出最佳系统；(3) 对设计结果进行可行性论证，撰写设计论文。毕业设计（论文）专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第周指导教师签字：年月日-V-东北大学本科毕业设计（论文） 摘要基于MATLAB的基本数字调制解调系统的设计摘要现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好，作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。本文以MATLAB为软件平台，充分利用其提供的通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，对数字调制解调系统进行Simulink设计仿真，并且进行误差分析。调制与解调是通信系统中十分重要的一个环节，针对不同的信道环境选择不同的调制与解调方式可以有效地提高通信系统中的频带利用率，改善接收信号的误码率。本设计运用Simulink仿真软件对二进制调制解调系统进行模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示、误差分析以及综合性能分析，重点对BASK，BFSK，BPSK进行性能比较和误差分析。在实际应用中，视情况选择最佳的调制方式。本文首先介绍了课题研究的背景，然后介绍系统设计所用的Simulink仿真软件，随后介绍了载波数字调制系统的原理，并根据原理构建仿真模型，进行数字调制系统仿真，最后对设计进行总结，并归纳了Simulink软件使用中需要注意的事项。本文的主要目的是对Simulink的学习和对数字调制解调理论的掌握和深化，为今后在通信领域继续学习和研究打下坚实的基础。关键词：通信系统；Simulink仿真；数字化调制解调；BASK；BFSK；BPSK东北大学本科毕业设计（论文） 目录目录毕业设计（论文）任务书I摘要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2 通信系统的组成1第2章 仿真软件简介72.1仿真软件MATLAB简介72.2 Simulink简介82.3 本章小结9第3章 数字频带传输系统113.1 数字调制系统113.2 二进制振幅键控113.3 二进制移频键控133.4 二进制移相键控163.5 二进制差分相位键控183.6 二进制数字信号的功率谱密度203.6.1 2ASK信号的功率谱密度203.6.2 2FSK信号的功率谱密度213.6.3 2PSK及2DPSK 信号的功率谱密度223.7 本章小结23第4章 系统设计与仿真254.1 2ASK信号的调制与解调254.1.1 2ASK信号调制仿真254.1.2 2ASK信号解调仿真274.2 2FSK信号的调制与解调294.2.1 2FSK信号调制仿真294.2.2 2FSK信号解调仿真314.3 2PSK信号的调制与解调344.3.1 2PSK信号调制仿真344.3.2 2PSK信号解调仿真364.4 本章小结38第5章 结论39参考文献43致谢45东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪论第1章 绪论1.1课题研究背景进入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，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功：(1) 微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实；(2) 移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现；(3) 光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步；(4) 电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村；(5) 微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到目前为止移动电话用户超过6亿。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1,2,10。而作为现代通信系统关键技术之一的调制解调技术将是人们研究的重要方向。1.2 通信系统的组成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(Message)。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。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）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、电视摄像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，如电传机、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(Information) 。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。发送设备受信者接收设备信道噪声源信息源图1.1通信系统一般模型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1.2所示。受信者解调器信道噪声源调制器信息源图1.2 模拟通信系统模型通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。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1.3所示。受信者解密器译码器解调器信道调制器编码器信息源加密器噪声源图1.3 数字通信系统模型20世纪60年代以来，数字通信日益兴旺起来，甚至出现数字通信替代模拟通信的趋势。除了计算机的广泛应用需要传输大量数字信息的客观要求外，数字通信迅速发展的基本原因是它与模拟通信相比，更能适应对通信技术越来越高的要求。第一，数字传输抗干扰能力强，尤其在中继时，数字信号可以再生而消除噪声的积累；第二，数字传输差错可以控制，从而改善传输质量；第三，便于使用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理；第四，数字信息易于做高保密性的加密处理；第五，数字通信可以综合传递各种消息，使通信系统功能增强。但是，数字通信还有以下突出的问题。第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰造成的差错，原则上都是可以控制的。这是通过差错控制编码等手段来实现的。为此，在发送端需要增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。第二，当需要保密时，可以有效的对基带信号进行人为“揽乱”，即加上密码，这叫加密，此时在接收端就需要进行解密。第三，由于数字通信传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元，即码元，因此接收端要按发送端的相同节拍接收。不然就会造成收发节拍不一致，造成混乱，使接收性能变坏。在数字通信中，通常称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“码组同步”。可见，数字通信还必须有一个同步问题。一般来说，数字通信的许多有点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带而换得的。以电话为例，一路模拟电话通常只占4kHz带宽，而一路传输质量相同的数字电话则可能要占用数十千赫的带宽。在系统频带紧张的场合，数字通信的这一缺点显得很突出，但是在系统频带富裕的场合，比如毫米波通信、光纤通信场合，数字通信几乎成了唯一的选择。考虑到现有大量模拟通信系统这一事实，目前还常常需要利用它来传输数字信号。这就需要对其做改造或者加上数字终端设备。通信系统有不同的分类方法，这里从通信系统模型的角度讨论分类。(1) 按消息的物理特征分类。根据消息的物理特征的不同，通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。由于电话 通信网最为发达普及，因而其他消息常常通过公共的电话通信网传送。例如，电报常通过电话信道传送。在综合业务通信网中，各类型的消息都在统一的通信网中传输。(2) 按调制方式分类。根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带传输。基带传输是将未经频带调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传输是对各种信号调制后传输的总称。(3) 按信号特征分类。按信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应的把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统两类。(4) 按传输媒介分类。按传输媒介，通信系统可分为有线和无线两类。(5) 按信号复用方式分类。传送多路信号有三种复用方式，即频分复用、时分复用和码分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同的信号占据不同的频率范围；时分复用是用抽样或脉冲调制方法使不同信号占据不同的时间区间；码分复用是应一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号。传统的模拟通信大都采用频分复用。随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用越来越广泛。码分复用多用于空间扩频通信系统中，目前又开始用于移动通信中。对于点与点之间的通信，按消息传送的方向与时间关系，通信方式分为单工通信，半双工通信和全双工通信三种。所谓单工通信是指消息只能单方向传输的工作方式，例如遥测遥控，就是单工通信方式，如图1.4（a）所示。所谓半双工通信是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式，例如，使用同一载频工作的无线对讲机，就是按这种通信方式工作的，如图1.4（b）所示。所谓全双工通信是指通信双方可以同时收发消息的工作方式。例如，普通电话就是一种常见的全双工通信方式，如图1.4（c）所示。(a)(b) (c) 图1.4 通信方式示意图（a）信方式；（b）半双工通信方式；（c）全双工通信方式。在数字通信中，按照数字信号的码元排列的方法不同，有串行和并行传输之分。所谓串行传输就是将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个的在信道中传输，如图1.5（a）所示。如将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输，则称为并行传输，如图1.5（b）所示。一般远距离数字通信大都采用串行传输方式，因为这种方式只需占用一条通路。并行传输在近距离数字通信中有时也会遇到，它需要占用两条或者两条以上的通路，比如，使用多条导线传输。实际的通信系统分为专线和通信网两类。专门为两点之间设立传输线的通信，称之为专线通信，有时简称为点与点通信。多点通信属于网通信。显然网通信的基础是点与点的通信。在设计或评述通信系统时，往往要涉及通信系统的主要性能指标，否则就无法衡量其质量的优劣。性能指标也称为质量指标，它们是对整个系统综合提出或规定的。 （a） （b）图1.5 串行和并行方式传输(a)串行传输；(b)并行传输通信系统的性能指标涉及其有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、及维护使用等等。尽管对通信系统可有名目繁多的实际要求，但是，从研究消息的传输来说，通信的有效性与可靠性将是主要的矛盾所在。这里说的有效性主要是指消息传输的速度问题，而可靠性主要是指消息的质量问题。显然这是两个互相矛盾的问题，这对矛盾通常只能依据实际要求取得相对的统一。例如，在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度；或者在维持一定有效性下使消息传输质量尽可能地提高2-11。对于模拟通信系统来说，消息传输速度主要决定于消息所含的信息量和对连续消息的处理。处理的目的在于使单位时间内传送更多的消息。从信息论观点来说，消息传输速度可用单位时间内传送的信息量来衡量。模拟通信中还有一个更重要性能指标，即均方误差。它是衡量发送的模拟信号与接收端复制的模拟信号之间误差程度的质量指标。均方误差越小，说明复制的信号越逼真。在数字通信系统里，主要的性能指标有两个，及传输速率和差错率。传输速率通常以码元传输速率衡量，单位为“波特”，常用符号“B”表示。差错率是衡量系统正常工作时传输消息可靠程度的重要性能指标。本文结论部分主要对BASK、BFSK和BPSK数字调制方式的误码率进行分析。-49-东北大学本科毕业设计（论文） 第2章 仿真软件简介第2章 仿真软件简介2.1 仿真软件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。从Matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本4,5。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。MATLAB系统由五个主要部分组成，下面加以介绍。(1) MATLAB语言体系。MATLAB是高层次的矩阵/数组语言。具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向 对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模端程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。(2) MATLAB工作环境，是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称。包括管理工作空间中的变量数据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具6,7。(3) 图形系统，是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。(4) MATLAB数学函数库是对MATLAB使用的各种数学算法的总称。包括各种初等函数的算法 ，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层数学算法。(5) MATLAB应用程序接口（API），这是MATLAB为用户提供的的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用子程序，读写MAT文件功能。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。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过MATLAB来学习某个领域的科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像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，可以方便地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8,9。2.2 Simulink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 。确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以是多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。Simulink工作环境经过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。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。Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块9,21。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真10,19。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具16,17。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。2.3 本章小结本章介绍了MATLAB软件的功能与组成，由于它使用简单，扩充方便，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。本章也介绍了Simulink工具箱，Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。本文的设计就是运用Simulink软件进行建模、仿真的。东北大学本科毕业设计（论文） 第3章 数字频带传输系统第3章 数字频带传输系统3.1 数字调制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。数字调制系统的基本结构图如图3.1所示。图3.1 数字调制系统的基本结构图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)。3.2 二进制振幅键控振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时,则为二进制振幅键控（2ASK）。 设发送的二进制符号序列由“0”,“1”序列组成,发送“0”符号的概率为P,发送“1”符号的概率为1-P,且相互独立。该二进制符号序列可表示为： （3.1）其中： （3.2）是二进制基带信号时间间隔,g(t)是持续时间为的矩形脉冲： （3.3）则二进制振幅键控信号可表示为： （3.4）二进制振幅键控信号时间波形如图3.2所示。由图3.2可以看出2ASK信号的时间波形随二进制基带信号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3.3所示，图3.3（a）是采用模拟相乘的方法实现，图3.3（b）是采用数字键控方法实现的1,12,13。由图 3.2 可以看出,2ASK信号与模拟调制中的AM信号类似.所以,对2ASK信号也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法),其相应原理方框图如图3.4 所示。2ASK信号相干解调过程的时间波形如图3.5所示。图3.2二进制振幅键控信号时间波型 (a)(b)图3.3 二进制振幅键控信号调制器原理框图（a）（b）图 3.4 二进制振幅键控信号解调器原理框图(a)非相干解调方式 (b)相干解调方式图 3.52ASK信号相干解调过程的时间波形3.3 二进制移频键控在二进制数字调制中,若正弦载波的频率随二进制基带信号在和两个频率点间变化,则产生二进制移频键控信号(2FSK信号)。二进制移频键控信号的时间波形如图3.6所示,图中波形g可分解为波形e和波形f,即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的“1”符号对应于载波频率,“0”符号对应于载波频率,则二进制移频键控信号的时域表达式为： （3.5）其中： （3.6） （3.7）图 3.6 二进制移频键控信号的时间波形由上式可知与是反码，即若=1，则=0，若=0，则=1，于是=，因此二进制频移键控信号的时域表达式可简化为： （3.8）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3.7是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图, 图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制,在一个码元期间输出或两个载波之一。图 3.7 数字键控法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。采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图3.8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,通过对上下抽样值进行比较最终判决出输出信号。相干解调过程的时间波形如图3.9 所示。(a) (b) 图 3.8 二进制移频键控信号解调器原理图(a) 非相干解调 (b)相干解调图3.92FSK相干解调过程的时间波形还有一种过零检测法，它的原理是二进制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而异,通过检测过零点数从而得到频率的变化。输入信号经过限幅后产生矩形波，经微分、整流、波形整形、形成与频率变化相关的矩形脉冲波，经低通滤波器滤除高次谐波，便恢复出与原数字信号对应的基带数字信号。3.4 二进制移相键控二进制移相键控，简记为2PSK或BPSK。2PSK信号码元的“0”和“1”分别用两个不同的初始相位“0”和“”来表示，而其振幅和频率保持不变。故2PSK信号表示式可写出： (3.9)式中当发送“0”时， =0；当发送“1”时= 。这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式,称为二进制移相键控方式。二进制移相键控信号的典型时间波形如图3.10。 3.10 二进制相移键控信号的时间波形二进制移相键控信号的调制原理图如图 3.11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22,23。 （a） （b）图3.11 2PSK信号的产生方法2PSK信号的解调通常都是采用相干解调, 解调器原理图如图3.12所示。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。图3.122PSK信号的解调原理图2PSK信号相干解调各点时间波形如图3.13所示。当恢复的相干载波产生倒相时，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。图3.13 2PSK信号相干解调各点时间波形这种现象通常称为“倒”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”现象,从而使得2PSK方式在实际中很少采用。3.5 二进制差分相位键控在2PSK信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字信息的,所以称为绝对相移。由图 3.13 所示2PSK信号的解调波形可以看出，由于相干载波恢复中载波相位的180相位模糊，导致解调出的二进制基带信号出现反向现象，从而难以实际应用。为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为： （3.10）则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下：二进制数字信息： 1 1 1 0 0 1 1 0 12DPSK信号相位： 0 0 0数字信息与之间的关系也可以定义为： （3.11）2DPSK信号调制过程波形如图 3.14 所示。 可以看出,2DPSK信号的实现方法可以采用:首先对二进制数字基带信号进行差分编码,将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息,然后再进行绝对调相,从而产生二进制差分相位键控信号。2DPSK信号调制器原理图如图 3.15 所示。图3.14 2DPSK信号调制过程波形图图3.15 2DPSK信号调制器原理图2DPSK信号可以采用相干解调方式(极性比较法), 解调器原理图和解调过程各点时间波形如图 3.16 所示.其解调原理是：对2DPSK信号进行相干解调,恢复出相对码,再通过码反变换器变换为绝对码,从而恢复出发送的二进制数字信息。 在解调过程中,若相干载波产生180相位模糊, 解调出的相对码将产生倒置现象,但是经过码反变换器后,输出的绝对码不会发生任何倒置现象,从而解决了载波相位模糊度的问题。 (a) (b)图3.16 2DPSK信号相干解调(a) 2DPSK信号相干解调器原理图 (b) 解调过程各点波形2DPSK信号也可以采用差分相干解调方式(相位比较法), 解调器原理图和解调过程各点时间波形如图 3.17所示。 其解调原理是直接比较前后码元的相位差,从而恢复发送的二进制数字信息.由于解调的同时完成了码反变换作用, 故解调器中不需要码反变换器24。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一种非相干解调方法。2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，但其抗加性白噪声性能比2PSK的要差。 图3.17 2DPSK信号差分相干解调器原理图图3.18 2DPSK解调过程各点时间波形3.6 二进制数字信号的功率谱密度3.6.1 2ASK信号的功率谱密度若二进制基带信号s(t)的功率谱密度为： （3.12）则二进制振幅键控信号的功率谱密度为： （3.13）整理得： （3.14）式（3.12）中用到。二进制振幅键控信号的功率谱密度如图3.19所示，由离散谱和连续谱两部分组成。离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g(t)确定，。图3.19 二进制振幅键控信号的功率谱密度3.6.2 2FSK信号的功率谱密度相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。 （3.15）其中和为两路二进制数字基带信号： （3.16）， （3.17） （3.18）这里令概率，将二进制数字基带信号的功率谱密度公式带入式（3.18），可得： （3.19）由式（3.19）可得，相位不连续的二进制频移键控信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成，其中，离散谱位于两个载频 和 处；连续谱由两个中心位于 和 处的双边谱叠加形成；若两个载波频差小于，则连续谱在处出现单峰；若载频差大于，则连续谱出现双峰。若以二进制移频键控信号功率谱第一个零点之间的频率间隔计算二进制移频键控信号的带宽，则该二进制移频键控信号的带宽B，2FSK为： （3.20）其中 （3.21）图3.20 相位不连续二进制频移键控信号的功率谱示意图3.6.3 2PSK及2DPSK 信号的功率谱密度2PSK 与 2DPSK 信号有相同的功率谱。2PSK 信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则 2PSK 信号的功率谱为： （3.22）代入基带信号功率谱密度可得： （3.23）若二进制基带信号采用矩形脉冲，且，则2PSK 信号的功率谱简化为： （3.24）由上两式可得出，一般情况下二进制频移键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱组成，其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相类似，带宽也是基带信号带宽的两倍。当二进制基带信号的“1”符号和“0”符号出现概率相等时，则不存在离散谱。2PSK信号的功率谱密度如图3.21所示。图3.21 2PSK信号的功率谱密度3.7 本章小结本章主要介绍了二进制振幅键控、移频键控和移相键控三种二进制数字调制方式，并对这三种二进制数字信号进行功率谱密度分析。这些理论为第四章的建模仿真打下良好的理论基础。东北大学本科毕业设计（论文） 第4章 系统设计与仿真第4章 系统设计与仿真4.1 2ASK信号的调制与解调4.1.1 2ASK信号调制仿真(1) 建立系统模型。首先进行模块选择，进行系统搭建。先从Simulink工具箱选择器件：从Sources中选取Pulse Generator作为方波信号源，从Math Operations中选取Product作为乘法器，从Sinks中选取Scope作为示波器；再从DSP模块的DSP Sources中选取sine wave作为载波信号。2ASK信号调制的模型方框图由sine wave信号源、方波信号源、相乘器等模块组建成功，simulink模型如图4.1所示。图4.1 2ASK信号调制仿真模型其中正弦信号是载波信号，方波代表S（t）序列的信号源，正弦信号和方波相乘后就得到2ASK信号，也就是二进制键控信号。若一个信号状态始终为零，相当于处在断开状态，此时常称为通断键控信号。二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的，也是最简单的。这种方法最初用于电报系统，但是由于它在抗噪声的能力上较差，故在数字通信中用的不多。不过，二进制振幅键控常常作为研究其他数字调制方式的基础，熟悉它也是必要的。(2) 参数设置。建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。从正弦信号源开始依次的仿真参数设置如下图所示。图4.2所示，其中sin函数是幅度为2、频率为1Hz、采样周期为0.005的双精度DSP信号。图4.3所示的方波是基于采样的，其幅度设置为2、周期为3、脉冲持续设置2、采样时间为1。图4.2 正弦信号参数设置图4.3 方波信号源的参数设置(3) 系统仿真及各点波形图。经过参数的设置后，就可以进行系统的仿真。下面是示波器显示的各点的波形图。第一个波形是方波信号源输出的方波；第二个波形正弦信号源输出的频率为1Hz的正弦波；第三个是方波与正弦波经过乘法器后输出的2ASK信号。图4.4 仿真各点波形图4.1.2 2ASK信号解调仿真(1) 建立Simulink模型。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。相干解调也叫同步解调，就是将已调信号恢复出载波，再用载波信号同已调信号相乘，经过低通滤波器和抽样判决器恢复出原始信号S(t)。同样先从Simulink模块选择器件：从Sources中选取Pulse Generator作为方波信号源，从Math Operations中选取Product作为乘法器，从Sinks中选取Scope作为示波器；再从DSP工具箱的DSP Sources中选取sine wave作为载波信号，方波信号与正弦波信号相成后生成2ASK信号。2ASK信号经过低通滤波器后再经过判决器便可解调出原始信号。Simulink模型如下。图4.5 2ASK解调模型(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载波的，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，使视觉有更直观的印象，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的要相对高一些，这里设置为150Hz。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。下面是主要部件的参数设置。图4.6 低通滤波器的参数设置将图4.2中正弦信号的频率设置为150Hz，其他参数不变。(3) 系统仿真及各点波形。仿真波形如图4.7所示，由上到下的顺序：第一个波形是原始信号，第二个是载波信号，第三调制后的2ASK信号，第四个是2ASK信号与载波信号相乘后得到的信号，第五个是经过低通滤波器的波形，第六个是经抽样判决器后解调出的原始信号。(4) 误码率分析。由于在解调过程中没有信道和噪声，所以误码率相对较小，一般是由于码间串扰或是参数设置的问题，可以得出此系统的误码率为0.3636。图4.7 解调波形图4.2 2FSK信号的调制与解调4.2.1 2FSK信号调制仿真(1) 建立系统模型。2FSK信号是由频率分别为和的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中和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。2FSK信号产生的simulink仿真模型图如下。图4.8 2FSK信号simulink调制模型(2) 参数设置。其中sine wave和sine wave1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，经相乘器和相加器生成2FSK。本来信号源s(t)序列是用随机的“0”、“1”信号产生，在此为了方便仿真就选择了基于采样的Pulse Generator信号模块其参数设置如图4.9。图4.9 信号源模块参数图4.10 载波sin wave参数设置图4.10所示，其幅度为2，频率f1=1Hz，采样时间为0.002，载波为单精度信号。图4.11 载波sin wave1参数设置图4.11所示，该载波是幅度为2、频率为2Hz、采样时间为0.002的单精度信号。(3) 系统仿真及波形。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4.12。第一个波形是原始信号，第二个是正弦载波周期为1Hz的载波信号，第三个是周期为2Hz的正弦载波，第四个就是调制后的2FSK信号。图4.12 2FSK信号调制波形图4.2.2 2FSK信号解调仿真(1) 2FSK解调系统模型。其中From File是一个封装模块，就是2FSK信号的调制模块，两个带通滤波器分别将2FSK信号上下分频为和，再经过与载波相乘，经过低通滤波后两路信号相加，再经抽样判决器解调出原始信号。图4.13 2FSK解调框图2FSK是数字通信中用得较为广泛的一种方式。在话带内进行数据传输数据时，国际电报电话咨询委员会（CCITT）推荐在话音频带内低于1200bit/s数据率时使用FSK方式。在衰落信道中传输数据时也被广泛采用。(2) 参数设置。图4.14和图4.15是上下两路进行分频的带通滤波器的参数设置，具体设置见图。图4.14 2FSK信号f1带通滤波器参数设置图4.15 2FSK信号带通滤波器参数设置(3) 系统仿真及各点波形。图4.16 2FSK信号解调仿真波形4.3 2PSK信号的调制与解调4.3.1 2PSK信号调制仿真(1) 2PSK信号系统模型。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。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，其系统框图如图4.17。图4.17 2PSK信号调制框图其中Sine Wave1和Sine Wave2是反相的载波，正弦脉冲作为信号源。(2) 参数设置。图4.18 Sine Wave1参数设置图4.19 Sine Wave2参数设置图4.20脉冲信号的参数设置脉冲信号是幅度为2、周期为1、占空比为50%的时钟的信号。(3) 仿真波形。如图4.21所示。图4.21 2PSK调制信号波形图4.3.2 2PSK信号解调仿真(1) 建立Simulink模型。2PSK信号与本地载波相乘后进入低通滤波器，在经过抽样判决器解调出原始信号。图4.22 2PSK信号调制系统模型(2) 参数设置。各个模块设置与前面基本相同，只是将信号源参数稍作调整，便于做误码分析。信号源参数设置如图4.23。图4.23 信号源参数设置(3) 仿真波形。图4.24所示为2PSK信号解调的各点波形。图4.24 2PSK信号解调波形(4) 结果分析。由图4.22可看出其误码率为0.6364，由于参数设置、系统的不准确性和码间影响，所以误码率稍微偏大。4.4 本章小结仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能，从而为新的系统建立或原系统的改造提供可靠的参考。仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出任何的改变都可影响到整个系统性能和稳定。因此在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前通常对这个系统进行建模和仿真。通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和系统设置，然后再应用到实际系统中，这个过程就是通信仿真。本章通过运用Simulink仿真工具箱对BASK、BFSK、BPSK进行建模、参数设置，并且对仿真结果进行了简单的误码分析，通过仿真对数字调制解调有一个直观的了解，为今后运用Simulink软件仿真和在通信领域继续学习研究打下良好基础。东北大学本科毕业设计（论文） 第5章 结论第5章 结论调制与解调是通信系统中十分重要的一个环节，针对不同的信道环境选择不同的调制与解调方式可以有效地提高通信系统中的频带利用率，改善接收信号的误码率。所谓调制就是根据输入信号改变传输信号，使之能够在特定的频率范围之内和特定条件的信道中传输的过程。解调是调制的逆过程，它是把某种特定形态的传输波形还原为发送端调制前