基于MATLAB的常用信号调制仿真

1、正文 1 前 言1.1 信号调制仿真的概念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判断原系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能，因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法1-2。实际的信号调制是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变(如改变某个参数的设置、改变系统的结构等)都可能影响到整个系统的性能和稳定。因此，在对原有的系统作出改进或建立一个新系统之前，通常需要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

2、合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中，这个过程就是信号调制仿真3。与一般的仿真过程类似，在对信号调制实施仿真之前，首先需要研究信号调制的特性，通过归纳和抽象建立信号调制的仿真模型。图1-1是关于信号调制仿真流程的一个示意图。当前系统改造后系统仿真分析仿真实验仿真建模结论分析实际系统仿真系统 图1-1 仿真流程示意图从图中可以看到，信号调制仿真是一个循环往复的过程，它从当前系统出发，通过分析建立起一个能够在一定程度上描述原信号调制的仿真模型，然后通过仿真实验得到相关的数据。通过对仿真数据的分析可以得到相应的结论，然后把这个结论应用到对当前信号调制系统的改造中。值得注意的是，信号调制仿

3、真并不是一个机械的过程，它实际上是人的思维活动在计算机协助下的一种延伸。1.2 信号调制仿真问题的提出、研究价值及研究现状1.2.1 信号调制仿真问题的提出信号调制的性能可以用基于公式的计算方法、波形级仿真或通过硬件样机研究和测量来估计得到。以简化模型为基础的公式法只能应用于一些理想化和过于简单的例子，要想估计出复杂信号调制的性能是非常困难的。基于测量的性能估计方法通常代价很高，并且很不灵活。用基于仿真的方法来估计性能时，系统可以用任何所期待的细节(主观的，当然有一定局限)来模拟。与公式法或测量法相比较。仿真的方法能更好的利用设计空间，很容易将数学和经验模型结合起来，并结合设备和真实信号的特点

4、进行分析和设计。1.2.2 信号调制仿真问题的研究价值信号调制仿真实质上就是把硬件实验搬进了计算机，可以把它看成是一种软件实验。在硬件实验系统中，用各种电子元器件制作出信号调制中的理论模型所规定的各个模块，再把它们通过导线或电缆等接在一起，然后再用示波器、频谱议、误码仪等信号调制仪表做各种测量，最后分析测量结果。在软件实验中我们也是这样做，只不过所有信号调制模块及信号调制仪表的功能都是用程序来实现的，信号调制的全过程在计算机中仿真运行。与硬件实验相比，软件实验具有如下一些优点4：(1)软件实验具有广泛的适应性和极好的灵活性。在硬件实验中改变系统参数也许意味着要重做硬件，而在软件实验中则是改一、

5、两个数据，甚至只是在屏幕上按几下鼠标。(2)软件实验更有助于我们较为全面地研究信号调制。有许多问题，通过硬件实验来研究可能非常困难，但在软件实验中却易于解决。（3）硬件实验的精确度取决于元器件及工艺水平，软件实验的精度取决于cpu的运算速度或者说是程序的运算量。(4)软件实验建设开发周期短，成本低。1.2.3 信号调制仿真问题的研究现状计算机辅助分析和设计技术发展十分迅速，出现了大量实用仿真软件与工具，并应用于信号调制建模，分析和设计，使得信号调制仿真发展很快。计算机辅助技术基本上有两大类5，一是基于公式的方法，用计算机计算复杂的公式；二是用计算机仿真系统的信号波形，即波形级仿真。现代计算机软

6、硬件技术的快速发展，新一代的可视化的仿真软件的使用使得信号调制仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，推动了信号调制仿真的快速发展。 1.3 本论文的主要研究内容现代通信的发展要求信号调制技术越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求信号调制技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。信号调制仿真贯穿信号调制工程设计的全过程，对信号调制技术的发展起着举足轻重的作用。本论文针对信号调制仿真的研究主要做了以下的工作:(1)介绍了信号调制仿真的相关内容，包括信号调制仿真的一般步骤和matlab中的一

7、种可视化仿真工具simulink。(2)对信号调制中的主要环节，包括信道、噪声以及信号调制的原理、方法和过程进行了详细的阐述。(3)在理解信号调制理论的基础上，利用matlab强大的仿真功能，设计了具体的信号调制模型。在模型的设计过程，对模型设计的目的、具体的结构组成、仿真流程以及仿真结果都给出了具体详实的说明和分析。2 仿真步骤及matlab简介2.1 仿真的一般步骤仿真一般分成三个步骤，即仿真建模、仿真实验和仿真分析6。应该注意的是，信号调制仿真是一个螺旋式发展的过程，因此，这三个步骤可能需要循环执行多次之后才能够获得令人满意的仿真结果。2.1.1 仿真建模仿真建模是根据实际信号调制建立仿

8、真模型的过程，它是整个信号调制仿真过程中的一个关键步骤，因为仿真模型的好坏直接影响着仿真结果的真实性和可靠性。仿真模型一般是一个数学模型。数学模型有多种分类方式，包括确定性模型和随机性模型，静态模型和动态模型7。确定性模型的输入变量和输出变量都有固定数值，而在随机模型中，至少有一个输入变量是随机的。静态模型不需要考虑时间变化因素，动态模型的输入输出变量则需要考虑时间变化因素。一般情况下，信号调制模型是一个随机动态系统。在仿真建模过程中，首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标。并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。例如，我们可以设定改造后系统或新系统在达到系统最大容量时的误帧率等

9、等。有了上面的准备工作，下一步就可以通过仿真软件来建立仿真模型了。最简单的工具包括matlab、opnet、ns2等，这些软件具有各自不同的特点，适用于不同层次的信号调制仿真8。2.1.2 仿真实验仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。在仿真实验过程中，通常需要多次改变仿真模型输入信号的数据，以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。需要强调的一点是，仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性，即能够从各个角度显著地改变仿真输出信号的数值。仿真的运行实际上是计算机的计算过程，这个过程一般不需要人工干预，花费的时间由仿真的复杂度确定。如果需要比较仿真

10、系统在不同参数设置下的性能，应该使仿真系统在取不同参数值时具有相同的输入信号，这样才能够保证分析和比较的客观性和可靠性。2.1.3 仿真分析仿真分析是一个信号调制仿真流程中的最后一个步骤。在仿真分析过程中，用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统性能的信息，但是这些信息只是一个原始的数据，一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真系统的一个总体评价。常用的系统性能尺度包括平均值、方差、标准差、最大值和最小值等，它们从不同的角度描绘了仿真系统的性能。图表是最简洁的说明工具，它具有很强的直观性，便于分析和比较，因此，仿真分析的结果一般都绘制成图表形式9。我们使用的仿

11、真工具一般都具有很强的绘图功能，能够便捷地绘制各种类型的图表。2.2 matlab与simulink简介matlab的名称源自matrix laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。matlab将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用matlab产品的开放式结构，可以非常容易地对matlab的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，完善matlab产品以提高产品自身的竞争能力10-11。matlab是matlab产品家族的基础，它提供了基本的数学算法，例如

12、矩阵运算、数值分析算法，matlab集成了2d和3d图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且提供了一种交互式的高级编程语言m语言，利用m语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法12。simulink是matlab提供的用于动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。simulink提供了专门用于显示输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。3 信道和噪声研究及其仿真3.1 信道模型及其分类信道是传输不同类型通信业务的各种物理媒体的通道14，发送端产生的数据经过信源编码和信号调制转化成调制信号，然后通过信道到达接收端，在接收端通过与发送端相反的过程得到原始数据。信道的传输质量影响这

13、些信号的接收与解调。这种影响表现在两个方面，一是产生噪声，二是减弱信号的强度和改变信号的形状。信号调制仿真的设计目标是使接收端能够毫无差别地再现发送端发送的原始数据。因此，在设计信号调制仿真的过程中，信道对传输信号的影响是一个不可或缺的环节。在信号传输的过程中，它会不可避免地受到各种干扰，这些干扰统称为“噪声”。加性高斯白噪声（awgn）是一种常见的噪声，它存在于各种传输媒介中，包括有线信道和无线信道。在无线信道中，信号在受到加性高斯白噪声干扰的同时，还会受到瑞利衰落或伦琴衰落的影响。信道可分为有界与无界两大类，即通常所说的有线信道与无线信道。前者如双绞线、电缆、光纤、波导等，后者为自由空间提

14、供的各种频段或波长的电磁波传播信道。根据各种信道不同的特征和参量及其变化情况，又将它们分为恒参信道和随参信道。前者如有线信道、微波与卫星信道等，后者如无线系统的短波和超短波散射信道。3.1.1 恒参信道恒参信道是指由架空明线、电缆、中长波地波传输，超短波及微波视距传输，人造卫星中继，光导纤维以及光波视距传输等传输媒体构成的信道。恒参信道以有线信道为最典型，其特征参数主要是频率特征，如幅度频率特征与相位频率特征及频率漂移等。反映在时域，如信道时延、抖动，尚有电平波动和非线性等。其中，幅度频率特性，就理想而言，可表示为理想传输函数。3.1.2 随参信道随参信道包括短波电离层反射、超短波流星余迹散射

15、，超短波及微波对流层散射，超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等传输媒质所分别构成的信道。随参信道的特性比恒参信道要复杂的多。由于地面以上不同高度大气的电离层浓度不同，并随气流性变化，对短波传输具有反射作用，对超短波具有对流层散射作用。下面我们来介绍两个非常重要的衰落信道。(1) 瑞利衰落信道。瑞利衰落信道（rayleigh fading channel）是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。瑞利衰落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环境。若传播环境中存在足够多的散射，则冲激信号到达接收

16、机后表现为大量统计独立的随机变量的叠加，根据中心极限定理，则这一无线信道的冲激响应将是一个高斯过程。如果这一散射信道中不存在主要的信号分量，通常这一条件是指不存在直射信号（los），则这一过程的均值为0，且相位服从0 到2 的均匀分布。即信道响应的能量或包络服从瑞利分布。若信道中存在一主要分量，例如直射信号（los），则信道响应的包络服从莱斯分布，对应的信道模型为莱斯衰落信道。通常将信道增益以等效基带信号表示，即用一复数表示信道的幅度和相位特性。由此瑞利衰落即可由这一复数表示，它的实部和虚部服从于零均值的独立同分布高斯过程。瑞利衰落信道是移动通信中相当重要的衰落信道，它在很大程度上影响着移动通

17、信系统的质量。在移动通信中，发送端和接收端都可能处在不停的运动状态之中，发送端和接收端之间的相对运动将产生多普勒频移。多普勒频移与运动速度和方向有关，它的计算公式为：fd=（v/）*cos()，其中，v是发送端和接收端的相对运动速度，是运动方向与发送端和接收端连线之间的夹角，=c/f是载波的波长。 (2)伦琴衰落信道。在移动通信系统中，如果发送端和接收端存在一条占优势的视距传播路径，这种信道就可以模拟成伦琴衰落信道。当发送端和接收端既存在视距传播路径，又有多条反射路径时，它们之间的信道可以利用simulink中的伦琴衰落信道模块和多径瑞利衰落信道模块的组合来进行仿真。3.2 噪声概述及高斯白噪

18、声3.2.1 噪声概述及分类信号在信道中传输，要受到信道特性及噪声的影响，致使信号接收造成某些差错。此时受到干扰及噪声影响的信号可称为受扰信号。噪声主要分为加性噪声和乘性噪声。加性噪声叠加在语音信号波形上，用下式表示： 加性噪声表示：加性干扰的噪声其来源可分为人为噪声、自然噪声和内部噪声三个方面15。通常将宇宙噪声、散弹噪声和热噪声归为起伏噪声，它们的统计特性基本上是高斯分布。3.2.2 白噪声及高斯白噪声在研究信号调制时，为了分析方便，把噪声假想成一种理想化的形式，认为它通信的频段不受限于实际通信系统的频段，并包括电磁辐射全部可见频率，这种噪声称为白噪声，即：如果噪声的功率谱密度在所有频率上

19、均为一常数，那么此噪声就称为白噪声。由于白噪声的带宽无限，其平均功率为无穷大，因此，真正的“白”的噪声是不存在的，它只是构造的一种理想化的噪声形式，其中“白”和白光中的“白”有相同的意思；白光指在电磁辐射可见范围内所有频率分量的数值都相等。但是，白噪声作为一个很有用的数学抽象，可以使问题的分析大大简化。在实际中，只要噪声的功率谱均匀分布的频率范围远远大于通信系统的工作频带，我们就可以把它视为白噪声。如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。 高斯白噪声是分析信道加性噪声的理想模型，通信中的主要噪声源-热噪声就属于这类噪声。它在任意两个不同时刻上

20、的取值之间互不相关，且统计独立19。热噪声和散粒噪声是高斯白噪声。 所谓高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。这是考查一个信号的两个不同方面的问题。高斯随机过程的一维统计特性只取决于均值和方差，二维统计特性主要取决于自协方差或自相关函数。高斯过程若广义平稳，则同时也严格平稳。窄带高斯噪声及其同相、正交分量均值皆为0，方差均等于窄带高斯噪声本身的方差，同相分量与正交分量不相关且统计独立。窄带噪声包络为瑞利分布，相位为均匀分布。载波信号加窄带噪声一般为莱斯分布，当信号幅度很大时，为高斯分布；幅度很小时，接近于瑞利分布;信

21、号包络与噪声包络相差不大时，为莱斯分布。3.3 仿真系统设计（bfsk在三种传输信道中的传输性能分析）将数字信号调制在载波的频率上的调制方法称为频移键控（fsk），它也包括二电平频移键控（bfsk）和多电平频移键控（mfsk）18。(1)bfsk信号概述由于实际通信中不少信道都不能直接传输基带信号，因此，必须用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使载波的这些参量随基带信号变化而变化，即所谓载波调制。以正弦波作为载波的数字调制系统有调幅、调频和调相三种基本形式。fsk是利用载波的频率的变化来传递数字信息的。在bfsk中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。设信息源发出的由二

22、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，它们彼此独立。bfsk信号是0符号对应于载频w1,，而1符号对应于载频w2(与w1不同的另一载频)的已调波形，而且w1和w2的改变是瞬间完成的。根据以上bfsk信号的产生原理，已调信号的数学表示为: 式中,为单个矩形脉冲，脉宽为， ，与反码，即，分别是第n个码元的初相位。(2)仿真模型设计目的探讨bfsk在高斯白噪声、多径瑞利衰落和伦琴衰落信道中的传输性能。(3)仿真模型设计分析及其组成结构如图3-1，图3-2，图3-3图3-1 bfsk在高斯白噪声信道中的传输的仿真模型图3-2 bfsk在多径瑞利衰落信道中传

23、输的仿真模型图3-3 bfsk在伦琴衰落信道中的传输的仿真模型这三个传输系统的信源都是随机整数产生器(random integer generator)，在接收端解调后的信号通过误码率计算器(error rate calculation)计算信号的误比特率。各模块的参数设置见附录1。利用加性高斯白噪声信道(awgn channel)模块，在输入信号中加入高斯白噪声;利用多径瑞利衰落信道(multipath rayleigh fading channel)模块，实现基带信号的多径瑞利信道仿真。它的输入信号是标量形式或帧格式的复信号，输入信号被延迟一定时间之后形成多径信号，这些多径信号分别乘以相应

24、的增益，迭加之后就形成了瑞利衰落信号。利用伦琴衰落信道(rician fading channel)模块对基带信号的伦琴衰落信道进行仿真，它的输入信号是标量形式或帧格式的复信号。(4)仿真模型运行结果及其分析，如图3-4所示图3-4 bfsk在三种传输信道中的性能比较上图中横向表示信噪比(单位:db),纵向表示信号的误比特率(对数坐标)。从图中可以看出，在三个信道中，bfsk调制信号的误比特率随着信噪比的增加而降低。对于相同的信噪比，伦琴信道的误比特率明显优于多径瑞利衰落信道。当信号的信噪比低于6db时，伦琴信道的误比特率甚至优于只存在加性高斯白噪声的信道。当信噪比等于15db时，加性高斯白噪

25、声信道的误比特率远远低于此时瑞利衰落信道。这样，如果在瑞利衰落信道中获得与高斯白噪声信道相同的传输效果，就需要增加信号的信噪比。在移动通信中，瑞利衰落是不可以避免的，因此需要采取其它措施来提高通信系统的性能。在都市环境中，由于众多建筑物的阻挡，移动台和基站之间很难存在一条视距传输路径，信号主要通过反射和折射到达接收端，仿真过程中一般将信道看作是多径瑞利衰落信道。对于郊区或农村，由于视距传播路径的存在，同样的发射功率可以获得更好的传输效果，这时候采用伦琴衰落信道就显得更加恰当。因此，不同的环境需要采用不同的信道模型进行仿真。 (5)m文件程序代码见附录2。4 信号调制研究及其仿真4.1 信号调制

26、的概念所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。在无线通信中和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。信号解调是信号调制过程的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。它把某种特定形态的传输波形还原为发送端调制前的信号。根据调制前的信号是模拟信号还是数字信号可以把信号调制方式分成两类:模拟调制方式和数字调制方式。另外，根据调制信号是否存在载波还可以把模拟调制方式分为基带调制和频带调制，其中基带调制方式不需要载波，频带调制方式则把基带信号调制到更高频率的载波上进行传输。载波调制的主要目的在于：第一，在无线传输中，信号是以电磁波的形

27、式通过天线辐射到空间的。为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸必须与发射信号的波长相比拟。第二， 把多个基带信号分别搬到不同的载频上，以实现信号的多路复用，提高信道利用率。第三， 扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力、还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用。我们这里着重研究数字信号调制。4.2 数字信号调制4.2.1 脉冲振幅调制（pam）所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则前面所说的抽样定理，就是脉冲振幅调制的原理。但是，实际上真正的冲激脉冲串是不可能实现的，而通常只能采用窄

28、脉冲串来实现，因此，研究窄脉冲作为脉冲载波的pam方式，将更加具有实际意义。图4-1 脉冲振幅调制设脉冲载波以s(t)表示，它是由脉宽为秒、重复同期为秒的矩形脉冲串组成，其中是按抽样定理确定的，即有秒。其产生方框图为图4-1 (a)所示，基带信号的波形及频谱如图4-1 (b)所示；脉冲载波的波形及频谱如图4-1（c）所示；已抽样的信号波形及频谱如图 4-1(d)所示。 除正弦型信号外，在时间上连续的脉冲串，同样可以作为载波，这时的调制是用基带信号去改变脉冲的某些参数而达到的，人们常把这种调制称为脉冲调制。通常，按基带信号改变脉冲参数(幅度、宽度、时间位置)的不同，把脉冲调制又分为脉幅调制(pa

29、m)、脉宽调制(pdm)和脉位调制(ppm)等。这里我们着重研究一下脉幅调制(pam)。所谓脉幅调制(pam)，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。但是，实际上的真正的冲激脉冲串并不能实现，而通常只能采用窄带脉冲串来实现。因而，研究窄带脉冲作为脉冲载波的pam方式，将具有实际意义。4.2.2 正交振幅调制(qam)正交振幅调制(qam)是以载波的幅度和相位两个参量同时载荷一个比特或一个多元符号的信息17。因此，它比单一参量受控数字符号的频带传输方式更富有抗干扰能力。类似与其他数字调制方式，qam发射信号集可以用星座图

30、方便地表示。星座图上每一个星座点对应发射信号集中的一个信号。设正交幅度调值的发射信号集大小为n，称之为n-qam。星座点经常采用水平和垂直方向等间距的正交网格配置，当然也有其他的配置方式。数字通信中数据采用二进制表示，这种情况下星座点的个数一般是2的幂。常见的qam形式有16-qam、64-qam、256-qam等。星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。但是，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，会使星座点之间的距离变小，进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差。4.2.3 数字频率调制多进制频率调制系统的调制方框图如图4-2所示，图4-2中给出了mfsk调制器的

31、方框图，调制时采用频率选择法实现，m种频率由位输入信息确定。图4-2 多进制频率调制系统的调制方框图(1)最小频移键控(msk)信号频偏指数的定义是为：h=2f/rb=2ftb=（f1-f2)/rb=n/2 n=1,2,显然，频偏指数的意义是，在保证传号与空号信号正交的条样下，fsk采用的两个载波频率之差2f=f1-f2的取值大小，可由h取值来决定。最小频移键控(msk)信号是由满足正交条件且频偏指数h=1/2的两个载波构成的cpfsk信号，带宽bmsk=2rb+f1-f2=2rb+1/2rb=2.5rb。最小频移键控(msk)信号恒定包络，功率谱性能好，具有较强的抗噪声干扰能力，特别是msk

32、的几种改进技术，大量用于移动通信，抗衰落性能好。(2)高斯最小频移键控(gmsk)信号msk调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。然而，在一些通信场合，例如移动通信中，对信号带外辐射功率的限制是十分严格的，比如，必须衰减70-80db以上。msk信号仍不能满足这样苛刻的要求。高斯最小频移键控(gmsk)就是针对上述要求提出来的18-19。gmsk信号是在msk调制之前加入一个高斯低通滤波器。高斯低通滤波器作为msk调制的前置滤波器，它的作用是使基带方波的“棱角”加以圆滑。高斯低通滤波器必须满足一定的要求:带宽窄，且是锐截止的；具有较低的过脉冲响应；能保持输出脉

33、冲的面积不变。以上的要求分别是为了抑制高频成分，防止过量的瞬间频率偏移以及进行相干检测所需要的。gmsk信号的解调与msk信号完全相同。4.3 仿真系统设计4.3.1 pam和qam抗噪声性能分析 (1)仿真模型设计目的脉幅调制(pam)是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。正交振幅调制(qam)是以载波的幅度和相位两个参量同时载荷一个比特或一个多元符号的信息，它比单一参量受控数字符号的频带传输方式更富有抗干扰能力。本仿真模型将考察这两种调制方式的抗噪声性能。(2)仿真模型设计分析及其组成结构在pam调制的仿真模型中，random integer generator(随机整数产生器)产

34、生一个八进制整数序列，这个整数序列通过m-pam modulator baseband(pam基带调制模块)进行调制，得到基带调制信号。pam基带调制器模块产生的基带调制信号经过awgn channel(加性高斯白噪声信道模块)后由m-pam demodulator baseband (pam基带解调器模块)进行解调。error rate calculation(误码率统计模块)对原始信号和解调信号进行比较，统计得到pam调制的误码率。(2) 仿真模型设计分析及其组成结构其中pam仿真模型结构图如图4-3，qam仿真模型结构图如图4-4，在pam调制的仿真模型中，random integer

35、generator(随机整数产生器)产生一个八进制整数序列，这个整数序列通过m-pam modulator baseband(pam基带调制模块)进行调制，得到基带调制信号。pam基带调制器模块产生的基带调制信号经过awgn channel(加性高斯白噪声信道模块)后由m-pam demodulator baseband (pam基带解调器模块)进行解调。error rate calculation(误码率统计模块)对原始信号和解调信号进行比较，统计得到pam调制的误码率。 qam调制的仿真模型与pam调制的仿真模型非常相似，它只是把pam基带调制器模块和解调器模块分别换成qam基带调制模块和

36、qam基带解调模块。在qam调制的仿真模型中，信源、信道和信宿都与pam仿真模型保持一致，这样便于在相同条件下比较两种调制方式的性能。图4-3 pam仿真模型结构图图4-4 qam仿真模型结构图(3) 仿真模型运行结果及其分析pam和qam抗噪声性能仿真运行结果如图4-5图4-5 pam和qam抗噪声性能分析在仿真运行结果中如图4-5，横向表示信道的信噪比，纵向表示编码信号的误比特率。其中实线表示pam调制的误码率，虚线表示qam调制的误码率。从图可以看出，这两种调制方式的误码率是比较相近的，而pam的抗噪声性能略优于qam。另外，当增大samples per symbol的数值时，pam和q

37、am的抗噪性能也随之增强，仿真得到的误码率也将降低，并且逐渐趋向于理论计算值。当然，相数m-ary number对二者的抗噪性能也有一定的影响。当m-ary number等于2时，二者的抗噪性能是一致的；当m-ary number大于2时，pam的抗噪声性能略优于qam。4.3.2 gmsk在gsm中的应用(1)仿真模型设计目的gmsk信号是在msk调制之前加入一个高斯低通滤波器作为msk调制的前置滤波器。高斯低通滤波器的作用是使基带方波的“棱角”加以圆滑。本仿真模型将对gsm(global system for mobile communication)中采用的gmsk调制和解调过程进行仿真

38、，以分析gmsk调制信号误码率与信道信噪比之间的关系。（2）仿真模型设计分析及其组成结构gsm (global system for mobile communication)是目前世界上应用最为广泛的一种数字移动信号调制。仿真结构图如图4-6所示。gsm为全球移动通讯系统，俗称全球通，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。目前，中国移动、中国联通各拥有一个gsm网，为世界最大的移动通信网络。gsm系统包括 gsm 900：900mhz、gsm1800：1800mhz 及 gsm1900

39、：1900mhz等几个频段 gsm系统具有防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低登特点。（3）仿真模型运行结果及其分析在仿真运行结果中，横向表示信道的信噪比，纵向表示gmsk调制的误码率。从图中可以看出，随着信道的信噪比的增加，gmsk调制信号的误码率也越来越低。如图4-7所示，当信噪比达到8db以上时，gmsk调制的误码率低于10-3，此时系统的性能状态已经非常好。需要指出的是，gmsk调制信号的误码率不仅取决于信号的信噪比，还跟gmsk调制器模块参数samples per symbol有关。在这个仿真模型中，sample

40、s per symbol分别设置为1和2。从图4-8可以看出，增加这个参数的值，gmsk调制信号的误码率将随之降低。技术特点:频谱效率。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。容量。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用栽干比要求降低至9db，故gsm系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小（模拟系统为7/21）；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使gsm系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比tacs系统高35倍。 话音质量。鉴于数字传输技术的特点以及gsm规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量

41、总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。 开放的接口。gsm标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且报刊网络直接以及网络中各设备实体之间，例如a接口和abis接口。 安全性。通过鉴权、加密和tmsi号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口，由sim卡和网络auc的密钥决定。tmsi是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。与isdn、pstn等的互连。与其他网络的互连通常利用现有的接口，如isup或tup等。在sim卡基础上实现漫游。漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。gsm系统可以提供全球

42、漫游，当然也需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。 在本仿真模型中，bernoulli binary generator(贝努利二进制序列产生器)产生一个二进制序列，然后通过gmsk modulator baseband (gmsk基带调制器模块)得到基带调制信号。gmsk基带调制信号首先通过一个awgn channel(加性高斯白噪声信道模块)，然后由gmsk demodulator baseband(gmsk基带解调器模块)对其实施解调，得到二进制解调信号，最后由error rate calculation(误码率统计模块)统计gmsk调制信号的误码率。图4-6 gmsk仿真模型结构图图

43、4-7 samples per symbol=1时gmsk调制的误码率分析图4-8 samples per symbol=2时gmsk调制的误码率分析5 总结和展望5.1 总结虽然信号调制仿真这一领域要研究的内容还非常多，自己研究的内容在很多方面还需要不断改进。以下几个方面需要改进或深入的：这些模型大部分是针对信号调制系统某一方面的性能而设计的，虽然能说明一定问题，但整体规划比较小，今后应该研究比较复杂的情况。在设计仿真模型时，主要是针对当前系统的信噪比发生变化时，系统性能变化状况。虽然信噪比是研究信号调制性能分析非常重要的参量，它对信号调制系统的影响是很大，但还可以拓宽思路，结合信号调制系统

44、的其他重要参量，设计仿真模型，对系统性能进行更全面的分析。在今后的研究，设计仿真模型时，可利用多种仿真软件，发挥各种软件的特长，使得系统仿真效果更精确。 5.2 展望经过短暂的四个月的研究工作，我深深感到信号调制仿真这一领域要研究的内容还非常多，自己研究的内容在很多方面还需要不断改进，有以下几个方面是可以继续改进或深入的：（1）本文在深刻理解信号调制理论的基础设计了大量的仿真模型，但是这些模型大部分是针对信号调制系统某一方面的性能而设计的，虽然能说明一定问题，但整体规划比较小，今后应该研究比较复杂的信号调制。（2）本文在设计仿真模型时，主要是针对当前系统的信噪比发生变化时，系统性能变化状况。虽

45、然信噪比是研究信号调制性能分析非常重要的参量，它对信号调制系统的影响是很大，但还可以拓宽思路，结合信号调制系统的其他重要参量，设计仿真模型，对系统性能进行更全面的分析。（3）本文所使用的仿真软件是具有可视化、模块化等特性的仿真工具simulink。在simulink中，仿真模型表现为若干仿真模块之间的连接关系，使得仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，同时有利于仿真模型扩充。但还有其他仿真性能优异的仿真软件，比如在数字通信系统中常用的systemview，它在数字通信系统中的应用非常广泛。所以，在今后的研究，设计仿真模型时，可利用多种仿真软件，发挥各种软件的特长，使得系统仿真效果更精确。致

46、谢从论文选题到搜集资料，从写稿到反复修改，期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写作论文的过程中心情是如此复杂。如今，伴随着这篇毕业论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。在此，我要特别感谢我的论文指导老师路老师，他那严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给了我无尽的启迪。在写论文期间，还要感谢我的几个好朋友，他们替我分担了好多的任务，他们帮我搜集资料，找参考书，和我一起探讨论文问题，我们互相学习，互相进步，在探讨过程中我学到了好多的东西。当然，在探讨中我还发现了自己的不足和知识的欠缺，真是印证了这句老话：书到用时方恨少。的确，现

47、在发现还不是很晚的，因为我还要继续读书的。还有在写论文的过程中我学会了很多以前没有接触过的word技巧，也使我对word有了更深的认识的。还有上网用的一些很有用的网站，他们提供了很多珍贵的材料，让我学到了一些书本上没有学习到的东西，感谢一路上支持帮助我的朋友，老师由于考研，我的论文写得比较仓促，对论文的研究可能不是很深刻，对仿真技术的研究还不是很深入，还有论文的某些地方可能不是很完善，有待进一步完善，恳请老师、同学们给予指正。论文已经写完了，可是我的路还很长，感谢文理的老师一直以来对我的关怀和鼓励，感谢文理给了我一个上大学的机会，如果没有文理，我想我还是一个高中生，一个永远也成熟不了的青果。参

48、考文献1齐欢,王小平.系统建模与仿真仁m.北京:清华大学出版社,2004.2康凤举.现代仿真技术与应用m.北京:国防工业出版社，2001.3michel c.jeruchim等.通信系统仿真建模、方法和技术m.北京:国防工业出版社,2004.4陈平等.现代通信实验系统的计算机仿真m.北京:国防工业出版社,2003.邓华等,matlab通信仿真及应用实例详解m，北京:人民邮电出版社,2003.5肖冬荣.系统科学及其当前存在的问题j.系统工程理论与实践，1990。6李建新等.现代通信系统分析与仿真m.西安:西安电子科技大学出版社，2000.7孙屹.matlab通信与仿真开发手册m.北京:国防工业出

49、版社，2005.8陈桂明等.应用matlab建模与仿真m.北京:科学出版社，2001.9 薛定宇，陈阳泉.基于matlab/simulink的系统仿真技术与应用m.北京:清华大学出版社，2002.10 张葛祥,李娜.matlab仿真技术与应用m.北京:清华大学出版社,2003.11范影乐等.matlab仿真应用详解m.北京:人民邮电出版社，2001.12刘卫国等.matlab程序设计与应用m.北京:高等教育出版社，2002.13施阳.matlab语言精要及动态仿真工具simulinkm.西安：西北工业大学出版社.1997.14樊昌信,张甫斓,徐炳样,吴成柯.通信原理(第5版)m.北京:国防工业

50、出版社,燕丽等.15钟麟峰.matlab仿真技术与应用教程m.北京:国防工业出版社,2004.16冯玉眠.通信系统原理学习指南m.北京:清华大学出版社，2004.17娄莉.gmsk数字调制的仿真与分析j.现代电子技术.18王华,李有军,刘建存.matlab电子仿真与应用教程(第2版)m.国防工业出版社,2007.19樊昌信,曹丽娜.通信原理(第6版)m.国防工业出版社,2009.附 录附录1附表1-1 random integer generator（随机整数产生器）的参数设置参数名称参数值模块类型random integer generatorm-ary number2initial seed37sample time1/ bitra