基于Matlab的数字通信系统调制解调研究毕业论文

1、毕业设计（论文） 题 目 基于 matlab 的数字通信系统 调 制解调研究 系 （院） 计算机科学技术系 专 业通信工程 班 级2008 级 2 班 学生姓名李发 学 号 2008110310 指导教师谭雪霏 职 称讲师 二一二年五月二十日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。 尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二

2、年 月 日 毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学 校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制 手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立 目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允 许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名: 二 年 月 日 基于 matlab 的数字通信系统调制解调研究 摘 要 当今，随着通信技术日新月异的发展，尤其是数字通信的快速普 及，使得通信技术日新月异。现代通信系统要求通信距离

3、远、通信容 量大、传输质量好，因此通信系统也日趋复杂。在各种通信系统的设 计研发环节中，软件仿真已成为必不可少的部分。应用 matlabsimulink 的计算机仿真具有经济、安全、可靠、编程简易以及 实验周期短等特点。 因此，本文就以 matlab 为软件平台，利用其通信工具箱和信号处 理工具箱中的模块，尤其是 matlab 语言的 simulink 动态系统仿真软件 包，对数字调制解调系统进行仿真，并且对仿真结果进行误差分析， 从而对现代数字通信有更加明确的认识和直观的了解。重点对 2ask、2psk、2fsk 进行性能比较，在实际通信系统中，根据具体情 况选择最合适的调制方式，进一步促进

4、数字通信的发展。 本文首先介绍了课题研究的背景和进行数字通信仿真的意义，然 后介绍对数字通信系统进行仿真所使用的matlabsimulink 软件以 及这些软件在使用时的注意事项和采用的一些方法，随后又介绍了数 字调制系统的原理并据此进行数字调制解调系统的仿真，最后对仿真 结果进行误差分析，对设计进行总结归纳 。 关键词：数字通信系统；调制解调； matlab；simulink；仿真 research of modulation and demodulation in digital communication system based on the matlab abstract nowad

5、ays, 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 communication distance, communication capacity, transmission quality is good, because

6、this communication system has become more and more complex. in all kinds of communication system design r&d link, the software has become an indispensable part of. application of computer simulation, simulink matlab has economic, safe, reliable, easy programming and the cycle is short, etc. therefor

7、e, this paper is using matlab software platform, use its communication tool box and signal processing toolbox module, especially matlab language dynamic system simulation software package of simulink on digital demodulation system, and simulation results of simulation and error analysis, and the mod

8、ern digital communication have more explicit recognition and intuitive understanding. emphasis on 2 ask, 2 psk, 2 fsk performance comparison, in actual communication system, according to the specific circumstances to select the most appropriate modulation mode, and further promote the development of

9、 digital communication. this paper firstly introduces the background of the 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 needing atten

10、tion 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, summed up in the digital demodulation of the simulation to the matters of attention when,

11、 to the aspects of learning and provide some reference for researchers and their own experience. key words：digital communication system；demodulation；matlab；simulink；simulation 目 录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 研究的目的和意义.1 1.1.1 研究目的.1 1.1.2 研究意义.2 1.2 国内外研究现状.2 第二章第二章 仿真的意义和仿真软件仿真的意义和仿真软件.4 2.1 仿真的意义 .4 2.2 仿真软件

12、 matlab 简介.4 2.3 simulink 简介.6 2.4 matlab 与 simulink 的联系.6 第三章第三章 数字通信系统数字通信系统.7 3.1 数字通信系统的概念.7 3.2 数字通信系统的组成.7 3.3 通信系统的分类与通信方式.8 第四章第四章 信号的调制与解调信号的调制与解调.10 4.1 调制的意义和类别 .10 4.2 模拟信号的调制与解调.11 4.2.1 幅度调制.11 4.2.2 角度调制.13 4.3 数字信号的调制与解调.14 4.3.1 数字频率调制.14 4.3.2 数字相位调制.15 4.3.3 正交振幅调制.17 第五章第五章 系统设计与

13、仿真系统设计与仿真.19 5.1 2ask 信号的调制与解调.19 5.1.1 2ask 信号调制仿真.19 5.1.2 2ask 信号解调仿真.21 5.2 2fsk 信号的调制与解调.23 5.2.1 2fsk 信号调制仿真.23 5.2.2 2fsk 信号解调仿真.26 5.3 2psk 信号的调制与解调.28 5.3.1 2psk 信号调制仿真.28 5.3.2 2psk 信号解调仿真.30 结论结论.33 参考文献参考文献.34 谢辞谢辞.35 第一章 绪论 1.1 研究的目的和意义研究的目的和意义 信息是一种资源，通过广泛的传播与交流，能促进社会成员之间的合作，推动 生产力的发展和

14、社会的进步。在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社 会的“命脉”，因此人们对信息传递的速度、质量等要求也越来越高。现代通信可以 分为模拟通信和数字通信两类，与模拟通信相比，数字通信具有抗干扰能力强、噪 声不积累、传输差错可控、易于集成和加密、便于用现代数字信号处理技术对数字 信息进行处理、变换和储存等优点，而其缺点相比其优点来说则不重要，因此数字 通信的应用必将越来越广泛。作为现代通信系统的关键技术之一的调制解调技术是 人们重点研究的方向。在各种通信系统的设计研发环节中，软件仿真已成为必不可 少的部分。应用 matlabsimulink 的计算机仿真具有经济、安全、可靠、编程简易 以及

15、实验周期短等特点，因此基于 matlab 的数字通信系通调制解调研究具有重要 意义。 1.1.1 研究目的研究目的 二进制数字信号调制最基础的三个方面是二进制振幅键控 2ask、二进制频移 键控 2fsk 和二进制相移键控 2psk，由于 2psk 体制中存在相位不确定性，又发 展出差分相移键控 2dpsk。ask 是一种应用最早的基本调制方式，优点是设备简 单，频谱利用率较高，但它也是受噪声影响最大的调制技术，抗噪声性能差。 2fsk 在数字通信中应用较为广泛，优点是抗干扰能力强，不受信道参数变化的影 响，但其占用频带较宽，频带利用率较低。psk 和 dpsk 是高传输效率的调制方式， 其抗

16、噪声能力比 ask 和 fsk 都要好而且不易受信道特性变化的影响，但 2psk 系 统会出现倒 现象，实际中很少采用，而多采用差分相移键控 dpsk1。通过此次 的调制与解调仿真，使我们对 2ask、2fsk、2psk 调制与解调的工作原理以及 simulink 软件有了比较深刻的认识和了解。进而改善这几种数字调制方式在实际应 用中存在的如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等 不足之处。 1.1.2 研究意义研究意义 对数字通信系统仿真的意义在于促进了信息技术与此方面知识的整合，同时对 在一定程度上克服仪器设备的不足，构造、组合新型通信系统，根据实际情况选择 合适的调

17、制方式，加强使用者的综合素质也具有重要意义。 本课题根据现代数字通信发展具体实际情况，对数字信号在传输过程中的调制 解调过程利用 matlab/simulink 软件进行设计和仿真。加深对数字通信系统的认识， 提前了解信号在传输过程中可能遇到的问题，从而及早采用适当的方法加以预防和 克服，使得通信系统在实际应用中运行的更为顺利，更好的保重人们能及时的发出 和收到可靠、安全、高质量的信息。同时通过发现和解决数学通信系统在仿真中遇 到的棘手的问题，促进国际通信技术的发展。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 近几年，通信技术飞速发展，从二十世纪九十年代初以来，全球向信息密集 的工作方式和生活方式

18、转变。从传统的电话、电报、电视、收音机到如今的移动电 话、传真、卫星通信，这些通信方式使数据和信息的传递速率得到很大的提高。 在设计数字传输系统时，调制技术作为实现高效通信的关键问题，是通信技术 中研究的重点之一。随着科技的发展，现代调制技术在模拟电话网络、卫星通信、 蜂窝移动通信、视频广播系统、宽带接入网等方面都取得了迅速的发展。 电话网络是最为普及而且资源最为丰富的传输网络，它的调制方式在经历了 fsk、4-dosk、qam 后，现在主要以脉冲编码调制（pcm）为主，最高传输速率 可以达到 56kbps。近几年，随着科技与经济的迅速发展，卫星通信在通信方式中也 逐渐占有重要地位。1965

19、年，国际卫星通信组织成立，并发射了第一课静止国际 通信卫星，由此开启了卫星通信的大门。我国的同步通信卫星是在 1984 年 4 月升 空并投入使用。由于卫星通信具有非线性特性，以 bosk、qpsk、oqpsk、/4- qpsk 为主的恒定包络调制技术得到了广泛的应用。同时，以 qpsk、sqam 等为 主的非恒定包络调制技术在经过改进后，以频谱集中、抗非线性失真、误码性能好、 频谱利用率高等特点引起了人们的普遍关注。亚洲是世界上的蜂窝系统发展速度最 快的地区，现代蜂窝移动通信系统中，调制方式主要以 psk、固定电平 qam 和可 变电平 qam 为主。其中，可变电平的星形 qam 能提供可变

20、的传输速率，根据信 道情况选用合适的调制方式。当信道失真严重时，多采用 4psk 方式；当 snr 较 高时，多采用 32 或 64 电平的星形 qam 方式。视频广播（dvb）系统自 1992 年 出现以来，如今已普及全球并发展为 dvb-s 系统、dvb-c 系统和 dvb-t 系统。 其中，dvb-s 系统多采用 bpsk 和 qpsk 方式对信号进行调制，dvb-c 系统则多 采用 16、64、256 电平的 qam 调制方式和 vsb（残留边带调制）方式对信号进行 调制。因为宽带接入网技术已经成为通信发展的前沿技术，所以利用电缆调制解调 器在有线电视混合光缆同轴网上传送数据，用其做为

21、互联网的宽带接入网是现有有 线电视网宽带技术发展的热点。利用同轴电缆进行数据传输时多采用 qpsk、qam 和 vsb 等调制方式；利用双绞线进行数据传输时则多采用 qam、cam（无载波 幅度相位调制） 、dmt 和 dwmt 等调制方式。 近几年，随着人类外太空探索步伐的不断前进，深空通信数字调制技术也得到 了迅速的发展。目前，卫星通信系统多采用 bpsk 和 qpsk 等调制方式，但这两种 方式在卫星通信中容易产生频谱扩展。基于此，经过大量的研究，ccsds（时空 系统咨询委员会）建议采用与深空网络接收机结构相兼容的宽带有效调制技术， jpl（喷气推进实验室）也研究出一系列的深空探测任务

22、调制方案。 第二章 仿真的意义和仿真软件 2.1 仿真的意义仿真的意义 在当代，信息科学发展迅速，用于研发、测试的仪器更新速度也正在加快，随 着科技含量的提高，价格也越来越昂贵。受经济条件的限制，许多从事研究与开发 的工程技术人员不能够拥有先进的仪器设备，采用仿真的方法可以在一定程度上克 服因缺乏合适的仪器设备而带来的问题。再者，由于现代通信系统功能强大且都比 较复杂，在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或根本无法实现时，仿真技 术就成为必然的选择。 电子与通信领域与计算机技术有着密切的联系，因此计算机仿真可以用于大部 分电子工程、现代通信技术和通信系统的实验研究工作，成为现代电子系统和通

23、信 系统研究的主要手段。本质上，只要能构造出系统的数学模型，matlab/simulink 就 可以对任意的系统进行仿真，而且在实际应用中，matlab/simulink 特别适合于针对 电子通信系统模块的系统级仿真2。 传统的研究开发工作是从购买元件，做印制电路板，搭建电路，配置相应的仪 器做实验开始的，这样的方法复杂而且容易造成资源的浪费。现代通信设备和通信 系统的设计步骤是：需求分析、方案设计、建模、仿真实验、制作芯片、设备制造 和系统集成。建模、仿真技术在研究、开发领域举足轻重，直接影响到研发、设计 通信设备和通信系统的成败。 2.2 仿真软件仿真软件 matlab 简介简介 matl

24、ab 是美国 math works 公司于 1967 年推出的矩阵实验室 matrix laboratory 的缩写，是一种跨平台的，用于矩阵数值计算的简单高效的数学语言3。matlab 的编程语句接近数学描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也 是其他如 c、c+、fortran 等计算机高级语言望尘莫及的。matlab 使人们摆脱了常 规计算机编程的繁琐，从而让人们能够把大部分的时间、精力放到研究问题的数学 建模上，使科学研究的效率得到了极大的提高。目前，matlab 已经被理工科大学广 泛采用，成为几乎各门专业课程进行虚拟实验的有效工具。在科研部门，matlab 成 为全世

25、界科技人员进行学术交流首选的共同语言，国内外有关著名论文的大部分数 值结果和图形都是用 matlab 完成的。 与其他计算机高级语言相比，matlab 独特的优势主要表现在： 1matlab 是一种跨平台的数学语言。采用 matlab 编写的程序可以在目前所有 的操作系统上运行，不依赖于计算机类型和操作系统类型。 2matlab 是一种超高级语言。matlab 平台本身是用 c 语言写成的，汇聚了许 多专业数学家和过程学者多年编写的最新的数学算法库，在编程效率，程序的可读 性、可靠性和可移植性上远远超过了其他的计算机高级语言。 3matlab 语法简单，编程风格接近数学语言描述，是数学算法开发

26、和验证的 最佳工具。在其他计算机高级语言中需使用许多语句才能实现的功能，如矩阵分解 和求逆、快速傅里叶变换等，在 matlab 中用简单的几句指令即可实现，且其数值 算法的可信度和可靠性都很高。 此外，matlab 还有计算精度高，绘图功能强大，具有串口操作、声音输入/输 出等硬件操控能力，执行效率比其他语言高等特点。 matlab 系统由语言体系、工作环境、图形系统、数学函数库和应用程序接口五 个主要部分组成。 1matlab 是高层次的矩阵/数组语言，具有条件控制、函数调用、面向对象等 程序语言特性，利用它既可以完成算法设计和算法实验的基本步骤，也可以开发复 杂的应用程序。 2matlab

27、 的工作环境是对其管理功能的总称，包括管理工作空间中的变量数 据输入、输出的方式和方法，和开发、调试、管理 m 文件的各种工具。 3图形系统不仅包括完成 2d 和 3d 数据图示、图像处理、动画生成、图像显 示等功能需要的高层 matlab 命令，也包括用户对图形、图像进行特性控制的低层 matlab 命令以及开发图形用户界面 gui 应用程序的各种工具。 4matlab 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 函数的算法和高层数学算法。 5应用程序接口 api 是一个函数库，让用户能够在 matlab 环境中使用 c 程序 或 fortran 程序。 2.3 s

28、imulink 简介简介 simulink 是 matlab 中的一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境， 附带了许多专业仿真模块库，是一个对动态系统进行建模、仿真和仿真结果分析的 软件包。可以说，在通用系统的仿真领域，simulink 是无所不包的4。 使用 simulink 可以方便的对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统级 仿真，使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来，建立直观的功能强大的系统 模型，不必编写 matlab 仿真程序，使仿真建模过程更为简化，更加适应于大型系 统的建模和仿真。simulink 的专业仿真模块库都已经通过权威专家和专业测试机 构的评测，具有很

29、高的可信度和稳定性。 在建模前，最好先根据需要绘制模型图。当在建模过程中遇到较为复杂的系统 时，需要根据层次结构来绘制框图，先将大系统中的一些具有独立功能的部分封装 成一些子系统，再利用这些子系统来构造整个系统。 simulink 模块库包含有 sources（输入源） 、sinks（输出方式） 、linear（线性环 节） 、nonlinear（非线性环节）等具有不同功能的 simulink 库模块，而且每个子 模型库中包含相应的功能模块，用户可以根据特定的需要创建自己的模块。 2.4 matlab 与与 simulink 的联系的联系 我们可以通过 matlab 命令来打开 simulin

30、k 模型并进行仿真。在 matlab 命令 窗口中，使用 open lizila.mdl，然后使用 sim(lizila.mdl)就可以启动对模型 lizila.mdl 的仿真，实现 simulink 仿真的自动化5。 matlab 提供了许多途径用于与 simulink 的数据交互，从而实现 matlab 编程与 simulink 模型相结合的综合仿真，使仿真更为人性化，满足使用者的不同需求6。 第三章 数字通信系统 3.1 数字通信系统数字通信系统的概念的概念 数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，相比模拟通信系统，具 有频谱利用率高，能够提供多种业务服务，抗噪声、抗干扰、抗多径

31、衰落能力强， 能实现更加有效、灵活的网络管理和控制，便于实现通信的安全保密，可降低设备 成本以及减小用户手机的体积和重量等优点7。因此，数字通信的发展速度已明显 超过模拟通信，成为当代通信技术的主流。 数字通信设计主要有信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调、同 步以及加密与解密等许多技术问题。 3.2 数字通信系统的组成数字通信系统的组成 最简单的数字通信系统模型由信源、信道和信宿三个基本部分组成，但实际的 数字通信系统模型要比这复杂得多。一般的数字通信系统模型如图 3.1 所示。 图图 3.1 数字通信系统模型数字通信系统模型 1信源的作用是把各种消息转换成原始的电信号，模拟信源输

32、出的是连续的 模拟信号，数字信源输出的是离散的数字信号，模拟信源送出的信号经数字化处理 后可变为数字信号。 2信源编码有提高信息传输的有效性和完成模/数（a/d）转换两个基本功能。 提高信息传输有效性即通过某种数据压缩技术减少码元数目和降低码元速度，完成 模/数转换即信源编码器将信源给出的模拟信号转换成数字信号。信源译码是信源 编码的逆过程。 3在特殊的情况下，需要保证信息的秘密性和安全性，因此就需要对传输的 信 息 源 信 源 编 码 加 密 信 道 编 码 数 字 调 制 信 道 数 字 调 制 信 道 译 码 解 密 信 源 译 码 受 信 者 噪声源 数字序列进行加密处理，并且在接收端

33、用与且只能用与发送端相同的密码复制品对 收到的数字序列进行解密，这样就能恢复原来的信息且保证了信息的安全。 4信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。信道编码器通过对传输的 信息码元按一定的规则加入保护成分，组成“抗干扰编码” ，来减小数字信号在信 道传输时因受到噪声等影响而引起的差错。按照相应的逆规则，信道译码器在接收 端对信号进行解码，发现和纠正错误。 5数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，将易受信道影响的基 带信号转变成适合在信道中传输的带通信号。基本的数字调制方式有振幅键控 （ask） 、频移键控（fsk） 、绝对相移键控（psk） 、相对相移键控（dpsk） 。这 些调制

34、方式各有优缺点，需要根据实际需求选择合适的种类。在接收端用相干解调 或非相干解调还原数字基带信号。 6信道即传输介质，是发送设备到接受设备之间信号传输所经过的媒介。在 无线信道中，信道可以是自由空间；在有线信道中可以是明线、电缆和光纤。信道 既给信号以通路，也会对信号产生干扰。信道的固有特性和干扰特性直接关系到通 信的质量。 7信宿即受信者，它的功能与信源相反，需要把原始电信号还原成与之相应 的消息。 3.3 通信系统的分类与通信方式通信系统的分类与通信方式 现在的通信系统成熟且功能强大，种类多样。 1根据通信业务的类型，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

35、等。由于电话通信网最为普及，因此其他一些通信业 务也常通过公用电话通信网传输。 2根据信号是否经过调制，通信系统可以分为基带传输系统和带通传输系统。 基带传输系统是将没有经过调制的信号直接传送，带通传输是先对信号加以调制然 后再进行传输。 3根据信道中传输的是模拟信号还是数字信号，通信系统可以相应的分为模 拟通信系统和数字通信系统。模拟信号和数字信号都是电信号，只是模拟信号的参 量取值连续，而数字信号的参量尽可能取有限个值。 4根据传输介质，通信系统可以分为有线通信系统和无线通信系统两大类。 有线通信是用导线作为介质来进行通信，无线通信是依靠电磁波在空间中传递消息。 5按通信设备额工作频率或波

36、长不同，可以分为长波通信、中波通信、短波 通信、红外线通信等。 6按照信号的复用方式，传输多路信号可以分为频分复用、时分复用和码分 复用三种复用方式。 无线通信的传输方式分为单向传输（广播式）和双向传输（应答式） 。单向传 输只应用于无线电寻呼系统，双向传输分为单工、双工和半双工三种工作方式。单 工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信；双工通信是指通信双方可同时进 行消息的传输；半双工通信的移动台采用单工的“按讲”方式，即按下按讲开关， 发射机才工作，而接收机总是工作的。 第四章 信号的调制与解调 4.1 调制的意义和类别调制的意义和类别 由于信号比较敏感，易受信道中噪声等因素的影响，不能

37、直接在信道中传输， 因此就需要对要传输的模拟信号或数字信号进行调制，将其转换成适合在信道中传 输的高频信号。解调是调制的逆过程，作用是在接收端将已调信号中的调制信号恢 复出来。 调制对通信系统有重要的作用，采用合适的调制方式可以提高系统的有效性和 可靠性。 1通过调制，把基带信号的频谱搬移到较高的载波频率上，使已调信号的频 谱与信道的带通特性相匹配，这样就能提高传输性能，以较小的发射功率与较短的 天线来辐射电磁波。 2把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，从而实现信号的多路复用，提 高信道利用率。 3展宽信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，可以实现传输带宽与信噪 比之间的互换。 广义的调制分

38、为基带调制和带通调制（载波调制） 。载波调制就是用调制信号 去控制载波的参数的过程，使使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而 变化。调制信号是指来自信源的消息信号，未受调制的周期性振荡信号称为载波， 载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。 根据载波是连续波还是脉冲序列，调制方式有连续波调制和脉冲调制。调制信 号是模拟信号的连续波调制称为模拟调制；调制信号是数字信号的连续波调制称为 数字调制。 最常用的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。常见的幅 度调制包括调幅(am)、双边带调制(dsb)、单边带调制(ssb)和残留边带调制(vsb) 等。幅度已调信号的幅度

39、随基带信号的规律相应的呈现正比的变化，它的频谱完全 是基带信号频谱在频域内的简单的线性搬移，由于这种搬移是线性的，因此幅度调 制又称为线性调制。角度调制有频率调制(fm)和相位调制(pm)。角度已调信号的 频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，会产生新的频率成分，是非线性变换，因 此角度调制又称为非线性调制。这里的线性并不意味着已调信号与调制信号之间符 合线性变换关系，事实上，任何调制过程都是非线性的变换过程。 数字调制可以分为二进制调制和多进制调制。在二进制调制中，信号参量只有 两种可能的取值，而在多进制调制中，信号参量可以有多种取值。常见的二进制调 制方式有二进制振幅键控(2ask)、二进制

40、频移键控(2fsk)和二进制相移键控(2psk)。 随着科技的进步，一些改进的、现代的、特殊的调制方式如正交振幅调制(qam)、 最小频移键控(msk)、高斯滤波最小频移键控(gmsk)、正交频分复用(ofdm)等也 在快速发展并日益显示出其优势。 4.2 模拟信号的调制与解调模拟信号的调制与解调 4.2.1 幅度调制幅度调制 设正弦型载波为 c(t)=acos(wct+) 式中：a 为载波幅度；wc为载波角频率； 为载波初始相位。 根据调制的定义，幅度调制信号可以表示为 s(t)=am(t)coswct 式中：m(t)为基 带调制信号。 由以上表示式可知，在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信

41、号的规律呈正比 变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号的频谱在频域内的简单搬移。 1调幅 标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅(am)。 m(t) sm(t) a0 coswct 图图 4.1 am 调制模型调制模型 如图所示，假设调制信号 m(t)的平均值为 0，将其叠加一个直流偏量 a0后与 载波相乘，即可形成调幅信号。 它的时域表示式为 sam(t)=a0+m(t)coswct = a0coswct+m(t)coswct 式中：a0为 外加直流分量；m(t)可以是确知信号或随机信号。 am 信号的频谱由载频分量、上边带和下边带三部分组成，上边带的频谱结构 与原调制信号的频谱结构相同，

42、下边带是上边带的镜像，它的带宽是基带信号带宽 fh的 2 倍，b=2fh。当满足条件m(t)a0时，am 波的包络与调制信号 m(t)的形 状一样，这时，用包络检波的方法就很容易恢复出原始信号；如果上述条件没有满 足，就会出现“过调幅”现象，此时如果继续采用包络检波就会发生失真，因此需 要用到同步检波。 2双边带调制 双边带信号(dsb)是将 am 调制模型图 4-1 中的直流 a0去掉，得到的一种高调 制效率的调制方式。 它的时域表示为 sdsb(t)=m(t)coswct 式中，假设 m(t)的平均值为 0。 与 am 信号相比，dsb 信号不存在载波分量，调制效率是 100%，全部功率都

43、 用于信息传输。由于 dsb 信号的包络与调制信号的变化规律不一致，所以不能采 用包络检波来恢复调制信号。因此，dsb 信号需要采用相干解调来进行解调。 3单边带调制 单边带调制(ssb)是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的，因为 dsb 信号 的两个边带中的任意一个都包含了 m(w)的所有频谱成分，所以仅传输其中一个即 可。因此，ssb 不仅比 dsb 节省发送功率，而且还节省一半的传输频带。 ssb 信号的时域表示为 sssb(t)=m(t)coswctm(t)sinwct 式中，m(t)为 m(t) 2 1 2 1 的希尔伯特变换。 根据滤波方法的不同，产生 ssb 信号的方法有滤波法

44、和相移法。 （1）滤波法 滤波法是产生 ssb 信号最直观的方法，需要先产生一个双边带信号，然后让 其通过一个边带滤波器，将不要的边带滤除，就可以得到单边带信号。它的原理图 如下图所示。 m(t) sdsb(t) sssb(t) 载波 c(t) 图图 4.2 滤波法滤波法 ssb 信号调制器信号调制器 h(w) 实现滤波器的难易程度与过渡带相对载频的归一化值有关，该值越小，边带滤 波器就越难实现。在不太高的载频时，滤波器不难实现，但当载频较高时，采用一 级调制直接滤波的方法就不可能实现单边带调制了，这时就需要采用多级 dsb 调 制及边带滤波的方法。当调制信号中含有直流及低频分量时就不能 （2

45、）相移法 相移法是利用相移网络，对载波和调制信号进行适当的相移，以便在合成过程 中将其中的一个边带抵消而获得 ssb 信号，它的原理图如下图所示。 m(t)coswct 2 1 m（t） 2 1 coswct sssb(t) m(t) 2 1 m(t)sinwct 2 1 图图 4.3 相移法相移法 ssb 信号调制器信号调制器 ssb 信号的实现比 am、dsb 都复杂，但 ssb 调制方式在传输信息时不仅可 以节省发射功率，而且它占用的带宽比 am、dsb 减少了一半，因此它已成为目前 短波通信中的一种重要的调制方式。 4残留边带调制 残留边带调制(vsb)调制是介于 ssb 与 dsb

46、之间的一种折中方式，它不像 ssb 中那样完全抑制 dsb 信号的一个带宽，而是逐渐切割，使其残留一小部分。 这样，它既克服了 dsb 信号占用频带宽的缺点，又解决了 ssb 信号实现中的困难。 vsb 信号不能采用包络检波，而需采用如下图所示的相干解调。 svsb(t) sp(t) sd(t) c(t)=2coswct hh(w) /2 lpf 图图 4.4 vsb 信号的相干解调信号的相干解调 4.2.2 角度调制角度调制 角度调制信号的一般表达式为 sm(t)=acoswct+(t) 式中：a 为载波的恒定振 幅；wct+(t)为信号的瞬时相位，记为；(t)为相对于载波相位 wct 的瞬

47、时相位偏 移；dwct+(t)/dt 是信号的瞬时角频率，可记为 w(t)；而 d(t)/dt 相对于载频 wc 的瞬时频偏。 1频率调制(fm) 频率调制指的是瞬时频率偏移随着调制信号 m(t)作成比例的变化，即 d(t) /dt=kfm(t) 式中：kf为调频灵敏度。 2相位调制(pm) 相位调制是指瞬时相位偏移随调制信号 m(t)作线性变化，即(t)=kpm(t)式中： kp为调相灵敏度，是指单位调制信号幅度引起 pm 信号的相位偏移量。 3fm 与 pm 的关系 将调制信号先微分再进行调频，则得到调相波，这种方式叫间接调相；如果将 调制信号先积分再进行调相，则得到调频波，这种方式叫间接

48、调频。 m(t) sfm(t) （a）间接调频 m(t) spm(t) （b）间接调相 图图 4.5 fm 与与 pm 之间的关系图之间的关系图 4.3 数字信号的调制与解调数字信号的调制与解调 4.3.1 数字频率调制数字频率调制 1频移键控(fsk)调制 积分器 pm 调制器 微分器 fm 调制器 设输入到调制器的比特流为an，an=1，n=-+。fsk 的输出信号形式为 s(t)=cos（w1t+ 1） an=+1 cos(w2t+ 2) an=-1 公式 4-(1) 当输入为信号“+1” ，输出为频率是 f1的正弦波；当输入为空号“-1”时，输 出为频率是 f2的正弦波。 fsk 可采

49、用包络检波法、相干解调法和非相干解调法等方法进行解调。其中， 包络检波法是指接收端采用两个带通滤波器，中心频率分别为 f1和 f2，它们的输出 经过包络检波。若 f1支路的包络比 f2支路的强，则判为“+1” ，否则判为“-1” 。 2最小频移键控(msk)调制 msk 是一种特殊形式的 fsk，其频差是满足两个频率相互正交的最小频差， 而且要求 fsk 信号的相位连续。msk 的信号表达式为 s(t)=coswct+(/2tb)akt+xk 式中，xk是相位常量，其作用是保证 t=ktb时相位 连续。 msk 信号可以采用鉴频器解调，也可以用相干解调。msk 信号各支路偶的实 际码元宽度为

50、2tb，其对应的低通滤波器带宽减少为原带宽的 1/2，输出信噪比比 fsk 提高了一倍。 3高斯滤波最小频移键控(gmsk)调制 gmsk 信号是通过在 fm 调制器前加入高斯低通滤波器而产生的，如下图所示 输入数据 不归零（nrz） 调制指数为 0.5 图图 4.6 gmsk 信号的产生原理信号的产生原理 gmsk 信号的解调可以用与 msk 一样的正交相干解调电路。顺便指出，在相 干解调中最为重要也较为困难的是相干载波的提取，因而通常采用差分相干解调和 鉴频器解调等非相干解调。 4.3.2 数字相位调制数字相位调制 1移相键控(psk)调制 设输入比特率为an,an=1，n=-+。psk

51、的输出信号形式为： 高斯低通滤波器fm 调制器 s(t)= acos（wct） an=+1 -acos（wct） an=-1 ntbt（n+1）tb 公式 4-(2) 即当输入为+1 时，对应的信号附加相位为 0；当输入为-1 时，对应的信号附 加相位为。 psk 可采用相干解调和差分相干解调，原理如下图所示。 输入 输出 coswct 抽样判决器 带通 滤波 器 低通滤波器 相干解调 输入 输出 差分相干解调 图图 4.7 psk 的解调框图的解调框图 2四相移相键控(qpsk)调制和交错四相移相键控(oqpsk)调制 在 qpsk 的码元速率(ts)与 psk 信号比特速率相等的情况下，q

52、psk 信号是两 个 psk 信号之和，它具有和 psk 信号相同的频频特性和误比特率性能。oqpsk 调制与 qpsk 调制类似，不过 oqpsk 在正交支路引入一个比特的时延，使得两个 支路的数据不会同时发生变化，而不能像 qpsk 那样产生 的相位跳变，只能产 生/2 的相位跳变，如下图所示。 + coswct - 带通 滤波 器 带通滤波 器 抽样判决 器 延时器 tb 串/并转换 qpsk 信号的产生原理 sinwct + coswct _ oqpsk 信号的产生原理 sinwct 图图 4.8 qpsk 和和 oqpsk 信号的产生原理信号的产生原理 qpsk 和 oqpsk 调制

53、与 psk 调制相同，均可采用相干解调。 3差分四相键控(dqpsk)调制 /4-dqpsk 是对 qpsk 信号的特性进行改进的一种调制方式。一方面，它将 qpsk 的最大相位跳变由 降为3/4，从而改善了 /4-dqpsk 的频谱特性；另一 方面，qpsk 只能采用相干解调，而 /4-dqpsk 既可以用相干解调也可以用非相 干解调。其原理如下图所示。 coswct uk + si /4-dqpsk ssq vk - sinwct 串/ 并转 换 差分 相位 解码 lpf lpf 放大 大 输 入 数 据 图图 4.9 /4-dqpsk 调制器原理框图调制器原理框图 4.3.3 正交振幅调

54、制正交振幅调制 正交振幅调制(qam)是二进制的 psk、四进制的 qpsk 调制的进一步推广，通 过相位和振幅的联合键控，可以得到更高频谱效率的调制方式，从而可以使数据可 以在限定的频带内以更高速率的数据传输。 正交振幅调制的一般表达式为 y(t)=amcoswct+bmsinwct 0tts 式中：ts为码元宽度；m=1,2,m,m 为 am和 bm的电平数。 qam 信号一般多采用相干解调，常用的 qam 信号的结构设计准则是在信号 串/并转换 tb 功率相同的条件下，选择信号空间中信号点之间距离最大的信号结构。 第五章 系统设计与仿真 数字通信系统的调制方式有很多，但在实际应用中，数字

55、基带信号多为二进制。 因此，本文只对最基本的二进制振幅键控 2ask、二进制频率键控 2fsk 和二进制 相移键控 2psk 三种数字调制方式进行调制解调的仿真。 5.1 2ask 信号的调制与解调信号的调制与解调 5.1.1 2ask 信号调制仿真信号调制仿真 （1）建立系统模型。从 simulink 工具箱选择器件用来组建系统模型：从 sources 中选取 pulse generator 作为方波信号源，再从 sources 中选取 sine wave 作 为载波信号，然后从 math 中选取 product 作为乘法器，再从 sinks 中选取 to file 模 块， 最后从 sin

56、ks 中选取 scope 作为示波器。simulink 的组建模型如图 5.1 所示。 图图 5.1 2ask 信号调制仿真模型信号调制仿真模型 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 得到二进制键控信号。 （2）参数设置。建立好模型之后就要设置系统参数，来对系统进行仿真。系 统的仿真参数设置如图 5.2 所示。 图图 5.2 正弦信号参数设置正弦信号参数设置 图图 5.3 方波信号源的参数设置方波信号源的参数设置 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。 方波的幅度设置为 2、周期为 3、脉冲持续设置

57、 2、采样时间为 1。 （3）系统仿真及各点波形图。设置完系统的参数后，就可以进行系统的仿真。 下面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。 图图 5.4 仿真各点波形图仿真各点波形图 5.1.2 2ask 信号解调仿真信号解调仿真 （1）建立 simulink 模型。从 simulink 模块选择器件组建系统模型：从 sources 中选取 pulse generator 作为方波信号源，再从 dsp 工具箱的 dsp sources 中选取 sine wave 作为载波信号，然后从 mat

58、h operations 中选取 product 作为乘法 器，最后从 sinks 中选取 scope 作为示波器。simulink 的组建模型如图 5.5 所示。 图图 5.5 2ask 解调模型解调模型 （1）参数设置。为了使载波和信息源的频率有明显的差别，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，此处直接使用 原载波信号作为同步载波信号。主要部件的参数设置如图 5.6 所示。 图图 5.6 低通滤波器的参数设置低通滤波器的参数设置 （2）系统仿真及各点波形。仿真波形如图 5.7 所示，其中，第一个波形是原 始信号，第二个是载波信号，第三调制后的 2

59、ask 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。 （3）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。 图图 5.7 解调波形图解调波形图 5.2 2fsk 信号的调制与解调信号的调制与解调 5.2.1 2fsk 信号调制仿真信号调制仿真 （1）建立系统模型。2fsk 信号产生的 simulink 仿真模型图如图 5.8 所示。 图图 5.8 2fsk 信号信号 simulink 调制模型调制模型 （2）参

60、数设置。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。 信号源 s(t)序列本应该是用随机的 0、1 信号产生的，在此为了方便仿真选择了 基于采样的 pulse generator 信号模块，其参数设置如图 5.9。 图图 5.9 信号源模块参数信号源模块参数 图图 5.10 载波载波 sin wave 参数设置参数设置 如图 5.10 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。 图图 5.11 载波载波 si