计算机数字通信课程设计MATLAB应用于数字通信系统调制解调技术的仿真设计研究

1、学 号： 104972093055课程名称计算机数字通信论文题目数字通信技术的应用与发展学 院自动化学院专 业控制科学与工程班 级自研1105姓 名指导教师2012年01月15日matlab应用于数字通信系统调制解调技术的仿真设计研究摘 要 如今社会已经步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输及通信起着支撑作用。而对于信息的传输，数字通信已经成为重要的手段。因此信号的调制方式也由模拟方式持续、广泛地向数字方式转换。本论文根据当今现代通信技术的发展，对信号的数字调制方式的一种 mfsk的调制解调原理进行了研究和实验。并用城市地形对设计结果进行了论证。关键词：城市地形 ；通信系统；fsk ；mf

2、sk；仿真abstract：now it is an information society. in the all of information technologies, transmission and communication of information take an important effect. for the transmission of information, digital communication has been an important means . so the way of signal modulation is converted from a

3、nalog to digital continually and widely. this thesis studies the theory of modulation and demodulation of mfsk scheme which is a kind of digital method depending on the development of todays communication technologies. and the result of design has been validated with urban topographic.key words：urba

4、n topographic; communication system; fsk; mfsk; simulation1 绪论 当今， 通信技术的发展 日新月异， 通信系统也 日趋复杂，因此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。matlab语言的 simulink动态系统仿真软件包，是一个常用的电子设计 自动化( e d a ) 软件， 它支持连续、 离散两种混合的线性和非线性系统 ， 也支持具有多种采样速率的 多速率系统。尤其是它所包含的各种通信仿真模块已作为各 种通信系统分析、 设计 、 仿真和实验的综合平台。在频带受限的信道中，总是希望既能提高频带利用率，又能在

5、不增加信道 传输带宽的前提下降低差错率。多进制频移控（mfsk，multiple frequency shift keying），是一种在各种频率离散音频脉冲爆发传送数字信息的信号调制方法。它原来是欧洲和英国政府机构在20世纪中叶使用。在那时它叫做piccolo,一种乐器的名字，这种乐器的声音音调很高，就像一个mfsk信号经过收音机的喇叭时发出的声音。 mfsk类似频移监控（fsk），但是使用的频率要至少多两个。最常见的mfsk形式使用16个频率，叫做mfsk16。这些音调一次传送一个。每个音调持续时间不到一秒。mfsk中波特（每秒传输的数目）与比特/秒（bps）的比率要比二进制中小。这减少了

6、噪音和对数据传输速率的干扰的错误的产生。为了提供更大的精确性，前向纠错技术（fec）被使用。 mfsk的缺点包括：给定数据速率的信号带宽比二进制大，接收设备的调整比较严格。为了使mfsk的减少错误的特性发挥作用，接收器必须能够杂长时间保持固定频率。 即使mfsk是一个几十年的老方法，一些工程师仍认为它是一种尖端的方法。先在，它的主要使用者是业余无线电试验者。带声卡的计算机能够产生、解码和显示信号。 使用mfsk16de业余无线电报务员说使用合适的发报机它能够提供可靠的半双工长距离通信，而且有时在其它方法失败时，它却能够成功。 随着通信系统的规模和复杂度不断增加,传统的设计方法已经不能适应发展的

7、需要,通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视。传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种，可以得到与真实环境十分接近的结果，但耗时长，方法比较繁杂，而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法，它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行模拟仿真。早期，多采用计算机高级程序语言(fortran、pascal、c等)进行仿真，用这些高级程序语言编写系统仿真程序，虽然比上述两种方法更加便捷，但在程序编写中仍需花费大量时间精力考虑事件的发生、处理以及结果的可视化等因素。即使是一个简单系统，程序都十分冗长，难于调试1。随着计算机仿真技术的发展，构筑通信系统仿真平

8、台，可以在计算机上显示不同系统的工作原理，进行波形观察、频谱分析和性能分析等，为通信系统设计和研究提供强有力的指导。多进制频移键控mfsk调制原理：在mfsk方式中，mfsk信号常用频率选择法产生。调制器框图如图1-7所示，先将数据比特流经过一个串/并转换器变成多路并行数据，将这多路并行数据分别用不同的频率通过线性门进行选择，再将各线性门输出的数据进行叠加，输出的即为mfsk信号。图1-1 mfsk调制器框图解调原理：mfsk的解调方法常用非相干解调，如图1-2所示，将接受到的mfsk信号通过滤波器进行滤波，然后将滤波后的信号分别送到个带通滤波器进行滤波，再将输出信号进行包络检波，最后将这个信

9、号进行抽样和判决，最后经过一个逻辑电路，将多进制信号转化为二进制信号即可。图1-2 mfsk信号非相干解调2 数字通信系统及调制解调2.1数字通信系统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。实际的数字通信系统模型要比简单的数字通信系统模型复杂得多。一般的数字通信系统模型如图1-1所示。图2-1 数字通信系统模型2.2信道编码2.2.1信道编码的基本思想和基本方式信道编码的基本思想是：在发端被传输的信息序列上附加一些多余的检验码元，这些监督码元与信息码元间以某种特定的规则相互关联。接收端按照既定的规则检验信息码元与监督码元间的关系，一但传输出错，则两者间的关系将会受到破坏，从

10、而可以发现错误，乃至纠正错误。信道编码的基本方式是：前向纠错（fec）、检错重传（arq）、混合差错控制（hec）和信息反馈（irq）。2.2.2常用的信道编码（1）线性分组码在分组码中，编码后的码元序列每n位为一组，其中k是信息码元，r（r=n-k）个是附加的监督码元。如果信息元与监督码元之间呈线性关系，则为线性分组码。奇偶校验码和汉明码是典型的线性分组码。循环码是线性分组码，既可纠错又可检错。特点是任一码组的每一次循环移位得到的是码中的另一码组。bch码是一类纠正多个随机错误的循环码。（2）卷积码卷积码是另一类信道编码，它也是把k位信息编成n（n大于等于k）位，但k和n都很小，适于串行传输

11、。特点是编码后的n个码元不仅与当前段的k位信息有关，而且与前n-1段的信息有关，编码过程中相互关联的码元有nn个。纠错能力随n的增加而增加，而差错率随n的增加而指数下降。编码过程可以看成是输入信息序列与由移位寄存器和模2加连接所决定的的另一序列的卷积，因此称为卷积没码。n称为约束长度，m=n-1称为编码存储。2.3调制解调技术调制解调是数字通信系统的重要组成部分。调制解调的目的是使已调信号具有高的频谱利用率和的抗干扰和抗衰落的能力。下面就对数字调制解调技术进行介绍。2.3.1调制解调的概念所谓调制，就是用调制信号（基带）去控制或改变载波的一个或几个参数，使调制后的信号（已调信号）含有原来调制信

12、号的全部信息，但载波的某些参数按调制信号的规律变化。调制的目的是使传输的信号与信道相匹配，从而有效传输信号。解调是调制的逆过程，它是从已调信号中恢复出原来调制信号的过程。从广义上讲，调制与解调属于信道编/译码范畴，但调制与解调的目的是实现载波传输，而信道编/译码的主要目的是实现差错控制。2.3.2数字调制的基本类型数字信号调制的基本类型分振幅键控（ask）、频移键控（fsk）和相移键控（psk）。此外，还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型调制技术。表2-1给出调制方式以及主要用途。表2-1 调制方式及用途 调制方式主要用途振幅键控ask数据传输频率键控fsk数据传输相位键控psk、dp

13、sk、qpsk等数据传输、数字微波、空间通信高效数字调制qam、msk等（提高频带利用率）数字微波、空间通信2.3.3在实际应用中，有两类用得最多的数字调制方式（1）线性调制技术这里包括psk、qpsk、dqpsk、ok-qpsk和多电平的psk等。所谓的“线性”，是指这类调制技术要求设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线性。这种要求在制造移动设备中增加了难度和成本，但这种方式可获得较高的频谱利用率。（2）恒定包络调制技术主要包括msk、gmsk和tfm等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。另一种获得迅速

14、发展的数字调制技术是振幅和相位联合调制（qam）。2.3.4几种常见的数字调制方式（1）二进制频移键控（2fsk）调制原理：在二进制移频键控中，调制信号1或0，分别对应载波的两个频率f1 或 f2 。因此，其调制实现方法就是用输入的二进制信号去控制两个独立的载波发生器，如图2-2所示。图2-2 2fsk调制解调也有相干和非相干两种。更简单的方法是过零检测器法：根据移频键控的过零率的大小来检测已调信号的频率变化，其组成及各点波形如图2-3所示。图2-3 2fsk信号过零检测法解调波形示意图其中a是已调信号，b是限幅后已调信号，c是经过微分的信号，d是整流后的已调信号，e是经过宽脉冲发生后的已调信

15、号，f是经过低通的输出信号。（2）最小移频键控（msk）调制原理：msk是fsk的一种特殊情况，其特殊之处在于msk在相邻符号交界处相位保持连续，是一种连续相位fsk。若fsk看作非正交2fsk，则msk调制方法如图2-4。图2-4 msk非正交调制式解调原理：msk可用2fsk方法进行相干解调，并每隔tb时刻作出判决；也可用鉴频器的方法进行非相干解调。（3）二进制移相键控（bpsk）调制原理：载波的相位（通常为00或1800）随调制信号“1”或“0”而改变，这种调制称为二进制移频键控。bpsk信号是双极性非归零码的双边带调制。bpsk调制有直接相乘方法和相位选择法两种，见图2-5。图2-5

16、bpsk调制方法解调原理：对于bpsk信号的解调必须采用相干解调的方法。由于bpsk解调器中的本地载波的相位有00、1800的模糊，通常采用在调制输入的数字基带信号中进行差分编码的方法来解决。这种方法称为二进制差分移相键控（2dpsk）。解调时利用延迟电路将其前一码元延迟一个码元时间ts作为参考相位，并与后一码元相乘，再进行低通滤波，最后经取样判决后恢复出原二进制码。差分相干解调法见图2-6。图2-6 bpsk差分相干解调法（4）多进制频移键控mfsk调制原理：在mfsk方式中，mfsk信号常用频率选择法产生。调制器框图如图2-7所示，先将数据比特流经过一个串/并转换器变成多路并行数据，将这多

17、路并行数据分别用不同的频率通过线性门进行选择，再将各线性门输出的数据进行叠加，输出的即为mfsk信号。图2-7 mfsk调制器框图解调原理：mfsk的解调方法常用非相干解调，如图2-8所示，将接受到的mfsk信号通过滤波器进行滤波，然后将滤波后的信号分别送到个带通滤波器进行滤波，再将输出信号进行包络检波，最后将这个信号进行抽样和判决，最后经过一个逻辑电路，将多进制信号转化为二进制信号即可。图2-8 mfsk信号非相干解调（5）高斯滤波的最小移频键控gmsk调制原理：gmsk信号是通过在fm调制器前加入高斯低通滤波器（称为预调制滤波器）而产生的。原理图如图2-9所示。图2-9 gmsk信号产生原

18、理图解调原理：gmsk信号的解调可以采用msk一样的正交相干解调电路。在相干解调中最为重要的是相干载波的提取，在移动通信的环境中是比较困难的，因而通常采用差分解调和鉴频器解调等非相干解调。3 本论3.1提出城市地形mfsk技术探析msk调制方式概述msk是数字调制技术的一种。数字调制是数字信号转换为与信道特性相匹配的波形的过程。调制过程就是输入数据控制(键控)载波的幅度、频率和相位。msk属于恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充分的节省频谱和高效率地利用可用频带这个中心而展开的。随着通信容量的迅速增加，致使射频频谱非常拥挤，这就要求必须控制射频输出信号的频谱。但是由于现代

19、通信系统中非线性器件的存在，引入了频谱扩展，抵消了发送端中频或基带滤波器对减小带外衰减所做的贡献o。这是因为器件的非线性具有幅相转换(am/pm)效应，会使己经滤除的带外份量几乎又都被恢复出来了。为了适应这类信道的特点，必须设法寻找一些新的调制方式，要求它所产生的己调信号，经过发端带限后，虽然仍旧通过非线性器件，但是，非线性器件输出信号只产生很小的频谱扩展。为了适应这类信道的特性，已调信号须有以下两个特点:1.包络恒定或包络起伏很小 由于信道中具有非线性的输入输出特性，所以已调波包络不能起伏，即不能用包络来携带信息，需要采用频移键控(fsk)或相移键控(psk)来传递信息。2.具有最小功率谱占

20、用率已调波要具有快速高频滚降的频谱特性，要求旁瓣必须很小，这种信号经过带限滤波之后，只要让主瓣无失真通过，由于旁瓣功率很小，所以滤波器的输出信号(即非线性器件的输入信号)的包络起伏就会很小，大大减小了am/pm效应，继而频谱扩展的现象也会随之而减小。由于已调波具有快速高频滚降的频谱特性，使信号能量大部分集中在一定的带宽内，因此提高了频带的利用率。根据这些要求，人们在实践中创造了各式各样的调制方式，我们称之为现代恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性。msk(最小频移键控)是移频键控fsk的一种改进形式。在

21、二进制fsk方式中载波频率随着调制信号“1”或“0”而变，其相位通常是不连续的。所谓msk方式，就是fsk信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为0. 5的一种cpfsk信号。 msk是一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，因为它有以下两种主要的特点:1.信号能量的99. 5%被限制在数据传输速率的1. 5倍的带宽内。谱密度随频率(远离信号带宽中心)倒数的四次幂而下降，而通常的离散相位fsk信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。因此，msk信号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。2.信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。从相

22、位路径的角度来看，msk属于线性连续相位路径数字调制，是连续相位频移键控(cpfsk)的一种特殊情况，有时也叫做最小频移键控(msk )。msk的“最小(minimum )”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数(h=0.5 )获得正交的调制信号。3.2msk原理msk波形有多种表示形式。下面是其中一种： f为载波频率，a为振幅，信号的功率e与成正比，相位a(t)携带了所有的信息，其中a(t)=a(0)+20.5, a(0)为初始相位，我们认为它是已知的。0.5为调制指数，它决定了一个符号带来的相位变化, , q(t)为相位平滑函数，它很大程度上决定了信号的形状继而影响到性能。q(t)为一个

23、分段函数:当时，q(t) = 0，当时，q(t)=0.5。其中l可以被看作调制方法的记忆长度，它决定了每一个符号究竟影响到该符号以后的多少个符号间隔。实际上msk属于连续相位调制(cpm)的一种，在cpm中l=1时被称作全响应调制，当l时被称作部分响应调制。msk属于全响应调制，即l=1。从msk的表达式可以得知，msk的相位是由两部分组成的，一部分是载波随时间连续增加的相位2ft，另外一部分是携带信息的附加相位，它与原始数据息息相关，可以被称为基带相位.一般移频键控(2fsk)两个信号波形具有以下的相关系数: (2.2-3)其中 (2.2-4)因为msk是一种正交调制，其信号波形的相关系数等

24、于零，所以上式等号右侧的第一项和第二项均应为零。第一项等于零的条件是2=k，,令k等于其最小值1，则得到 (2.2-5)即传号频率和空号频率在一个符号周期内的相位累计严格的相差180。式(2.2-3)中等号右侧第二项等于零的条件是4. 综上所述得到的频率约束关系: (2.2-6)在一个符号周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍。载波频率和传号频率相差四分之一符号速率，与空号频率也相差四分之一的符号速率: (2.2-7) 从(2.2-2 )式可以看出，在一个码元周期内，其基带相位总是线性累积，因此码元终止位与起始相位之差也是。如果一个码元是”1”那么在该码元周期内，基带相位均匀增加，在码元末尾处

25、基带相位比码元开始处基带相位要大。相反如果一个码元是“0”，那么在该码元周期内，基带相位均匀减小，即在码元末尾处基带相位比码元开始处基带相位要小，这是msk的一个重要特征，也是差分解调的依据。所谓“连续”是指当前所要讨论的码元。范围内，其起始相位等于与相邻的前一个码元的终一止相位(对应于t=时的相位)。对于任何一个码元来说，它在一个码元间隔内，相对于载波相位差虽然只变化，但在这个码元内，相对于载波相位的实际数值却是千变万化的，这与它前面己经发送过的码流有关。相对于载波相位来说，由式(2.2-2 )可知基带相位值与时间t之间存在着一定的关系。a(t)又称为附加相位函数，它是msk信号的总相位减去

26、随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。a(t)的尾的基带相位。此外，随着k值的不同，是取值士1的随机数，所以也是分段线表达式( 2.2-2 )是一直线方程式，直线的斜率是，截距是上个码元末的相位函数(以码元宽度为段)。在任一码元期间，此函数的变化量总是。当=1，增大;当=-1时，减少。msk可能的基带相位路径特点：1.当时间t为的奇数倍时，即t=(2k+1)时，式中的k为任意的整数，则a(t)总是的奇数倍。而当时间t为的偶数倍时，即t=2k，则a(t)总是pi/2的偶数倍。对余弦函数而言，它总是以2为模的，所以当t=(2k+1) 时，a(t)取值只有（以2为模)。当t=2k时，a(t)取值

27、只有0或2(以2为模)。2.在任何一个码元内，其截距不是为0就是整数倍。同样，由于余弦函数总以2为模，所以截距的取值只有0或2 (以2为模)。3.3msk调制的特点由以上讨论可知，msk信号具有如下特点:1.恒定包络，允许用非线性幅度饱和器件放大。2.连续相位，使得功率谱密度按速率降低。功率谱在主瓣以后衰减得较快。msk信号的功率谱密度表示式为： (2.2-8)其中为载波信号的振幅。3.瞬时频率总是两个值之一，瞬时频移为，为比特速率。频率关系为:，n为大于4的整数。相应的调制指数h=.以载波相位为基准的信号相位，在一个码元内准确地线性变化，在一个码元期间内，信号应包括四分之一个载波周期的整数倍

28、。4.码元转换时刻，信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突变。码元转换可在瞬时幅度为零时发生，从而使调制器开关过程的波形失真最小。5.频谱带宽窄，从而可允许带通滤波器带宽较窄。与qpsk相比，msk具有较宽的主瓣，其第一个零点出现在处，而qpsk的第一个零点出现在，由于信号能量在之外下降很快，所以典型带宽取，即一可。由于上述特点以及恒定包络特点，msk信号在幅度和频带受限时能量损失不大对性能的影响较小。3.4模型设计原理msk信号时调制指数h为1/2的连续相位调制（cpfsk）。msk信号第n个码元的时间函数smsk（t）= = -, 式中，二进制数码in的取值为+1或-1；是载波频率；

29、a是载波幅度；t是码元周期；是nt时刻的相位累积值。从式中可以看到，msk的调制可以通过两路正交的幅度调制载波信号相加来实现，其中两路正交载波分别是cos和sin，幅度都为a，调制在cos上的基带信号称为i路，调制在sin上的基带信号称为q路。建立模型msk调制仿真模型图msk解调仿真模型图mfsk（多进制频移控），是一种在各种频率离散音频脉冲爆发传送数字信息的信号调制方法。它原来是欧洲和英国政府机构在20世纪中叶使用。在那时它叫做piccolo,一种乐器的名字，这种乐器的声音音调很高，就像一个mfsk信号经过收音机的喇叭时发出的声音。mfsk类似频移监控（fsk），但是使用的频率要至少多两个

30、。最常见的mfsk形式使用16个频率，叫做mfsk16。这些音调一次传送一个。每个音调持续时间不到一秒。mfsk中波特（每秒传输的数目）与比特/秒（bps）的比率要比二进制中小。这减少了噪音和对数据传输速率的干扰的错误的产生。为了提供更大的精确性，前向纠错技术（fec）被使用。mfsk的缺点包括：给定数据速率的信号带宽比二进制大，接收设备的调整比较严格。为了使mfsk的减少错误的特性发挥作用，接收器必须能够杂长时间保持固定频率。即使mfsk是一个几十年的老方法，一些工程师仍认为它是一种尖端的方法。先在，它的主要使用者是业余无线电试验者。带声卡的计算机能够产生、解码和显示信号。 使用mfsk16

31、de业余无线电报务员说使用合适的发报机它能够提供可靠的半双工长距离通信，而且有时在其它方法失败时，它却能够成功。研究多音频mfsk信号在相关nakagami衰落环境下的性能，通过信道协方差矩阵的cholesky 分解将相关随机变量转换为独立随机变量的加权和，推导出输出信噪比的近似概率密度函数以及条件错误概率和平均字符错误概率联合边界表达式。通过matlab仿真，证实推导出的平均字符错误概率联合边界的有效性，其性能优于mfsk系统。4 具体设计4.1针对城市地形mfsk设计技术方案4.1.1mfsk简介mfsk系统是2fsk(二频键控)系统的推广,该系统有m个不同的载波频率可供选择，每一个载波频

32、率对应一个m进制码元信息，即用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号，在某一码元时间内只发送其中一个频率。mfsk信号可表示为：为载波角频率，通常采用相位不连续的振荡频率，这样便于利用合成器来提供稳定的信号频率。图1 为mfsk系统的原理框图。在发送端，输入的二进制码元经过逻辑电路和串/并变换电路转换为m进制码元，每k位二进制码分为一组，用来选择不同的发送频率。在接收端，当某一载波频率到来时，只有相应频率的带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器输出的都是噪声。抽样判决器的任务就是在某一时刻比较所有包络检波器的输出电压，通过选择最大值来进行判决。将最大值输出就得到一个m进制码元，然后，再经过逻

33、辑电路转换成k位二进制并行码，再经过并/串变换电路转换成串行二进制码，从而完成解调过程。图1 mfsk系统原理框图4.1.2mfsk调制电路的fpga实现基于fpga的mfsk调制电路方框图 调制电路方框图如图2所示。基带信号通过串/并转换得到2位并行信号；四选一开关根据两位并行信号选择相应的载波输出（例中m取4）。图2mfsk调制电路方框图5 结论matlab是通信方向主要的专业课程之一。在通信与电子工程领域，系统仿真技术一直是进行新型通信协议研发、通信体制的性能研究、通信系统设计等的重要手段。通过这次课程设计，我们在强大的matlab平台上对数字信号的传输系统进行了一次仿真，有效的完善了学习过程中实践不足的问题，同时进一步巩固了原先的基础知识。通过这次的课程设计，我们对信息和通信系统有了更进一步的认识，尤其是在系统设计方面，尽管是非常基础的msk系统的仿真，也是经过若干设备协同工作，才能保证信号有效传输，而小到仅仅是一个参数，都有可能导致整个系统无法正常运行。通过在城市地形环境下对系统进行模块化