无线通信系统数字调制的Simulink仿真ASK-PSK-FSK-QPSK-QAM_图文

1、编号:审定成绩:重庆邮电大学毕业设计(论文设计(论文题目:无线通信系统数字调制的Simulink仿真学院名称:通信与信息工程学院学生姓名:李海广专业:电子信息工程班级:0120902学号:2009210364指导教师:张天骐答辩组负责人:刘乔寿填表时间:2013年6月重庆邮电大学教务处制摘要在当今新技术革命的快速推动下,在信息高速公路建设和全球网络化发展浪潮的推动下,通信技术得到迅猛发展,载波通信、卫星通信和移动通信技术正在向数字化、智能化、宽带化发展。信息的数字转换处理技术走向成熟,为大规模、多领域的信息产品制造和信息服务创造了条件。随着通信技术的发展,通信系统方面的设计也会越来越复杂,利用

2、计算机软件的仿真,可以大大地降低通信过程中的实验成本。幸运地是,MathWorks公司推出的MATLAB产品给无线通信系统的计算机软件仿真提供了软件资源,MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory的简称,除具备卓越的数值计算能力外,它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。Simulink就是MATLAB软件下的一个仿真工具,是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包,它支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统,同时它也支持具有不同采样率的仿真系统。本文详细分析了2ASK、2FSK、2PSK、QPSK、OQPSK、MSK、1

3、6QAM以及64QAM信号的调制解调原理,并用Matlab软件的Simulink仿真工具对以上各信号的调制解调方法进行了仿真,得出了调制解调过程中各阶段的波形图,从而更加深入地理解了各种调制解调方法的原理。【关键词】无线通信系统数字调制数字解调Simulink仿真ABSTRACTDriven by the high-speed revolution of new technology, the information highway construction and global network development, communication technology has rapidly

4、 developed. Carrier communication, satellite communications and mobile communication technology are also developed in digital, intelligent, broadband way. The technology of information digital conversion became mature which can create a better circumstance for information products manufacturing an i

5、nformation service.As the development of the communication technology, communication system design also will be more and more complicated, the use of computer software of the simulation, can greatly reduce the cost in the process of communication. Fortunately, the product produced by the company of

6、MathWorks provides the software resource for the computer simulation of wireless communication system, MATLAB is the abbreviation of Matrix Laboratory, except for its excellent ability of numerical c alculatio n, it also provides the functions of professional symbolic computation, visual modeling an

7、d simulation, real-time control and so on. Simulink is a simulation tool of the software MATLAB, it is a software package to modeling, simulate and analysis the dynamical system, it supports continuous system, discrete system or the mix of the two, the system can be linear or nonlinear. At the same

8、time, it also supports the simulation system with different sampling frequency.This text analyses the modulation and demodulation of 2ASK signal, 2FSK signal, 2PSK signal, QPSK signal, OQPSK signal, MSK signal, 16QAM signal and 64QAM signal in detail, and use Simulink to simulate the modulation and

9、demodulation principle of various signal, then obtain the oscillograms of different stage in modulation and demodulation, thus we can understand the principle of different modulation and demodulation ways deeply.【Key words】wireless communication digital modulation digital demodulation Simulink simul

10、ation目录前言 (1第一章 MATLAB及Simulink简介 (2第一节MATLAB的发展历史 (2第二节Simulink简介 (2第三节本章小结 (3第二章 2ASK信号的仿真 (4第一节2ASK信号的调制与解调原理 (4一、2ASK信号的时域表达 (4二、2ASK信号的调制方法 (5三、2ASK信号的非相干解调 (5四、2ASK信号的相干解调 (6第二节 2ASK信号的Simulink仿真 (7一、仿真模型图 (7二、调制的仿真 (7三、解调的仿真 (9第三节本章小结 (12第三章 2FSK信号的仿真 (13第一节 2FSK信号的调制与解调原理 (13一、2FSK信号的时域表达 (1

11、3二、2FSK信号的调制方法 (13三、2FSK信号的非相干解调 (14四、2FSK信号的相干解调 (15第二节 2FSK信号的Simulink仿真 (15一、仿真模型图 (15二、调制的仿真 (16三、解调的仿真 (21第三节本章小结 (24第四章 2PSK信号的仿真 (25第一节 2PSK信号的调制与解调原理 (25一、2PSK信号的时域表达 (25二、2PSK信号的调制方法 (26三、2PSK信号的解调方法 (26第二节 2PSK信号的Simulink仿真 (27一、仿真模型图 (27二、调制的仿真 (28三、解调的仿真 (31第三节本章小结 (33第五章 QPSK信号的仿真 (34第一

12、节 QPSK信号的调制与解调原理 (34一、多进制数字调制系统简介 (34二、QPSK信号的调制方法 (34三、QPSK信号的解调原理 (36第二节 QPSK信号的Simulink仿真 (36一、仿真模型图 (36二、调制的仿真 (37三、解调的仿真 (40第三节本章小结 (45第六章 OQPSK信号的仿真 (46第一节 OQPSK信号的调制与解调原理 (46一、OQPSK信号的分析 (46二、OQPSK信号的调制方法 (47三、OQPSK信号的解调原理 (47第二节 OQPSK信号的Simulink仿真 (47一、仿真模型图 (47二、调制的仿真 (48三、解调的仿真 (50第三节本章小结

13、(54第七章 MSK信号的仿真 (55第一节 MSK信号的调制与解调原理 (55一、MSK信号简介 (55二、MSK信号的相位连续性 (56三、MSK信号的调制方法 (58四、MSK信号的解调原理 (59第二节 MSK信号的Simulink仿真 (59一、仿真模型图 (60二、调制的仿真 (61三、解调的仿真 (64第三节本章小结 (67第八章 QAM信号的仿真 (68第一节 QAM信号的调制与解调原理 (68一、QAM信号的时域表达 (68二、QAM信号的矢量图 (68三、QAM信号的调制方法 (69四、QAM信号的解调原理 (70第二节 16QAM信号的Simulink仿真 (70一、仿真

14、模型图 (70二、调制的仿真 (72三、解调的仿真 (76第三节 64QAM信号的Simulink仿真 (83一、仿真模型图 (83二、调制的仿真 (85三、解调的仿真 (88第四节本章小结 (95结论 (96致谢 (97参考文献 (98附录 (99一、英文原文 (99二、英文翻译 (104三、源程序 (109前言在过去的几十年里无线通信已经成为电信行业中最大的产业之一,并逐渐成为21世纪最有前途的产业。在过去的十年中,蜂窝系统经历了指数型的快速增长,全球用户数已经到达20亿,无线通信爆炸式的增长以及笔记本电脑、平板电脑和智能手机的大量普及,充分显示无线通信系统有着光明的前景。第一代无线通信系

15、统采用频分多址技术,这些系统中,话务是主要的通信方式,由于采用模拟调制,这些系统容易被第三方窃听,而且数据传输速率极低。由于第一代无线通信系统不能满足当今大城市的通信容量需求,从2G开始,采用数字调制的无线通信系统便应运而生,它可以极大地提高通信系统的容量和性能,本文阐述了8种最常见的数字调制技术的原理,它们分别是2ASK、2FSK、2PSK、QPSK、OQPSK、MSK、16QAM和64QAM,它们均使用了高频载波,这样的已调信号频带利用率高,信噪比高,易于加密和解密,因此,在当今的信息时代里获得了广泛地应用。由于采用实际的通信系统进行数字调制技术的研究和试验花费较高,耗时耗财,因此我们采用

16、无线通信系统的计算机仿真技术, MATLAB软件里自带的Simulink仿真工具便是一个很好的无线通信系统仿真软件, Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI ,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它

17、提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。第一章 MATLAB及Simulink简介第一节 MATLAB的发展历史美国MathWorks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”,这就是MATLAB最早的雏形。开发的最早目的是帮助学校的老师和学生更方便的授课和学习。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地欢迎。由于它使用方便,能很快的实现科研人员的设想,极大地节约了科研人员的时间,受到了大多数科研人员的支持。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。由于它使用简单,扩充方便,

18、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,使其成了巨大的知识宝库。科研人员通常可以通过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。MATLAB和其他的高级语言也具有良好的接口,可以方便的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。第二节 Simulink简介Simulink是MATLAB中的一种可视化工具,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,Simul

19、ink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,它为用户提供了进行建模的图形接口,采用这种结构画流程图就如同用手在纸上画模型一样方便,所以用户只需要进行简单的点击和拖动就能完成建模,并进行系统的仿真,快速地得到仿真结果。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相比,具有更直观、方便、灵活的优点。Simulin

20、k模块库包含有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,而且每个子模块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。用Simulink创建的模型可以具有阶梯结构,因此用户可以采用从上到下和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Sim

21、ulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。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,可以在仿真运行时立即观看到仿真结果,若改变模块的参数继续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的工作空间里做后事处理。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。由于MATLAB和Simulink集成在一起,所有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

22、立工作。第三节本章小结MATLAB和Simulink在通信系统的仿真中具有极大的优势,因此,本论文使用Simulink对无线通信系统的数字调制与解调进行仿真,节约了大量的人力和财力,为在校大学生提供了研究无线通信系统的途径。第二章 2ASK 信号的仿真第一节 2ASK 信号的调制与解调原理一、2ASK 信号的时域表达二进制幅移键控(2ASK 是指高频载波的幅度受调制信号的控制,而频率和相位保持不变。也就是说,用二进制数字信号的“1”和“0”控制载波的通和断,所以又称通断键控。假定载波信号(cos c c t t =,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

23、率为1-P ,且相互独立。该二进制基带符号序列可表示为(n s ns t a g t nT =- (2-1其中,s T 是二进制基带信号序列(码元的时间间隔,(g t 是调制信号的脉冲表达式,为方便讨论,这里设其为宽度为s T 的单极性矩形脉冲波形且幅度为1,即=1,0(0,其它t T s g t (2-2n a 是二进制数字信号,其取值服从下述关系=0,概率P 1,概率1-P n a (2-3由2ASK 的定义可得其表达式为 =-2ASK S (cos (cos c n s c nt s t t a g t nT t (2-4可见,2ASK 信号可以表示为一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载

24、波相乘。一个典型的2ASK 信号的时间波形如图2.1所示(图中载波频率在数值上是码元速率的三倍。1011001S(t 载波信号2ASK信号ttt 图2.1 2ASK 信号的时间波形二、2ASK 信号的调制方法2ASK 信号的产生有两种方法,如图2.2所示,图(a 是通过二进制基带信号序列s(t与载波直接相乘而产生2ASK信号的模拟调制法;图(b 是一种键控法,这里的电子开关受调制信号s(t的控制。 (a模拟调制法(b 键控法图2.2 调制方法三、2ASK 信号的非相干解调2ASK 信号可以采用包络检波法解调,图2.3是2ASK 非相干解调的原理框图和处理过程中各点的波形图。 脉冲原理框图信息代

25、码 ab c d111101各点波形图 四、2ASK 信号的相干解调 脉冲原理框图信息代码 bc d e各点波形图a 图2.4 2ASK 相干解调原理图第二节2ASK信号的Simulink仿真一、仿真模型图2ASK信号的Simulink仿真模块图如图2.5所示。 图2.5 2ASK信号仿真模块图其中,仿真时的仿真步长设置为固定步长模式,且其值为0.001s。二、调制的仿真本文中2ASK信号的调制采用模拟调制法,信源为伯努利二进制序列产生器,将其与正弦载波发生器产生的正弦载波相乘,即得到2ASK已调信号。二者的参数设置分别如图2.6和图2.7所示。由参数设置可知,信源频率为4Hz,即1秒钟信源产

26、生4个比特,其中0和1产生的概率相等,均为50%。该二进制序列为随即序列,满足随机过程的基本特征,因此符合实际通信系统的条件,适合于通信系统的仿真。正弦载波的幅度为1,频率为20Hz,但实际通信系统的载波频率远远高于20Hz,在这里是为了便于观察仿真结果,不采用过高频率的载波。 已调信号通过高斯白噪声信道后,波形会发生畸变,还会产生码间串扰,这些都会降低通信系统的性能,增加误码率。在该仿真方法中,使用眼图示波器来观察通过高斯信道前后的波形眼图,观测到的眼图如图2.8和图2.9所示。 图2.8 通过高斯信道前的眼图 图2.9 通过高斯信道后的眼图三、解调的仿真本例中2ASK信号的解调采用相干解调

27、方式,通过高斯信道后的已调信号首先与载波相乘,为了保持解调器和调制器所用载波的同步,在这里解调器所需载波由调制时所用载波提供,这样可以减少模块的复杂度。但在实际的通信系统中,解调端载波是靠精确的时钟来保持同步的。与载波相乘后,将信号通过低通滤波器来滤波,滤除高频成分,从而得到可以进行抽样的信号成分。低通滤波器的参数设置如图2.10所示。 图2.10 低通滤波器参数设置通过低通滤波器后的波形是连续波形,这种波形的幅度携带着要传输的信息,通过抽样判决器就可以恢复出这些信息,在抽样判决器中设置一个合适的常数作为阀门,其参数设置如图2.11所示。 图2.11 判决器参数设置最后将判决器输出的信息输入到

28、示波器,使用图2.12所示模块计算误码率。 图2.12 误码率计算模块最终计算出的误码率如表2.1所示,为了使误码率的计算结果更符合实际的通信系统,在计算误码率时,增大了信源和载波的频率,信源频率设为50Hz ,载波频率设为500Hz ,仿真时间为10s ,仿真步长设为0.0001s ,所以共送入500个比特来计算误码率。表2.1 误码率随信噪比的变化表 由表2.1所示的数据经过描点绘图得出2ASK 信号误码率随信噪比的变化曲线如图2.13所示。 图2.13 2ASK 信号误码率随信噪比的变化曲线由表2.1和图2.13可看出,2ASK 信号的误码率随信噪比的增加而减小,当误码率减少到一定的程度

29、后,信噪比无论怎么增加,误码率都不再降低。这就启示我们在设计实际的通信系统时,只能尽量降低误码率,而很难消除误码率,甚至是不可能消除误码率。-20-15-10-50510152025信噪比(单位:dB 误码率误码率随信噪比的变化曲线调制解调过程中的波形图如图2.14所示。 图2.14 调制解调过程波形图第三节本章小结本章使用Simulink仿真工具对2ASK信号的调制与解调进行了仿真,得出了调制与解调过程中各阶段的时域波形图,并通过误码率计算模块计算出了该信号的误码率随信噪比的变化曲线,由变化曲线看出,误码率随信噪比的增加而减小,且有一定的极限值。第三章 2FSK 信号的仿真第一节 2FSK

30、信号的调制与解调原理一、2FSK 信号的时域表达二进制频移键控是指载波的频率受调制信号的控制,其频率随着调制信号的变化而变化,而幅度和相位保持不变。如果二进制数字信号的“1”对应载波频率1f ,“0”对应载波频率2f ,并且1f 和2f 之间的转换时瞬间完成的。因此,二进制频移键控信号可以看作是两个不同载波的二进制幅移键控信号的叠加。由上面的分析可得出2FSK 信号的时域表达式为-=-+-+212(cos(cos(FSK n s n n s n nnS t a g t nT t a g t nT t (3-1在其中,n 和n 分别表示第n 个信号码元的初始相位,n a -是n a 的反码,并且

31、有0,P 1,1-P 概率为概率为=n a ,0,1-P1,P 概率为概率为-=n a (3-2其中,将g(t看作是宽度为s T 的单极性矩形脉冲波。设12(-=-=-n s nn s n s t a g t nT s t a g t nT (3-3 则可以将2FSK 信号表示成21122(cos(cos(=+FSK n n S t s t t s t t (3-4二、2FSK 信号的调制方法2FSK 信号可以由两种方法实现,图3.1(a 为模拟调制法,它利用二进制基带信号对载波进行调频,采用了频率随电压的变化而变化的压控振荡器,这是频移键控通信方式早期采用的实现方法。图 3.1(b 是用数字

32、键控法产生二进制频移键控信号的原理图,图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号的控制,在一个码元s T 期间输出1f 或2f 两个载波之一。这种方法由于使用了两个独立的振荡器,使得信号波形的相位存在不连续的现象,但它具有转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现等优点,故应用十分广泛。 图3.1 2FSK 信号实现方法2FSK 信号调制时间波形如图3.2所示。 图3.2 2FSK 信号调制时间波形三、2FSK 信号的非相干解调2FSK 信号的解调可以分为非相干解调(即包络检波法和相干解调。图3.3是非相干解调原理框图,在图中,两个中心频率分别为1f 和2f 的带通滤波器的作用是电压控制振荡器

33、s(t(a模拟调制法振荡器1振荡器2(b 键控法s(ttttttttn a1(s t取出频率为1f 和2f 的高频信号,包络检波器将各自的包络取出至抽样判决器,抽样判决器在抽样时刻到达时对包络的抽样值1V 和2V 进行判决,判决准则是当抽样值满足12V V >时判为1f 频率代表的数字基带信号,即“1”码。当12V V <时判为2f 频率代表 四、2FSK 信号的相干解调 图3.4是2FSK 相干解调原理框图,接收信号经过上下两路带通滤波器,与本地相干载波相乘和低通滤波后,进行抽样判决。若抽样值12x x >,则判为1f 代表的数字基带信号,若抽样值12x x <,则判

34、为2f 代表的数字基带信号。第二节 2FSK 信号的Simulink 仿真一、仿真模型图2FSK 仿真模块图如图3.4所示,图中包括调制模块、解调模块、示波器显示模块、眼图模块和误码率计算模块。系统仿真参数设置如图3.5所示,本仿真采用固定步长仿真,仿真步长为0.001s 。 图3.4 2FSK仿真模块图 二、调制的仿真2FSK的调制采用两个频率不同的载波,信源和载波参数设置如下面几个图所示。 图3.6 信源参数设置 图3.7 载波1的参数设置 图3.8 载波2的参数设置信源与载波2相乘时要先经过码反变换,码反变换器的参数设置如图3.9所示,使原码中的1变为0,0变为1。 图3.9 取反变换参

35、数设置载波1和载波2分别与原码和原码的反码相乘后,再相加,就得到了2FSK已调信号,从波形上看,有稀有疏,这就说明2FSK信号是由两种不同频率的波形组成,2FSK信号调制过程各点的波形图如图3.10所示。 图3.10 2FSK调制过程波形图已调信号通过高斯信道之后进入解调端。高斯信道参数设置如下图3.11所示。为了验证已调信号的正确性,以及观察已调信号通过高斯信道后的噪声水平,在这里使用了眼图观察模块,通过观察眼图可以确定解调器的相关参数,比如判决电平等,所得到的解调前和解调后的眼图分别为图3.12和图3.13。 图3.11 高斯信道的参数设置 图3.12 通过高斯信道前已调信号眼图 图3.1

36、3 通过高斯信道后已调信号的眼图三、解调的仿真因为已调信号由两种不同频率的载波组成,所以在解调时相干载波也是用两个不同频率的载波,将已调信号输入到两个带通滤波器,然后在这两条支路上分别乘以两个不同频率的相干载波,然后通过两个的低通滤波器,再进行抽样判决,最后将抽样判决后的两路信号相加,即得到最终结果。各模块的参数设置如下所示。 图3.14 带通滤波器1参数设置 图3.15 带通滤波器2参数设置 图3.16 低通滤波器1参数设置 图3.17 低通滤波器2参数设置解调过程中各点的波形图如图3.18所示。 图3.18 2FSK解调过程波形图该系统误码率随信噪比的变化如表3.1所示。 由表3.1所示的

37、数据经过描点绘图得出2FSK信号误码率随信噪比的变化曲线如图3.19所示。图3.19 2FSK 信号误码率随信噪比的变化曲线由表3.1和图3.19可看出,2FSK 信号的误码率随信噪比的增加而减小,当误码率减少到一定的程度后,信噪比无论怎么增加,误码率都不再降低。这就启示我们在设计实际的通信系统时,只能尽量降低误码率,而很难消除误码率,甚至是不可能消除误码率。第三节 本章小结本章使用Simulink 仿真工具对2FSK 信号的调制与解调进行了仿真,得出了调制与解调过程中各阶段的时域波形图,并通过误码率计算模块计算出了该信号的误码率随信噪比的变化曲线,由变化曲线看出,误码率随信噪比的增加而减小,

38、且有一定的极限值。-5510152025303540 信噪比(单位:dB 误码率误码率随信噪比的变化曲线第四章 2PSK 信号的仿真第一节 2PSK 信号的调制与解调原理一、2PSK 信号的时域表达相移键控是利用载波相位的变化来传递数字信息,可以分为绝对相移键控(2PSK 和差分(相对相移键控(2DPSK 两种方式。在此,只讨论绝对相移键控信号的调制和解调。如果二进制序列的数字信号“1”和“0”分别用载波相位和0这两个离散值来表示,而其幅度和频率保持不变,这种调制方式就称为二进制绝对相移键控。换句话说,绝对相移键控是指已调信号的相位直接由数字基带信号控制。2PSK 信号的一般表达式为2(cos

39、 (cos PSK n s c c nS t a g t nT t s t t =-= (4-1式中的n a 可表示为1,P1,1-P n a +=-出现的概率为出现的概率为 (4-2 这里(s t 是与n a 对应的双极性矩形脉冲序列。在一个码元周期s T 内二进制绝对相移键控信号可表示为2cos+0P (=cos+1c PSK c w t S t w t P -(,概率为(,概率为 (4-3 即发送二进制符号“0”时,n a 取+1,2(PSK S t 取0相位;发送二进制符号“1”时,n a 取-1,2(PSK S t 取相位。2PSK 信号的典型时间波形如图4.1所示,图中所有数字信号

40、“1”码对应载波信号的相位,而“0”码对应载波信号的0相位(当然也可以反之。 图4.1 2PSK 时间波形二、2PSK 信号的调制方法2PSK 信号可以采用两种方法实现,一种是如图4.2所示的模拟调制法,二进制数字序列n a 经码型变换,由单极性码来形成幅度为1±的双极性不归零码,与载波相乘而产生2PSK 信号。另一种是如图 4.3所示的相移键控法,由开关电路来控制2(PSK S t 图4.2 模拟调制法 图4.3 相移键控法三、2PSK 信号的解调方法2PSK 信号的解调一般采用相干解调,2PSK 相干解调原理框图和各点波形分别如 图4.4 相干解调原理框图图4.5 相干解调各点波

41、形第二节 2PSK 信号的Simulink 仿真一、仿真模型图2PSK 信号的仿真模块图由调制部分、解调部分、眼图观察部分、信噪比计算部分组成,伯努利二进制序列产生器参数设置如图4.6所示,仿真模块图为图4.7。图4.6 信源参数设置ttttt abcde 图4.7 2PSK仿真模块图二、调制的仿真2PSK信号的相位不是连续的,而是由两种相位值组成,将二进制信源序列经过极性变换后变为双极性不归零信号,将该双极性不归零信号与载波相乘之后,即可得到由两种相位值组成的二进制相移键控信号,调制过程中各模块的参数设置如下。 图4.8 极性转换模块参数设置 图4.9 载波参数设置 图4.10 2PSK调制

42、过程波形图已调信号经过高斯信道后,受到噪声的影响会产生失真,这可以通过眼图来观察,信道模块参数设置和观测到的眼图如下所示。 图4.11 高斯信道参数设置 图4.12 通过高斯信道前已调信号眼图 图4.13 通过高斯信道后已调信号眼图三、解调的仿真本文中2PSK信号的解调采用相干解调方式,各模块的参数设置如下。 图4.14 低通滤波器参数设置 图4.15 判决比较器参数设置 图4.16 解调过程各点波形图误码率和信噪比的关系表如下所示。表4.1 2PSK 信号误码率随信噪比的变化表 由表4.1所示的数据经过描点绘图得出2PSK 信号误码率随信噪比的变化曲线如图4.17所示。 图4.17 2PSK

43、 信号误码率随信噪比的变化曲线由表4.1和图4.17可看出,2PSK 信号的误码率随信噪比的增加而减小,当误码率减少到一定的程度后,信噪比无论怎么增加,误码率都不再降低。这就启示我们在设计实际的通信系统时,只能尽量降低误码率,而很难消除误码率,甚至是不可能消除误码率。第三节 本章小结本章使用Simulink 仿真工具对2PSK 信号的调制与解调进行了仿真,得出了调制与解调过程中各阶段的时域波形图,并通过误码率计算模块计算出了该信号的误码率随信噪比的变化曲线。-20-15-10-50510152025信噪比(单位:dB 误码率误码率随信噪比的变化曲线第五章 QPSK 信号的仿真第一节 QPSK

44、信号的调制与解调原理一、多进制数字调制系统简介为了更有效地利用通信资源,提高信息传输速率,现代通信往往采用多进制数字调制。多进制数字就是利用多进制数字基带信号去控制载波的幅度、频率或者相位,因此,相应地有多进制数字幅移键控、多进制数字频移键控和多进制数字相移键控等三种基本方式。与二进制调制方式相比,多进制调制方式的特点是:(1在相同码元速率下,多进制数字调制系统的信息传输速率高于二进制数字调制系统;(2在相同信息速率下,多进制数字调制系统的码元传输速率低于二进制数字调制系统;(3采用多进制数字调制的缺点是设备复杂,判决电平增多,误码率高于二进制数字调制系统。在此只研究正交相移键控即QPSK 的

45、调制与解调,QPSK 属于多进制绝对数字相移键控。二、QPSK 信号的调制方法正交相移键控也就是四相相移键控(4PSK ,它是用载波的四个不同相位来代表数字信息的调制方式,假设两位二进制码元的持续时间为s T ,则正交相移键控信号的时域表达式可表示为4(cos(PSK s ckk S t g t kT t =-=-+(cos (sin k s c k s ca g t kT tb g t kT t -=- (5-1 其中,k 为受调相位,有四种不同取值;cos k k a =; sin k k b =。正交相移键控信号可以用矢量图来描述,在矢量图中通常以未调载波相位作为参考矢量。QPSK 信号

46、的相位配置常用两种方式:A 方式如图5.1所示和B 方式如图5.2所示。(b B 方式(a A 方式四相制是用载波的4种不同相位来表征数字信息,由于4中不同相位可代表4种不同的数字信息,因此,对输入的二进制数字序列先进行分组,将每两个比特编为一组,可以有4种组合(00,10,11,01,然后用载波的四种相位来分别表示它们。由于每一种载波相位代表两个比特信息,故一个四进制码元又被称为双比特码元。下表是双比特码元和载波相位的一种对应关系。 QPSK 的产生方法可采用调相法和相位选择法。图5.3是调相法产生B 方式QPSK信号的原理框图。 图5.3 调相法产生B 方式QPSK 信号的原理框图上图中输入的二进制串行码元经过串/并转换器后变为并行的双比特码流,再经单/双极性变换后,将单极性码变为双极性码,然后与载波相乘,就完成了二进制相位调制,两路信号叠加后,即得到B 方式的QPSK 信号。由此可见,四相制信号既可A0B 10A (1B (0(A (0(以看成是4个幅度及频率均相同、初相不同的2ASK信号之和,又可以看成是对两个正交载波进行多电平双边带调制所得的信号之和。相位选择法产生QPSK信号的组成方框图如图5.4所示,在图中,四相载波发生器分别输出调相所需的4种不同相位的载波,按照串/并变换器输出的双比特码元的不同,逻辑选相电路输出相应的