数字调制系统分析与仿真学年论文

1、赤峰学院 学年论文（设计）题 目 数字调制系统分析与仿真 学生姓名 张晓龙 学 号 07131300203 院 系 物理与电子信息工程系 专 业 应用物理 指导教师 初玉玲 二一年 五月二十一日数字调制系统分析与仿真张晓龙赤峰学院 物理与电子信息工程系，赤峰 024000摘要：数字调制技术的改进是通信系统性能提高的重要途径之一。本文首先分析了数字调制系统的五种基本调制解调方法，然后，运用Matlab及附带的图形仿真工具 Simulink设计了这几种数字调制方法的仿真模型。最后，在仿真的基础上分析比较了各种调制方法的性能，并通过比较仿真模型与理论计算的性能，证明了仿真模型的可行性。另外，本文还利

2、用Matlab的图形用户界面（GUI）功能为仿真系统设计了一个便于操作的人机交互界面，使仿真系统更加完整，操作更加方便。关键词：数字调制；分析与仿真；Matlab；Simulink；GUI图形界面。1 引言数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。根据控制的载波参量的不同，数字调制有调幅、调相和调频三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。因此，大部分现代通信系统都使用数字调

3、制技术。另外，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ISDN网），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。因此，对数字通信系统的分析与研究越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要部分之一，对它的研究也是有必要的。通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进系统，获得更佳的传输性能。2 数字调制系统的相关原理数字调制可以分为二进制调制和多进制调制，多进制调制是二进制调制的推广，所以本文主要讨论二进制的调制与解调，最后简单讨论一下多进制调制中的差分相位键控调制（M-DPSK）。最

4、常见的二进制数字调制方式有二进制振幅键控（2-ASK）、移频键控（2-FSK）和移相键控（2-PSK和2-DPSK）。下面是这几种调制方式的相关原理。 二进制幅度键控（2-ASK）    幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。2-ASK信号功率谱密度的特点如下： （1）由连续谱和离散谱两部分构成；连续谱由传号的波形g(t)经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定

5、；（2）已调信号的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。 二进制频移键控（2-FSK）    频移键控是利用两个不同频率f1和f2的振荡源来代表信号1和0，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。2-FSK功率谱密度的特点如下：(1) 2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分构成,离散谱出现在f1和f2位置；(2) 功率谱密度中的连续谱部分一般出现双峰。若两个载频之差|f

6、1 -f2|fs，则出现单峰。 二进制相移键控（2-PSK）    在相移键控中，载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载波相位为0或，为1时载波相位为或0。载波相位和基带信号有一一对应的关系，从而达到调制的目的。2-PSK信号的功率密度有如下特点： (1) 由连续谱与离散谱两部分组成； (2) 带宽是绝对脉冲序列的二倍； (3) 与2ASK功率谱的区别是当P1/2时，2PSK无离散谱，而2ASK存在离散谱。 多进制数字调制    上面所讨论的都是在二进制数字基带信号的情况，在实际应用中，我们常常用一种称为多进制（

7、如4进制，8进制，16进制等）的基带信号。多进制数字调制载波参数有M种不同的取值，多进制数字调制比二进制数字调制有两个突出的优点：一是有于多进制数字信号含有更多的信息使频带利用率更高；二是在相同的信息速率下持续时间长，可以提高码元的能量，从而减小由于信道特性引起的码间干扰。现实中用得最多的一种调制方式是多进制相移键控（MPSK）。    多进制相移键控又称为多相制，因为基带信号有M种不同的状态，所以它的载波相位有M种不同的取值，这些取值一般为等间隔。在多相制移键控有绝对移相和相对移相两种，实际中大多采用四相绝对移相键控（4PSK，有称QPSK），四相制的相位有0、

8、/2、3/2四种，分别对应四种状态11、01、00、10。3 运用Matlab仿真模型的设计及结果分析 了解了仿真所需的主要模块后，下一步就是设计和仿真数字调制模型，本文主要针对2-FSK信号进行设计并对仿真结果在时域和频域进行分析。2-FSK信号是0符号对应于载波1，而1符号则对应于2（与1不同的另一载波）的已调波形，而且1与2之间的改变是瞬间完成的。2-FSK信号的产生如图1.0所示：图1.0 2-FSK信号产生方法2-FSK信号最常用的解调方法是采用的相干检测法，如图1.1所示Cos1t相乘器相乘器输入12LPFLPF抽样脉冲输出抽样判决LPFLPFCos2tos2tos2t:图1.1

9、2-FSK相干解调的方法Simulink通信工具箱中提供了专门的FSK调制和解调模块，应用FSK调制模块能方便的产生2-FSK信号。因此，设计2-FSK仿真模型时，只需利用Simulink通信工具箱中中的FSK调制解调模块及信号源与信道即可。设计的2-FSK仿真模型如图1.2：图1.2 2-FSK仿真模型 模型中运用了Simulink工具箱中的现成调制解调模块和信道模块，然后用示波器观察各环节波形，最后由误码计算仪计算误码。重要模块参数设置如下： 1.信号源参数设置同2-ASK；2. M-FSK Modulator Passband及M-FSK Demodulator Passband：根据调

10、制解调模块所满足的关系，设置参数如下： M-ary number：2 Symbol period (s)：1（与Bernoulli Binary Generator/ Sample time一致） Frequency separation (Hz)：1（可调） Carrier frequency (Hz)：30（可调） Carrier initial phase (rad)：0 Input sample time(s)：1/100 Output sample time(s)：1/1003. AWGN Channel： Initial seed：120（与Bernoulli Binary Gen

11、erator/ Initial seed不同）； Mode：SNR（dB） SNR (dB)：10（可调）4. Error Rate Calculation的参数设置： Receive delay：3 Output data： Work space Variable name：ErrorVec2仿真结果时域分析： 根据上述2-FSK信号产生原理，已调信号的时间表达式可表示为 ：（1） 由式（1）可看出2-FSK信号是由两个2-ASK信号相加而成的将图1.2中各示波器的值输出到Work space中做统一处理，其中源信号、调制后信号及解调后信号波形如图1.3所示：（a）源信号波形（b）调制后信号

12、波形（c）解调后信号波形图1.3 2-FSK源信号、调制后信号及解调后信号波形由图1.3可知，调制后信号波形由两种频率不同的波形组成，且两种频率分别对应解调后信号的符号0和符号1，即2-FSK信号波形可以看作是由两个2-ASK信号相加而成的，这与式（1）完全相符。另外，源信号波形与解调后信号波形只是在时间上有3个单位的延迟，如果将Error Rate Calculation的Receive delay参数设置为3，则此模型最后的误码率为0。原因同2-ASK分析。仿真结果频域分析 改变Frequency separation (Hz)和Carrier frequency (Hz)两个参数的值单独

13、观察调制后的频谱，获得图1.4中的两个频谱图（a）:载波差值：1 载波为30（b）: :载波差值：5 载波为20图1.4 2-FSK调制后频谱对比图1.4（a）和 (b)可知，当两个载波差值很小时，已调信号的频谱呈现单峰如（a）图；当两个载波差值较大时，已调信号的频谱呈现双峰如（b）图,这与相关原理中阐述的2-FSK频谱的特点完全相符。结论：仿真结果的分析说明该2-FSK仿真模型是可行的。致谢：本人在分析设计数字调制仿真系统及撰写论文期间，得到了很多老师和同学的帮助，在这里我首先要感谢的是我的指导老师副教授。在毕业设计的整个过程中，教授在理论知识、工作任务、工作方向和进度安排等方面给了我大量的

14、指导和帮助，使我的毕业设计能顺利进行，并按时完成预计任务。同时，我还要感谢大学四年里帮助我的各位老师，从他们身上，我不仅学到了理论知识，还学到了一丝不苟、严谨治学的科学态度。参考文献：1 樊昌信等. 通信原理（第5版）. 北京：国防工业出版社，20012 曹志刚，钱亚生. 现代通信原理. 北京：清华大学出版社，20013 李建新等. 现代通信系统分析与仿真MATLAB通信工具箱. 西安：西安电子科技大学出版社，20004 王沫然. Simulink4建模及动态仿真. 北京：电子工业出版社，20025 D.Hanselman,B.Littilefield著，张航等译. 精通MATLAB6. 北京

15、：清华大学出版社，2002Abstract Digital modulation techniques to improve communication system performance is an important way to improve. In this paper, five usual methods of digital modulation are introduced firstly. Then their simulation models are built by using MATLABs simulation tool, SIMULINK. Through o

16、bserving the results of simulation, the factors that affect the capability of the digital modulation system and the reliability of the simulation models are analyzed. And then, the capability of three digital modulation simulation models, 2-FSK, 2-DPSK and MSK, have been compared, as well as comparing the results of simulation and theory. At last, the conclusion is gotten: The simulation models are