基于MATLAB的数字调制方法的实现论文

1、 师大学 2012 届学士学位论文 基于MATLAB的数字调制方法的实现学院、专业物理与电子信息学院 电子信息工程研究方向 信号与信息处理学生姓名 岳丹丹学号 指导教师 恩华指导教师职称 副教 授 2012 年 4 月 26 日 II / 31基于 MATLAB 的数字调制方法的实现岳丹丹师大学 物理与电子信息学院 （235000）摘要 本文将着重讨论数字通信系统中的调制解调系统的基本原理以与实现方法，并在 MATLAB 软件平台上仿真实现几种常见的数字调制方式。最常用实现数字调制方法是键控法:可获得振幅键控（Amplitude Shift Keying,ASK） 、频移键控（Freqency

2、 Shift Keying,FSK）和相移键控（Phase Shift Keying, PSK）.数字信息有二进制和多进制之分。文中将对二进制数字调制方法进行阐述，主要对二进制幅度键控（2ASK） 、二进制频移键控（2FSK）和二进制相移键控（2PSK）实现仿真分析。本文将结合 MATALB 模块和 Simulink 工具箱的实现，对二进制幅度键控（2ASK） 、二进制频移键控（2FSK）和二进制相移键控（2PSK）实现进行仿真结果进行分析，从而更深入地掌握数字调制系统的相关知识。关键词 MATLAB；数字通信系统；调制；仿真 III / 31Realization of digital mo

3、dulation method based on MATLAB Yue DandanSchool of Physics and Electronic InformationHuaibei Normal UniversityAnhui Huaibei235000AbstractAbstractThis paper focuses on the basic principles and realization ways of modulation demodulation system in digital communication systems ,and achieve some commo

4、n digitalmodulation on the platform of MATLAB simulation software. The most commonly used digital modulation is the Shift Keying which includes AmplitudeShift Keying (ASK), Frequence Shift Keying(FSK), and Phrase Shift Keying (PSK) modulation. This design using MATLAB and SIMULINK Toolbox programmin

5、g in MATLAB software platform to emulation two pairs Amplitude Shift Keying(2ASK) system, binary Frequency Shift Keying(2FSK), binary Phase Shift Keying(2PSK) modulation .Digital information can be divided into binary system and multi-system.This paper will tell the way of binary system digital modu

6、lation,mainly achieve simulation and analysis of ASK,FSK,PSK.It will combine with MATALB model block and the realization ofSimulink toolbox so that we can understand the knowledge related with digital modulation system more deeply.KeywordsKeywordsMATLAB; Simulationof communication systems ; Simulati

7、on IV / 31目 次引言 11 数字调制系统的基本原理 22MATLAB 简介 32.1MATLAB 主要产品构成 32.2 MATLAB 的特点 33 数字调制的基本原理 53.1 二进制幅度调制（2ASK）53.2 二进制频移调制（2FSK）83.3 二进制相位调制（2PSK）错误！未定义书签。错误！未定义书签。4 数字调制的 MATLAB/SIMULINK 仿真与分析 144.12ASK 的 MATLAB/Simulink 仿真与分析 144.22FSK 的 MATLAB/Simulink 仿真与分析 19总 结 24参考文献 25致 26 1 / 31引 言 MATLAB 是目前

8、国际上流行的进行科学研究、工程计算的软件。它起源于矩阵运算，并已经发展成为一种高度集成的计算机语言。MATLAB 具有强大的数学运算能力、方便实用的绘图功能与语言的高度集成性。除具备卓越的数值计算能力之外，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、实时控制等功能。可以预见，在科学运算、自动控制、科学绘图、通信仿真等领域，MATLAB 语言将长期保持其独一无二的地位。在通信领域 MATLAB 更有明显优势，因为通信领域中很多问题是研究系统性能的，传统的方法只有构建一个实验系统，采用各种方法进行测量，才能得到所需数据，这样不仅需要花费大量的资金用于试验系统的构建，而且系统构建周期长，

9、系统参数的调整也十分困难。而 MATLAB 的出现使得通信系统的仿真能够用于计算机模拟实现，免去构建实验系统的不便，而且操作十分简便，只需要输入不同的参数就能得到不同情况下系统的性能，而且在结构的观测和数据的存储方面也比传统的方式有很多优势。因而 MATLAB 在通信仿真领域得到越来越多的应用。 本文主要研究的是基于 MATLAB 的数字调制解调技术。介绍了几种数字调制方法的原理，通过理论分析与 MATLAB 仿真最终得出总结。 2 / 311.数字调制系统的基本原理在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带

10、通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字频带信号，数字调制系统的基本结构如图 1 所示：图 1 数字调制系统的基本结构 数字调制与模拟调制原理是一样的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的三种数字调制方式是：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK 或DPSK)。 3 / 31 2.MATLAB 简介MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks 公司出

11、品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以与数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。Matlab 产品组是支持从概念设计、算法开发、建模仿真，到实时实现的理想的集成环境。可以用来进行：(1)数据分析；(2)数值和符号计算；(3)工程与科学绘图；(4)控制系统设计；(5)数字图像信号处理；(6)财务工程；(7)建模、仿真、原型开发(8)应用开发；(9)图形用户界面设计。MATLAB 产品组被广泛地应用于包括信号与图像处理、控制系统设计、通信、系统仿真等诸多领域。开放式的结构使 Matlab 产品组很容易针对特定的需求进行扩充，从

12、而在不断深化对问题认识的同时，提高自身的竞争力。2.12.1 MATLABMATLAB 主要产品构成：主要产品构成：(1)Matlab:所有 MathWorks 公司产品的数值分析和图形基础环境；(2)MATLAB Toolbox：一系列专用的 MATLAB 函数库，解决特定领域的问题；(3)MATLAB Compiler：将 MATLAB 语言编写的 M 文件自动转换成 C 或 C+文件，支持用户进行独立应用开发；(4)Simulink：结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具；(5)Stateflow：与 Simulink 框图模型相结合，描述复杂事件驱动系统的逻辑行为，驱动系

13、统在不同的模式之间进行切换；(6)RealTime Workshop：直接从 Simulink 框图自动生成 C 或 Ada 代码，用于快速原型和硬件在回路仿真，整个代码生成可以根据需要完全定制；(7)Simulink Blockset：专门为特定领域设计的 Simulink 功能块的集合，用户也可以利用己有的块或自编写的 C 和 MATLAB 程序建立自己的块。2.22.2 MATLABMATLAB 语言的特点语言的特点(1)编程效率高MATLAB 是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，且比 C 语言等更加接近我们书写计算公式的思维方式，用 MATLAB 编写程序

14、犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。 4 / 31(2)用户使用方便MATLAB 语言是一种解释执行的语言。它可以把编辑、编译、连接和执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作，快速排除输入程序中的书写错误、语法错误，以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度。(3)扩充能力强、交互性好用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高 MATLAB 使用效率和扩充它的功能。另外，通过建立 Me 调文件的形式，混合编程，方便地调用有关的 FORTRAN、C 语言的子程序，还可以在 FORTRAN、C 语言中方便地使用MATLAB 的

15、数值计算功能这样良好的交互性使程序员可以使用以前编写过的程序，减少重复性工作，也使现在编写的程序具有重复利用的价值。(4)移植性、开放性好MATLAB 可以很方便地移植到能运行 C 语言的操作平台上。除了部函数外，MATLAB所有的核心文件和工具箱文件都是公开的，都是可读可写的源文件，用户可以通过对源文件的修改和自己编程构成新的工具箱。(5)语言简单、涵丰富MATLAB 语言中最基本最重要的成分是函数。同一函数名，不同数目的输入变量与不同数目的输出变量，就会代表着不同的含义。这不仅使 MATLAB 的库函数功能更丰富，而且还大大减小了需要的磁盘空间，使得 MATLAB 编写的 M 文件简单、短

16、小而高效。(6)高效方便的矩阵和数组运算MATLAB 语言规定了矩阵的算术运算符、关系运算符等。这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算。另外，它不需要定义数组的维数，它可以给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解问题时大为高效、方便，这是其他高级语言所不能比拟的。(7)方便的绘图功能MATLAB 的绘图是十分方便的。它有一系列绘图函数，只需要调用不同的绘图函数，在图上标出图题等，简单易行。 5 / 313.数字调制方法的基本原理调制在通信系统中的作用至关重要。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。载波调制，就是用

17、调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或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（基带信号） ，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列） 。载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。本章主要介绍的数字调制方式是用数字频带传输系统的二进制数字调制和多进制为例，在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态,对应于数字“0”和“1” ，而多进制数字调制号参数（M 进制，M2）有 M 种取值。

18、3.13.1 二进制幅度调制（2ASK）1.一般原理与实现方法数字幅度调制又称幅度键控（ASK） ，二进制幅度键控记作 2ASK1。2ASK 是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1” ，无载波输出时表示发送“0” 。根据幅度调制的原理，2ASK 信号可表示为： (1)ttsteccos)()(0式中， 为载波角频率，为单极性 NRZ 矩形脉冲序列c)(ts (2)nbnnTtgats)()(其中，g(t)是持续时间为 、高度为 1 的矩形脉冲，常称为门函数；为二进bTna制数字序列。(3)）出现概率为（，出现概率为，P

19、Pan1012.MATLAB 实现 以数字信号序列 10110010 为例，给出产生 2ASK 信号的 MATLAB 程序如下， 6 / 31波形图如图 2 所示。t=0:2*pi/99:2*pi; m1=;c1=;for n=1:length(s)if s(n)=0; m=zeros(1,100);else s(n)=1; m=ones(1,100);endc=sin(f*t); m1=m1 m;c1=c1 cendask=c1.*m1;subplot(211);plot(m1)title(原始信号);axis(0 100*length(s) -0.1 1.1);subplot(212);p

20、lot(ask)title(ASK 信号); 7 / 31图 2 2ASK 信号波形3. 2ASK 的解调方法2ASK 信号解调的常用方法主要有两种2：包络检波法和相干检测法。包络检波法的原理方框图如图 3 所示。图 3 2ASK 信号的包络检波相干检测法原理方框图如图 4 所示。图 4 2ASK 信号解调的相干检波法 8 / 313.23.2 二进制频率调制（二进制频率调制（2FSK2FSK）1.一般原理与实现方法 数字频率调制又称频移键控（FSK） ，二进制频移键控记作 2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK 信号便是符号“1”对应

21、于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的1f2f1f另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的34。1f2f从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK 键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。根据以上 2FSK 信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为 (4)cos()()cos()()(210nnttsttste其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列 (5)nb

22、nnTtgats)()( (6)）概率为（概率为PPan1, 0, 1是持续时间为、高度为 1 的门函数； 为对逐码元取反而形成的脉)(tgbT)(ts)(ts冲序列，即 9 / 31 (7)nbnnTtgats)()(是 的反码，于是 nana (8)）概率为（概率为PPan1, 1, 0分别是第 n 个信元的初相位和相位5。一般说来，键控法得到的与序号 nnn、无关，反映在上， 仅表现出 当改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于改变时的相位是连续的，故不仅与第 n 个信元有关，而且nn、之间也应保持一定的关系。 nn、2.MATLAB 实现 以数字信号序列 10110010 为例，

23、给出产生 2FSK 信号的 MATLAB 程序如下t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;b1=;for n=1:length(s) if s(n)=0; m=ones(1,100); c=sin(f2*t); b=zeros(1,100)else s(n)=1; m=ones(1,100); c=sin(f1*t); b=ones(1,100) end m1=m1 m; c1=c1 c; b1=b1 b;end fsk=c1.*m1; subplot(211); 10 / 31 plot(b1,r) title(原始信号); axis(0 100*length(s) -0.1 1.

24、1); grid on; subplot(212); plot(fsk) title(2FSK 信号);grid on;在命令窗口中键入 s 的二进制代码和载波频率 f1、f2，再输入函数名，就可以得到所对应的 fsk 信号输出，如输入以下指令:s=1 0 1 1 0 0 1 0;f1=200;f2=100;fskdigital输出波形如图 5 所示，其中 0 信号所对应的载波频率与码元速率一样，1 信号所对应的载波频率为码元速率的两倍。 图 5 2FSK 信号波形3. 2FSK 的解调方法数字调频信号的解调方法很多6，下面仅就相干检测法、非相干检测法进行介绍。 11 / 312FSK 信号的

25、包络检波法解调方框图如图 6 所示，其可视为由两路 2ASK 解调电路组成。包络检波法：图 6 2FSK 信号的包络解调相干检测法： 相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图 7 所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。 图 7 12 / 313.33.3 二进制相位调制（二进制相位调制（2PSK2PSK）1.一般原理与实现方法 绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通常用相位0和来分别表示“0”或“1” 。2PSK 已调信号的时域表达式为 (9)ttstscPSKcos)()(2这里，s(t)与2ASK 与2FSK 时不同

26、，为双极性数字基带信号，即 (10)nbnnTtgats)()(式中，g(t)是高度为1，宽度为的门函数； (11)1 (11PPan概率为，概率为，因此，在某一个码元持续时间观察时，有 bT (12)cos(cos)(2iccPSKttts2.MATLAB 实现 以数字信号序列 10110010 为例，给出产生 2PSK 信号的 MATLAB 程序如下t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=; 13 / 31b1=;for n=1:length(s) if s(n)=0;m=-ones(1,100); b=zeros(1,100) else s(n)=1; m=ones(1,100)

27、; b=ones(1,100) end c=sin(f*t); m1=m1 m; c1=c1 c b1=b1 b;endpsk=c1.*m1;subplot(211);plot(b1)title(原始信号);axis(0 100*length(s) -0.2 1.1);subplot(212);plot(psk);title(PSK 信号);grid on;在命令窗口中键入 s 的二进制代码和载波频率 f，再输入函数名，就可以得到所对应的 psk 信号输出，如输入以下指令: s=1 0 1 1 0 0 1 0; f=100; pskdigital 输出波形如图 8 所示，其中载波频率与码元速率

28、一样 14 / 31图8 2PSK 信号波形4.数字调制的 MATLAB/Simulink 仿真与分析4.1 2ASK 的调制与解调仿真1 1.调制仿真（1）建立模型方框图 2ASK 信号调制的模型方框图由 DSP 模块中的 sinwave 信号源、方波信号源、相乘器等模块组成，Simulink 模型图如下图 9 所示：图 9 2ASK 信号调制的模型方框图 15 / 31其中正弦信是载波信号，方波代表 S（t）序列的信号塬，正弦信号和方波相乘后就得到键控 2ASK 信号7。(2) 参数设置 建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。从正弦信号源开始依次的仿真参数设置如图 10 所

29、示，其中 sin 函数是幅度为 2 频率为 1Hz 采样周期为 0.002 的双精度 DSP 信号 (a) (b)图 10 正弦信号参数设置(a) 方波信号源的参数设置(b)方波信号是基于采样的，其幅度设置为 2，周期为 3，占 1 比为 2/3系统仿真与各点波形图如图 11 所示，经过上面参数的设置后，就可以进行系统的仿真下面是示波器显示的各点的波形图： 16 / 31图 11 各点的时间波形图 由图 11 可以看出信息源和载波信号相乘之后就产生了受幅度控制的 2ASK 信号。 解调仿真：2ASK 的解调分为相干解调和非相干解调法，下面采用相干解调法对 2ASK 信号进行解调(1) 建立 s

30、imulink 模型方框图 相干解调也叫同步解调，就是用已调信号恢复出载波既同步载波。再用载波和已调信号相乘，经过低通滤波器和抽样判决器恢复出 S(t)信号，simulink模型图如图 12 所示： 17 / 31图 12 2ASK 相干解调的 simulink 模型方框图(2) 参数设置 建立好模型之后，开始设置各点的参数，由于低通滤波器是滤去高频的载波，才能恢复出原始信号，所以为了使已调信号的频谱有明显的搬移，就要使载波和信息源的频率有明显的差别，所以载波的频率设置为 100Hz.为了更好的恢复出信源信号，所以在此直接使用原载波信号作为同步载波信号,下面是低通滤波器的参数设置如图 13 所

31、示： 18 / 31图 13 低通滤波器的参数设置图(3) 系统仿真与各点时间波形图如图 14 所示 19 / 31图 14 2ASK 信号解调的各点时间波形图 由 14 图可以看出由于载波频率的提高使的示波器在波形显示上出现了一定的困难，不过要想显示调制部分的理想波形只要调整示波器的显示围即可。(4) 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，可以读出此系统的误码率为 0.3636。 20 / 314.2 2FSK 的调制与解调仿真1调制仿真 2FSK 信号是由频率分别为 f1 和 f2 的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，

32、其中 f1 和 f2 是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号，2FSK 信号产生的 simulink 仿真模型图如图 15 所示7：图 15 2FSK 信号的 simulink 模型方框图 其中 sin wave 和 sin 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，最后经过相乘器和相加器生成2FSK 信号，各参数设置如下：载波 f1 的参设 ，其中幅度为 2，f1=1Hz,采样时间为 0.002s,如图 16（a）所示。载波为单精度信号 f2 的参数设置如图 16（b）所示。 21 / 31（a）

33、 （b）图 16 载波 sin wave 的参数(a)和 sin wave1 的参数设置(b)载波是幅度为 2，f2=2,采样时间.为 0.002 的单精度信号。 本来信号源 s(t)序列是用随机的 0 1 信号产生，在此为了方便仿真就选择了基于采样的 Pulse Generator 信号模块其参数设置如图 17 所示：图 17 Pulse Generator 信号模块参数设置 22 / 31经其中方波是幅度为 1，周期为 3，占 1 比为 1/3 的基于采样的信号。 过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形如图 18 所示：图 18 2FSK 信号调制各点的时间波形 由上图可以看出经过 f1 和 f2 两个载波的调制，2FSK 信号有明显的频率上的差别。2解调仿真 解调方框图如图 19 所示。图 19 2FSK 信号解调方框图 23 / 31 其中 From File 是一个封装模块，就是 2FSK 信号的调制模块，两个带通滤波器分别将 2FSK 信号上下分频 f1 和 f2 ,后