试验三matlab的数字调制系统仿真试验参考

1、成都理工大学实验报告课程名称：数字通信原理姓名：学号:成绩:实验三Matlab的数字调制系统仿真实验（参考）1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，主要讨论二进制的调制与解调，简单讨论一下多进制调制中的差分相位键控调制（M-DPSK 。最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-AS2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

2、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。幅移键控法（ASK）勺载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断，此时又可称作开关键控法（OOK）。多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落 的能力不强，因而一般只适宜在包参信道下采用。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；（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数字

3、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。2FSKS 号便是符号“1对应于载频fl,而符号“阴应于载频f2 （与fl不同的另一载频）的已 调波形，而且fl与f2之间的改变是瞬间完成的。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。2FSK1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。频移键控是利用

4、两个不同频率fl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，具有 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fl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|f1 -f2| &fs则出现单峰。2FSK9号的产生方法主要是两种。第一种是用二进制基带矩形脉冲信号 区调制一个调频器，使

5、其能够输出两个不同的频率的码元，如图（1）;第二种方法 是用以个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，如图（2）。两者的区别是前者的相位是连续的，后者由于两个独立的频率源产生的两个 不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。图（1）图（2）2-FSK信号的接受也分为相干和非相干接受两类。最常用的解调方法是采用的 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8-8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。它们的输出分别与相应的 同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的 低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来

6、时对两个低频信号的抽样值Vo （t）和V1（t）进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。如图所示。0对应的关系, 谱。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 时，载波相位为0或砥为1时载波相位为冗或0。载波相位和基带信号有一一 从而达到调制的目的。2-PSK信号的功率密度有如下特点：由连续谱与离散谱两部分组成；带宽是绝对脉冲序列的二倍；与2ASK功率谱的区别是当P=1/2时，2PSK无离散谱，而2ASK存在离散A(t)图（1）图（2）由于2PSK信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的,因此，解调时必须有与此同频

7、同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为相位或相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生 “吸”1或”1变“0：从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为倒”现象或 反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。2PSK信号的产生方法主要也是两种。第一种是相乘法，用二进制不归零矩形脉 冲信号与载波相乘，得到相位反相的两种码元，如图（1）;第二种方法叫选择法, 是用此基带信号控制一个开关电路，以选择输入信号，开关电路的输入信号是相位 相差的同频载波，如图（2） 02PSK信号的解调方法是相干接受法。由于 PSK号本身就是利用

8、相位传递信息 的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号，如图所示。_rr_一一 iv（t）带通滤波 相乘 低通滤波 抽样判决 本地载波提取图 2PSK信号相干接收原理方框图二进制差分相移键控（2DPSK二进制差分相移键控（2DPSK）：进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作 2DPSK它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波 相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。与2PSK勺波形不同，2DPS破形的同一相位并不对应相同的数字信息符号， 而前 后码元的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK1号时，并不依赖于某一 固定

9、的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关 系就可正确恢复数字信息。这就避免了 2PS式中的 倒冗现象发生。单从波形上看，2DPSK12PSK!无法分辩的，一方面，只有已知移相键控方式是 绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把 数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为2DPSC号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。2DPSK1号的解调有两种解调方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调-码变换法。后者又称为极性比较一码变换法。2数字调制系统各个环节分析仿真框图典型的数字通信系统由信源

10、、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节构成， 其框图如图所示：数字调制是数字通信系统的重要组成部分，数字调制系统的输入端是经编码器 编码后适合在信道中传输的基带信号。对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心 基带信号的码型，因此，我们在仿真的时候可以给数字调制系统直接输入数字基带 信号，不用在经过编码器。图数字通信系统模型MATLAB提供的图形界面仿真工具Simulink由一系列模型库组成，包括 Sources储源,隽块），Sinks俚示,隽块），Discrete皑散系统模块），Linear（线性环节）， Nonlinear（非线性环节），Connections姓接）,Blocksets&Too

11、lboxes供他环节）。特别是 在Blocksets&Toolboxes中还提供了用于通信系统分析设计和仿真的专业化模型库 CommTbxLibrary。在这里，整个通信系统的流程被概括为：信号的产生与输出、编 码与解码、调制与解调、滤波器以及传输介质的模型。在每个设计模块中还包含有 大量的子模块，它们基本上覆盖了目前通信系统中所应用到的各种模块模型。通信 系统一般都可以建立数学模型。根据所需仿真的通信系统的数学模型（或数学表达式），用户只要从上述各个模型库中找出所需的模块，用鼠标器拖到模型窗口中组合在 一起，并设定好各个模块参数，就可方便地进行动态仿真.从输出模块可实时看到仿 真结果，如时域

12、波形图、频谱图等。每次仿真结束后还可以更改各参数，以便观察仿真 结果的变化情况。另外，对Simulink中没有的模块，可运用S函数生成所需的子模 块，并且可以封装和自定义模块库，以便随时调用。根据Simulink提供的仿真模块，数字调制系统的仿真可以简化成如图所示的模 型:基带信号调制器调制器基带信号噪声源图数字调制系统仿真框图信号源仿真及参数设置Simulinkffl信工具箱中的 Comm Sources/Data Source雕供了数字信号源 BernoulliBinary Generator,这是一个按Bernoulli分布提供随机二进制数字信号的通用信号发生 器。在现实中，对受信者而言

13、，发送端的信号是不可预测的随机信号。因此，我们 在仿真中可以用Bernoulli Binary Generator来模拟基带信号发生器。其中主要参数的 含义为：Probability of a zero :产生的信号中0符号的概率，在仿真的时候一般设成，这 样便于频谱的计算；Initial seed :控制随机数产生的参数，要求不小于30,而且与后面信道中的Initial seed设置不同的值；Sample time：抽样时间，这里指一个二进制符号所占的时间，用来控制号发生 的速率，这个参数必须与后面调制和解调模块的Symbol period保持一致。调制与解调模块Simulink通信工具箱中

14、提供了数字信号各种调制方式的模块，如AM、CPM、FM及PM等。虽然不同的调制模块，参数设置有所不同，但很多参数在各种调制中是 一致的，下面我们以DPSK调制模块为例介绍一下调制模块的参数及其设置，其余模块将在下面仿真模型的建立过程中详细介绍。M-DPSKModulator Baseband口 M-DPSKDemodulator Baseband 分别是数字信号 DPS明制和解调的专用模块，其中主要参数有：M-ary number ：输入信号的阶次数，比如2-DPSK是2阶的；Symbol period:符号周期，即，一个符号所占的时间，这必须与信号源的Sample time保持一致；Carr

15、ier frequency: 载波频率；Carrier initial phase：载波的初始相位；Input sample time: 输入信号的抽样时间；Output sample time :输出信号的抽样时间。其中，各参数要满足以下关系：Symbol period 1/(Carrier frequency)Input sample time 1/2*Carrier frequency + 2/(Symbol period)Output sample time 1/2*Carrier frequency + 2/(Symbol period)信道在分析通信系统时通常选择高斯噪声作为系统的

16、噪声来考查，因为这种噪声在 现实中比较常见而且容易分析。Simulink中提供了带有加性高斯白噪声的信道：AWGN Channe仿真时可以用该模块模拟现实中的信道，该模块的主要参数有：Initial seed:控制随机数产生的参数，要求不小于30,且与前面信号源中的Initial seed设置不同的值；Es/No (dB):信号每个符号的能量与噪声的功率谱密度的比值；SNR (dB) 信号功率与噪声功率的比值；注：Es/No (dB)和SNR (dB是表征信号与噪声关系的两种方法，在一次仿真中 只能选择其中一个。误码计算仪信号经过信道后，由于噪声的干扰，在接收端可能出现误码，Simulink中

17、提供了Error Rate Calculation模块来计算误码率，其主要参数的设置为：Receive delay接收延迟，表明在计算误码率时接收到的信号比源信号延迟的码 元数，便于准确计算Output data：数据输出，将误码率、误码数及码元总数输出，有两个选项可选 择：Work space和Port。将数据输出到Work space就是将误码率等数据存在内存中， 以便下一步使用，而输出到Port中，则是在误码计算仪后面再接一个模块(比如结 果显示模块)，将数据传到该模块中(显示出来)；Variable name：变量名称，该参数只有在前面选择了 Work space后才有用，它决 定数据

18、输出到Wok spaced的名称，默认值为ErrorVea示波器在仿真过程中，可以观察各个环节的时域和频域波形，因此，在各个环节加上示波器以观察波形。另外，还可将示波器的数据输出到Work space中存储，以便对仿真结果做进一步处理，比如将各个环节的波形对比显示和做频域变换等。3数字调制系统仿真及结果分析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各种数字调制模型，并 对仿真结果在时域和频域进行分析。运用Matlab/Simulink软件进行各种数字通信系统的仿真，并对结果进行分析比较。Matlab/Simulink中有各种调制解调方式的现成 模块可以直接应用，但

19、是必须得设定正确的参数才能取得理想的仿真结果。通过仿 真比较各种系统的占用带宽和误码率等性能指标。为了正确比较误码率，必须保证 误码率比较器中比较的为发送码元和对应的接收码元，因此根据系统不同需要进行 不同的延时；为了便于比较，建立了三个条件基本一致的仿真系统，即相同的信号 源（伯努利随机二进制发生器），相同的传输环境（加性高斯白噪声环境信噪比为 -5dB）,都是基带调制、解调模块，最后显示出误码率、传输错误个数、传输总数。二进制频移键控（2FSK利用伯努利二进制信号发生器（Bernoulli Binary Generator）成生数字信号，利用Simulink通信工具箱中提供了专门的 FSK

20、调制和解调模块应用 FSK调制模块能可方便地产生2FSK信号，根据图所示仿真框图。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。Uri:重要模块参数设置如下： 信源：probability of a zero :Initial seed : 12345 Sample time :图 2FSK仿真模型调制解调器： m-ary number： 2Frequency separation(hz) : 1000;2000;4000Sample per symbol : 16信道：initial seed : 12345Mod

21、e : SNRSNR : -5Input signal power : 1误码器：receive delay : 0Computation delay : 0Mode : entire frameOutput data : port延时器：initial condition : 0Sample time : -1频谱：buffer input buffer size : 1024 buffer overlap : 512 window type : boxcarFft length : 1024 number of spectral average : 64Frequency units :

22、herts frequency range : -fs/2fs/2Amplitude acaling : db minimum y-limit : -30 maximum y-limit : 30y-axis title : madnitude-squared,db根据上述参数设置各模块，运行后，得出如下结果，分别设置FSK调制解调器的频率设为1kHz、2kHz、4kHz。系统的功率谱密度曲线如图至图所示。-6313-&Ftariit-FrE-quencv fkHjff)图 f 1kHz时2FS3率谱密度曲线图Kf2kHz时2FSK功率谱密度曲 2 1 1 2一 I 半-P之耳山三一=6W-F

23、rstna 313Froqucnev kH工)20GFramo. 3 13Fraquoncy (kHz)信源的码元速率为1000Eud, /dk2FSKFS的硕加I谱密度曲线来说，当f 1kHz时为单峰；当f 2kHz时刚刚分离为双峰；当f 4kHz为完全分离的双峰。即，当小于码元速率两倍时，2FSK已调信号功率谱密度曲线为单峰，出现混叠 现象；当等于两倍码元速率时，恰好出现双峰；当远远大于两倍码元速率时，功率 谱密度曲线为双峰，频谱基本不再混叠。最小频移键控（MSK）最小频移键控MS仁进制频移键控（2FSK的改进，其Simulink仿真模型如图所示B4inouinGtntr3：orEltfg

24、ulliSinsrjUnit Dtliy8图 MSK的仿真模型将信号源的Sample time设为1/2,其余参数可参照2-FSK两者参数类似a o D o o o 3-2 1-1-2 gp -益耳后工号言堂F rarneP1. 313F teqLieiricV (kH-z从上图可以看出，与2FSK调制励刑论的怵K曲号的频谱比较紧凑，在主瓣 之外，频谱旁瓣的下降非常迅速。这说明MSK信号的功率主要包含在主瓣之内。 因 此，MSK信号比较适合在窄带信道中传输，对邻道的干扰也较小。二进制相移键控（2PSK利用随机整数信号发生器（Random Integer Generator）成生数字信号，利用

25、Simulink通信工具箱中提供了专门的 BPSK调制和解调模块，应用BPSK调制模块能 可方便地产生2PSK信号，根据图所示仿真框图。重要模块参数设置如下：信源： m-ary number： 2Initial seed :12345Sample time :调制解调器： m-ary number： 2Inputtype : integerPhase rotation :pi/4Output data type :double信道、误码器、延时器、频谱器参数设置参考2FSK根据上述参数设置各模块，运行后，得出如下结果，系统的功率谱密度曲线如图 2PSK功率谱密度曲线在数字调制中，2PSK（后面

26、将会看到2DPSK&同样）的频谱特性与2ASK十分相 似。相位调制和频率调制一样，本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于 表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。 这样一来，数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了，为此可以把数字调相信 号当作线性调制信号来处理了。但是不能把上述概念推广到所有调相信号中去。二进制差分相移键控(2DPSK利用随机整数信号发生器(Random Integer Generator)成生数字信号，利用Simulink通信工具箱中提供了专门的 DBPSK调制和解调模块，应用 DBPSK调制模 块能可方便地产生2DPSK信号，根据图所示仿真框图。Unit DeJey图 2DPSK仿真模型Phase rotation :pi/4Output data type :double重要模块参数设置：调制解调器: