基于simulink的数字调制解调仿真与设计

目录TOC\o"1-3"\h\u数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。通常使用键控法来实现数字调制，比方对载波的振幅、频率和相位进行键控。其次，还有4PSK、16QAM等调制方式。Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平台的著名仿真环境Simulink作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具，目前已被越来越多的工程技术人员所青睐，它搭建积木式的建模仿真方式既简单又直观，而且已经在各个领域得到了广泛的应用。本文主要是以simulink为根底平台，对2ASK、2FSK、2PSK以及QPSK信号的仿真。文章第一章内容是对simulink的简单介绍和说明；第二章是对通信原理系统通信技术的未来展望和开展前景的简单介绍以及对数字传输系统的分析与介绍；第三章是对2ASK、2FSK和2PSK以及QPSK信号调制及解调原理与仿真的详细说明，调制和解调都是simulink建模的的方法，在解调局部各信号都是采用相干解调的方法；第四章是对本次课程设计的总结与体会。Matlab/Simulink1.1Matlab/Simulink的简介2.1通信技术的历史和开展2.1.1通信的概念通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。消息有模拟消息〔如语音、图像等〕以及数字消息〔如数据、文字等〕之分。所有消息必须在转换成电信号〔通常简称为信号〕后才能在通信系统中传输。所以，信号〔Signal〕是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information)。消息是具体的、外表的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。通信技术，特别是数字通信技术近年来开展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成局部。通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者)，它的一般模型如图2-1-1所示。↑图2-1-1通信系统一般模型通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图2-1-2所示。↑图2-1-2数字通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图2-1-3所示。↑图2-1-3模拟通信系统模型数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。2.2数字频带传输系统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。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。图2-2-1数字调制系统的根本结构数字调制与模拟调制原理是相同的，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。3.1二进制振幅键控(2ASK)3.1.1二进制振幅键控(2ASK)的原理振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，那么为二进制振幅键控。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符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为：〔3-1-1〕

其中：〔3-1-2〕Ts是二进制基带信号时间间隔,g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲：〔3-1-3〕那么二进制振幅键控信号可表示为：

〔3-1-4〕二进制振幅键控信号时间波型如图3-1-1所示。由图4-1可以看出2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号(OOK信号).。二进制振幅键控信号的产生方法如图3-1-2所示，图(a)是采用模拟相乘的方法实现，图(b)是采用数字键控的方法实现。由图3-1-1可以看出2ASK信号与模拟调制中的AM信号类似。所以,对2ASK信号也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)，其相应原理方框图如图3-1-3所示。2ASK信号非相干解调过程的时间波形如图3-1-4所示。图3-1-1二进制振幅键控信号时间波型图3-1-2二进制振幅键控信号调制器原理框图图3-1-3二进制振幅键控信号解调器原理框图图3-1-4二进制振幅键控信号时间波型3.1.22ASK基于simulink的调制与解调仿真设计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模型图如下所示：图3-1-52ASK信号调制的模型方框图其中正弦信号是载波信号，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。〔2〕参数设置建立好模型之后就要设置系统参数，以到达系统的最正确仿真。从正弦信号源开始依次的仿真参数设置如下：图3-1-6正弦信号参数设置其中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。图3-1-7方波信号源的参数设置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。〔3〕系统仿真及各点波形图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：图3-1-8各点的时间波形图由上图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。2.解调仿真2ASK的解调分为相干解调和非相干解调法，采用相干解调法对2ASK信号进行解调。(1)建立simulink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模型图如下：图3-1-92ASK相干解调的simulink模型方框图〔2〕参数设置由于低通滤波器是滤去高频的载波，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异，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：图3-1-10低通滤波器的参数设置图图3-1-112ASK信号解调的各点时间波形图〔3〕系统仿真及各点时间波形图由图3-1-11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，不过要想显示调制局部的理想波形只要调整示波器的显示范围即可。〔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，由3-1-11图可以看出此系统的误码率为0.3636。3.2二进制频移键控(2FSK)3.2.1二进制频移键控(2FSK)的原理在二进制数字调制中，假设正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，那么产生二进制频移键控信号(2FSK信号)。二进制频移键控信号的时间波形如图4-2-1所示，图中波形g可分解为波形e和波形f，即二进制频移键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。假设二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，那么二进制频移键控信号的时域表达式为：〔3-2-1〕〔3-2-2〕〔3-2-3〕图3-2-1二进制移频键控信号的时间波形由图3-2-1可看出bn是an的反码,即假设an=1,那么=0,假设an=0,那么bn=1,于是bn=，θn和分别代表第n个信号码元的初始相位.在二进制频移键控信号中,和θn不携带信息,通常可令和θn为零.因此,二进制频移键控信号的时域表达式可简化为

〔3-2-4〕二进制频移键控信号的产生,可以采用模拟调频电路来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。图3-2-2是数字键控法实现二进制频移键控信号的原理图。二进制频移键控信号的解调方法很多，有模拟鉴频法和数字检测法,有非相干解调方法也有相干解调方法。采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图3-2-3所示，非相干解调过程的时间波形如图3-2-4所示。图3-2-2二进制移频键控信号解调器原理图图3-2-3非相干解调和相干解调两种方法的原理图图3-2-42FSK非相干解调过程的时间波形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，其中f1和f2是两个频率有明显差异的且都远大于信号源频率的载波信号，2FSK信号产生的simulink仿真模型图如下所示：图3-2-52FSK信号的simulink模型方框图其中sinwave和sinwave1是两个频率分别为f1和f2的载波，PulseGenerator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，在此选择载波为单精度信号。图3-2-6载波sinwave的参数设置图3-2-7载波sinwave1的参数设置f2的参数设置如图3-2-7所示。其中载波是幅度为2，f2=2,采样时间为0.002s的单精度信号。本来信号源s(t)序列是用随机的0和1信号产生，在此为了方便仿真就选择了基于采样的PulseGenerator信号模块其参数设置如下：图3-2-8PulseGenerator信号模块参数设置其中方波是幅度为1，周期为3，占1比为1/3的基于采样的信号。图3-2-92FSK信号调制各点的时间波形经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3-2-9所示。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异。2．解调仿真解调方框图如下所示：图3-2-102FSK信号解调方框图经过系统的仿真可以观察出系统的误码率为0.7273，如下列图所示：图3-2-112FSK相干解调误码率经过系统仿真后的各点时间波形如图3-2-12所示：图3-2-122FSK信号解调各点时间波形3.3二进制相移键控(2PSK)3.3.1二进制相移键控(2PSK)的原理在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，那么产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0二进制移相键控信号的时域表达式为：e2PSK(t)=g(t-nTs)]cosωct(3-1-1)

其中，an与2ASK和2FSK时的不同，在2PSK调制中，an应选择双极性，即：〔3-1-2〕〔3-1-3〕假设g(t)是脉宽为Ts，高度为1的矩形脉冲时，那么有：

e2PSK(t)=cosωct发送概率为P

e2PSK(t)=-cosωct发送概率为1-P〔3-1-4〕

由式(3-1-4)可看出，当发送二进制符号1时，已调信号e2PSK(t)取0°相位，发送二进制符号时，e2PSK(t)取180°相位。图3-3-1二进制移相键控信号的时间波形

二进制移相键控信号的调制原理图如图3-3-2所示。2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如图3-3-3所示，相干解调各点时间波形如图3-3-4所示。当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为"倒π"现象。图3-3-22PSK信号的调制原理图图3-3-32PSK信号的解调原理图图3-3-42PSK信号相干解调各点时间波形3.3.22PSK的调制与解调仿真1．调制仿真在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,那么产生二进制移相键控(2PSK)信号.在此用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0用两个反相的载波信号进行调制，其方框图如下：图3-3-62PSK信号调制的simulink的模型图图3-3-7Sinwave信号参数设置图3-3-8Sinwave1信号的参数设置由图3-3-7和3-3-8可看出两个载波是幅度为3频率为4Hz采样时间为0.002s的反相信号。图3-3-9脉冲信号的参数设置脉冲信号是幅度为2周期为1占空比为50%的基于时间的信号。图3-3-102PSK调制的各点时间波形解调仿真〔1〕建立simulink模型方框图如下：图3-3-112PSK解调框图〔2〕各点的时间波形如下所示：图3-3-122PSK解调各点的时间波形3.4QPSK设计原理QPSK星座图QPSK是QuadraturePhaseShiftKeying的简称，意为正交移相键控，是数字调制的一种方式。它规定了四种载波相位，分别为0,,,(或者，，，)，星座图如图3-4-1所示。〔a〕〔b〕〔a〕〔b〕图3-4-1QPSK星座图QPSK的调制因为输入信息是二进制序列，所以需要将二进制数据变换成四进制数据，才能和四进制的载波相位配合起来。采取的方法是将二进制数字序列中每两个序列分成一组，共四种组合〔00,01,10,11〕，每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK每次调制可传输两个信息比特。本次课程设计主要采用正交调制法调制。图3-4-2正交调制图3-4-3QPSK调制仿真图查阅资料，熟悉simulink的工作环境，理解simulink的模块功能，根据图3-4-2的方框图搭建QPSK调制电路如图3-4-3所示，采用Buffer和Demux将信号源进行串并转换，UnipolartoBipolar实现电平转换。QPSK的解调QPSK信号可以用两个正交的载波信号实现相干解调，它的相干解调器如图3-4-4所示，正交路分别设置两个匹配滤波器，得到I〔t〕和Q〔t〕，经电平判决和并转串即可恢复出原始信息。图3-4-4QPSK相干解调图根据图3-4-4的方框图搭建QPSK解调电路如图3-4-5所示，载波采用调制时的载波信号，解调后的信号经位定时后判决得到并行二进制序列，再经并转串输出二进制序列。图3-4-5QPSK解调仿真电路QPSK设计结果及分析信号调制解调后的时域波形图如图3-4-6所示，由于仿真时示波器采样时间过少时会造成波形失真，而信号频率很高时仿真时间过长，所以采用数据低传输速率，载波也采用低频信号进行模拟仿真。图3-4-6QPSK调制时域波形图从模拟仿真图中可以看出QPSK调制过程产生了四种相位，与理论相符合。QPSK的误码主要来源于高斯信道的噪声干扰，以及信号的码间串扰。其次由于位定时不准确也会造成抽样判决错误，导致信号与原始信号不同，产生误码。利用MATLAB软件完成了一个完整的数字频带传输系统的课程设计，充分发挥了SIMULINK功能强大，建模简单，参数易于调整的特点。结果说明，基于SIMULINK仿真模型，能够反映数字通信系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供了强有力的工具，也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。在通信原理的教学过程中,一直注重理论的教学,但是深奥的理论难以理解,很有必要以某种可见的、图形化的形式来加深对理论的理解。MATLAB的引入带来了直观的感受,提供了完整的动态系统设计、仿真和可视化的分析环境,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统以及各种速率的系统,主要用于电路与通信系统的设计和仿真。通过MATLAB语言对2ASK、2FSK、2PSK以及QPSK信号的仿真与设计，使