基于matlab的通信系统的仿真与实现.docx

基于matlab的通信系统的仿真与实现.docx

《基于matlab的通信系统的仿真与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于matlab的通信系统的仿真与实现.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于matlab的通信系统的仿真与实现

摘要

数字调制是通信系统中最为重要的环节之一，数字调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径之一。

本文对simulink的简单介绍和通信技术的目前发展和未来展望，重点分析了数字调制的几种基本调制方式，然后运用MATLAB及附带的图形仿真工具——Simulink设计了2ASK和2PSK调制解调的仿真模型。

通过仿真，观察了解调制解调过程中个环节时域和频域的波形，并结合这两种调制方法的调制原理，跟踪分析了各个环节对调制性能的影响及仿真模型的可靠性。

最后，在仿真的基础上分析比较2ASK和2FSK的误码率，综合衡量各系统的性能指标，通过比较仿真结果及理论计算，证明FSK系统的误码率小于ASK系统。

关键词：

数字调制；仿真；调制解调；MATLAB/Simulink；2ASK;2FSK

ABSTRACT

Digitalmodulationisoneofthemostimportantpartofmoderncommunicationsystems.Theimprovementofcommunicationsystemperformancedependsonprogressofthedigitalmodulationtechniques.Inthispaper,severalmethodsofdigitalmodulationsareintroducedfirstly.ThentheirsimulationmodelsarebuiltbyusingMATLAB’ssimulationtool,SIMULINK.Throughobservingtheresultsofsimulation,thefactorsthataffectthecapabilityofthedigitalmodulationsystemandthereliabilityofthesimulationmodelsareanalyzed.Andthen,thecapabilityoftwodigitalmodulationsimulationmodels,2ASK,2FSK,havebeencompared,aswellascomparingtheresultsofsimulationandtheory.Atlast,theconclusionisgotten:

thesimulationmodelsarereasonable.

Keywords:

Digitalmodulation;Simulation;Modem;MATLAB/Simulink;2ASK;2FSK;

第一章绪论

1.1引言

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，如电话机、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、表面的，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发展非常迅速，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部分。

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1-1所示。

↑

图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1-2所示，

↑

图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1-3所示。

图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。

因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。

近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。

1.2数字调制及其意义

现代通信系统中，数字调制技术应用越来越广泛，现有的通信系统都在由模拟方式向数字方式过渡。

数字通信技术采用数字技术进行加密和差错控制，便于集成，因此数字通信具有模拟通信不可比拟的优势。

数字调制一般指调制信号是离散的，而载波是连续波的调制方式。

它有四种基本形式：

振幅键控、频移键控、相移键控和差分移相键控。

振幅键控（ASK）：

用数字调制信号控制载波的通断。

如在二进制中,发0时不发送载波,发1时发送载波。

有时也把代表多个符号的多电平振幅调制称为振幅键控。

振幅键控实现简单，但抗干扰能力差。

移频键控（FSK）：

用数字调制信号的正负控制载波的频率。

当数字信号的振幅为正时载波频率为f1，当数字信号的振幅为负时载波频率为f2。

有时也把代表两个以上符号的多进制频率调制称为移频键控。

移频键控能区分通路，但抗干扰能力不如移相键控和差分移相键控。

移相键控（PSK）：

用数字调制信号的正负控制载波的相位。

当数字信号的振幅为正时，载波起始相位取0；当数字信号的振幅为负时,载波起始相位取180°。

有时也把代表两个以上符号的多相制相位调制称为移相键控。

移相键控抗干扰能力强，但在解调时需要有一个正确的参考相位，即需要相干解调。

差分移相键控（DPSK）：

利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息。

1.3MATLAB/Simulink的简介

美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“MatrixLaboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早的雏形。

开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。

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的欢迎。

由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本。

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，扩充便，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，使其成为了巨大的知识宝库。

可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。

科研工作者通常可以通过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。

目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。

另外，,Matlab和其他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。

随着通信系统复杂性的增加,传统的手工分析与电路板试验等分析设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出其巨大的优越性.。

计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型,利用计算机进行实验研究的一种方法.它具有利用模型进行仿真的一系列优点,如费用低,易于进行真实系统难于实现的各种试验,以及易于实现完全相同条件下的重复试验等。

Matlab仿真软件就是分析通信系统常用的工具之一。

Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。

Matlab的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。

应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。

Matlab具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。

Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。

用户可以在Matlab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。

用于实现通信仿真的通信工具包（Communicationtoolbox,也叫Commlib,通信工具箱）是Matlab语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab环境下独立使用,也可以配合Simulink使用。

另外，Matlab的图形界面功能GUI（GraphicalUserInterface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。

因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。

1.4通信技术发展现状和趋势

进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。

特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。

1.微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。

2.移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。

3.光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。

4.电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。

5.微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。

随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。

随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。

第二章数字调制解调的基本原理

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2-1数字调制系统的基本结构

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。

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）。

本章重点论述二进制数字调制系统的原理及其抗噪声性能，简要介绍多进制数字调制原理。

2.12ASK的基本原理及其调制解调

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,则为二进制振幅键控.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

其中:

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:

则二进制振幅键控信号可表示为

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2-2所示,上图是采用模拟相乘的方法实现,下图是采用数字键控的方法实现.

图2-2二进制振幅键控信号调制器原理框图

对2ASK信号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2-3所示.

图2-3二进制振幅键控信号解调器原理框图

2.22FSK的基本原理及其调制解调

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”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1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。

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。

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|f1-f2|≤fs，则出现单峰。

2FSK信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，使其能够输出两个不同的频率的码元，如图2-4；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2-5。

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。

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2-6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时对两个低频信号的抽样值V0（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。

2.32ASK、2FSK信号的功率谱密度分析

2.3.12ASK信号的功率谱密度

若二进制基带信号s（t）的功率谱密度Ps（f）为

则二进制振幅键控信号的功率谱密度为

整理后可得

式中用到

。

二进制振幅键控信号的功率谱密度如图2-7所示，由离散谱和连续谱两部分组成。

续谱两部分组成。

离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g（t）确定，二进制振幅键控信号的带宽B2AS是基带信号波形带宽B的两倍,即B2ASK=2B

图2-7二进制振幅键控信号的功率谱密度

2.3.22FSK信号的功率谱密度

相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱密度可以近似表示成两个同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。

令概率

，将二进制数字基带信号的功率谱密度公式带入式（2-1-19）可得

由上式可得，相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成，其中，离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加形成；若两个载波频差小于fs，则连续谱在fc处出现单峰；若载频差大于fs，则连续谱出现双峰。

若以二进制移频键控信号功率谱第一个

零点之间的频率间隔计算二进制移频键控信号的带宽，则该二进制移频键控信号的带宽B2FSK为

其中fs=1/Ts

图2-8相位不连续二进制频移键控信号的功率谱示意图

2.42PSK的基本原理及其调制解调

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π，为1时载波相位为π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P＝1/2时，2PSK无离散谱，而2ASK存在离散谱。

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2-7；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2-8。

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“0”变“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信号的解调方法是相干接受法。

由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号，如图2-9所示。

2.42DPSK的基本原理

二进制差分相移键控（2DPSK）二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的波形不同，2DPSK波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2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，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2PSK方式中的“倒π”现象发生。

单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的，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2DPSK信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。

2DPSK信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－码变换法。

2.5多进制数字调制简介

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（如4进制，8进制，16进制等）的基带信号。

所谓多进制数字调制，就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位的过程。

根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为多进制幅度键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）以及多进制相移键控（MPSK或MDPSK）。

也可以把载波的两个参量组合起来进行调制，如把幅度和相位组合起来得到多进制幅相键控（MAPK）或它的特殊形式多进制正交幅度调制（MQAM）等。

由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数字调制有以下几个特点：

（1）在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。

码元速率相同时，M进制数传系统的信息速率是二进制的log2M倍。

在实际应用中，通常取M=2k，k为大于1的正整数。

（2）在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。

信息速率相同时，M进制的码元宽度是二进制的log2M倍，这样可以增加每个码元的能量，并能减小码间串扰影响等。

正是基于这些特点，使多进制数字调制方式得到了广泛的使用。

不过，获得以上几点好处所付出的代价是，信号功率需求增加和实现复杂度加大。

第三章数字调制的仿真及结果分析

在第二章中已经对数字调制的各种方式的原理和过程进行了详细介绍，本章主要对用MATLAB仿真软件对2ASK和2FSK的仿真，并对仿真结果进行分析。

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（信源模块），Sinks（显示模块），Discrete（离散系统模块），Linear（线性环节），Nonlinear（非线性环节），Connections（连接）,Blocksets&Toolboxes（其他环节）。

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。

3.12ASK的调制与解调仿真

3.1.12ASK的调制仿真

（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3-12ASK信号调制的模型方框图

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。

（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。

设置其载波为幅度为2频率为20Hz采样周期为0.002的双精度DSP信号。

数字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。

其设置参数如下图所示：

图3-2正弦信号参数设置

图3-3方波信号源的参数设置

（3）系统仿真及各点波形图

经过上面参数的设置后，点击运行按钮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3-4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。

3.1.22ASK的解调仿真

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3-52ASK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