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2ASK调制与解调

我的毕业论文（基于Simulink的数字调制与解调仿真）

                                            中国人民解放军第二炮兵工程学院

                                                                本科生毕业设计论文

                                                    设计题目:

基于Simulink的数字调制与解调仿真

                                                   指导教员：

        李义红              

                                                  专   业：

       电子信息工程            

                                                     区   队：

      11系55队三区队         

                                                     姓   名：

          张 伟                

                                                    学   号：

         03411141              

                                                                                                                               二○○七年六月十日

                                                                                                                     第二炮兵工程学院训练部印制

                                                                               摘要

    在数字传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变为频带信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。

由于大多数实际信号都是带通型的，所以必须先用数字基带信号对载波进行调制，形成数字调制信号再进行传输，因而，调制解调技术是实现现代通信的重要手段。

数字调制的实现，促进了通信的飞速发展。

研究数字通信调制理论，提供有效调制方式，有着重要意义。

调制解调技术的实现方法有多种，本文应用了键控法产生调制与解调信号。

本文重点介绍了2ASK、2FSK、2PSK（BPSK）调制与解调的工作原理，以及用Simulink进行设计和仿真。

论文共分为八章：

第一章主要介绍了选题的意义和目的；第二章我们对Simulink软件的特点、功能以及通信的基本概念和发展历程进行简单的介绍；第三章详细介绍调制解调的理论，着重从数字调制解调中的2ASK、2FSK、2PSK（BPSK）的产生、频谱、解调等过程进行介绍；第四章是我们将介绍调制解调的Simulink仿真,并着重介绍2ASK、2FSK、2PSK的调制以及其相干解调的Simulink仿真，并得出结论；第五章是对该次设计进行简单的总结。

关键字：

调制 解调 Simulink 仿真  

                                  目录

摘要..............................................................2

第一章绪论........................................................4

1．1课题意义...................................................... 4

1．2课题目的 ......................................................4

1．3研究范围 .....................................................4

第二章Simulink的简介与通信技术的历史和发展.............................5

2．1Simulink的简介 ................................................5

2．2通信技术的历史和发展 ............................................5

第三章2ASK2FSK2PSK的工作原理 ......................................9

3．1 调制与解调技术的基本概念及意义 .................................9

3．2 2ASK（AmplitudeShiftKeying）信号调制与解调的原理 ...................9

3．3 2FSK（FrequencyShiftKeying）信号调制与解调的原理.......... ........14

3．4 2PSK（PhaseShiftKeying）信号调制与解调的原理 ......................19

第四章调制与解调仿真...............................................23

4．1  2ASK的调制与解调仿真..........................................23

4．2  2FSK的调制与解调仿真...........................................29

4．3  2PSK的调制与解调仿真.........................................38

第五章总结.......................................................44

致谢.............................................................45

参考资料..........................................................46

                            第一章    绪 论

1．1 课题意义

  随着通信技术日新月异的发展，尤其是数字通信的快速发展越来越普及，研究人员对其相关技术投入了极大的兴趣。

为使数字信号能在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制，其调制方式与模拟信号调制相类似。

根据数字信号控制载波的参量不同也分为调幅、调频和调相三种方式。

因数字信号对载波参数的调制通常采用数字信号的离散值对载波进行键控，故这三种数字调制方式被称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

经调制后的信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。

因此，调制解调技术是实现现代通信的重要手段，促进通信的快速发展。

1．2 选题目的

  通过此次的调制与解调仿真，使我们对2ASK、2FSK、2PSK、调制与解调的工作原理以及Simulink软件有了比较深刻的认识和了解。

在采用不同的调制方式时，PSK的误码率小于FSK，而FSK系统的误码率又小于ASK系统。

在误码率相同条件下，相干PSK要求r（信噪比）最小，FSK系统次之，ASK系统要求r最大，它们之间分别相差3dB。

PSK系统的抗噪声性能最好，但会出现倒π现象，实际中很少采用，而多采用DPSK系统。

1．3 研究范围

   在当代社会中，信息的交换日益频繁，随着通信技术和计算机技术的发展及它们的密切结合，通信能克服对空间和时间的限制，大量的、远距离的信息传递和存取已成为可能。

展望未来，通信技术正在向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向迅速发展，各种新的电信业务也应运而生，正沿着信息服务多种领域广泛延伸。

本系统研究的是2ASK、2FSK、2PSK系统调制解调过程，以及在调制解调过程中使用的方法。

对调制与解调方法建立其模型，从理论上解释2ASK、2FSK、2PSK的调制与解调的原理，并采用Simulink软件进行仿真，使输出结果达到最好效果。

               第二章Simulink的简介与通信技术的历史和发展

2．1 Simulink的简介

   近几年，在学术界和工业领域，Simulink已成为在动态系统领域建模和仿真方面分，Simulink具有相对独立的功能和使用方法。

确切的说，它是一个用来对动态系统进行建模、应用最广泛的软件包之一。

它的魅力在于强大的功能和简便的饿操作。

作为MATLAB的重要组成部仿真和分析的软件包。

它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。

在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地"画"出系统模型，然后直接进行仿真。

它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。

它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。

    Simulink包含有SINKS（输出方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模，用户也可以定制和创建用户自己的模块。

用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。

用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。

在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。

菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。

采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。

除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。

仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。

   模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具及MATLAB的应用工具箱。

由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。

2.2通信技术的历史和发展

2.2.1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、图形和图象等都是消息（Message）。

消息有模拟消息（如语音、图象等）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2-2-1所示。

              ↑

图2-2-1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2-2-2所示，

                            ↑

图2-2-2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2-2-3所示。

图2-2-3模拟通信系统模型

2.2.2通信的发展史简介

   远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。

为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。

1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。

1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。

1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。

1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。

20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。

在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。

数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。

2.2.3数字通信的发展现状和趋势

   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。

例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。

根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。

  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。

到那时人们的生活将越来越离不开通信。

                   第三章  2ASK2FSK2PSK的原理

3.1调制与解调技术的基本概念及意义

   调制即是用基带数字信号去控制某一较高频率的正弦或脉冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。

那么，已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号还原成基带数字信号，这种数字信号的反变换称为数字解调。

通常，我们把数字调制与解调合起来称为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输系统。

   数字调制技术可以分为两种类型：

（1）利用模拟方法进行数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；

（2）利用数字信号的离散取值特点键控载波，从而实现数字调制。

第

（2）种技术通常称为键控法，比如对载波的振幅，频率以及相位进行键控，便可获得振幅键控（ASK），频移键控（FSK）及相移键控（PSK）调制方式。

键控法一般由数字电路实现，它具有调制变换速率快，调制测试方便，体积小和设备可靠性高的特点。

3．2  2ASK（AmplitudeShiftKeying）信号调制与解调的原理

3．2．1一般原理与实现方法

  二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式,与是各种数字调制的基础。

振幅键控（也称幅移键控）,记作ASK（AmplitudeShiftKeying），或称其为开关键控（通断键控），记作OOK（OnOff Keying）。

二进制数字振幅键控通常记作2ASK。

   对于振幅键控这样的线性调制来说，在二进制里，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"。

根据线性调制的原理，一个二进制的振幅键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘，即

                                                         （3-1）

其中，g（t）是持续时间Ts的矩形脉冲，为载波频率，为二进制数字。

           （3-2）

若令

                           （3-3）

则式变为

                         （3-4）

实现振幅调制的一般原理图如图3-2-1所示

↑

图3-2-1 数字线性调制方框图

图中，基带信号形成器把数字序列{}转成为所需要的单极性基带矩形脉冲序列s（t）与载波相乘后即把s（t）的频谱搬移到 附近，实现了2ASK。

带通滤波器滤出所需要的已调信号，防止带外辐射影响邻台。

2ASK信号的波形如图3-2-2所示。

图3-2-2 2ASK信号的产生及波形模型

3.2.2   2ASK信号的功率谱及带宽

  若用G（f）表示二进制序列中一个宽度为、高度为1的门函数g（t）所对应的频谱函数，（f）为的功率谱密度，（f）为已调信号e（t）的功率谱密度，则有

                           （3-5）

2ASK信号功率谱示意图如图3-2-3所示

图3-2-3 2ASK信号功率谱示意图

由图3-2-3可见：

（1）因为2ASK信号的功率谱密度是相应的单极性数字基带信号功率谱密度 形状不变的平移到处形成的，所以2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱两部分组成。

它的连续谱取决于数字基带信号基本脉冲的频谱G（f）；它的离散谱是位于处一对频域冲击函数，这意味着2ASK信号中存在着可做载频同步的载波频率的成分。

（2）基于同样的原因，我们可以知道，上面所述的2ASK信号实际上相当于双边带调幅（DSB）信号。

因此，由图2-2-3可以看出，2ASK信号的带宽是单极性数字基带信号的两倍。

当数字基带信号的基本脉冲是巨型不归零脉冲时，，于是2ASK信号的带宽为

                 （3-6）

因为系统的传码率=1/（Baud），故2ASK系统的频带利用率为

                 （3-7）

这意味着用2ASK方式传送码元速率为的数字信号时，要求该系统的带宽至少为           。

3．2．3    2ASK信号的解调及系统的误码率

   2ASK信号的解调由振幅检波器来完成，具体方法主要有两种：

非相干解调法（包络检波法）和相干解调法（同步检测法）。

包络解调法的原理方框图如图3-2-4所示。

带通滤波器恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。

低通滤波器的作用是滤除高频杂波，使基带包络信号通过。

抽样判决器包括抽样、判决及码元形成，有时又称译码器。

不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK信号，即y（t）=s（t），包络检波器输出为s（t）,经过抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列{}。

图3-2-4 2ASK信号的包络解调

相干解调原理方框图如图3-2-5所示。

相干解调就是同步解调，同步解调时，接收机要产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波，利用此载波与收到的已调载波相乘，相乘输出为

            （3-8）

由于噪声影响及传输特性的不理想低通滤波器输出波形有失真，经抽样、判决、整形后再生数字基带脉冲。

                     图3-2-5 2ASK信号的相干解调

包络解调时2ASK系统的误码率的计算是根据发"1"和发"0"两种情况下产生误码率之和而得来的。

设信号的幅度为A，信道中存在着高斯白噪声，当带通滤波器恰好让ASK信号通过时，因为发"1"时包络的一维概率密度函数为莱斯分布，其主要能量集中在"1"

附近，而发"0"时包络的一维概率密度函数为瑞利分布，信号能量主要集中在"0"附近，但是，这两种分布在A/2附近产生重叠，见图3-2-6。

若发"1"的概率为P

（1），发"0"

的概率为P（0），并且P

（1）=P（0）=1/2时，取样判决器的判决门限电平取为A/2，当包络的抽样值A/2时，判为"1"；抽样值A/2时，判决为"0"。

发"1"错判为"0"

的概率为P（0/1），发"0"错判为"1"概率为P（1/0），，则系统的总误码率为

                    （3-9）

由此可见，包络解调2ASK系统的误码率随输入信噪比r的增大近似地按指数规律下降。

相干解调时，2ASK系统的误码率的计算是考虑经过带通滤波器、乘法器以及低通滤波器以后，信号和噪声均已检出并输入抽样判决器，无论是发送"1"还是"0"，判决器输入信号与噪声的混合物，其瞬时值的概率密度都是正态分布的，只是均值不同而已。

当P（0）=P

（1）=1/2，假设判决门限电平为A/2，xA/2判为"1"，xA/2判决为"0"，发"1"判为"0"的概率为P（0/1），发"0"判为"1"的概率为P（0/1），这时，相干检测时2ASK系统的误码率为

               （3-10） 

3．3 2FSK（FrequencyShiftKeying）信号调制与解调的原理

3.3.1一般原理与实现方法

   数字频率调制又称为频移键控，记作FSK（FrequencyShiftKeying），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信息的，即用所传送的数字消息控制载波的频率，由于数字只有有限个取值。

那么，2FSK信号便是符号"1"对应与载波，而符号"0"对应于载频 （与不同的另一个载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间来完成的。

从原理上讲调频可用模拟调频来实现，也可用键控法来实现，后者较为简便。

2FSK键控法就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的。

若正弦载波的频率随二进制基