基于SIMULINK的数字调制仿真.docx

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基于SIMULINK的数字调制仿真

基于Simulink的数字调制仿真

摘要

本文是基于仿真软件Simulink为平台，实现对2ASK、2FSK、2PSK信号的仿真。

本文第一章的内容是介绍一个简单的仿真软件simulink，并且介绍通信技术的发展和未来前景；第二章是对振幅键控、频移键控和相移键控信号调制和解调详细原理的介绍；第三章是本论文的主体，也是这个主题的主要内容的表现，第三章是振幅键控、频移键控和相移键控信号的仿真部分。

调制和解调都是采用simulink仿真软件建模方法，解调部分的每个信号都采用相干解调的方法，并在解调过程中对整个系统的误码率在display模块中都有所显示。

本文的主要目的是熟悉仿真软件simulink的使用和更加深化和理解数字通信理论，通过仿真观察2ASK、2FSK和2PSK调制、解调过程中的传输带宽、频带利用率、抗噪声性能、信噪比等性能；并进行比较、分析，以便深入理解它们的优缺点及适用场合，具有重要学术意义。

关键词：

2ASK、2FSK、2DPSK；Simulink；误码率；频带利用率

Abstract

Thispaperisbasedonthesimulinkplatformtoachievethesimulationof2ASK,2FSK,2PSKsignal.Thefirstchaptercontentisasimpleintroductionofsimulinkandthedevelopmentofcommunicationtechnologyandfutureprospects;Thesecondchapteristhe2ASK,2FSKand2PSKsignalmodulationanddemodulationprinciple;Thethirdchapteristhemainbodyofthispaperandthemaincontentofthissubject,thethirdchapteristhe2ASK,2FSKand2PSKsignalsimulationofmodulationanddemodulation.Thedemodulationpartsofeachsignaladoptessimulinkmodelingmethod,andintheprocessofdemodulationthebiterrorrateofthewholesystemisshowninthedisplaymodule.

ThemainpurposeofthispaperistousesimulationsoftwareSIMULINKmorefamiliarlyandunderstandthedigitalcommunicationtheorydeeplier,andgothroughthesimulationof2ASK,2FSKand2PSKmodulation,transmissionbandwidth,thebandwidthutilization,noiseperformance,SNRperformance;andcomparedtheminordertounderstandtheadvantagesanddisadvantagesofthemanditsappliedsituation,ithasimportantacademicsignificance.

Keywords：

2ASK,2FSK,2PSK;Simulink;Errorrate;Utilizationrateoffrequency

目录

第1章绪论1

1.1引言1

1.2通信技术及其发展1

1.3本文的研究意义和主要内容2

第2章二进制数字调制的理论分析3

2.1二进制振幅键控（2ASK）3

2.2二进制频移键控（2FSK）4

2.3二进制相移键控（2PSK）5

2.4数字调制的可靠性理论分析5

第3章仿真模型的设计及结果分析7

3.12ASK的调制与解调仿真7

3.22FSK的调制与解调仿真9

3.32PSK的调制与解调仿真13

3.4结果分析15

第4章二进制数字调制系统的性能比较16

4.1频带宽度16

4.2误码率16

4.3对信道特性变化的敏感性17

4.4本章小结17

第5章总结18

参考文献19

致谢21

第1章绪论

1.1引言

当今，随着通信技术的快速发展，通信系统也日趋复杂。

然而，通信的任务并没有发生任何变化，依然是有效而可靠地实现信息的传输。

在实际通信过程中，由于噪声的存在，要完成实际通信系统的实验研究非常困难。

近几年随着仿真软件越来越成熟，对通信系统的研究越来越方便。

Matlab语言中的Simulink动态仿真软件已慢慢成为各种通信系统分析、设计、仿真和实验的综合平台。

本文借助Simulink仿真软件[1]对通信系统中几种数字调制系统的可靠性进行了分析。

1.2通信技术及其发展

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。

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[2]如图1-1所示。

图1-1通信系统的一般模型

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[3]如图1-2所示。

图1-2数字通信系统模型

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。

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。

1.3本文的研究意义和主要内容

数字调制解调[3]技术在数字通信中占有十分重要的地位，数字通信技术与SIMULINK的结合是现代通信系统发展的一个必然趋势。

文中给出利用SIMULINK电路来实现二进制数字调制（包括2ASK，2FSK和2PSK）的仿真，将抽象的原理形象化,并对仿真结果进行分析和讨论，以便深入理解它们的优缺点及适用场合，具有重要学术意义。

第2章二进制数字调制的理论分析

2.1二进制振幅键控（2ASK）

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[4]。

设发送的二进制符号序列由0和1序列组成，发送0符号的概率为P，则发送1符号的概率为1-P，且二者相互独立。

二进制振幅键控信号的产生方法如图2-1所示，第一种是模拟相乘的方法实现，第二种是数字键控的方法实现。

对2ASK信号也能够采用非相干解调（包络检波法）[5]和相干解调（同步检测法）[6]，其相应原理方框图如图2-2所示。

二进制不归零信号

图2-1二进制振幅键控信号的产生方法

输出

定时脉冲

（a）相干解调方式

输出

定时

脉冲

（b）非相干解调方式

图2-2二进制振幅键控信号解调器原理框图

2.2二进制频移键控（2FSK）

在二进制数字调制中，若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，产生二进制移频键控信号[7]。

二进制移频键控信号的产生，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2-3是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图，图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号[8]控制，在一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一。

采用非相干解调和相干解调[9]两种方法的原理图如图2-4所示。

其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号，分别进行解调。

输出

基带信号

图2-3数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图

定时脉冲输出

（a）非相干解调

定时脉冲

（b）相干解调

图2-4二进制移频键控信号解调器原理图

2.3二进制相移键控（2PSK）

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，则产生二进制移相键控（2PSK）[10]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。

这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式,称为二进制绝对相移，二进制移相键控信号的调制原理图如图2-5所示。

其中图左是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图右是采用数字键控的方法产生2PSK信号。

2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如图2-6所示。

s（t）双极性

000

不归零180

S（t）

图2-52PSK信号的调制原理图

输出

定时脉冲

图2-62PSK信号的解调原理图

2.4数字调制的可靠性理论分析

现代数字通信系统由两个主要部分构成:

数字信号的基带传输系统[11]和数字信号的频带传输系统[12],其中,数字信号频带传输系统的应用最为广泛。

频带传输系统是指将原始的数字基带信号,经过频谱搬移,变换成适合在频带上传输的频带信号,而传输这种信号的系统就称为频带传输系统。

在频带传输系统中,根据已调信号参数改变类型的不同,可分为用基带信号控制一个载波幅度的数字调幅信号（ASK）;用基带信号控制一个载波频率的数字调频信号（FSK）和用基带信号控制一个载波相位的数字调相信号（PSK）。

衡量一个数字通信系统可靠性的主要指标是错误率,它有三种不同的定义[13]:

（1）误码率:

指错误接收码元数目在传输码元总数中所占的比例。

（2）误比特率:

指错误接受比特数在传输总数总比特数中所占的比例。

（3）误字率:

指错误接收字数在传输总字数中所占的比例。

对于二进制的数字通信系统的误码率和误比特率[14]是相等的。

其误码率实质上就是在接收端将发送端发送的0，误判为1；以及发送1，误判为0的概率。

因此,传输总的错误概率为:

Pe=P（0）P（1/0）+P

（1）P（0/1）[15]。

根据二进制数字调制系统的误码率公式可知,二进制数字通信系统的误码率只跟信噪比[16]有关系,可作出三种数字通信系统的误码率与信噪比r的关系曲线,如图2-7所示。

可以看出,在恒参信道[17]中,对于相同的信噪比r,相干解调的PSK系统的误码率最小；对于不同的调制方式,当信噪比相同时,PSK的误码率小于FSK，而FSK系统的误码率又小于ASK系统；在相同的误码率下，PSK要求的r最小，FSK次之；ASK系统要求r最大，它们之间分别相差3dB。

图2-7误码率Pe与信噪比r的关系曲线

第3章

仿真模型的设计及结果分析

3.12ASK的调制与解调仿真

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模型图如图3-1所示：

图3-12ASK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）序列的信号源，正弦信号和方波相乘后就得到键控2ASK信号。

2）参数设置

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，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，图3-2为各点的波形图。

图3-22ASK信号调制系统仿真波形图

由上图可以看出信息源和载波信号相乘之后就产生了2ASK信号。

2.解调仿真

相干解调也叫同步解调，就是用已调信号恢复出载波——同步载波[18]。

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。

1）建立simulink模型方框图

图3-32ASK信号解调的模型方框图

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，图3-4是低通滤波器的参数设置。

图3-4低通滤波器的参数设置

3）系统仿真及各点时间波形图如图3-5所示。

图3-52ASK信号解调系统仿真波形图

由上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范围即可。

3.22FSK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别的且都远大于信号源频率。

1）2FSK信号产生的simulink仿真模型图如图3-6所示。

图3-62FSK信号产生的simulink仿真模型图

其中sinwave和sinwave1是两个频率分别为f1和f2的载波，PulseGenerator模块[17]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。

2）参数设置

载波f1的参设：

其中幅度为2，f1=1Hz,采样时间为0.002s的单精度信号；f2的参数设置：

幅度为2，f2=2Hz,采样时间为0.002s的单精度信号[19]；PulseGenerator信号模块其参数设置：

方波是幅度为1，周期为3，占空比为1/3的基于采样的信号。

3）系统仿真，2FSK各点的时间波形如图3-7所示。

图3-72FSK信号调制系统仿真波形图

由上图可以看出经过f1和f2两个载波的调制，2FSK信号有明显频率上差别。

2.解调仿真

1）解调方框图如图3-8所示。

图3-82FSK信号解调方框模型图

其中FromFile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，后面就和2ASK信号的解调过程相同。

2）参数设置

图3-92FSK信号f1带通滤波器参数设置

图3-102FSK信号f2带通滤波器参数设置

3）系统仿真：

2FSK信号解调各点时间波形如图3-11所示。

图3-112FSK信号解调系统仿真波形图

经过系统的仿真可以观察出系统的误码率为0.7273，如图3-12所示：

图3-122FSK相干解调误码率

3.32PSK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,则产生二进制移相键控（2PSK）[20]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。

（1）其方框图如3-13所示：

图3-132PSK信号调制模型方框图

其中Sinwave和Sinwave1是反相的载波，正弦脉冲作为信号源。

（2）参数设置：

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；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。

（3）系统仿真：

2PSK解调各点的时间波形如图3-14所示：

图3-142PSK信号调制仿真波形图

2.解调仿真

1）建立simulink模型方框图如图3-15所示：

图3-152PSK信号解调方框模型图

2）各点的时间波形如图3-16所示：

图3-162PSK信号解调系统仿真波形图

3.4结果分析

（1）对于2ASK调制系统，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，经过系统仿真可以观察出系统的误码率为0.3636。

（2）对于2FSK调制系统，经过系统的仿真可以观察出系统的误码率0.7273。

（3）对于2PSK调制系统，经过系统仿真可以看出其误码率为0.6667，由于没有噪声的影响所以误码率一般在0.5，由于系统的不准确性和码间影响所以误码率稍微偏大。

第4章

二进制数字调制系统的性能比较

4.1频带宽度

当信号码元宽度为

时，2ASK系统和2PSK（2DPSK）系统的频带宽度近似为

，即

。

2FSK系统的频带宽度约为

因此，从频带宽度[21]或频带利用率上看，2FSK系统的频带利用率最低。

4.2误码率

在数字系统中，衡量数字通信系统一个十分重要的性能指标就是误码率。

各种二进制数字调制系统的误码率公式已在表4-1中列出。

表4-1二进制数字调制系统的误码率及频带宽度

名称

2PSK

2FSK

2ASK

相干检测

相干检测

（

）

非相干检测

备注

出现在接收机输入端的噪声是均值为0的高斯白噪声；未考虑码间串扰的影响；使用瞬时抽样判决。

所有计算误码率的公式都只是

的函数。

式中，

是解调器输入端的信号噪声功率比。

从以下两方面对二进制数字调制系统的抗噪声性能进行分析和比较：

（1）相同的调制方式不同的检测方法之间的比较。

对表4-1做纵向比较：

对于同一调制方式不同检测方法，采用相干检测时的抗噪声性能比采用非相干检测时效果好。

但随信号与噪声之比

的不断增大，相干解调与非相干解调的误码率性能相对差别越来越不明显。

另外，相干检测与非相干检测相比，设备的复杂程度要大的多。

（2）相同的检测方法不一样的调制方式进行比较。

对表4-1做横向比较：

采用相干检测，相同的误码率，对信噪比

的要求为：

2ASK比2FSK大3dB，2FSK比2PSK大3dB；采用非相干检测，相同的误码率，对信噪比

的要求为：

2ASK比2FSK大3dB，2FSK比2DPSK大3dB。

相反，若信噪比

一定，2ASK系统的误码率最高，2FSK系统的误码率的较高，2PSK系统的误码率最低。

因此，从抗加性白噪声这方面讲，相干2PSK性能最优，2FSK次之，2ASK最差。

4.3对信道特性变化的敏感性

最佳判决门限值会受到信道特征变化灵敏度的影响。

2ASK系统判决器的最佳判决门限值为

（当

时,

为接收机输入信号的幅度）。

当信道特性发生改变时，接收机输入信号的幅值将随之发生改变，从而使最佳判决门限也发生改变。

此时，接收机不易保持在最佳判决门限状态，误码率将变大。

在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为0，与接收机输入信号的幅度无关。

故判决门限不随信道特性的改变而改变，接收机总能工作在最佳判决门限状态。

在2FSK系统中，根据两路解调输出的大小来做出判决，不需人为设置的判决门限。

因此，从对信道特性变化的敏感度上来讲，最差的是2ASK调制系统。

当信道出现衰落非常严重时，一般会使用差分相干解调或非相干解调方式，因为此时接收端不容易产生相干解调所必须需的相干的参考信号。

当对发射机的限制功率要求比较严格时，可以考虑使用相干解调的方式，因为在已知传码率和误码率的情况下，非相干解调所要求的信噪比比相干解调大。

4.4本章小结

通过从以上多个方面对各种二进制数字调制解调系统的比较可以看出，选择调制解调方式的时候，要考虑的因素是比较多的。

只有对设计系统的要求有全面的考虑，并能抓住其中最为关键的因素才能得到比较完整正确的选择。

若对抗噪声性能的要求是主要的考虑因素，则应考虑采用相干2PSK，而2ASK是最不可取的；若对带宽的要求是主要因素的考虑因素，则应该考虑采用2PSK、相干2PSK以及2ASK，而2FSK是最不可取的；若设备的复杂程度是一个重要的限制因素，那么非相干解调方式比相干解调方式更为合适。

当今，在高速的数据传输中，相干2PSK用得较多，然而在中速和低速的数据传送中，特别是在有衰落的信道中，相干2FSK用得最为普遍。

第5章总结

通过从以上多个方面对各种二进制数字调制解调系统的比较可以看出，选择调制解调方式的时候，要考虑的因素是比较多的。

只有对设计系统的要求有全面的考虑，并能抓住其中最为关键的因素才能得到比较完整正确的选择。

若对抗噪声性能的要求是主要的考虑因素，则应考虑采用相干2PSK，而2ASK是最不可取的；若对带宽的要求是主要因素的考虑因素，则应该考虑采用相干2PSK以及2ASK，而2FSK是最不可取的；若设备的复杂程度是一个重要的限制因素，那么非相干解调方式比相干解调方式更为合适。

当今，在高速的数据传输中，相干2PSK用得较多，然而在中速和低速的数据传送中，特别是在有衰落的信道中，相干2FSK用得最为普遍。

本文通过对数字信号的simulink建模仿真，使我对数字键控的概念又有了更深的了解，而且也熟悉了simulink软件的操作。

在此非常感谢薛冬老师对我的指导和支持，使我在设计论文过程中能非常顺利的完成。

参考文献

[1]AzzouzEE,NandiAK.Procedureforautomaticrecognitionofanalogueanddigitalmodulations[J].Proceedings:

Communications,1996,143（5）:

259-266;1350-2425.

[2]AzzouzEE,NandiAK,EI-ayadiMH,etal.Recognitionofanalogueanddigitalmodulations[C].ProceedingsoftheThirdIASTEDInternationalConference,1994.300-304.