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数字调制解调论文

目录

摘要III

AbstractIV

前言V

1绪论1

1.1课题的提出1

1.2课题的意义1

2系统的开发背景和开发工具3

2.1系统的开发背景3

2.2系统的开发工具3

2.2.1MATLAB简介3

2.2.2GUI简介4

3数字调制解调系统原理6

3.1ASK数字调制解调系统6

3.1.1ASK数字调制原理6

3.1.2ASK数字解调原理7

3.2FSK数字调制解调系统8

3.2.1FSK数字调制原理8

3.2.2FSK数字解调原理8

3.3PSK数字调制解调系统9

3.3.1PSK数字调制原理9

3.3.2PSK数字解调原理10

3.4DPSK数字调制解调系统11

3.4.1DPSK数字调制原理11

3.4.2DPSK数字解调原理12

3.5MSK数字调制解调系统12

3.5.1MSK数字调制原理13

3.5.2MSK数字解调原理14

3.6QAM数字调制解调系统14

3.6.1QAM数字调制原理15

3.6.2QAM数字解调原理16

4系统总体分析与设计17

4.1系统分析17

4.1.1系统功能分析17

4.1.2系统设计流程分析18

4.2系统界面的设计18

4.2.1系统开始界面设计19

4.2.2系统主界面设计19

4.2.3各种调制界面设计20

4.2.4各调制性能比较界面设计21

4.3各个模块的功能编译22

4.3.1不同调制方式的切换22

4.3.2参数设置24

4.3.3图形显示与变换24

4.3.4其他功能28

5小结31

5.1系统功能总结31

5.2对今后工作的展望31

参考文献32

附录33

致谢39

基于GUIDE的数字调制演示系统设计

摘要

在数字通信的理论教学和实验设计中，传统的方法主要是手工分析与电路板试验。

通信系统中很多变量相互之间是非线性的关系，大部分是较为繁琐的数字理论，容易使学生感到乏味和难以接受。

本课题利用MATLAB语言，结合GUIDE技术，制作出了一个数字调制演示系统。

演示系统主要包括二进制振幅键控、二进制频移键控、二进制相移键控、二进制差分相移键控、最小频移键控和正交调幅调制几种数字调制系统，可以实现几种数字调制方式的切换，可以实时修改基带信号等参数，能够实时观察调制与解调信号的相关波形，达到动态演示和比较各种数字调制解调原理的目的。

关键词：

数字调制；图形用户界面；振幅键控；频移键控；相移键控；差分相移键控；最小频移键控；正交调幅调制

DigitalmodulationdemonstrationsystembasedonGUIDE

Abstract

Intheoryteachingandexperimentaldesigningofdigitalcommunications,thetraditionalmethodsarethemanualanalysisandcircuitboardtest.Becausemanyvariablesindigitalcommunicationsystemsarenon-linearrelationshipandmostdigitaltheoriesarecomplicated,studentswereeasilyboredanddifficulttoacceptthem.

Ademonstrationsystemfordigitalmodulationisproducedinthesubject,usingMATLABandGUIDEtechnology.Thedemonstrationsystemincludesseveraldigitalmodulationsystems,suchasabinaryamplitudeshiftkeying,binaryfrequencyshiftkeying,binaryphaseshiftkeying,binarydifferentialphaseshiftkeying,minimumshiftkeyingandquadratureamplitudemodulation.Severaldigitalmodulationscanbeswitched,theparameterssuchasbase-bandsignalcanmodifiedinrealtime,andthesignalwaveformofmodulationanddemodulationcanbeobservedinrealtime.wecanachievethepurposesofdynamicpresentationandcomparisonbetweendifferentdigitalmodulationsystem.

Keywords:

digitalmodulation;GUI;ASK;FSK;PSK;DPSK;MSK;QAM

前言

通信原理是通信工程专业、电子信息专业的一门重要的专业基础课程，它以各种通信系统的基本理论为研究对象，内容涉及典型的现代通信系统各个组成部分的工作原理、分析和设计方法。

掌握这门课程对于学生学习、研究有关具体通信系统的后续专业课程，以及将来从事相关的科研、生产和管理工作部是十分重要的。

通信原理与实际应用联系密切，又具有很强的理论性和抽象性，并且需要应用概率论、通信原理、信号与系统、模拟电路与数字电路等多门课程知识为基础，于是这给学生的学习造成了一定的困难。

形成学习困难的原因是多方面的，但其中最主要的是学生缺乏一个直观认识通信系统的感性基础。

利用MATLAB和GUI图形设计，可以设计出数字调制演示系统作为辅助教学课件，使它能够很好地解决该问题。

MATLAB是一种使用简便的、特别适用于科学研究和工程计算的高级语言，与其他计算机语言相比，它的特点是简洁和智能化，具有极高的编程和调试效率。

应用MATLAB语言开发通信信号模拟系统是高效实用的。

MATLAB是高校和科研单位广泛使用的编程软件,它编程简单,功能强大,在通信仿真方面表现不俗。

MATLAB还具有可视化的图形用户界面开发环境,可用来开发相应的辅助教学软件。

本文选用MATLAB软件设计了基于GUIDE模拟调制系统通信原理课程教学的交互式实时动态演示系统。

该系统可将课程中的重点内容通过实例在课堂上动态地演示给学生,有助于教师的授课讲解和学生的学习理解。

设计出的数字调制演示系统能看到通信系统各个部分的时域波形，能分析出不同的调制方式的区别，能比较不同参数下调制的波形，还可以对比观察调制解调的原理，提供良好的人机交互模式和简单易操作的界面。

1绪论

1.1课题的提出

首先，在当前社会发展环境下，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ISDN网），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式方式过渡的趋势。

随着数字通信和数字技术的发展，数字调制所占的比例越来越高，而且不断有新的数字调制方式出现。

因此，对数字通信系统的分析越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要组成部分之一，对它的研究也是有必要的。

其次，《通信原理》是通信工程、电子信息类专业的一门重要的专业基础课程，该课程的特点是系统性、理论性强，同时又强调实践性。

它以各种通信系统的基本理论为研究对象，内容涉及典型的现代通信系统各个组成部分的工作原理、分析和设计方法。

掌握这门课程对于学生学习、研究有关具体通信系统的后续专业课程，以及将来从事相关的科研、生产和管理工作部是十分重要的。

通信原理与实际应用联系密切，又具有很强的理论性和抽象性，并且需要应用概率论、随机过程、信号与系统、模拟与数字电路等多门课程知识为基础，给学生的学习造成了一定的困难。

在当前的学校实验设备的限制下，许多通信专业的学生在进行通信原理实验课程时，由于涉及的都是通信领域的基本概念，这些概念均非常抽象，数学公式多，比较枯燥，实验采用的是通信原理的实验箱，这些模块没有直观的系统模块，也看不到内部具体的运行结果，实验效果可能会受仪器长期使用的影响导致一些失真或其他问题，由于硬件问题导致让学生学习起来感到很困难，达不到预期的效果。

所以开发一个实用的数字调制系统正是现在所急需的。

通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进系统，获得更加的传输性能。

目前，随着通信系统的规模和复杂度不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的仿真技术越来越受到重视。

传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种，可以得到与真实环境十分接近的结果，但耗时长，方法比较繁杂，而通信系统的计算机仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法，它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行仿真。

随着计算机仿真技术的发展，构筑通信系统仿真平台，可以在计算机上显示不同系统的工作原理，进行波形观察、频谱分析和性能分析等，为通信系统设计和研究提供强有力的指导。

1.2课题的意义

通信技术是现在人们经常提到的“高新技术”的一个重要的组成部分，日新月异的现代通信技术不仅推动了社会信息化，提高了劳动生产率，改善了人们的生活质量，也使得人们的工作、学习和生活方式发生了越来越多的改善。

越来越多的高等院校建立了通信工程或与之相关的专业，相应地，通信原理的教学发展到了一个新的阶段，面临着许多新问题需要研究和探索新的通信系统的出现在很大程度上是以通信理论的发展为基础的。

然而通信原理给学生的学习造成了一定的困难。

形成学习困难的原因是多方面的。

但其中最主要的是学生缺乏一个直观认识通信系统的感性基础。

所以利用MATLAB图形设计，设计出数字调制演示系统，能够很好地解决该问题。

数字调制技术的发展日新月异，如今在现实中应用的数字调制系统大部分是经过改进的，性能较好的系统，但是，作为理论发展最成熟的调制方式，ASK，FSK，PSK等的研究依然具有很重大的意义，因此，我们选择了这几种调制方式做研究。

仿真这几种理论已经很成熟的数字调制方式，一方面，可以更容易将仿真结果与成熟的理论进行比较，从而验证仿真的合理性；另一方面，也可以以此为基础将仿真系统进行改进扩展，使其成为仿真更多的数字调制方式的模板。

本系统是《通信原理》仿真实验系统——数字调制解调部分，该系统完成后要求能够动态的演示《通信原理》课程的数字调制解调部分。

这套数字调制仿真系统可以作为通信原理课程的课堂演示工具，使学生对数字调制解调的几种方式有一个直观深刻的了解。

通过该实验系统的演示，对学生起到一个理论和实践相结合的指导作用，使学生能够从整体上认识和区别各种调制方式，加深印象。

同时也辅助了讲师的教学，方便了广大师生。

2系统的开发背景和开发工具

2.1系统的开发背景

调制在通信系统中的作用至关重要，所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程，模拟调制应用比较早，也比较广泛，主要应用于广播、电视和卫星通信。

而随着数字通信和数字技术的发展，数字调制所占的比例越来越高，而且不断有新的数字调制方式出现。

随着通信系统的规模和复杂度不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的仿真技术越来越受到重视。

传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种，可以得到与真实环境十分接近的结果，但耗时长，方法比较繁杂，而通信系统的计算机仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法，它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行仿真。

随着计算机仿真技术的发展，构筑通信系统仿真平台，可以在计算机上显示不同系统的工作原理，进行波形观察、频谱分析和性能分析等，为通信系统设计和研究提供强有力的指导。

本课题是在MATLAB环境下基于GUIDE控件编程，开发一个《通信原理》——数字调制演示系统，该系统主要分为两大部分：

第一为设计用户界面，第二为编写相应的回调函数。

我们可以运行MATLAB下的GUIDE模块，开始GUI界面编辑设计，自行选择用户控件将其放入GUI界面中进行版面设计。

在GUI界面编辑器的左边有多种用户控件可供选择：

按钮、单选按钮、复选框、编辑框、静态文本框、滚动条、组合框、列表框等。

选择所需要使用的用户控件，添加在GUI界面编辑器上，可以在GUIDE环境下对这些组件进行属性设置，然后根据需要编辑各个用户控件的回调函数来实现所需要的功能。

合理地利用这些用户控件所能实现的功能设计出功能多样、操作简洁、直观的系统演示界面。

然后，以后缀为.fig的文件保存设计好的GUI界面。

在设计编辑界面的过程中可以点运行的按钮，来检查系统界面在运行时呈现的一个外观状态，并加以调整，使界面外观在视觉上更加舒适。

最后根据需要对该界面进行必要的扩展和美化。

2.2系统的开发工具

2.2.1MATLAB简介

MATLAB是MATrixLABoratory（矩阵实验室）的缩写，是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，是一种使用简便的、特别适用于科学研究和工程计算的高级语言。

MATLAB与其他计算机语言相比，它的特点是简洁和智能化，具有极高的编程和调试效率。

应用MATLAB语言开发通信信号模拟系统是高效实用的。

MATLAB是高校和科研单位广泛使用的编程软件,它编程简单,功能强大,在通信仿真方面表现不俗。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB还具有可视化的图形用户界面开发环境，可用来开发相应的辅助教学软件。

MATLAB具有很强的绘图功能和编程语言的基本特征，它可以进行程序设计，而且简单易学、编程效率高，它和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化的科技应用软件。

它集高效的数值分析、完备的信号和图形处理、功能丰富的应用工具箱为一体，构成了一个方便快捷，界面友好的用户环境，是一种适应多种硬件平台的数学计算工具，它的出现给各课程的计算机辅助教学带来了福音。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

2.2.2GUI简介

GUI就是集成图形用户界面GUIDE（GraphicalUserInterfaceDevelopmentEnvironment），它是人与计算机交互操作的重要方式，根据这些图形对象能为仿真系统生成一个人机交互界面，可以设计出界面友好、操作方便的图形用户界面，便于仿真系统的操作，既形象生动，又简单易懂。

GUI（GraphicalUserInterface）包含了窗口菜单、对话框、按钮和文本等各种控件的用户界面，用户通过键盘或鼠标操作，就可以设计出具有自己独特风格的图形界面，再通过编写回调函数就可以实现GUI与用户之间的交互，为教学课件的制作提供了极大的方便。

GUI界面通常是在开发一个实际的应用程序时为了尽量做到界面美观友好最为常用的方法。

提供图形用户界面的应用程序能够使用户的学习和使用更为方便容易。

用户不需要知道应用程序究竟是怎样执行各种命令的，而只需要了解可见界面组件的使用方法；用户也不需要知道命令是怎样执行的，只要通过与界面交互就可以使指定的行为得以正确执行。

MATLAB软件中的GUIDE模块为用户提供了一个方便高效的集成环境，所有GUI支持的用户控件都集成在这个环境中，并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法。

GUIDE将用户保存设计好的GUI界面保存在一个FIG资源文件中，同时自动生成包含GUI初始化和组件界面布局控制代码的M文件，为实现回调函数提供了一个参考框架。

GUIDE可以根据用户GUI的版面设计过程直接自动生成M文件框架，这样就简化了GUI应用程序的创建工作，用户可以直接使用这个框架来编写自己的函数代码。

这样的编写方法具体有以下优点：

1、应用程序M文件已经包含实现一些有用的函数编写代码，无需自己编写。

2、可以使用该M文件生成的有效方法来管理图形对象句柄并执行回调函数子程序。

3、提供管理全局数据的途径。

4、文件支持自动插入回调函数原型，确保当前GUI与未来发布版本的兼容。

用户也可以选择有GUIDE生成的FIG文件、自己编写应用程序M文件的GUI创建方式。

编写M文件时要注意，应用程序M文件中不能包含用户控件创建命令，所有的界面设计信息都保存在由界面设计编辑器生成的FIG文件中。

实现一个GUI主要包括以下两项工作：

GUI界面设计和GUI组件编程。

整个GUI的实现可以分为以下几个步骤：

1、通过设置GUIDE应用程序的选项来进行GUIDE组态。

2、使用界面设计编辑器进行GUI界面设计。

3、理解应用程序M文件中所使用的编程技术。

4、编写用户GUI组件行为响应控制（即回调函数）代码。

开发数字调制演示系统是在MATLAB基础上基于GUIDE模块来设计的系统界面，对控件进行外观、属性和回调函数的编译，实现一个数字调制系统应有的功能。

在满足基本功能的前提下，对界面外观美化，使用户系统界面友好美观。

3数字调制解调系统原理

3.1ASK数字调制解调系统

ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息。

载波的振幅受二进制调制信号“1”或“0”的控制。

当信号为“1”，振幅为“A”;当信号为“0”，振幅为“0”。

3.1.1ASK数字调制原理

在这类调制中，载波的幅度随二进制被调制信号序列而变，化状态。

具体可以表示为：

（3-1）

可以令

那么2ASK信号可表示为：

（3-2）

其中，

为基带码元波形，

为信源给出的二进制符号“0”或“1”，

为载波角频率，且有

，T为码元周期。

因此，要实现正交调制，只要令

（3-3）

就可以实现2ASK调制。

2ASK信号由于一个信号状态始终为“0”，此时相当于处于断开状态，所以也称为通断键控信号（OOK信号）。

2ASK信号产生的方法如下：

图3-1-1模拟相乘法

图3-1-2数字键控法

3.1.2ASK数字解调原理

2ASK信号解调的常用方法主要有两种：

非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。

包络检波法的原理方框图如图3-1-3所示。

带通滤波器（BPF）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（LPF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。

抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。

定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。

不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK信号，包络检波器输出，经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。

图3-1-3非相干解调方式（包络检波法）

相干检测法的原理方框图如图3-1-4所示。

同步检测就是相干解调，要求接收机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信号相乘，经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出信号。

低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。

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3-1-4相干解调方式（同步检测法）

3.2FSK数字调制解调系统

FSK是利用载波的频率变化来传递数字信息。

载波的频率受二进制调制信号控制，用两个特定的频率分别代表信号“0”和“1”。

3.2.1FSK数字调制原理

2FSK信号是符号“0”对应载波角频率

，符号“1”对应载波角频率为

的已调波形。

它可以用一个矩形脉冲对一个载波进行调频实现，其表达式为：

（3-4）

式中

的取值为“0”，“1”，

为矩形脉冲，

为

的反码，T为码元周期。

因此，只要把调制数据序列形成矩形脉冲，并把2FSK看成两个ASK信号相加就可以了，并令

（3-5）

利用式（3-2）、式（3-3）就可以实现正交调制。

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。

2FSK信号产生的方法如下：

图3-2-1键控法产生2FSK信号的原理图

3.2.2FSK数字解调原理

2FSK信号的包络解调方框图如图3-2-2所示，其可视为由两路2ASK解调电路组成。

这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络，抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。

图3-2-2非相干解调

相干解调电路是同步检波器，原理方框图如图3-2-3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、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。

图3-2-3相干解调

3.3PSK数字调制解调系统

PSK是利用载波相位的变化来传送数据信息，而振幅和频率保持不变。

常用初始相位“0”和“π”表示二进制“1”和“0”。

3.3.1PSK数字调制原理

（1）2PSK信号

2PSK方式是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式，信号形式一般表示为：

（3-6）

式中：

为基带码元波形，

为信源取值-1或+1,即发送二进制符号“0”时

取1，发送二进制符号“1”时

取-1，

是载波角频率。

这种调制方式的正交实现与2ASK信号十分相似。

具体的实现见式（3-3）。

（2）M进制数字相位调制信号

在多进制相位调制中，MPSK信号的表示式：

（3-7）

式中：

为受信息控制的相位参数，

2PSK的信号产生的方法如下：

图3-3-1模拟调制法

图3-3-2键控法

3.3.2PSK数字解调原理

2PSK信号属于DSB信号，它的解调，不再能采用包络