电子设计论文数字调制系统分析与仿真.docx

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电子设计论文数字调制系统分析与仿真

学院

学年论文（设计）

题目数字调制系统分析与仿真

学生姓名

学号

院系物理与电子信息工程系

专业应用物理

指导教师

二〇一〇年五月二十一日

数字调制系统分析与仿真

摘要：

数字调制技术的改进是通信系统性能提高的重要途径之一。

本文首先分析了数字调制系统的五种基本调制解调方法，然后，运用Matlab及附带的图形仿真工具——Simulink设计了这几种数字调制方法的仿真模型。

最后，在仿真的基础上分析比较了各种调制方法的性能，并通过比较仿真模型与理论计算的性能，证明了仿真模型的可行性。

另外，本文还利用Matlab的图形用户界面（GUI）功能为仿真系统设计了一个便于操作的人机交互界面，使仿真系统更加完整，操作更加方便。

关键词：

数字调制；分析与仿真；Matlab；Simulink；GUI图形界面。

1引言

数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。

根据控制的载波参量的不同，数字调制有调幅、调相和调频三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。

由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。

为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。

因此，大部分现代通信系统都使用数字调制技术。

另外，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过渡的趋势。

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

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，获得更佳的传输性能。

2数字调制系统的相关原理

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，所以本文主要讨论二进制的调制与解调，最后简单讨论一下多进制调制中的差分相位键控调制（M-DPSK）。

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）。

下面是这几种调制方式的相关原理。

二进制幅度键控（2-ASK）

   幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。

载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。

那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。

2-ASK信号功率谱密度的特点如下：

（1）由连续谱和离散谱两部分构成；连续谱由传号的波形g（t）经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；

（2）已调信号的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。

二进制频移键控（2-FSK）

   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。

二进制相移键控（2-PSK）

   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。

多进制数字调制

   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。

多进制数字调制载波参数有M种不同的取值，多进制数字调制比二进制数字调制有两个突出的优点：

一是有于多进制数字信号含有更多的信息使频带利用率更高；二是在相同的信息速率下持续时间长，可以提高码元的能量，从而减小由于信道特性引起的码间干扰。

现实中用得最多的一种调制方式是多进制相移键控（MPSK）。

   多进制相移键控又称为多相制，因为基带信号有M种不同的状态，所以它的载波相位有M种不同的取值，这些取值一般为等间隔。

在多相制移键控有绝对移相和相对移相两种，实际中大多采用四相绝对移相键控（4PSK，有称QPSK），四相制的相位有0、π/2、π、3π/2四种，分别对应四种状态11、01、00、10。

3运用Matlab仿真模型的设计及结果分析

了解了仿真所需的主要模块后，下一步就是设计和仿真数字调制模型，本文主要针对2-FSK信号进行设计并对仿真结果在时域和频域进行分析。

2-FSK信号是0符号对应于载波ω1，而1符号则对应于ω2（与ω1不同的另一载波）的已调波形，而且ω1与ω2之间的改变是瞬间完成的。

2-FSK信号的产生如图1.0所示：

图1.02-FSK信号产生方法

2-FSK信号最常用的解调方法是采用的相干检测法，如图1.1所示

:

图1.12-FSK相干解调的方法

Simulink通信工具箱中提供了专门的FSK调制和解调模块，应用FSK调制模块能方便的产生2-FSK信号。

因此，设计2-FSK仿真模型时，只需利用Simulink通信工具箱中中的FSK调制解调模块及信号源与信道即可。

设计的2-FSK仿真模型如图1.2：

图1.22-FSK仿真模型

模型中运用了Simulink工具箱中的现成调制解调模块和信道模块，然后用示波器观察各环节波形，最后由误码计算仪计算误码。

重要模块参数设置如下：

1.信号源参数设置同2-ASK；

2.M-FSKModulatorPassband及M-FSKDemodulatorPassband：

根据调制解调模块所满足的关系，设置参数如下：

M-arynumber：

2

Symbolperiod（s）：

1（与BernoulliBinaryGenerator/Sampletime一致）

Frequencyseparation（Hz）：

1（可调）

Carrierfrequency（Hz）：

30（可调）

Carrierinitialphase（rad）：

0

Inputsampletime（s）：

1/100

Outputsampletime（s）：

1/100

3.AWGNChannel：

Initialseed：

120（与BernoulliBinaryGenerator/Initialseed不同）；

Mode：

SNR（dB）

SNR（dB）：

10（可调）

4.ErrorRateCalculation的参数设置：

Receivedelay：

3

Outputdata：

Workspace

Variablename：

ErrorVec2

仿真结果时域分析：

根据上述2-FSK信号产生原理，已调信号的时间表达式可表示为：

由式

（1）可看出2-FSK信号是由两个2-ASK信号相加而成的

将图1.2中各示波器的值输出到Workspace中做统一处理，其中源信号、调制后信号及解调后信号波形如图1.3所示：

（a）源信号波形

（b）调制后信号波形

（c）解调后信号波形

图1.32-FSK源信号、调制后信号及解调后信号波形

由图1.3可知，调制后信号波形由两种频率不同的波形组成，且两种频率分别对应解调后信号的符号0和符号1，即2-FSK信号波形可以看作是由两个2-ASK信号相加而成的，这与式

（1）完全相符。

另外，源信号波形与解调后信号波形只是在时间上有3个单位的延迟，如果将ErrorRateCalculation的Receivedelay参数设置为3，则此模型最后的误码率为0。

原因同2-ASK分析。

仿真结果频域分析

改变Frequencyseparation（Hz）和Carrierfrequency（Hz）两个参数的值单独观察调制后的频谱，获得图1.4中的两个频谱图

（a）:

载波差值：

1载波为30

（b）:

:

载波差值：

5载波为20

图1.42-FSK调制后频谱

对比图1.4（a）和（b）可知，当两个载波差值很小时，已调信号的频谱呈现单峰如（a）图；当两个载波差值较大时，已调信号的频谱呈现双峰如（b）图,这与相关原理中阐述的2-FSK频谱的特点完全相符。

结论：

仿真结果的分析说明该2-FSK仿真模型是可行的。

致谢：

本人在分析设计数字调制仿真系统及撰写论文期间，得到了很多老师和同学的帮助，在这里我首先要感谢的是我的指导老师副教授。

在毕业设计的整个过程中，教授在理论知识、工作任务、工作方向和进度安排等方面给了我大量的指导和帮助，使我的毕业设计能顺利进行，并按时完成预计任务。

同时，我还要感谢大学四年里帮助我的各位老师，从他们身上，我不仅学到了理论知识，还学到了一丝不苟、严谨治学的科学态度。

参考文献：

[1]樊昌信等.通信原理（第5版）.北京：

国防工业出版社，2001

[2]曹志刚，钱亚生.现代通信原理.北京：

清华大学出版社，2001

[3]李建新等.现代通信系统分析与仿真——MATLAB通信工具箱.西安：

西安电子科技大学出版社，2000

[4]王沫然.Simulink4建模及动态仿真.北京：

电子工业出版社，2002

[5]D.Hanselman,B.Littilefield著，张航等译.精通MATLAB6.北京：

清华大学出版社，2002

Abstract

Digitalmodulationtechniquestoimprovecommunicationsystemperformanceisanimportantwaytoimprove.Inthispaper,fiveusualmethodsofdigitalmodulationareintroducedfirstly.ThentheirsimulationmodelsarebuiltbyusingMATLAB’ssimulationtool,SIMULINK.Throughobservingtheresultsofsimulation,thefactorsthataffectthecapabilityofthedigitalmodulationsystemandthereliabilityofthesimulationmodelsareanalyzed.Andthen,thecapabilityofthreedigitalmodulationsimulationmodels,2-FSK,2-DPSKandMSK,havebeencompared,aswellascomparingtheresultsofsimulationandtheory.Atlast,theconclusionisgotten:

Thesimulationmodelsarereasonable.Inaddition,anoperationinterfaceisdesigned,whichcansimplifythemanipulationofthesimulationsystem,bymeanoftheGraphicalUserInterface,whichshortforGUI.

Keywords:

　Digitalmodulation;analysis;simulation;MATLAB;SIMULINK;GUI.