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:
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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.