仿真实现ASKPSKFSKDPSKQAM技术.docx

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仿真实现ASKPSKFSKDPSKQAM技术

仿真实现ASK、PSK、FSK、DPSK、QAM技术

仿真实现ASK、PSK、FSK、DPSK、QAM技术一（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MFSK（M元移频键控）和MPSK（M元移相键控）。

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以及其改进调制方式的相关原理。

1.二进制幅度键控（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。

2.二进制频移键控（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。

3.二进制相移键控（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。

4.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。

二（数字调制系统的仿真设计

1数字调制系统各个环节分析

典型的数字通信系统由信源、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节构成，其框图如图3.1所示:

数字调制是数字通信系统的重要组成部分，数字调制系统的输入端是经编码器编码后适合在信道中传输的基带信号。

对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心基带信号的码型，因此，我们在仿真的时候可以给数字调制系统直接输入数字基带信号，不用在经过编码器。

信编调解解受信

息码制调码信

道源器器器器者

噪声源

图3.1数字通信系统模型

2.1.1仿真框图

MATLAB提供的图形界面仿真工具Simulink由一系列模型库组成,包括Sources（信源模块），Sinks（显示模块），Discrete（离散系统模块），Linear（线性环节），Nonlinear（非线性环节），Connections（连接）,Blocksets&Toolboxes（其他环节）。

特别是在Blocksets&Toolboxes中还提供了用于通信系统分析设计和仿真的专业化模型库CommTbxLibrary。

在这里，整个通信系统的流程被概括为:

信号的产生与

输出、编码与解码、调制与解调、滤波器以及传输介质的模型。

在每个设计模块中还包含有大量的子模块，它们基本上覆盖了目前通信系统中所应用到的各种模块模型。

通信系统一般都可以建立数学模型。

根据所需仿真的通信系统的数学模型（或数学表达式），用户只要从上述各个模型库中找出所需的模块,用鼠标器拖到模型窗口中组合在一起,并设定好各个模块参数,就可方便地进行动态仿真.从输出模块可实时看到仿真结果,如时域波形图、频谱图等。

每次仿真结束后还可以更改各参数,以便观察仿真结果的变化情况。

另外，对Simulink中没有的模块，可运用S函数生成所需的子模块，并且可以封装和自定义模块库，以便随时调用。

根据Simulink提供的仿真模块，数字调制系统的仿真可以简化成下图所示的模型:

基基调解信带带制调信信道器器号号

噪声源

图3.2数字调制系统仿真框图2.1.2信号源仿真及参数设置

Simulink通信工具箱中的CommSources/DataSources提供了数字信号源BernoulliBinaryGenerator，这是一个按Bernoulli分布提供随机二进制数字信号的通用信号发生器。

在现实中，对受信者而言，发送端的信号是不可预测的随机信号。

因此，我们在仿真中可以用BernoulliBinaryGenerator来模拟基带信号发生器。

其中主要参数的含义为:

Probabilityofazero:

产生的信号中0符号的概率，在仿真的时候一般设成0.5，这样便于频谱的计算;

Initialseed:

控制随机数产生的参数，要求不小于30，而且与后面信道中的Initialseed设置不同的值;

Sampletime:

抽样时间，这里指一个二进制符号所占的时间，用来控制号发生的速率，这个参数必须与后面调制和解调模块的Symbolperiod保持一致。

2.1.3调制与解调模块

Simulink通信工具箱中提供了数字信号各种调制方式的模块，如AM、CPM、FM及PM等。

虽然不同的调制模块，参数设置有所不同，但很多参数在各种调制中是一致的，下面我们以DPSK调制模块为例介绍一下调制模块的参数及其设置，其余模块将在下面仿真模型的建立过程中详细介绍。

M-DPSKModulatorPassband和M-DPSKDemodulatorPassband分别是数字信号DPSK调制和解调的专用模块，其中主要参数有:

M-arynumber:

输入信号的阶次数，比如2-DPSK就是2阶的;

Symbolperiod:

符号周期，即，一个符号所占的时间，这必须与信号源的Sampletime保持一致;

Carrierfrequency:

载波频率;

Carrierinitialphase:

载波的初始相位;

Inputsampletime:

输入信号的抽样时间;

Outputsampletime:

输出信号的抽样时间。

其中，各参数要满足以下关系:

Symbolperiod>1/（Carrierfrequency）

Inputsampletime<1/[2*Carrierfrequency+2/（Symbolperiod）]

Outputsampletime<1/[2*Carrierfrequency+2/（Symbolperiod）]

2.1.4信道

在分析通信系统时通常选择高斯噪声作为系统的噪声来考查，因为这种噪声在现实中比较常见而且容易分析。

Simulink中提供了带有加性高斯白噪声的信道:

AWGNChanne。

仿真时可以用该模块模拟现实中的信道，该模块的主要参数有:

Initialseed:

控制随机数产生的参数，要求不小于30，且与前面信号源中的Initialseed设置不同的值;

Es/No（dB）:

信号每个符号的能量与噪声的功率谱密度的比值;

SNR（dB）:

信号功率与噪声功率的比值;

注:

Es/No（dB）和SNR（dB）是表征信号与噪声关系的两种方法，在一次仿真中只能选择其中一个。

2.1.5误码计算仪

信号经过信道后，由于噪声的干扰，在接收端可能出现误码，Simulink中提供了ErrorRateCalculation模块来计算误码率，其主要参数的设置为:

Receivedelay:

接收延迟，表明在计算误码率时接收到的信号比源信号延迟的码元数，便于准确计算;

Outputdata:

数据输出，将误码率、误码数及码元总数输出，有两个选项可选择:

Workspace和Port。

将数据输出到Workspace就是将误码率等数据存在内存中，以便下一步使用，而输出到Port中，则是在误码计算仪后面再接一个模块（比如结果显示模块），将数据传到该模块中（显示出来）;

Variablename:

变量名称，该参数只有在前面选择了Workspace后才有用，它决定数据输出到Wokspace后的名称，默认值为ErrorVec。

2.1.6频谱仪

在仿真过程中，必须观察各个环节的频域波形，因此，必须在各个环节加

上频谱仪以观察波形。

以便对仿真结果做进一步处理，比如将各个调制系统的频域波形对比用来比较异同点和优缺点。

Simulink中提供了SpectrumScope模块来显示仿真频谱，其主要参数的设置为:

Buffersize:

缓存长度，频谱仪应用快速傅里叶变换FFT完成数据流从时域到频域的变换，所以先要将时域的数据流取出一段，FFTsize（快速傅里叶变换的长度）确定为N，通常要求N为2的幂。

正因为要取出一段长度为N的数据，就需要设置相应长度的Buffersize（缓存长度），通常这两个长度是一样的。

Bufferoverlap:

重叠的长度;Numberofspectralaverages:

频谱数据的平均数，数据流分段的方法会影响FFT的结果，分段时Bufferoverlap（重叠的长度）、Numberofspectralaverages（频谱数据的平均数）会影响频谱特性的平滑程度，这两个数值愈大，特性愈平滑。

FrequencyRange:

频率范围，希望所研究的谱线内容出现在频谱仪显示窗的中间部分，能看到在频域轴上谱线的低端和高端情况，以便于观察和分析。

要做到这一点，将输入信号的采样频率取为期望的频率显示窗最大值的两倍即可，FrequencyRange（频率范围）选[0...Fs/2]就是这个道理（Fs就是采样频率，亦是采样时间的倒数）。

2.2仿真模型的设计原理

了解了仿真所需的主要模块后，下一步就是设计和仿真各种数字调制模型，并对仿真结果在时域和频域进行分析。

2.2.12-ASK

通常，二进制振幅键控信号（2-ASK）的产生方法（调制方法）有两种，如图3.3所示:

e0（t）S（t）乘法器

cosωct

（a）（b）

图3.32-ASK信号产生的两种方法2-ASK解调的方法也有两种相应的接收系统组成方框如图所示:

图3.42-ASK信号接收系统组成框图根据（a）所示方框图产生2-ASK信号，并用图3（b）所示的相干解调法来解调，设计2-ASK仿真模型如图所示:

2-ASK模型

在该模型中，调制和解调使用了同一个载波，目的是为了保证相干解调的同频同相，虽然这在实际运用中是不可能实现的，但是作为仿真，这样能获得更理想的结果。

主要模块参数设置如下:

1（BernoulliBinaryGenerator的参数设置为:

位置:

CommunicationsBlockset\CommSources

表3.1伯努利二进制随机数产生器的主要参数

参数名称参数值Probability（0出现的概率）0.5

Initialseed（初始化种子）67

Sampletime（采样时间）1

Frame-basedoutput（基于帧输出）使能Smapleperframe（每帧取样数）10

2.载波频率设为:

50（可调）

3.SampleandDecide模块是一个子系统，其内部结构由抽样和判决两部分组成，其中，抽样由同步冲激信号（Sychronizingsignal）完成，其参数period（sec）设置和信号源的参数Sampletime保持一致。

判决模块是一个由M文件编写的S函数，S函数是Simulnk中用以功能扩展的一个功能，用S函数可以自己编制Simulink库中没有的Simulink模块，从而使Simulink的功能大大加强，本模型中使用的判决模块就是这样一个应用，其M文件详见附录[1]。

SampleandDecide模块内部结构如图3.6所示:

图3.6SampleandDecide子系统内部结构

5.ErrorRateCalculation的参数设置:

位置:

CommunicationsBlockset\CommSinks

表3.2误码率计算的主要参数

参数名称参数值Receivedelay（接受延迟）2

Communicationdelay（计算延迟）0

ErrorVecVariablename（变量名称）

Outputdata（输出数据）Workspace3.2.2FSK

首先说明FSK,MSK和GMSK调制系统的原理。

2FSK信号可以用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。

这正是频率键控通信方式的早期采用的实现方法，2FSK另一个实现方法便是采用键控法，即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。

以上

et（）两种方法如下，st（）代表信息的二进制矩形脉冲序列，即是2FSK信号:

0

图3.9FSK系统调制原理

（1）2

设计2-FSK仿真模型如图3.11所示:

图3.11FSK基带调制仿真系统框图

FSK基带调制仿真系统的框图由伯努利二进制随机数产生器，频谱仪，基带M-FSK调制与解调器，加性高斯白噪声信道，误码率计算器及显示器构成。

MSK，GMSK仿真框图与FSK只有调制合解调器不同，其余模块一样，故不再列出。

主要参数设置如下:

1（BernoulliRandomBinaryGenerator（伯努利二进制随机数产生器）

位置:

CommunicationsBlockset\CommSources

表3.3伯努利二进制随机数产生器的主要参数

参数名称参数值Probability（0出现的概率）0.5Initialseed（初始化种子）12345Sampletime（采样时间）0.1Frame-basedoutput（基于帧输出）使能Smapleperframe（每帧取样数）10

2.SpectrumScope（频谱仪）用来显示对数字调制后信号的测量。

位置:

DSPBlockset\DSPSinks

表3.4频谱仪的主要参数一

参数名称参数值Buffersize（缓存长度）1024Bufferoverlap（缓存交叠）512

FFTlength（FFT长度）1024Numberofspectralaverages（谱（计64

算）平均（点）数）

Scopeposition（显示器位置）get（0,’defaultfigureposition’）Frequencyunits（频率单位）HertzFrequencyrange（频率范围）[0„Fs/2]Amplitudescaling（幅度刻度）dB

Inheritsampleincrementfrominput使能（与输入信号采样时间一致）

MinimumY-limit（Y轴最小刻度）-50

MaximumY-limit（Y轴最大刻度）30

注:

Fs=1/0.0002=5kHz,Fs/2=2.5kHz

3.AWGNChannel（加性高斯白噪声信道）模拟加性高斯白噪声环境，使传输环境相同，FSK的信噪比为-3dB，其余两个为-6dB。

位置:

CommunicationsBlockset\Channels

表3.5加性高斯白噪声信道的主要参数

参数名称参数值

FSKMSKGMSKInitialseed（初始化种子）18233Mode（模式）Signaltonoiseration（SNR）（信噪

比）

SNR（信噪比）-3-6-6Inputsignalpower（输入信号功率）1

4.ErrorRateCalculation（误码率计算）比较输入输出的误码率。

位置:

CommunicationsBlockset\CommSinks

表3.6误码率计算的主要参数

参数名称参数值

FSKMSKGMSK

Receivedelay（接受延迟）01616Communicationdelay（计算延迟）0Computationmode（计算模式）EntireframeOutputdata（输出数据）port

5.M-FSKModulatorBaseband（基带M-FSK调制器）

位置:

CommunicationsBlockset\Modulation\DigitalBasebandModulation

表3.7基带M-FSK调制器的主要参数

参数名称参数值M-raynumber（元数）3Inputtype（输入类型）BitSymbolsetordering（符号排序）Binary（二进制）Frequencyseparation（HZ）（频率间隔）10Phasecontinuity（相位连续性）Discontinuous（不连续）Samplepersymbol（每符号采样数）16

6.MSKModulatorBaseband（基带MSK调制器）

位置:

CommunicationsBlockset\Modulation\DigitalBasebandModulation

表3.8基带MSK调制器

参数名称参数值Inputtype（输入类型）BitPhaseoffset（rad）（相位偏置）0Samplepersymbol（每符号采样数）16注:

Demodulator（解调器）中相应的Tracebacklength（跟踪反馈长）设为16

图3.17基带MSK调制器

7.GMSKModulatorBaseband（基带GMSK调制器）

位置:

CommunicationsBlockset\Modulation\DigitalBasebandModulation

表3.9基带GMSK调制器的主要参数

参数名称参数值Inputtype（输入类型）BitBTproduct（BT乘积）0.3Pulselength（符号间隔）3Symbolprehistory（符号前史）1Phaseoffset（rad）（相位偏置）0

Samplepersymbol（每符号采样数）16

注:

Demodulator（解调器）中相应的Tracebacklength（跟踪反馈长）设为16

在误码率为相同数量级的条件下，GMSK（高斯滚降最小移频键位）占有最小的频带宽度。

此时，MSK，GMSK的传输环境的信噪比，比FSK还要低3dB，综合抗干扰能力、占带宽度最好的是GMSK、MSK次之，最后是FSK。

图3.19FSK基带调制信号频谱

图3.20MSK基带调制信号频谱

图3.21GMSK基带调制信号频谱

上面三图为三种系统调制后的频谱图，可以看出比较可以得出GMSK占有最小的频宽;最平滑，抗干扰能力最好，适合在窄带信道中传输，对邻道的干扰小，不但确保了传输质量，而且节省了资源。

3.2.32-PSK、QPSK、OQPSK

二进制移相键控（2PSK）方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。

设二进制符号及其基带波形与以前假设的一样，那么，2PSK的信号形式一般表示为，

eagtnTwt,,[（）]cos,0nscn

Tagt（）这里的是脉宽为的单个矩形脉冲，而得统计特性为Sn

1，概率为Pa,{n-1，概率为1-P

Tet（）这就是说，在其一码元持续时间内观察时，为S0

cosPwt，概率为cet（）{,0,,cos1Pwt，概率为c

这种以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控，通常被称为绝对移相方式。

但是我们考虑到如果采用绝对移相方式，由于发送端是以某一个相位作基准的，因而在接受系统中也必须有这样一个固定基准相位作为参考，如果这个参考相位发生了变化，则恢复的数字信息就会发生0变为1或1变为0，从而造成错

误的恢复。

这种现象，常称为2PSK方式的“倒”或“反向工作”现象。

所以，实际中不采用2PSK方式，而采用一种所谓的相对（差分）移相（2DPSK）方式。

2DPSK方式即是利用前后码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。

假设相位值用相位偏移

如果，则

如果，则

表3.10PSK、DPSK调制系统相位变化

参考0110101110绝对码相位

2PSK相0000绝对移相位

2DPSK0000000相对移相相位

00100110100相对码下面再来讨论2PSK及2DPSK信号的调制与解调。

PSK信号的产生有两种方法，如下:

图3.222PSK信号的的键控法框图

图3.232PSK信号的相乘电路法

因2PSK已调信号的包络幅度不变，所以不能采用包络检波法，通常采用相干解调法解出2PSK的已调信号。

图3.242PSK信号的相干解调框图

2DPSK信号的产生框图:

图3.252DPSK信号的调制方框图

图中，波形变换器用来完成单极性不归零波形到双极性波形的变换，其变换关系为，因为，所以有。

相对移相信号可以看成是把信息码（绝对码）变换成相对码，然后再对相对码进行绝对移相形成的。

2DPSK信号的解调:

（1）相干解调法（极性比较法）

图3.262DPSK信号的相干解调方框图

2DPSK的解调结果不受本地载波的相位“倒”的影响。

（2）差分相干解调法

图3.272DPSK信号的差分相干解调方框图

2DPS