现代数字调制技术仿真及性能分析.doc

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《现代数字技术仿真以及性能分析》科研训练

实验总成绩：

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报告份数：

西安邮电大学

通信与信息工程学院

科研训练论文

专业班级：

学生姓名：

学号（班内序号）:

2013年9月23日

现代数字调制技术仿真及性能分析

（Moderndigitalmodulationtechnologysimulationandperformanceanalysis）

摘要:

调制是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合传输的形式的过程。

现代移动通信系统都采用数字调制技术。

本文利用MATLAB作为编程工具，通过对数字调制系统进行程序编写，设计了二进制数字系统模型，并对模型的方针流程及仿真结果进行了具体分析。

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。

关键词：

数字调制技术线性调频信号信号产生matlab频谱图匹配滤波器

Abstract:

Modulation isprocessing informationencoded onthesignalsource, makeitintoa process suitablefortransmission intheformof. Modernmobilecommunication systemsuse digitalmodulationtechnique. Inthispaper, usingMATLABasaprogramming tool, throughthedigital modulationsystemprogramming, designof thebinarynumbersystem model, and thepolicyprocessand simulationresultsofthe model areanalyzedindetail.

Keywords:

lineardigital modulation frequencymodulationsignal signal matlabspectrum matchedfilter

1引言

1.1现代数字调制技术概述

随着数字通信技术的日益发展和广泛应用，数字调制技术作为这个领域中极为重要的一个方面，也得到了迅速发展。

数字调制技术的研究，近年来主要是围绕着充分地节省频谱和高效率地利用可用频带这一中心而展开的。

前者指的是已调信号的频谱占用率，后者指的是信道可用频带的利用率。

在带限和非线性同时存在的信道中，例如在卫星通信信道中，怎样解决这两个问题，引起了国内外学者的广泛重视，他们并以极大的热忱进行了大量的研究，纷纷提出了各种各样的新型调制方式，可以归结为“现代恒包络数字调制技术”这一大类。

国际上有关这类技术的理论研究和实验结果的文献、报道很多，其论述观点和具体实现方法名目繁多，特点各异，目前这种趋势，仍是方兴未艾，正向更深入广泛的方向发展。

[1]

1.2Matlab

随着通信系统复杂性的增加,传统的手工分析与电路板试验等分析设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出其巨大的优越性.。

计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型,利用计算机进行实验研究的一种方法.它具有利用模型进行仿真的一系列优点,如费用低,易于进行真实系统难于实现的各种试验,以及易于实现完全相同条件下的重复试验等。

Matlab仿真软件就是分析通信系统常用的工具之一。

Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。

Matlab的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。

应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。

[1][2][3]

2现代数字调制技术分类及原理

其主要有这几类：

偏移四相相移键控（OQPSK）、最小频移键控（MSK）、高斯最小频移键控（GMSK）、正交幅度调制（QAM）、正交频分复用（OFDM）。

2.1偏移四相相称键控（OQPSK）[4][5]

在数字调制中，假设QPSK信号的每个码元的包络为矩形方波，则高频信号也具有恒包络特性，但这时已调信号的频谱将为无穷大，而实际上信道带宽总是有限的，为了对QPSK信号的带宽进行限制，先将基带双极性矩形不归零脉冲序列先经过基带成形滤波器进行限带，然后再进行QPSK调制。

问题是：

通过带限处理后的QPSK信号将不再是恒包络了。

而且当码组，或时，会产生的载波相位跳变，这种相位跳变会引起带限处理后的QPSK信号包络起伏，甚至出现包络为0的现象。

这种现象必须避免，这是因为当通过非线性器件后，包络起伏很大的限带QPSK信号的功率谱旁瓣增生，导致频谱扩散，增加对相邻信道的干扰。

为了消除的相位跳变，在QPSK的基础上提出了OQPSK。

OQPSK调制的相位图：

OQPSK调制表达式：

调制原理框图：

2.2最小频移键控（MSK）[6][7]

最小频移键控（MSK）是2FSK的改进，有时也称为快速移频键控，它是二进制连续相位频移键控的一种特殊情况。

MSK信号具有如下特点：

MSK信号的包络是恒定不变的；

MSK是调制指数为0.5的正交信号，频率偏移等于|1/4T|Hz；

MSK附加相位在一个码元持续时间内线性地变化±π/2。

MSK信号表达式：

MSK调制原理框图：

2.3高斯最小频移键控（GMSK）[4][5][6]

MSK虽然包络恒定，带外功率谱密度下降快，但在一些通信场合，如移动通信中，MSK所占带宽仍较宽。

因此，在频率调制之前，用一个高斯型低通滤波器对基带信号进行预滤波，滤除高频分量，使得功率谱更加紧凑，这就是高斯最小频移键控（GMSK）。

高斯型滤波器的传输函数为：

式中，B为高斯滤波器的3dB带宽。

将其做傅里叶逆变换，可得到此滤波器的冲击响应：

由于h（t）为高斯型特性，故称为高斯型滤波器。

2.4正交幅度调制（QAM）[6][7]

正交幅度调制是一种将两种调幅信号（2ask和2psk）汇合到一个信道的方法，因此会双倍扩展有效带宽。

正交调幅被用于脉冲调幅，特别是在无线网络应用。

QAM是用两呼独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。

该调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制QAM（16QAM）、八进制QAM（64QAM）……对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，分别有4、16、64……个矢量端点。

电平数m和信号状态M之间的关系是对于4QAM，当两路信号幅度相等时，其产生、解调、性能及相位矢量均与4PSK相同。

在QAM中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。

模拟信号的相位调制和数字信号的PSK可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。

因此，模拟信号相位调制和数字信号的PSK也可以被认为是QAM的特例，因为它们本质上就量相位调制。

这里主要讨论数字信号的QAM，虽然模拟信号QAM也有很多应用，例如NTSC和PAL制式的电视系统就利用正交的载波传输不同的颜色分量。

2.5正交频分复用（OFDM）

多载波技术：

多载波调制技术是一种并行体制，它将高速率数据序列经串/并变换后分为若干路低速数据流，每路低速数据采用一个独立的载波进行调制，叠加在一起构成发送信号，在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并/串变换得到原来的高速信号。

原理框图：

3现代数字调制的仿真设计

3.1现代数字调制系统框图

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：

3.2仿真模型设计及结果分析

3.21OQPSK

3.22MSK

3.23GMSK

3.24QAM

3.25OFDM

Welch'smethod：

3.3现代数字调制技术的性能比较

OQPSK偏移四相相移键控

其是在QPSK的基础上发展出来的。

它消除了QPSK的l80°的相位跳变。

是一种恒包络数字调制技术。

包络保持恒定，与多进制调制技术是从不同的角度考虑调制技术的。

信号通过BPF后包络起伏小，性能得到了改善，因此受到了广泛重视。

其不足之处是当码元转换时，相位变化不连续，存在90°的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。

主要特点为，第一包络恒定或起伏很小；第二频谱具有高频快速滚降特性，旁瓣很小。

[8][9]

MSK最小频移键控

虽然OQPSK它消除了QPSK的l80°的相位跳变，但并没有从根本上解决包络起伏的问题。

所以，我们提出了MSK，是一种能够产生恒定包络，连续信号的调制。

MSK是2FSK的一种特殊情况，具有正交信号的最小频差，在相邻符号交界处相位保持连续。

因此，MSK信号在带外产生的干扰非常小。

这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。

而且，信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。

[8][9]

GMSK高斯最小频移键控

为了减小已调波的主瓣宽度和邻道中的带外辐射，调制前对基带信号进行了相关编码的处理。

它的基本原理是先通过一个Gauss滤波器（预调制滤波器）进行预调制滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量，使得在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密。

由于数字信号在调制前进行了Gauss预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此GSMK调制的信号频谱紧凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用，如广泛使用的GSM（GlobalSystemforMobilecommunication）移动通信体制就是使用GMSK调制方式。

[9]

QAM（正交幅度调制）

2ASK系统中，频带利用率是1/2bps/HZ。

利用QAM可以将频带利用率提高一倍。

如果再把多径调制和正交载波技术相结合，还可以进一步提高频带利用率。

QAM利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实行两路并行的数字信息传输。

并且QAM一般为多进制，例如4QAM8QAM64QAM。

[9]

OFDM

正交频分复用是一种高效的调制技术，适合在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据。

具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的能力，并有较高的频谱利用率。

[9]

4结束语

我们所通用的数字调制的三种基本方式：

数字幅度调制，数字频率调制和数字相位调制。

这三种数字调制方式是数字调制技术的基础。

然而这三种技术都存在着某些不足。

如频谱利用率低，抗多径衰弱能力差，功率谱衰减慢，带外辐射严重。

所以，为了改善这些缺陷，近年来人们陆续提出一些新的数字调制技术，以来适应各种新的通信系统的要求。

这些调制技术的研究，主要目的是，寻找频带利用率高，同时抗干扰能力强的调制方式而开展的。

其次，本文重点研究了运用在现代移动通信中的调制技术，研究了这五种方式的基本原理、调制原理、功率谱密度和误码率。

最后，通过对这几种调制方式的波形仿真，深深的体验到通信系统的调制和解调，建模和仿真都是十分复杂的问题。

由于市场的失去以及技术的更新，无线调制