仿真实现ASKPSKFSKDPSKQAM技术Word文档下载推荐.docx

1、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，为1时载波相位为或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

2、: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、/2、3/2四种，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、

3、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（

4、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,

5、 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 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Comm Sources/Data Sources提供了数字信号源Bernoulli Binary Generator，这是一

6、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Bernoulli Binary Generator来模拟基带信号发生器。其中主要参数的含义为:Probability of a zero :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;Initial seed :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Initial seed设置不同的值;Sample time: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

7、调模块的Symbol period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-DPSK Modulator Passband和M-DPSK Demodulator Passband 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-ary number:输入信号的阶次数，比如2-DPSK就是2阶的;Symbol p

8、eriod:符号周期，即，一个符号所占的时间，这必须与信号源的Sample time保持一致;Carrier frequency:载波频率;Carrier initial phase:载波的初始相位;Input sample time: 输入信号的抽样时间;Output sample time:输出信号的抽样时间。其中，各参数要满足以下关系:Symbol period 1/（Carrier frequency） Input sample time 1/2*Carrier frequency + 2/（Symbol period） Output sample time 1/2*Carrier f

9、requency + 2/（Symbol period） 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:AWGN Channe。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:Initial seed: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Initial seed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

10、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Error Rate Calculation 模块来计算误码率，其主要参数的设置为:Receive delay: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;Output data: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:Work space 和 Port。将数据输出到Work space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

11、），将数据传到该模块中（显示出来）;Variable name:变量名称，该参数只有在前面选择了Work space后才有用，它决定数据输出到Wok space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Spectrum Scope模块来显示仿真频谱，其主要参数的设置为:Buffer size: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

12、段，FFT size（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Buffer size（缓存长度），通常这两个长度是一样的。Buffer overlap:重叠的长度;Number of spectral averages: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Buffer overlap（重叠的长度）、Number of spectral averages（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。Frequency Range: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

13、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，Frequency Range（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。2.2.1 2-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 cosct （a） （b） 图3.3 2-ASK信号产生的两种方法 2-ASK解调的方法

14、也有两种相应的接收系统组成方框如图所示:图3.4 2-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（ Bernoulli Binary Generator的参数设置为:位置:Communications BlocksetComm Sources 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 Probab

15、ility （0出现的概率） 0.5 Initial seed （初始化种子） 67 Sample time （采样时间） 1 Frame-based output （基于帧输出） 使能 Smaple per frame （每帧取样数） 10 2. 载波频率设为:50（可调） 3. Sample and Decide 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（Sychronizing signal）完成，其参数period（sec）设置和信号源的参数Sample time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

16、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。Sample and Decide 模块内部结构如图3.6所示:图3.6 Sample and Decide 子系统内部结构 5. Error Rate Calculation的参数设置:Communications BlocksetComm Sinks 表3.2 误码率计算的主要参数 参数名称 参数值 Receive delay （接受延迟） 2 Communication delay （计算延迟） 0 ErrorVec

17、Variable name （变量名称） Output data （输出数据） Work space 3.2.2 FSK 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3.9 FSK系统调制原理 （1） 2 设计2-FSK仿真模型如图3.11所示:图3.11 FSK基带调制仿真系统框图 FSK基带调制

18、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（ Bernoulli Random Binary Generator （伯努利二进制随机数产生器） 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） 0.5 Initial seed （初始化种子） 12345 Sample time （采样时间） 0.1 Frame-based output （基于帧输出） 使能

19、Smaple per frame （每帧取样数） 10 2. Spectrum Scope （频谱仪）用来显示对数字调制后信号的测量。DSP BlocksetDSP Sinks 表3.4 频谱仪的主要参数一 参数名称 参数值 Buffer size （缓存长度） 1024 Buffer overlap （缓存交叠） 512 FFT length （FFT长度） 1024 Number of spectral averages （谱（计64 算）平均（点）数） Scope position （显示器位置） get（0,defaultfigureposition） Frequency units

20、（频率单位） Hertz Frequency range （频率范围） 0Fs/2 Amplitude scaling （幅度刻度） dB Inherit sample increment from input 使能 （与输入信号采样时间一致） Minimum Y-limit （Y轴最小刻度） -50 Maximum Y-limit （Y轴最大刻度） 30 Fs=1/0.0002=5kHz,Fs/2=2.5kHz 3. AWGN Channel（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-6 dB。Communications Blocks

21、etChannels 表3.5 加性高斯白噪声信道的主要参数 参数名称 参数值 FSK MSK GMSK Initial seed （初始化种子） 18233 Mode （模式） Signal to noise ration （SNR）（信噪比） SNR（信噪比） -3 -6 -6 Input signal power（输入信号功率） 1 4. Error Rate Calculation（误码率计算）比较输入输出的误码率。表3.6 误码率计算的主要参数 FSK MSK GMSK Receive delay （接受延迟） 0 16 16 Communication delay （计算延迟） 0

22、 Computation mode （计算模式） Entire frame Output data （输出数据） port 5. M-FSK Modulator Baseband （基带M-FSK调制器） Communications BlocksetModulationDigital Baseband Modulation 表 3.7 基带M-FSK调制器的主要参数 参数名称 参数值 M-ray number（元数） 3 Input type（输入类型） Bit Symbol set ordering（符号排序） Binary（二进制） Frequency separation（HZ）（频率

23、间隔） 10 Phase continuity（相位连续性） Discontinuous（不连续） Sample per symbol（每符号采样数） 16 6. MSK Modulator Baseband （基带MSK调制器） 表3.8 基带MSK调制器 参数名称 参数值 Input type（输入类型） Bit Phase offset（rad）（相位偏置） 0 Sample per symbol（每符号采样数） 16 注:Demodulator（解调器）中相应的 Traceback length（跟踪反馈长）设为16 图3.17 基带MSK调制器 7. GMSK Modulator B

24、aseband （基带GMSK调制器） 表3.9 基带GMSK调制器的主要参数 参数名称 参数值 Input type（输入类型） Bit BT product（BT乘积） 0.3 Pulse length（符号间隔） 3 Symbol prehistory（符号前史） 1 Phase offset（rad）（相位偏置） 0 Sample per symbol（每符号采样数） 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3 dB，综合抗干扰能力、占带宽度最好的是GMSK、MSK次之，最后是FSK

25、。图3.19 FSK基带调制信号频谱 图3.20 MSK基带调制信号频谱 图3.21 GMSK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。3.2.3 2-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 ,0nscnTagt（）这里的是脉宽为的单个矩形脉冲，而得统计特性为

26、Sn1，概率为Pa, n-1，概率为1-PTet（）这就是说，在其一码元持续时间内观察时，为 S0cosPwt，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。 2

27、DPSK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 3.10 PSK、DPSK调制系统相位变化 参考0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 绝对码 相位 2PSK相 0 0 0 0 绝对移相 位 2DPSK0 0 0 0 0 0 0 相对移相 相位 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 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3.22 2PSK信号的的键控法框图 图3.23 2PSK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3.24 2PSK信号的相干解调框图 2DPSK信号的产生框图:图3.25 2DPSK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3.26 2DPSK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3.27 2DPSK信号的差分相干解调方框图 2DPS