利用matlab进行数字调制仿真毕业论文.doc

本科毕业论文（设计）题 目： 数字调制系统建模与仿真 学 院： 专 业： 姓 名： 指导教师： 20 年 5 月20 日 Modeling and Simulation of Digital Modulation Systems摘 要以数字调制系统为研究对象，对数字调制系统的多种基本调制解调方法进行分析。在此基础上，利用Simulink软件搭建仿真模型，得到这几种数字调制系统的仿真频谱图。通过观察比较仿真频谱图，分析不同数字调制系统的传输效率。再针对多进制相移键控（MPSK）及多进制频移键控（MFSK），对误码率进行分析，以验证不同数字调制系统间性能的差异。关键词 数字调制 仿真 误码率 Simulink AbstractBased on the sdudy of the digital modulation system, a simulation model is built in Simulink on the base of the analysis a variety of the basic modulation and demodulation methods of the digital modulation system. Then simulation spectrums of these types of digital modulation systems are obtained. The transmission efficiency of different digital modulation systems is analyzed by comparison of the frequency spectrums. Then for M-ary Phase Shift Keying (MPSK) and M-ary Frequency Shift Keying ( MFSK) , the bit error rate is analyzed to verify the difference of different digital modulation systems performance .Keywords Digital modulation Simulation Bit Error Rate Simulink 1 目 录前 言1第1章 数字调制系统的相关原理21.1 二进制幅度键控（2-ASK）21.2 二进制频移键控（2-FSK）21.3 二进制相移键控（2-PSK）41.4 二进制差分相移键控（2DPSK）51.5 多进制数字调制51.5.1 MFSK调制解调原理61.5.2 MPSK调制解调原理7第2章 数字调制系统各个环节分析112.1 仿真框图112.2 信号源仿真及参数设置122.3 调制与解调模块122.4 信道132.5 误码计算仪132.6 示波器14第3章 数字调制系统仿真及结果分析153.1 仿真模型的设计及结果分析153.2 二进制频移键控（2FSK）153.3 最小频移键控（MSK）183.4 二进制相移键控（2PSK）183.5 二进制差分相移键控（2DPSK）203.6 四相相移键控（QPSK）213.7 正交相移键控（QDPSK）223.8 十六进制相移键控（16PSK）233.9 振幅/相位联合键控的仿真24第4章 数字调制误码率的计算与分析264.1MPSK误码率分析264.2MFSK误码率分析27结束语29谢 辞30参考文献31附 录32 前 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。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。Matlab 具有强大的Simulink 动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink 支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统; Simulink 为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。用户可以在Matlab 和Simulink 两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。用于实现通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,也叫Commlib,通信工具箱)是Matlab 语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab 环境下独立使用,也可以配合Simulink 使用。另外，Matlab 的图形界面功能GUI（Graphical User Interface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。因此，Matlab 在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。第1章 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，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。1.1 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。幅移键控法(ASK)的载波幅度是随着调制信号而变化的， 其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断， 此时又可称作开关键控法(OOK)。 多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。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。1.2 二进制频移键控（2-FSK）数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是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。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。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。2FSK信号的产生方法主要是两种。第一种是用二进制基带矩形脉冲信号区调制一个调频器，使其能够输出两个不同的频率的码元，如图1.1（1）；第二种方法是用以个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，如图1.1（2）。两者的区别是前者的相位是连续的，后者由于两个独立的频率源产生的两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。A(t)s(t)频率源0频率源1f0f1开关电路图1.1（2）调频器s(t)A(t)图1.1（1）2-FSK 信号的接受也分为相干和非相干接受两类。最常用的解调方法是采用的相干检测法，相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图8-8所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值V0（t）和V1(t)进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。如图1.2 所示。带通滤波f0带通滤波f1相乘相乘低通滤波低通滤波抽样判决输入输出Vo(t)V1(t)cos(t)cos(t)y(t)y(t)定时脉冲图1.2 2FSK信号的相干接收原理方框图1.3 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，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P1/2 时，2PSK 无离散谱，而2ASK 存在离散谱。2PSK信号的产生方法主要也是两种。第一种是相乘法，用二进制不归零矩形脉冲信号与载波相乘，得到相位反相的两种码元，如图1.3（1）；第二种方法叫选择法，是用此基带信号控制一个开关电路，以选择输入信号，开关电路的输入信号是相位相差的同频载波，如图1.3（2）。A(t)3s(t)载波移相图1.3（2）相乘s(t)A(t)图1.3（1）本地载波由于2PSK信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为相位或相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。带通滤波相乘低通滤波抽样判决本地载波提取V(t)图1.4 2PSK信号相干接收原理方框图2PSK信号的解调方法是相干接受法。由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号，如图1.4所示。1.4 二进制差分相移键控（2DPSK）二进制差分相移键控(2DPSK)二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。2DPSK信号的解调有两种解调方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调-码变换法。后者又称为极性比较码变换法。1.5 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。所谓多进制数字调制，就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位的过程。根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为多进制幅度键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）以及多进制相移键控（MPSK或MDPSK）。也可以把载波的两个参量组合起来进行调制，如把幅度和相位组合起来得到多进制幅相键控（MAPK）或它的特殊形式多进制正交幅度调制（MQAM）等。由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数字调制有以下几个特点：（1）在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。码元速率相同时，M进制数传系统的信息速率是二进制的log2M倍。在实际应用中，通常取M=2k，k为大于1的正整数。（2）在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。信息速率相同时，M进制的码元宽度是二进制的log2M倍，这样可以增加每个码元的能量，并能减小码间串扰影响等。正是基于这些特点，使多进制数字调制方式得到了广泛的使用。不过，获得以上几点好处所付出的代价是，信号功率需求增加和实现复杂度加大。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、/2、3/2 四种，分别对应四种状态11、01、00、10。1.5.1 MFSK调制解调原理多进制数字频率调制（MFSK）简称多频制，是2FSK方式的推广。它是用M个不同的载波频率代表M种数字信息。图1.5 多进制数字频率调制系统的组成方框图MFSK系统的组成方框图如图1.5所示。发送端采用键控选频的方式，接收端采用非相干解调方式。图中，串/并变换器和逻辑电路1将一组组输入的二进制码（每k个码元为一组）对应地转换成有M(M=2k)种状态的一个个多进制码。这M个状态分别对应M个不同的载波频率（f1、f2、f3fn）。当某组k位二进制码到来时，逻辑电路1的输出一方面接通某个门电路，让相应的载频发送出去，另一方面同时关闭其余所有的门电路。于是当一组组二进制码元输入时，经相加器组合输出的便是一个M进制调频波形。M频制的解调部分由M个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路2组成。各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。因而，当某一已调载频信号到来时，在任一码元持续时间内，只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器只有噪声通过。抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压，并选出最大者作为输出，这个输出是一位与发端载频相应的M进制数。逻辑电路2把这个M进制数译成k位二进制并行码，并进一步做并/串变换恢复二进制信息输出，从而完成数字信号的传输。1.5.2 MPSK调制解调原理多进制数字相位调制又称多相制，是二相制的推广。它是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制（MPSK）和相对相位调制（MDPSK）两种。1 . 在M进制数字相位调制中，四进制绝对移相键控（4PSK，又称QPSK）和四进制差分相位键控（4DPSK，又称QDPSK）用的最为广泛。下面着重介绍多进制数字相位调制的这两种形式。QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。由于绝对相移方式存在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式QDPSK。它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。 在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。 在HFC网络架构中，从用户线缆调制解调器发往上行通道的数据采用QPSK方式调制，并用TDMA方式复用到上行通道。在有线电视系统中，卫星（大锅）输出的就是QPSK信号。四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45，135，225，315，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：（1）信号分布；（2）与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。 首先将输入的串行二进制信息序列经串并变换，变成m=log2M个并行数据流，每一路的数据率是R/m，R是串行输入码的数据率。I/Q信号发生器将每一个m比特的字节转换成一对（pn，qn）数字，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对coswct和sinwct进行调制，相加后即得到QPSK信号。 4PSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元，习惯上把双比特的前一位用a代表，后一位用b代表。（1）4PSK信号的产生：直接调相法及相位选择法。1) 相位选择法串并变换逻辑选相电路带通滤波器四相载波发生器二进制数码ab451352253154PSK信号图1.6 相位选择法产生4PSK信号（B方式）在一个码元持续时间Tb内，4PSK信号为载波四个相位中的某一个。因此，可以用相位选择法产生4PSK信号，其原理如图1.6所示。图中，四相载波发生器产生4PSK信号所需的四种不同相位的载波。输入的二进制数码经串/并变换器输出双比特码元。按照输入的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。例如，B方式情况下，双比特码元ab为11时，输出相位为45的载波；双比特码元ab为01时，输出相位为135的载波等。图中产生的是B方式的4PSK信号。要想形成A方式的4PSK信号，只需调整四相载波发生器输出的载波相位即可。2）直接调相法4PSK信号也可以采用正交调制的方式产生。B方式4PSK时的原理方框图如图1.7（a）所示。它可以看成是由两个载波正交的2PSK调制器构成，分别形成图1.7（b）中的虚线矢量，再经加法器合成后，得图（b）中实线矢量图。显然其为B方式4PSK相位配置情况。图1.7 直接调相法产生4PSK信号方框图若要产生4PSK的A方式波形，只需适当改变振荡载波相位就可实现。（2）4PSK信号的解调图1.8 4PSK信号的相干解调由于4PSK信号可以看作是两个载波正交的2PSK信号的合成，因此，对4PSK信号的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行。图1.8是B方式4PSK信号相干解调器的组成方框图。图中两个相互正交的相干载波分别检测出两个分量a和b，然后，经并/串变换器还原成二进制双比特串行数字信号，从而实现二进制信息恢复。此法也称为极性比较法。若解调4PSK信号（A方式），只需适当改变相移网络。在2PSK信号相干解调过程中会产生“倒”即“180相位模糊”现象。同样，对于4PSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是0、90、180和270四个相位模糊。因此，在实际中更常用的是四相相对移相调制，即4DPSK。4. 4DPSK信号的产生与解调（1）4DPSK信号的产生与2DPSK信号的产生相类似，在直接调相的基础上加码变换器，就可形成4DPSK信号。具体方法可参阅有关参考书。4DPSK信号也可采用相位选择法产生，但同样应在逻辑选相电路之前加入码变换器。（2）4DPSK信号的解调4DPSK信号的解调可以采用相干解调-码反变换器方式（极性比较法），也可采用差分相干解调（相位比较法）。QDPSK信号可以看作是两路2DPSK信号的合成，解调时实际上就是解两路2DPSK信号，所以，和2DPSK信号的解调类似，有差分相干解调法和相干解调法两种，分别如图1.9和图1.10所示。QDPSK低通滤波器低通滤波器抽样判决码元生成串并变换-45移项+45移项延迟Ts抽样判决码元生成定时脉冲定时脉冲ab二进制信息图1.9 QDPSK差分相干解调方框图QDPSK低通滤波器低通滤波器-45移项+45移项抽样判决码元生成抽样判决码元生成定时脉冲定时脉冲图1.10 QDPSK相干解调方框图串并变换二进制信息出码反变换载波发生器第2章 数字调制系统各个环节分析2.1 仿真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2.1 所示：图2.1 数字通信系统模型信息源编码器调制器信 道解调器解码器受信者噪声源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。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如图2.2 所示的模型：基带信号调制器信 道调制器基带信号噪声源图2.2 数字调制系统仿真框图2.2 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调模块的Symbol period 保持一致。2.3 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 Baseband和M-DPSK Demodulator Baseband 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 period：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 frequency + 2/(Symbol period)2.4 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的两种方法，在一次仿真中只能选择其中一个。2.5 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），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。2.6 示波器在仿真过程中，可以观察各个环节的时域和频域波形，因此，在各个环节加上示波器以观察波形。另外，还可将示波器的数据输出到Work space 中存储，以便对仿真结果做进一步处理，比如将各个环节的波形对比显示和做频域变换等。第3章 数字调制系统仿真及结果分析3.1 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各种数字调制模型，并对仿真结果在时域和频域进行分析。运用Matlab/Simulink软件进行各种数字通信系统的仿真，并对结果进行分析比较。Matlab/Simulink中有各种调制解调方式的现成模块可以直接应用，但是必须得设定正确的参数才能取得理想的仿真结果。通过仿真比较各种系统的占用带宽和误码率等性能指标。为了正确比较误码率，必须保证误码率比较器中比较的为发送码元和对应的接收码元，因此根据系统不同需要进行不同的延时；为了便于比较，建立了三个条件基本一致的仿真系统，即相同的信号源（伯努利随机二进制发生器），相同的传输环境（加性高斯白噪声环境信噪比为-5dB），都是基带调制、解调模块，最后显示出误码率、传输错误个数、传输总数。3.2 二进制频移键控（2FSK）利用伯努利二进制信号发生器（Bernoulli Binary Generator）成生数字信号，利用Simulink 通信工具箱中提供了专门的FSK 调制和解调模块应用FSK 调制模块能可方便地产生2FSK 信号，根据图3.1所示仿真框图。图3.1 2FSK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：信源：probability of a zero : 0.5 Initial seed : 12345 Sample time : 0.001调制解调器：m-ary number：2 Frequency separation(hz) : 1000;2000;4000 Sample per symbol : 16信道：initial seed : 12345 Mode : SNR SNR : -5 Input signal power : 1误码器：receive delay : 0 Computation delay : 0 Mode : entire frame Output data : port延时器：initial condition : 0 Sample time : -1频谱：buffer input buffer size : 1024 buffer overlap : 512 window type : boxcar Fft length : 1024 number of spectral average : 64 Frequency units : herts frequency range : -fs/2fs/2 Amplitude acaling : db minimum y-limit : -30 maximum y-limit : 30 y-axis title : madnitude-squared,db根据上述参数设置各模块，运行后，得出如下结果，分别设置FSK调制解调器的频率设为1kHz、2kHz、4kHz。系统的功率谱密度曲线如图3.2至图3.4所示。图3.2 时2FSK功率谱密度曲线图图3.3 时2FSK功率谱密度曲线理方框图图3.4 时2FSK功率谱密度信源的码元速率为1000Baud，对于2FSK已调信号功率谱密度曲线来说，当时为单峰；当时刚刚分离为双峰；当为完全分离的双峰。即，当小于码元速率两倍时，2FSK已调信号功率谱密度曲线为单峰，出现混叠现象；当等于两倍码元速率时，恰好出现双峰；当远远大于两倍码元速率时，功率谱密度曲线为双峰，频谱基本不再混叠。3.3 最小频移键控（MSK）最小频移键控MSK二进制频移键控（2FSK）的改进，其Simulink 仿真模型如图3.5所示图3.5 MSK的仿真模型将信号源的Sample time 设为1/2，其余参数可参照2-FSK，两者参数类似。图3.6 MSK的仿真模型从上图可以看出，与2FSK调制频谱相比，MSK 信号的频谱比较紧凑，在主瓣之外，频谱旁瓣的下降非常迅速。这说明MSK 信号的功率主要包含在主瓣之内。因此，MSK 信号比较适合在窄带信道中传输，对邻道的干扰也较小。3.4 二进制相移键控（2PSK）利用随机整数信号发生器（Random Integer Generator）成生数字信号，利用Simulink 通信工具箱中提供了专门的BPSK 调制和解调模块，应用BPSK 调制模块能可方便地产生2PSK 信号，根据图3.7所示仿真框图。图3.7 2PSK仿真模型重要模块参数设置如下：信源：m-ary number：2 Initial seed :12345 Sample time : 0.001调制解调器：m-ary number：2Inputtype：integerPhase rotation :pi/4 Output data type :double信道、误码器、延时器、频谱器参数设置参考2FSK。根据上述参数设置各模块，运行后，得出如下结果，系统的功率谱密度曲线如图3.8所示。图3.8 2PSK功率谱密度曲线在数字调制中，2PSK（后面将会看到2DPSK也同样）的频谱特性与2ASK十分相似。相位调制和频率调制一样，本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。这样一来，数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。但是不能把上述概念推广到所有调相信号中去。3.5 二进制差分相移键控（2DPSK）利用随机整数信号发生器（Random Integer Generator）成生数字信号，利用Simulink 通信工具箱中提供了专门的DBPSK 调制和解调模块，应用DBPSK 调制模块能可方便地产生2DPSK 信号，根据图3.9所示仿真框图。图3.9 2DPSK仿真模型重要模块参数设置：调制解调器：Phase rotation :pi/4 Output data type :double其余参数与2PSK相同。根据上述参数设置各模块，运行后，得出如下结果，系统的功率谱密度曲线如图3.10所示。图3.10 2DPSK功率谱密度曲线2DPSK与2PSK信号有相同的功率谱；2DPSK与2PSK信号带宽相同，是基带信号带宽Bs的两倍，2DPSK与2PSK信号频带利用率也相同。3.6 四相相移键控（QPSK）利用随机整数信号发生器（Random Integer Generator）成生数字信号，利用Simulink 通信工具箱中提供了专门的QPSK 调制和解调模块，应用QPSK 调制模块能可方便地产生QPSK 信号，根据图3.11所示仿真框图。图3.11 QPSK仿真模型仿真模型重要模块设置：信源：m-ary number：4 Initial seed :12345 Sample time : 0.002调制解调器：Input type :integer Constellation ordering :binary Phase rotation :pi/4 Output data type :double其余模块与2FSK仿真模型设置一样。根据上述参数设置各模块，运行后，得出如下结果，系统的功率谱密度曲线如图3.12所示。图3.12 QPSK功率谱密度曲线3.7 正交相移键控（QDPSK）QDPSK利用随机整数信号发生器（Random Integer Generator）成生数字信号，利用Simulink 通信工具箱中提供了的DQPSK 调制和解调模块，应用QDPSK 调制模块能可方便地产生DQPSK 信号，根据图3.13所示仿真框图。图3.13 QDPSK仿真模型仿真模型重要模块设置：信源：m-ary number：4 Initial seed :12345 Sample time : 0.002调制解调器：Input type :integer Constellation ordering :binary Phase rotation :pi/4 Output data type :double图3.14 QDPSK功率谱密度曲线其余模块与2FSK仿真模型设置一样。根据上述参数设置各模块，运行后，得出如下结果，系统的功率谱密度曲线如图3.14所示。3.8 十六进制相移键控（16PSK）利用随机整数信号发生器（Random Integer Generator）成生数字信号，利用Simulink 通信工具箱中提供了的MPSK 调制和解调模块，应用MPSK 调制模块能可方便地产生16PSK 信号，根据图3.15所示仿真框图。图3.15 16PSK仿真模型仿真模型重要模块设置：信源：m-ary number：16 Initial seed :12345 Sample time : 0.004调制解调器：Input type :integer Constellation ordering :binary Phase rotation :pi/8 Output data type :double其余模块与2FSK仿真模型设置一样。根据上述参数设置各模块，运行得出如下结果，系统的功率谱密度曲线如图3.16所示。图3.16 16PSK功率谱密度曲线 分别图8、图10、图12、图14、图16，2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK、16P