MATLAB仿真应用-第5章(2).ppt

第5章数字通信系统的仿真（2）,5.5调制技术（数字调制）5.6多元调制仿真,5.5调制技术（数字调制）,5.5.1ASK幅度键控幅度键控（数字幅度调制）就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量。幅度随着输入的数字信号的变化而相应地变化。下面的程序用于研究、描述频带ASK调制的时间、频率的特性。图5-39所示是运行程序5-2后的结果。,图5-39ASK调制信号的时域图和频域图,程序5-2%产生一个最小码元宽度为64的随机二进制序列n=1:8192;m=1:128;x(n)=randint(1,8192,2);x=x(n);y(n)=zeros(1,8192);z(m)=zeros(1,128);forn=1:8192form=1:128ifn=64*m-63%当n为64的整数倍时对z赋值z(m)=x(n);ifm=ceil(n/64)y(64*m-63):(64*m)=z(m);,end%y成了一个以64为最小长度的随机二进制序列endendendn=1:8192;rm2=y(n);x2=rm2;%产生基带信号，64为最小长度的随机二进制序列n=1:(213);x1=cos(n.*1e9*2*pi/4e9);%载频1GHzx=x1.*x2;%ASK频带调制b=blackman(213);%窗函数,X=b.*x;%ASK频带调制加窗x3=ones(1,64)zeros(1,8128);%基带信号码元y1=X(1:(213);y4=x1.*x3;%脉冲信号被调制Y1=fft(y1,(213);magY1=abs(Y1(1:1:(212)+1)/(200);%求调制基带信号的FFTY4=fft(y4,(213);magY4=abs(Y4(1:1:(212)+1)/(37);%求调制后脉冲信号的FFTk1=0:(212);w1=(2*pi/(213)*k1;,u=(2*w1/pi)*1e9;figure(1)subplot(2,1,1);plot(u,magY1,b,u,magY4,r);grid%将两信号频谱画在一个图上，作比较title(ASKr);axis(4e8,1.6e9,0,1.1)X2=b.*x2;%基带信号加窗y2=X2(1:(213);Y2=fft(y2,(213);magY2=abs(Y2(1:1:(212)+1)/(200)+eps;%求基带信号的FFTk1=0:(212);w1=(2*pi/(213)*k1;,u=(2*w1/pi)*1e9;Y3=fft(x3,(213);magY3=abs(Y3(1:1:(212)+1)/(35)+eps;%求脉冲信号的FFTsubplot(2,1,2);semilogy(u,magY2,b,u,magY3,r);gridtitle(ASKr-modulation);axis(0,1.2e9,3e-2,3)figure(2)subplot(2,1,1);plot(n,x2);title(ASKr);axis(0,640,-0.2,1.2);gridsubplot(2,1,2);plot(n,x);axis(0,640,-1.2,1.2);grid,图5-39中，时域图的上图是最小码元宽度为64的随机二进制基带信号。时域图的下图是基带信号进行频带（fc=1GHz）ASK调制后的波形。频域图的上图是基带信号进行频带（fc=1GHz）ASK调制后的频谱，包络是用1个宽度为64的方波信号进行频带（fc=1GHz)ASK调制后的频谱。频域图的下图是基带信号的频谱，包络是用1个宽度为64的方波信号的频谱，它是用于与ASK基带调制信号的频谱作比较的。由图可见，宽度为64的方波信号与最小码元宽度为64的随机二进制基带信号的频谱特性吻合得很好。,5.5.2基带频移键控用二进制数字基带信号控制载频的频率实现调制称为移频键控FSK。由于二进制基带信号变化时会引起载波的相位突变等问题，又发展出MSK，称为最小移频键控。为了进一步降低传输带宽，又发展出GMSK，称为高斯滚降最小移频键控。这三种数字频率调制也是目前应用广泛的调制方式。本小节就讨论三种基带调制方式的仿真系统，了解它们的工作特性及占用带宽。,图5-40FSK基带调制仿真系统,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，FSK的信噪比为-3dB，其余两个是-6dB），都是基带调制、解调模块。图5-40是FSK（移频键控）的仿真试验框图，图5-41是基带FSK（移频键控）调制信号的频谱，图5-42是MSK（最小移频键控）的仿真试验框图，图5-43是基带MSK（最小移频键控）调制信号的频谱，图5-44是GMSK（高斯滚降最小移频键控）的仿真试验框图，图5-45是基带GMSK（高斯滚降最小移频键控）调制信号的频谱。表5-31表5-37分别给出了三个仿真系统中模块的主要参数。注意，FSK系统误码表的接收延迟时间与MSK、GMSK是不同的。三个系统的频谱仪参数是一致的，便于比较。,图5-41FSK基带调制信号频谱,图5-42MSK基带调制仿真系统,图5-43MSK基带调制信号频谱,图5-44GMSK基带调制仿真系统,图5-45GMSK基带调制信号频谱,表5-31BernoulliRandomBinaryGenerator（伯努利二进制随机数产生器）的主要参数,表5-32SpectrumScope（频谱仪）的主要参数,表5-33MFSKModulatorBaseband（基带MFSK调制器）的主要参数,表5-34MSKModulatorBaseband（基带MSK调制器）的主要参数,表5-35GMSKModulatorBaseband（基带GMSK调制器）的主要参数,表5-36AWGNChannel（加性高斯白噪声信道）的主要参数,表5-37ErrorRateCalculation（误码率计算）的主要参数,仿真结果表明：在误码率为相同数量级的条件下，GMSK（高斯滚降最小移频键控）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。5.5.3基带相移键控用二进制数字基带信号控制载频的相位来实现调制称为移相键控PSK，即随着基带信号0、1的变化，载波的相位发生0、的变化。MATLAB中的BPSK（二进制移相键控）模块，完成调制解调的工作。如果载波是一对正交的函数，譬如sint、cost，同时对它们进行PSK调制，这样的调制称为QPSK（正交移相键控）。,显然，用于QPSK调制的基带信号应该是两个二进制码，即2个比特，每个对应一个载波。所以QPSK调制是四进制调制。在传输相同信息的情况下，QPSK的1个符号比BPSK的时间长1倍（频带变窄）。而在相同符号宽度的情况下，QPSK传输的信息比BPSK多1倍。如果将两个载波的调制时间错开半个码元宽度，这样的调制称为OQPSK（偏置正交移相键控）。OQPSK降低了载波包络的突变，具有更好的性能。本小节中列举三个基带移相键控调制的仿真例子，了解它们的工作特性及占用带宽。,图5-46、图5-48、图5-50分别是BPSK（二进制移相键控）、QPSK（正交移相键控）、OQPSK（偏置正交移相键控）的仿真系统。图5-47、图5-49、图5-51分别是BPSK（二进制移相键控）、QPSK（正交移相键控）、OQPSK（偏置正交移相键控）的信号频谱图和星座图。,图5-46BPSK（二进制移相键控）基带调制仿真系统,图5-47BPSK（二进制移相键控）基带调制信号的频谱图和星座图,图5-48QPSK（正交移相键控）基带调制仿真系统,图5-49QPSK（正交移相键控）基带调制信号的频谱图和星座图,图5-50OQPSK（偏置正交移相键控）基带调制仿真系统,图5-51OQPSK（偏置正交移相键控）基带调制信号的频谱图和星座图,为了便于比较，三个仿真系统条件基本一致，即相同的信号源（随机整数发生器），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。表5-38表5-45分别给出了仿真系统中各模块的主要参数。,表5-38RandomIntegerGenerator（随机整数发生器）的主要参数,表5-39SpectrumScope（频谱仪）的主要参数,表5-40DiscreteTimeScatterDiagram（离散时间星座图仪）的主要参数,表5-41BPSKModulatorBaseband（基带BPSK调制器）的主要参数,表5-42QPSKModulatorBaseband（基带QPSK调制器）的主要参数,表5-43OQPSKModulatorBaseband（基带OQPSK调制器）的主要参数,表5-44AWGNChannel（加性高斯白噪声信道）的主要参数,表5-45ErrorRateCalculation（误码率计算）的主要参数,仿真结果说明在相同传输条件下，QPSK、OQPSK调制以比BPSK调制高1倍的速率传输信息，QPSK误码率高于BPSK约30倍，OQPSK误码率高于BPSK约1.4倍。由于是相位调制，频谱反映了具有不同相位特性的同一载波，因此频谱特性一致。正因为是相位调制，每符号采样取16（大于1）可以得到更好的系统性能，此时在误码表中应该正确地选取与之相应的接收延迟参数。星座图显示的是传输环境SNR（信噪比）为6dB时的图形。,5.5.4频带频移键控与相移键控本小节列举两个频带调制的例子。图5-52所示是频带GMSK（高斯滚降最小移频键控）的仿真系统，图5-53所示是频带OQPSK（偏置正交移相键控）的仿真系统。表5-46表5-50分别给出了仿真系统中各模块的主要参数。参数设置时，请注意下面两点：(1)误码表中的接收延迟。(2)输出采样时间。,图5-52频带GMSK（高斯滚降最小移频键控）仿真系统,图5-53频带OQPSK（偏置正交移相键控）仿真系统,表5-46RandomIntegerGenerator（随机整数发生器）的主要参数,表5-47GMSKModulatorPassband（频带GMSK调制器）的主要参数,表5-48OQPSKModulatorPassband（频带OQPSK调制器）的主要参数,表5-49AWGNChannel（加性高斯白噪声信道）的主要参数,表5-50ErrorRateCalculation（误码率计算）的主要参数,5.6多元调制仿真,1.原理MQAM的信号可以用如下二维信号空间的方式表示：Sk(t)=Ai1(t)+Bj2(t)k=0,1,2,(2L)2-1(5-18）其中Ai=(2i-1)ai=1,2,LBj=(2j-1)aj=1,2,L1(t)=cosct2(t)=sinct,1(t)，2(t)是二维的正交的基本信号，Ai，Bj是基本信号的幅度。电平数为2L，并且可用星座图来描述。在二维信号空间中表示的多元调制信号如MQAM信号，在加性高斯白噪声信道传播时接收到的信号为如下形式：Qk(t)=(Aki+n1)1(t)+(Bkj+n2)2(t)(5-19）将噪声表示成：n(t)=n(t)+n(t)=nii(t)+n(t)(5-20）,其中i=1,2式(5-20)表示，噪声信号可以表示成噪声信号在二维信号空间的投影n及与二维信号空间正交的剩余分量n之和。由于(5-21）因此，噪声信号在二维信号空间的投影n1,n2可以用两个独立的高斯变量描述，每一个都为零均值。,方差是2=n0/2，在信号空间中的联合概率密度为(5-22）例如,16QAM的信号在通过方差为2的高斯白噪声信道后，它的信号Sk出现的概率（当各信号是等概率出现时）如图5-54所示。其中，右图是=0.1667时的概率密度分布图，左图是=0.0834时的概率密度分布图。,图5-5416QAM不同2值时的概率分布图,当2不同，即n0不同时，分布的概率密度也不同。在一维信号空间中可导出两个等概率出现的信号，其距离为A。当判决门限为A/2，方差为2，信号能量为E时，正确判决的概率为差错概率为,(5-23),(5-24),图5-5564QAM第一象限星座图,图5-5564QAM第一象限星座图二维信号空间以64QAM为例（见图5-55），我们将多元的MQAM信号点之间的距离都设为A，用一维信号空间类似的方法,得出S1,S2,S3三个信号点正确判断的概率分别为：,(5-25）,总的正确判决的概率为差错概率为用同样的方法可推出16QAM、256QAM、1024QAM、4096QAM的差错概率：,(5-26）,(5-27）,16QAM:256QAM:1024QAM:4096QAM:,(5-28）,根据每个信号点到中点的距离(即信号幅值)，得出信号的平均功率为调制信号的信噪比为在相同最大峰值功率的条件下的平均功率分别为,(5-29）,(5-30）,M增大，平均功率逐步下降，但是，M增大时A值迅速减小：A4=2.0000，A16=0.6666，A64=0.2875A256=0.1333，A1024=0.0645，A4096=0.03172仿真实例本小节列举四个频带多元调制的仿真系统。图5-56、图5-58、图5-61、图5-64分别是MFSK（M元移频键控）、MPSK（M元移相键控）、GeneralQAM（通用正交幅度调制）、RectangularQAM（矩形正交幅度调制）仿真系统。,图5-57表示频带调制5元FSK信号的频谱。将MPSK、RQAM、GQAM三个仿真系统的解调器激活后，点击标题栏中的Edit（编辑），出现下拉菜单。再点击菜单中的Lookundermask（观察封装下）,即可分别弹出如图5-59、图5-62、图5-65所示的相应解调模块的原理框图。在图中的基带解调器之前连上一个星座图仪，仿真时即可观察信号的星座图，如图5-60、图5-63、图5-66所示。,图5-56MFSK（M元移频键控）仿真系统,图5-57MFSK（5元移频键控）信号频谱,图5-58MPSK（M元移相键控）仿真系统,图5-59MPSK（M元移相键控）解调器原理框图,图5-60MPSK（8元移相键控）信号星座图,图5-61GeneralQAM（通用正交幅度调制）仿真系统,图5-62GeneralQAM（通用正交幅度调制）解调器原理框图,图5-63GeneralQAM（通用正交幅度调制）信号星座图,图5-64RectangularQAM（矩形正交幅度调制）仿真系统,图5-65RectangularQAM（矩形正交幅度调制）解调器原理框图,图5-66RectangularQAM（矩形正交幅度调制）信号星座图,表5-51表5-59分别给出了仿真系统中各模块的参数设置。设置参数时注意：(1)MFSK中的Frequency