数字信号的频带传输系统的仿真分析毕业设计论文.doc

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 摘 要 本文首先介绍了通讯的历史和发展 随后介绍了数字信号的二进制和多进 制对载波的幅度 频率或相位进行调制 并以幅度键控 ASK 为例利用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台对调制解调的原理 过程以及特点进 行深入了解以及各种模拟调制方式性能的比较 对于不同的调制解调方式 让 它们处于高斯白噪声或者随机环境下 对它们的信噪比 增益 误码率等进行 对比分析 总结归纳出各自的优缺点以及应用 关键字 二进制 多进制 MATLAB Simulink 高斯白噪声 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 ABSTRACT In this paper we first introduce the history and development of communication then introduces the digital signal of binary and M ary the carrier amplitude frequency or phase modulation and amplitude shift control ask for example to use the integrated environment of MATLAB Simulink simulation platform of modulation and demodulation principle process and characteristics of the deep understanding and various modulation performance simulation For different modulation and demodulation let them under Gaussian white noise or random environment their signal to noise ratio gain and bit error rate BER are compared and analyzed summed up their respective advantages and disadvantages as well as application Keywords Keywords binary multi band MATLAB Simulink Gauss white noise 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 目目 录录 摘要摘要 1 1 ABSTRACTABSTRACT 2 2 前言前言 3 3 目录目录 4 4 第第 1 1 章章 通信技术的历史和发展通信技术的历史和发展 5 5 1 11 1 通信的概念通信的概念 5 5 1 21 2 通信的发展史简介通信的发展史简介 6 6 1 31 3 通信技术的发展现状和趋势通信技术的发展现状和趋势 7 7 第第 2 2 章章 数字信号频带传输系统的数字信号频带传输系统的基本原理基本原理 8 8 2 12 1 数字信号的二进制调制数字信号的二进制调制 8 8 2 1 12 1 1 幅度键控 幅度键控 2ASK2ASK 8 8 2 1 22 1 2 频移键控 频移键控 2FSK2FSK 1010 2 1 32 1 3 相移键控 相移键控 2PSK2PSK 1313 2 22 2 数字信号的多进制调制数字信号的多进制调制 1414 2 2 12 2 1 MASKMASK 的调制的调制 1414 2 2 22 2 2 MFSKMFSK 的调制的调制 1515 2 2 32 2 3 MPSKMPSK 的调制的调制 1616 第第 3 3 章章 仿真及结果分析仿真及结果分析 1919 3 13 1 ASKASK 调制与解调调制与解调 1919 3 23 2 加入高斯白噪声后的加入高斯白噪声后的 ASKASK 调制与解调调制与解调 2525 3 33 3 误码率的计算误码率的计算 2828 参考文献参考文献 3131 致谢致谢 3232 1 摘要摘要 本文首先介绍了通讯的历史和发展 随后介绍了数字信号的二进制和多进制对载波的幅 度 频率或相位进行调制 并以幅度键控 ASK 为例利用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台对调制解调的原理 过程以及特点进行深入了解以及各种模拟调制方式性能的比较 对于不同的调制解调方式 让它们处于高斯白噪声或者随机环境下 对它们的信噪比 增益 误码率等进行对比分析 总结归纳出各自的优缺点以及应用 关键字 二进制 多进制 MATLAB Simulink 高斯白噪声 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 3 Abstract In this paper we first introduce the history and development of communication then introduces the digital signal of binary and M ary the carrier amplitude frequency or phase modulation and amplitude shift control ask for example to use the integrated environment of MATLAB Simulink simulation platform of modulation and demodulation principle process and characteristics of the deep understanding and various modulation performance simulation For different modulation and demodulation let them under Gaussian white noise or random environment their signal to noise ratio gain and bit error rate BER are compared and analyzed summed up their respective advantages and disadvantages as well as application Keywords Keywords binary multi band MATLAB Simulink Gauss white noise 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 前言前言 当今时代是信息化时代 而信息的数字化也越来越为研究人员所重视 早在 40 年 代 仙农证明了采样定力 即在一定的条件下 用离散的序列可以完全代表 一个连续函数 就实质而言 采样定理为数字化技术奠定了重要的基础 数字化是数字计算机的基础 是软件技术的基础 是智能技术的基础 是信息社会的技 术基础 数字化管理是指利用计算机 通信 网络等技术 通过统计技术量化管理对象与管 理行为 实现研发 计划 组织 生产 协调 销售 服务 创新等职能的管理活动 数字化理论已经广泛应用在现代的通讯系统之中 在其中最为广泛应用的是频带传输系 统 在频带传输系统中 通过将最初始的数字基带信号转换为频带信号 使得信号能够在频 带上传输 而且 载波参数不同 数字信号的频带调至方法也不同 对现代通信系统而言 数字频带传输系统有着非常巨大的意义 其应用非常广泛 被广 泛应用于低中 高速数字信道之中 故本文对数字频带传输系统的研究非常有意义 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 第 1 章 通信技术的历史和发展 1 1 通信的概念 通讯是人们通过各种方式 打破距离的常规限制 在两地之间进行消 息的传递和交流 信息汇聚起来形成信息源 信息源通过物理传播形成消息 比如说汉字 语音 图像 数据等都是消息的载体 消息还可以有模拟和数字 之分 通讯系统之中的电信号 以下简称信号 便是经过转换之后的消息 故 电信号既是消息的载体 又是消息的传播手段 就广泛而言 信号有模拟信号和数字信号的区别 这两种信号的自变量都 可以连续也可以离散 但是区别是模拟信号的幅度必须是连续的 而数字信号 的幅度必须是离散的 常用模拟信号的如电话 电视 摄影机等输出的信号 常用数字信号的有计算机等数字终端设备的输出信号 人们进行通讯的目的就是为了将消息尽快的传递给对方 但是真正对接收 者而言有用的只是其中的有效部分 也就是信息 对我们而言 具体的 表面 的是消息 抽象的 本质的是信息 于是信息量的多少便成为我们度量获取消 息的有效程度 近些年来数字通信技术在通讯领域发展即为突出 被越来越多的人应用到 通讯领域 通信是一门专门来进行信息传递的科学技术 它的主要任务是将有 效的信息及时 保真的传递给接收方 在传输过程中在所难免遇到一些无用的 或是有害的信息需要过滤掉 现代通信在传递信息的同时 还要将有效的信息 进行采集 处理以及保存等步骤 在信息科学领域 通信已经以极大的优势占 据重要地位 1 所谓的通信系统指的是在信息传输过程中所需要借助的所有技术设备和载 体 最主要指的是息源 发送设备 信道 接收设备和信宿 受信者 一般模 型如下图所示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 1 1 通信系统一般模型 通信系统有模拟和数字系统的分类 顾名思义 模拟通信系统通过模拟信 号来传递消息 数字通信系统即用数字信号来传递消息 模型如下图所示 图 1 2 模拟通信系统模型 与模拟通信系统相比 数字通信系统有很大的优势 它的抗干扰能力很强 加密简单 可以快速简单与计算机连接 因为现代通讯对通讯技术的要求越来 越高 而数字通讯系统更能满足其要求 二十多年以来 数字技术得到了很大 的提高 在通信系统中占据的比例越来越重 在很多通信系统中取代了模拟通 信 1 2 通信的发展史简介 在古时候 传递信息的主要方式是书信 但是这种方式的明显缺点便是传 输时间由距离长短决定 为了缩短传输时间 在短的时间内获得更多的有效信 息 人们在长时间的技术发展中摸索新的技术 1837 年莫尔斯电磁式电报机的 诞生预示着一个崭新的电通信时代的良好开端 开创了用电来进行通讯的先锋 1866 年海底电缆的发明使得人们可以进行越洋电报通讯 1876 年科学家贝尔发 明了电话 完全实现了电信号转化为语音信号的有线传输 迅速准确的进行信 息的传输 预示着模拟通讯时代开始了 因为这种方式比电报通信更加方便 所以在之后的时间里 这种电话通信手段得到了更多的人的广泛推广 1937 年 瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始 20 世纪 60 年代以后集成电 路 电子计算机的出现 使得数字通信迅速发展 在 70 年代末在全球发展起来 的模拟移动电话在 90 年代中期被数字移动电话所代替 现有的模拟电视也正在 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 被数字电视所代替 数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看 到了它的发展前途 2 1 3 通信技术的发展现状和趋势 进入 20 世纪以来 随着晶体管 集成电路的出现与普及 无线通信迅速发 展 特别是在 20 世纪后半叶 随着人造地球卫星的发射 大规模集成电路 电 子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世 通信技术在以下几个不同方向都 取得了巨大的成功 1 微波中继通信使长距离 大容量的通信成为了现实 2 移动通信和卫星通信的出现 使人们随时随地可通信的愿望可以实现 3 光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步 4 电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次 借助现代电信网和计 算机的融合 人们将世界变成了地球村 5 微电子技术的发展 使通信终端的体积越来越小 成本越来越低 范围 越来越广 例如 2003 年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户 根据国家信 息产业部的统计数据 到 2005 年底移动电话用户近 4 亿 随着现代电子技术的发展 通信技术正向着数字化 网络化 智能化和宽 带化的方向发展 随着科学技术的进步 人们对通信的要求越来越高 各种技 术会不断地应用于通信领域 各种新的通信业务将不断地被开发出来 到那时 人们的生活将越来越离不开通信 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 第 2 章 数字信号频带传输系统的基本原理 在数字信号频带传输系统中 主要是对数字信号进行调制 其中主要包括 幅度键控 ASK 频移键控 FSK 相移键控 PSK 因为数字信号有二进制与 多进制之分 因此 数字调制也分为二进制调制和多进制调制 本章节分别对 二进制和多进制调制进行分析 2 1 数字信号的二进制调制 2 1 1 幅度键控 2ASK 振幅键控是正弦载波的幅度随着数字基带信号而变化的数字调制 数字幅 度调制又称幅度键控 ASK 当数字基带信号为二进制时 则为二进制幅度键 控 二进制幅度键控记作 2ASK 2ASK 是利用代表数字信息 0 或 1 的基带矩形脉 冲去键控一个连续的高频载波 使载波时断时续地输出 如有载波输出是发送 1 无载波输出时发送 0 设发送的二进制符号序列由 0 1 序列组成 发送 0 符号的概率为 P 发送 1 符号的概率为 1 P 且相互独立 该二进制符号序列可表示为 S t 其中 P P an 出现概率为 出现概率为 11 0 2 1 Ts 用来表示二进制基带信号的时间间隔 g t 用来代表持续时间 Ts 的矩形脉冲 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 那么二进制幅度键控信号可表示为 tnTtgatS c n snASK cos 2 ttS c cos 2 2 二进制幅度键控信号时间波型如图 2 1 所示 图 2 1 2ASK 信号时域波形 2 1 1 1 2ASK 的调制 2ASK 的产生方法主要有两种 第一种 可以把 2ASK 信号当做载波与 S t 二者的乘积 因此对其进行调制的时候需要采用模拟乘法器 即 乘积法 第二种 2ASK 信号的传播与载波的通断有直接的联系 也就是说可以用模拟开 关控制载波通断 此时二进制序列 S t 可以进行调节 S t 1 时开关导通 S t 0 时开关截止 即 通 断键控法 图 2 2 为 乘积法 的原理图 图 2 3 为 通 断键控法 的原理图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 2 2 2ASK 调制乘积法 图 2 3 2ASK 调制通断键控法 2 1 1 2 2ASK 的解调 由图 2 1 可以知道 2ASK 是一种 100 的 AM 调制信号 信号解调方法有两 种 1 包络检波法 2 相干检测法 下图 2 4 图 2 5 分别展示了包络检波法和相 干检测法的解调原理 3 图 2 4 2ASK 信号包络检波法解调原理框图 图 2 5 2ASK 信号相干检测法解调原理框图 2 1 2 频移键控 2FSK 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 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 键控是用载波的频率来传送数字信息 即用所传送的数字消息控制载波的频率 频移键控通过完全不一样的两个频率 F1 F2 产生的振荡源来体现信号 1 和 0 然后用 1 和 0 去控制两个独立的振荡源的交替输出 其波形如图 2 6 所示 图 2 6 图 2 7 2FSK 信号的产生原理框图 a 模拟调频法 b 键控法 2 1 2 1 2FSK 的调制 2FSK 主要是通过键控法来进行调频 键控法的主要原理就是利用矩形脉冲 序列的开关电路根据两个不同的独立频率源来进行选通 2FSK 信号的产生方法 及波形示例如图 2 8 所示 其中 s t 代表信息的二进制矩形脉冲序列 即 是 2FSK 信号 图 2 8 2FSK 信号的产生方法及波形示例 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 1 2 2 2FSK 的解调 数字调频信号的解调方法很多 如包络检波法 相干检测法 过零检测法 差分检测法 鉴频法等 1 包络检波法 这种方法则可以看作是 2 路 2ASK 对电路的解调 如下图 2 9 所示 图 2 9 2FSK 信号包络检波方框图 其中 代表上下两支路 上支路对应 下支路对应 s t 及指的是包络 指的 是经过包络检测之后抽取的包络抽样值 判决准则通过的值来决 定即 2 3 2 相干检测法 相干检测的具体解调电路是同步检波器 如下图 2 10 所示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 2 10 2FSK 同步检测方框图 除了上述两种方法 过零检测法 差分检测法 鉴频法等也被广泛应用 2 1 3 相移键控 2PSK 数字相位调制又称相移键控 PSK 是利用高频载波相位的变化来传送数 字信息的 二进制相移键控记作 2PSK 在 2PSK 中 初始相位 0 和 用来代表二进制 1 和 0 如图 2 11 所示 因此 2PSK 信号的时域表达式为 2 4 cos A 2PSKnct tS 式中 n 表示第 n 个符号的绝对相位 时发送 时发送 0 1 0 n 图 2 11 因此 上式可以改写为 2 5 P P t t tS c c 1 cosA cosA 2PSK 概率为 概率为 2 1 3 1 2PSK 的调制 模拟调制的方法 如图 2 12 所示 乘法器 2 tS PSK 双极性 不归零 t 0 cos tf码型变换 单 双 0010 t 1 sTs 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 2 12 键控法 如图 2 13 图 2 13 2 1 3 2 2PSK 的解调 因为发 0 或 1 的时候 其采用相位变化携带信息 故 2PSK 只能采用 相干解调 如图 2 14 所示 t c cos tf 2 tS PSK 开关电路 移相 0 180 0 0101 sT t a b c d 0 t t t t e 00110 带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 抽样 判决器 定时 脉冲 输出 2 tS PSK t c cos a b cde 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 2 14 2 2 数字信号的多进制调制 多进制数字调制 就是一数字基带信号去调制高频载波的幅度 相位 频 率的过程 因此 多进制数字调制可以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 2 2 1 MASK 的调制 多进制数字幅度调制 MASK 是二进制数字幅度调制方式的推广 进制 幅度调制信号的载波振幅有种取值 在一个码元期间内 发送其中的一种 幅度的载波信号 MASK 已调信号的表示式为 2 6 这里 为进制数字基带信号 2 7 式中 是高度为 1 宽度为的门函数 有种取值 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 2 2 MFSK 的调制 多进制数字频率调制 MFSK 是 2FSK 方式的推广 它是用个不同的载 波频率代表种数字信息 MFSK 系统的组成方框图如图 2 15 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 2 15 多进制数字频率调制系统的组成方框图 2 2 3 MPSK 的调制 多进制数字相位调制是二相制的推广 通过利用载波的多种不同相位状态 来表征数字信息 MPSK 也有绝对相位调制 MPSK 和相对相位调制 MDPSK 两 种 设载波为 则 MPSK 信号可表示为 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 8 式中 是高度为 1 宽度为的门函数 为进制码元的持续时间 亦即 比特二进制码元的持续时间 为第 个码元对应的相位 共有种不同取值 2 9 且 5 114 由于一般都是在范围内等间隔划分相位的 因此相邻相移的差值为 2 10 令 这样式 2 8 变为 2 11 这里 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 12 2 13 其相关矢量图如图 2 16 所示 图 2 16 相位配置矢量图 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 用得最为广泛 QPSK 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 常用的产生方法有 直接调相法及相位选择法 如下图 2 17 和 2 18 所示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 2 17 相位选择法产生 4PSK 信号 B 方式 方框图 图 2 18 直接调相法产生 4PSK 信号方框图 QPSK 通常通过极性比较法进行解调 如图 2 19 所示 图 2 19 4PSK 信号的相干解调 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 第 3 章 仿真及结果分析 本章节主要以 ASK 为例研究其在 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台 下进行的仿真及结果分析 3 1 ASK 调制与解调 该仿真系统的调制和解调过程可解释为 首先利用相乘器将信号源的输出 信号与再通进行乘法计算 在接收端将滤波器带通实现与载波再次相乘 然后 信号通过低通滤波器 抽样判决器 最后通过示波器显示波形 用误码器观察 误码率 5 ASK 调制与解调仿真电路如下图 3 1 图 3 1 ASK 调制与解调仿真电路 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 将信号源的码数率设为 1B S 即频率为 1 Hz 参数设置如图 3 2 所示 图 3 2 信号源参数设置 在该系统中 设置载波参数时 因为载波频率要大于信号源频率 故信号 源频率 1Hz 的话 那么载波频率设置为 6Hz 频率的单位是 rad sec 所以即为 12 pi 载波信号参数如图 3 3 所示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 3 3 载波信号参数设置 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 低通滤波器的信号源的频率与频带边缘频率相同 在前面设置中信号源频 率为 1 Hz 故对话框中 Passband edge frequency rads sec 中应填写 2 pi 图 3 4 低通滤波器参数设置 对 2ASK 仿真系统而言 接收机输入信号的幅度影响判决器的最佳判决门 限 a 2 当 P 1 P 0 时 当其发生变化时 最佳判决门限也将随之变动 抽 样判决器参数设置如图 3 5 所示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 3 5 抽样判决器的参数设置 量化器抽样频率与信号源频率相同 前面已经设置信号源频率为 1Hz 即 抽样频率为 1Hz 量化器参数设置如图 3 6 所示 图 3 6 量化器参数设置 进行仿真后 由结果可以知道存在 1 比特的时延 故误码器的可接纳时 延为 1 比特 其参数设置如图 3 7 所示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 3 7 误码器的参数设置 经过误码器的 1 比特时延后 其误码率为 0 结果正确 如图 3 8 所示 图 3 8 误码率的查看 按照 ASK 调制解调系统的设计要求 将输入信号转换成输出的各个波形 如下图 3 9 所示 第一路为信号源模块波形图 第二路为 ASK 调制后波形图 第三路为调制信号与载波相乘后波形图 第四路为经过低通滤波器后波形图 第五路为 ASK 解调波形图 图 3 9 各点信号的波形 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 2 加入高斯白噪声后的 ASK 调制与解调 在 ASK 调节解调仿真系统中加入高斯白噪声后 可以将过程描述为 信号 源的输出信号与载波在相乘器中进行相乘计算后 进入增加高斯白噪声 AWGN 的信道中进行传输 在接收端将滤波器带通实现与载波再次相乘 然 后信号通过低通滤波器 抽样判决器 最后通过示波器显示波形 用误码器观 察误码率 如图 3 10 所示 图 3 10 ASK 调制与解调中加入高斯白噪声仿真图 高斯白噪声的抽样时间设置为 0 01 如图 3 11 所示 图 3 11 高斯白噪声的参数设置 带通滤波器的上频应该等于载波频率与调制信号频率之和 下频应该等于 载波频率与调制信号频率之差 由前面的设置可以知道信号源频率为 1Hz 载 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 波频率为 6Hz 经过计算可以得出上截止频率为 7Hz 下截止频率为 5Hz 转换 成以 rads sec 为单位即为 14 pi 10 pi 所以 Lower passband edge frequency rads sec Upper passband edge frequency rads sec 应填 10 pi 14 pi 参数设置如图 3 12 所示 图 3 12 带通滤波器的参数设置 参数设置后进行仿真 由输出结果可以知道 调制解调获得成功 但是 存在 0 01 秒的时延 也就是说信号时延了 2 比特 故无码器的可接纳时延为 2 比特 其参数设置如图 3 13 所示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 图 3 13 误码器的参数设置 经过误码器的 2 比特时延后 其误码率为 0 如图 3 14 所示 图 3 14 误码率的查看 按照 ASK 调制解调系统的设计要求 将输入信号转换成输出的各个波形 如下图 3 9 所示 第一路为信号源模块波形图 第二路为 ASK 调制后的波形图 第三路为加入高斯白噪声后的波形图 第四路为经过带通滤波器后的波形图 第五路为经过带通滤波器后与载波相乘后的波形图 第六路为经过低通滤波器 后的波形图 第七路为 ASK 解调后的波形图