数字调制的系统设计

1、一、设计的目的与要求数字调制是通信系统中最为重要的环节之一，数字调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。通过分析了解数字调制系统的几种基本调制解调方法，Matlab用于仿真，分析和修改，应用图形界面功能GUI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，因此采用Matlab对数字系统进行仿真。通过对系统的仿真，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。二、系统设计思路与原理1.基础知识1.1数字调制的意义 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

2、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。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。 1.2 Matlab在通信系统仿真中的应用 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

3、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。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 Us

4、er 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。2.系统设计原理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，最后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。 2.1 二进制幅度键控（2-ASK）幅度键控可以通过乘法器和开关电

5、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。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。2.2 二进制频移键控（2-FSK） 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

6、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。2.3二进制相移键控（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

7、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。2.4 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：一是有于多进

8、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。三、软件实现过程与结果分析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

9、图3.1所示：图3.1 2-ASK信号产生的两种方法2-ASK解调的方法也有两种相应的接收系统组成方框如图3.2所示：图3.2 2-ASK信号接收系统组成框图根据3.1（a）所示方框图产生2-ASK信号，并用图3.2（b）所示的相干解调法来解调，设计2-ASK仿真模型如图3.3所示：图3.3 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： 1Bernoulli Binary Generator的参数设置为： 

10、Probability of a zero ：0.5 Initial seed ：67 Sample time：1 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perio（sec）设置和信号源的参数Sample time保持一致。Sample and 

11、;Decide 模块内部结构如图3.4所示：图3.4 Sample and Decide子系统内部结构4. Error Rate Calculation的参数设置：   Receive delay：2 Output data： Work space Variable name：ErrorVec仿真结果时域分析 设信息源发出的是由二进制符号0、1组成的序列，且假定0符号出现的概率为P，1符号出现的概率为1-P，他们彼此独立。则2ASK信号的时间表示

12、式为: （3.1）（3.2）将图3.3中各示波器的值输出到Work space中做统一处理（处理程序见附录2），各环节波形如图3.5所示；图3.5 2-ASK各环节波形示意图从图3.5中可以看出，经过调制后的信号波形在符号1持续时间内是载波的波形，在符号0持续时间内无波形，这与式（3.2）是完全吻合的。最后经过解调和抽样判决出来的信号与源信号波形大体一致，只是有两个码元的延迟，这说明如果将Error Rate Calculation的Receive delay参数设置为2，则此模型最后的误码率为0。这个值与理论值有些出入，原因是我们在仿真时为了便于观察信

13、号的波形，将信号源发送的码元数设定为20个（码元速率为1，仿真时间20秒），这大大低于现实中的传码率，所以在只传送20个码元的情况下，误码率为0是可能的。 仿真结果频域分析 由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。2ASK的功率谱密度为：（3.3）又因为G(f)=TsSa(fTs), 当概率P=0.5时，2ASK的功率谱密度可进一步整理为:（3.4）由上式可知，2-ASK信号的中心频谱被搬移到了载波频率fc上。对图3.5中各环节数据做1024点快速傅立叶可得频域波形，如图3.6所示：图3.6 2

14、-ASK各环节频谱图从图3.6中可以看到，源信号中心频率经调制后搬移到了载波频率上，这与公式（3.4）是相符的。最后经过抽样判决后的频谱与源信号频谱也大体一致，说明该2-ASK仿真模型是成功的、符合理论的。2.2-FSK如果信号源同2-ASK一样的假设，那么，2-FSK信号便是0符号对应于载波1，而1符号则对应于2（与1不同的另一载波）的已调波形，而且1与2之间的改变是瞬间完成的。2-FSK信号的产生如图3.7所示：图3.7 2-FSK信号产生方法2-FSK信号最常用的解调方法是采用的相干检测法，如图3.8所示：图3.8 2-FSK相干解调的方法利用Simulink通信工具箱中的FSK调制解调

15、模块及信号源与信道即可。设计的2-FSK仿真模型如图3.9图3.9 2-FSK仿真模型重要模块参数设置如下：     1.信号源参数设置同2-ASK； 2. M-FSK Modulator Passband及M-FSK Demodulator Passband：M-ary number：2 Symbol period (s)：1（与Bernoulli Binary Generator/ Sample tim

16、e一致）Frequency separation (Hz)：1（可调）Carrier frequency (Hz)：30（可调）Carrier initial phase (rad)：0   Input sample time(s)：1/100 Output sample time(s)：1/1003. AWGN Channel： Initial seed：120（与Bernoulli Binar

17、y Generator/ Initial seed不同）；  Mode： SNR（dB）SNR (dB)：10（可调）4. Error Rate Calculation的参数设置：  Receive delay：3 Output data： Work space Variable name：ErrorVec2 仿真结果时域分析：根据上述2-FSK信号产生原理，已调信号的时间表达式可表示为：由式（3

18、.5）可看出2-FSK信号是由两个2-ASK信号相加而成的，将图3.9中各示波器的值输出到Work space中做统一处理（处理程序见附录3），其中源信号、调制后信号及解调后信号波形如图3.10所示：(a)源信号波形（b）调制后信号波形（c）解调后信号波形图3.10 2-FSK源信号、调制后信号及解调后信号波形由图3.12可知，调制后信号波形由两种频率不同的波形组成，且两种频率分别对应解调后信号的符号0和符号1，即2-FSK信号波形可以看作是由两个2-ASK信号相加而成的，这与式（3.5）完全相符。仿真结果频域分析 改变Frequency separation&#

19、160;(Hz)和Carrier frequency (Hz)两个参数的值单独观察调制后的频谱，获得图3.11中的两个频谱图（a）载波差值：1 载波：30（b）载波差值：5 载波：20图3.11 2-FSK调制后频谱对比图3.13（a）和 (b)可知，当两个载波差值很小时，已调信号的频谱呈现单峰如（a）图；当两个载波差值较大时，已调信号的频谱呈现双峰如（b）图,这与2.2节中阐述的2-FSK频谱的特点完全相符。 仿真结果的分析说明该2-FSK仿真模型是可行的。3.2-PSK和2-FSK一样我们也用Simulink通信工具箱提供的现成DPSK调制解调模块来

20、构建仿真模型，并由M文件编制程序对仿真结果进行统一处理。2-PSK仿真模型如图3.12所示：图3.12 2-PSK仿真模型主要模块参数设置如下： 将信号源的Sample time设为1/2，仿真观察40个码元，调制解调模块中的Symbol period (s)也相应设成1/2，其余参数可参照2-FSK，两者参数类似。仿真结果分析：2-PSK信号的时间表达式为：若在某一码元持续时间Ts内观察时，可以简写为： （3.7）或以相反的形式。将图3.12中各示波器数据做统一处理，得到各环节时域频域对比图如图3.13所示，仿真结果处理程序见附录4图3.13 2-PS

21、K各环节时域频域波形 从上图可以看出，调制后的信号波形由两种相位不同的波形组成，而且两种波形是反相的，即相位相差180度，这与式（3.7）一致。解调后的时域波形和源信号相比，不仅有一个码元的延迟，而且第一个码元由1变成了0，出现了误码，由误码计算仪的计算数据可知，该系统在传送40个码元的情况下误码率为0.025，这是一个理论上和现实中都可以接受的值。 将式（3.6）与式（3.2）比较可见，2-ASK和2-PSK时间表达式形式完全相同，所不同的只是an的取值，因此，两者的频域波形也相似。将图3.13中的2-PSK信号调制后频谱与图3.6中的2-ASK信号调制后频谱比较也可得出

22、相同结论。4. GUI用户界面设计为了使整个数字调制仿真系统便于操作，我们利用Matlab 中的GUI图形用户界面将各种调制模型集合到一个操作界面上，使该仿真系统成为一个整体。 GUI全称Graphical User Interface即，图形用户界面，就是通过窗口、选单、按钮、文字说明等对象构成一个美观的界面，提供用户利用鼠标或键盘方便地实现操作。GUI是Matlab自带的用于生成人机交互界面的工具，Matlab设计图形用户界面的方法有两种：使用可视化的界面环境和通过编写程序。用户可根据自己的需要生成符合用户要求的图形界面，并通过编写各控件的回调函数（

23、callback function）使控件和该控件所要实现的功能联系起来，从而实现图形界面的操作功能。图3.14 数字调制仿真系统操作界面 只要在Matlab命令窗口输入仿真系统的名称：ddmod即可进入如上图所示的仿真操作界面。从上图可以看出，该仿真系统操作界面主要由时间域波形显示框、频率波形显示框、调制方式单选项、设置参数按钮、打开模型按钮、仿真按钮、关闭按钮及包含所要观察的各环节的下拉式菜单等控件组成。通过该操作界面，我们可以使各个仿真模型及相关函数在后台运行，同时将我们需要的结果在界面上显示出来，使系统的操作方便简洁。另一方面，可以通过“参数设置”按钮对仿真模型的主

24、要参数进行设置，以观察在不同参数下仿真的结果，“参数设置”对话框如图3.15所示：图3.15 M-DPSK参数设置对话框如果需要对更多的参数进行设置或者需要修改仿真模型的某些模块，可以通过单击“打开模型”按钮来打开所需要的模型。当各种参数设置好后，可以在下拉式菜单中选择一个要观察的仿真环节，然后单击仿真按钮就可以在时间域波形显示框、频率波形显示框中观察到时间域波形和频率波形，当然，这一切的前提是在调制方式单选项上选择了其中一项，否则将会出现如图3.16所示的警告：图3.16 警告对话框另外，为了方便查看与仿真相关的程序，File中菜单中设计了OpenMfile一项，如图3.17所示，图3.17

25、 File菜单 仿真结束后可单击“关闭”按钮或File/Close关闭仿真系统。四、设计总结与心得体会课程设计是培养学生综合运用所学的理论知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过动手去做，理论与实践相结合使我更加明白什么是数字调制系统。通过两周的的努力，我们的课程设计终于完成了，这意味着这一阶段艰苦的热烈的付出即将告一段落。在整个课程设计中，我在学习上和思想上都有很大收获，这除了自身的努力外，与指导的老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开。理论应用到实际是需要一个过程，遇到自己解决不了的问题，通过查阅资料，请教同学和请教老

26、师等方法来解决。而且可以发现自己的不足之处，对以前所学知识进一步掌握，也可以通过课程设计过程提高实际工作能力和独立思考的能力。由于所学知识水平和能力的有限，在课程设计过程中，我遇到了很多问题，有些通过查阅相关资料得到了解决，也有一部分是请教同学，而更重要的是老师的答疑给我们一个系统的框架和结构，使我们在总体方案的设计中有了正确的方法和方向。本次课程设计按是以小组为单位进行的，小组中的每个人既有不同的任务也可以通过小组讨论来提出更好的解决办法和不同的思路。在这个过程中，独立思考很重要，团队合作也是必不可少的。总之，此次课程设计使我受益匪浅！参考文献 1 樊昌信. 通

27、信原理教程.北京：电子工业出版社，2005 2 张辉，曹丽娜现代通信原理与技术 M西安电子科学出版社，2001 3 张威MATLAB入门与基础 M西安电子科技大学出版社，2004 4 施晓红，周佳精通GUI图形界面编程 M北京大学出版社，2003 5 JDGibsonPrinciples of Digital and Analog Communications1990 6 F Xiong， Dig

28、ital Modulation TechniquesArtech House， 2000  7 邓华MATLAB通信仿真及应用实例详解 M北京：人邮电出版社，20038 李建新现代通信系统分析与仿真一MATLAB通信工具箱 M.西安电子科技大学出版社，2000附录附录1  2-ASK仿真结果处理程序function ask1() sim('dm'); t1=ScopeData5(:,1); y1=ScopeData5(:,2);&

29、#160;t2=ScopeData2(:,1); y2=ScopeData2(:,2);t3=ScopeData(:,1);y3=ScopeData(:,2);t5=ScopeData1(:,1);y5=ScopeData1(:,2); t6=ScopeData7(:,1);y6=ScopeData7(:,2); t7=ScopeData3(:,1); y7=ScopeData3(:,2);   %引入示波器的数据subplot(3,2,5); plot(t1,y1),grid; xlabel('

30、滤波后的波形')subplot(3,2,4);plot(t2,y2),grid; xlabel('相干解调后的波形')subplot(3,2,1); stairs(t3,y3),axis(0 20 -0.5 2.5),grid;title('ASK调制与解调各环节波形') xlabel('源信号')subplot(3,2,2); plot(t5,y5),grid; xlabel('调制后的波形')subplot(3,2,3);plot(t6,y

31、6),grid; xlabel('经过高斯信道后的波形') subplot(3,2,6); stairs(t7,y7),axis(0 20 -0.5 2.5),grid;xlabel('抽样判决后的波形') figure(2) n1=1024; f1=(-n1/2:1:n1/2-1);s=fft(y3,n1); subplot(3,2,1); plot(f1,abs(fftshift(s),%axis(-30 30 0 7)

32、xlabel('源信号频谱') n2=1024; f2=(-n2/2:1:n2/2-1); s=fft(y5,n2); subplot(3,2,2); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300) xlabel('调制后的频谱') s=fft(y2,n2);subplot(3,2,3); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)x

33、label('相干解调后的频谱')s=fft(y1,n2); subplot(3,2,4); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300) xlabel('滤波后的频谱') s=fft(y7,n2);subplot(3,2,5); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel('抽样判决后的频谱')附录2  2-FSK仿真结果

34、处理程序 function bfsk2() sim('bfsk'); t1=ScopeData(:,1);y1=ScopeData(:,2);t2=ScopeData1(:,1);y2=ScopeData1(:,2); t3=ScopeData2(:,1); y3=ScopeData2(:,2);t4=ScopeData3(:,1); y4=ScopeData3(:,2);subplot(4,2,1); stairs(t1,y1),axis(0 20 -1/2 3/2)

35、,grid;xlabel('源信号')subplot(4,2,3); plot(t2,y2),grid; xlabel('调制后的波形') subplot(4,2,5); plot(t3,y3),grid; xlabel('经过高斯信道后的波形')subplot(4,2,7); stairs(t4,y4),axis(0 20 -1/2 3/2),grid; xlabel('相干解调后的波形') n1=1024; 

36、f1=(-n1/2:1:n1/2-1);s=fft(y1,n1); subplot(4,2,2); plot(f1,abs(fftshift(s),%axis(-30 30 0 7)xlabel('源信号频谱')n2=1024; f2=(-n2/2:1:n2/2-1);s=fft(y2,n2); subplot(4,2,4); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300) xlabel('调制后的频谱

37、9;) f2=(-n2/2:1:n2/2-1);s=fft(y3,n2); subplot(4,2,6); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel('经过高斯信道后的频谱')f2=(-n1/2:1:n1/2-1); s=fft(y4,n1); subplot(4,2,8); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300) xlabel('调制后的频谱')r=ErrorVec2(1); w=sprintf('符号误差率= %dn',r); uiwait(msgbox(w,'符号误差率','modal');附录3 2-PSK仿真结果处理程序 function psk() sim('msk');