基于matlab仿真的数字调制解调分析.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.04M 资料格式：doc 举报版权申诉

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Abstract

第一章引言

第二章数字调制解调相关原理

第三章数字调制解调仿真

第四章结束语

参考文献

致谢

附录

摘要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。本文首先分析了数字调制系统的几种基本调制解调方法，然后，运用 Matlab 设计了这几种数字调制解调方法的仿真程序，主要包括 PSK，DPSK 和 16QAM。通过仿真，分析了这三种调制解调过程中各环节时域和频域的波形，并考虑了信道噪声的影响。通过仿真更深刻地理解了数字调制解调系统基本原理。最后，对三种调制解调系统的性能进行了比较。关键词：数字调制；分析与仿真；Matlab。 Abstract Digital modulation is one of the most important part in communication system, and the improvement of digital modulation technology is an important way for the improvement of communication system capability. In this paper, some usual methods of digital modulation are introduced firstly. Then their simulation programs are built by using MATLAB, they mainly include PSK,DPSK,16QAM. Through simulation, we analyzed the time and frequency waveform for every part of these three modulations, and also consider the effect of the channel noise. Through the simulation, we understand the basic theory of modulation and demodulation more clearly. At last, the capability of these digital modulations have been compared. Keywords: Digital modulation; analysis; simulation; MATLAB.

目录第一章引言 … … … … … … … … … … … … … … . . … … … … … … … … … 1 1.1 研究背景 … … … … … … … … … … … … … … . . … … … … … … … … 1 1.2 通信的发展现状和趋势 … … … … … … … … … … … … … … … 1 1.3 研究目的与意义 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 1.4 本文内容安排 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 第二章数字调制解调相关原理 … … … … … … … … … … … … … … 3 2.1 二进制相移键控 ( 2 P S K ) … … … … … … … … … … … … … … … 3 2.2 二进制差分相移键控 ( 2 D P S K ) … … … … … … … … … … … … … 5 2.3 正交振幅调制 ( Q A M ) … … … … … … … … … … … … … … … … 8 第三章数字调制解调仿真 … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 0 3.1 2P S K 调制和解调仿真………………………………………………… 1 0 3.2 2DPSK 调制和解调仿真………………………………………………… 14 3.3 16QAM 调制和解调仿真………………………………………………… 18 3.4 各种调制比较 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 4 第四章结束语 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 5 参考文献 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 6 致谢 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 7 附录 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 8

1.1 研究背景第一章引言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。 1.2 数字通信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。 1

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。 1.3 研究目的与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。 1.4 本文内容安排第 1 章引言，简单介绍了 Matlab 在通信系统仿真中的应用，数字调制的意义和数字通信的发展现状和趋势。第２章数字调制解调相关原理，阐述了 PSK,DPSK,QAM 数字调制解调的基本原理和常用的调制解调方法。第３章数字调制解调仿真，通过 PSK,DPSK,QAM 的数字调制解调程序设计，进行仿真，并对它们的调制性能进行比较。第４章结束语。 2

第二章数字调制解调相关原理在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。本章重点论述 2PSK,2DPSK,16QAM 调制系统的原理。２.1 二进制相移键控(2PSK) 相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在 2PSK 中，通常用初始相位０和π分别表示二进制“１”和“０”。因此，2PSK 信号的时域表达式为 e 2 PSK )( t  cos A  n   t c 其中， n 表示第 n 个符号的绝对相位：  n  0     发送发送 ”“ ０ ”“ １时时因此，式（２.1－1）可以改写为 e 2 PSK )( t     cos A cos A  t  c  c t P 概率为 1  概率为 P （２.1－1）（２.1－2）（２.1－3）由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故 2PSK 信号一般可以表述为一个双极性（bipolarity）全占空（100% duty ratio）矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即 e 2 PSK )( t  )( ts cos c t 其中 )( ts   n ( tga n  nT s ) 这里，g(t)是脉宽为 sT 的单个矩形脉冲，而 na 的统计特性为 3 （２.1－4）（２.1－5）

an  1 1     P 概率为 1  概率为 P （２.１－6）即发送二进制符号“０”时（ na 取＋１）， e PSK 取０相位；发送二进制符号“１” 2 )( t 时（ na 取－１），信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。 )( t e PSK 取π相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字 2 2PSK 信号的调制原理框图如图２－1 所示。与 2ASK 信号的产生方法相比较，只是对 s(t)的要求不同，在 2ASK 中 s(t)是单极性的，而在 2PSK 中 s(t)是双极性的基带信号。 s(t) 双极性不归 s(t) 2PSK 信号的解调通常采用相干解调法，解调原理框图如图２－2 所示。在相干解调中， e2PSK (t) o 如何得到与接收的 2PSK 信号同频同相的相干载波是个关键问题。码型变换乘法器零 cosωct e2PSK (t) 开关电路 e2PSK (t) 低通滤波器 cosωct 带通滤波器相乘器 180°移相抽样判 π 决器输出２.２二进制差分相移键控(2DPSK) (a)模拟调制方法 cosωct (b)键控法定时脉冲在 2PSK 信号中，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。由于它利用载波相图２－１ 2PSK 信号的调制原理框图 2PSK 信号的解调原理框图图２－2 位的绝对数值表示数字信息，所以又称为绝对相移。2PSK 相干解调时，由于载波恢复中相位有０、π模糊性，导致解调过程出现“反向工作”现象，恢复出的数字信号“１”和“０” 倒置，从而使 2PSK 难以实际应用。为了克服此缺点，提出了二进制差分相移键控（2DPSK）方式。 2DPSK 是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。假设  为当前码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息与  之间的关系为   0     表示数字信息表示数字信息 ”“ ０ ”“ １（２.2－１）于是可以将一组二进制数字信息与其对应的 2DPSK 信号的载波相位关系示例如下：二进制数字信息: 2DPSK 信号相位: (0) 1 π 1 0 0 0 0 π 0 π 1 0 1 π 0 π 1 π 4

或 π 数字信息与  之间的关系也可定义为 (π) 0 π 0 0 0 π 0 0   0     表示数字信息表示数字信息 ”1“ ”0“ 由此示例可知，对于相同的基带数字信息序列，由于初始相位不同，2DPSK 信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。为了更直观地说明信号码元的相位关系，我们可以用矢量图来表述。按照（２.2－１）的定义关系，我们可以用如图２－3（a）所示的矢量图来表示，图中，虚线矢量位置称为基准相位。在绝对相移中，它是未调制载波的相位；在相对相移中，它是前一码元的载波相位，当前码元的相位可能是 0 或π。但是按照这种定义，在某个长的码元序列中，信号波形的相位可能仍没有突跳出点，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。这样， 2DPSK 方式虽然解决了载波相位不确定性问题，但是码元的定时问题仍没有解决。为了解决定时问题，可以采用图２－３（b）所示的相移方式。这时，当前的码元的相位相对于前一码元的相位改变±π/2。因此，在相邻码元之间必定有相位突跳。在接收端检测此相位突跳就能确定每个码元的起止时刻，即可提供码元定时信息。根据 ITU-T 建议，图２-３（a）所示的相移方式称为 A 方式；图２-３（b）所示的相移方式称为 B 方式。由于后者的优点，目前被广泛采用。参考相位 (a) A 方式 π/2 相位参考相位 -π/2 相位 (b) B 方式图２－3 2DPSK 信号的矢量图 2DPSK信号的产生方法：先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息的序列的绝对码变换成相对码（差分码），然后再根据相对码绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。2DPSK信号调制器原理框图如图２－4所示。 e2DPSK (t) 差分码可取传号差分码或空号差分码。其中，传号差分码的编码规则为开关电路 o cosωct 5

n a b n 1 b n 式中：  为模２加； 1nb 为 nb 的前一码元，最初的 1nb 可任意设定。（２.2－2）式（２.2－2）称为差分编码（码变换），即把绝对码变换为相对码；其逆过程称为差分译码（码反变换），即 a 1 b n b n n （２.2－3） 2DPSK信号的解调方法之一是相干解调（极性比较法）加码反变换法。其解调原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“１”和“０”倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。2DPSK的相干解调器原理框图如图２－５所示。 e2DPSK (t) 带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器码反变换器 cosωct 定时脉冲图２－5 2DPSK 相干解调器原理框图输出 2DPSK信号的另一种解调方法是差分相干解调（相位比较法），其原理框图如图２－6 所示。用这种方法解调进不需要专门的相干载波，只需由收到的2DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波后再抽样判决，即可直接恢复原始数字信息，故解调器中不需要码反变换器。 2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，但其抗加性白噪声性能比2PSK的要差。 e2DPSK (t) 带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器延迟 Ts 定时脉冲输出图２－6 2DPSK 差分相干解调器原理框图 6

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