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数字调制系统的性能分析.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.82M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    Abstract
    1.1 数字调制的基本思想
    1.2 各种数字调制及其性能分析
    1.2.1 脉冲幅度调制PAM的调制
    1.2.2 脉冲幅度调制PAM的误码率
    1.2.3 相移键控PSK调制
    1.2.5 正交幅度调制QAM
    1.2.6 正交幅度调制QAM误码率分析
    1.3 信道容量分析计算
    1.3.2 DMC的信道容量
    1.3.3 CCMC的信道容量
    1.3.4 DCMC的信道容量
    第二章 脉冲幅度调制PAM系统的信道容量分析
    2.2 PAM系统的信道容量结果仿真数据
    第三章 相移键控系统的信道容量分析
    3.1相移键控PSK系统的信道容量分析
    3.2 PSK系统的信道容量结果仿真数据
    第四章 正交幅度调制系统的信道容量分析
    4.1正交幅度调制QAM系统的信道容量分析
    4.2 QAM系统的信道容量结果仿真数据
    第五章 结论
    5.2 PSK系统的性能分析
    5.3 QAM系统的性能分析
    5.4 不同调制系统的性能比较
    题目：数字调制系统的性能分析 学 专 年 学 姓 院 业 级 号 名 指导老师 信息科学与工程学院 通信工程 2009 级 0915231022 黄思强 陈燕 2013 年 6 月
    摘 要 为了满足一定误码率p 的要求, 根据香农信道编码定理,可以采用下面两种 方法实现: 一是增加信道容量C, 可以采用如加大系统带宽或增加信噪比的方法 来达到； 另一种方法是在码率R 一定的条件下, 增加分组码码长。对于特定调 制方案的信道容量的分析, 有助于在扩展信号集以获取编码增益与接收机复杂 性之间进行折衷平衡。这种分析是利用M 进制信号集进行格状编码调制设计所必 须首先进行的, 因为其前提之一就是进行信号集扩展为编码提供所需的冗余度。 本文中信道容量的分析仅限于传输波形是有限能量的带限波形。该类型的波 形可以表示为N 维空间中的矢量, 这样对M 进制信号集的分析就可以转为对信 号星座图的分析。 因为噪声和其他方面的影响，通信系统接收到的码元往往与发送的码元不 是完全一样，有的甚至会发生很多错误，这些错误码元也就是我们所说的误码。 这些误码会影响通信系统的性能，甚至会造成通信系统无法正常工作。所以系统 的误码率比较就显得尤为重要了。我们要保证通信系统的可靠性，就必须控制系 统的误码率。通过比较通信系统的误码率的大小来比较不同调制方式的通信系统 的性能的好坏。本文着重研究 M-PAM，M-PSK，M-QAM 调制方式下，系统的误码率， 画出误码率曲线，从而比较系统的性能 本文着重研究信道容量的分析及其系统的性能分析，即在不同的调制系统 下的信道容量及其性能之间的联系。信道容量与其误码率的关系 在信道容量分析和性能分析中我们假设: 1 信道噪声为带限AWGN (功率谱密度为N0/2)； 2 信道模型是无记忆的； 3 接收端采用相关检测； 4 传输波形具有等符号间隔T。 关键词: 调制；解调；信道容量； 性能分析 离散输入；记忆信道； 波形信 道； 误码率曲线 I
    Abstract In order to meet the requirements of a certain bit error rate p, according to Shannon channel coding theorem, to achieve the following two methods can be used: One is increasing the channel capacity C, if the system can be used to increase bandwidth or increase the SNR of the way to achieve; Another method is to code rate R under certain conditions, increasing block code length. Modulation scheme for a particular analysis of channel capacity, will help in expanding the signal set to obtain the coding gain and receiver complexity trade-offs between. This analysis is the use of M ary signal set of trellis coded modulation design must first be carried out, because the signal is one of the premise set extension to provide the necessary redundancy coding. This analysis of Channel Capacity is limited only wave energy transmission band-limited waveform. The type of waveform can be expressed as N-dimensional vector space, so that the analysis of M ary signal set can be converted to the analysis of the signal constellation. is what we call error. These error will affect the performance of Because of noise and other aspects of influence, the receiving information element is not exactly the same as the sending information element，some even will happen a lot of mistakes, the error code element communication system, and even cause communication system cannot work normally. so the system ber comparison is particularly important. If we want to guarantee the reliability of the communication system, the bit error rate must be controlled. By comparing the size of the bit error rate of communication system to compare how well different modulation mode of the communication system performance. This paper focuses on analysis of channel capacity and system performance Analysis .Different modulation system and the connection between the channel capacity and performance. Channel capacity and error rate In the channel capacity analysis, we assume: ①Channel noise is band-limited AWGN (power spectral density N0 / 2); ②Channel model is no memory; ③Receiver using correlation detection; ④Transmission waveform with symbols interval T. Keywords: modulation; demodulation; the channel capacity; Performance analysis ；Memory channels; Wave channel; Bit error rate curve II
    目录 第一章 绪论 ................................................1 1.1 数字调制的基本思想..................................................................................... 1 1.2 各种数字调制及其性能分析 .................................... 2 1.2.1 脉冲幅度调制 PAM 的调制..................................................................2 1.2.2 脉冲幅度调制 PAM.的误码率.......................................................................5 1.2.3 相移键控 PSK 调制.......................................................................................6 1.2.4 相移键控 PSK 的误码率..............................................................................8 1.2.5 正交幅度调制 QAM.........................................................................................9 1.2.6 正交幅度调制 QAM 误码率.........................................................................13 1.3 信道容量分析计算...................................................................................... 13 1.3.1 带限输入 AWGN 信道的信道容量...................................................................14 1.3.2 DMC 的信道容量.................................................................................................15 1.3.3 CCMC 的信道容量…………..............................................................................15 1.3.4 DCMC 的信道容量..............................................................................................17 第二章 脉冲幅度调制 PAM 系统的信道容量分析 ......................... 18 2.1 脉冲幅度调制 PAM 系统的信道容量分析.................................................. 18 2.2 PAM 系统的信道容量结果仿真数据........................................................... 19 第三章 相移键控 PSK 系统的信道容量分析 .........................20 3.1 相移键控 PSK 系统的信道容量分析 .............................20 3.2 PSK 系统的信道容量结果仿真数据........................................................... 21 第四章 正交幅度调制 QAM 系统的信道容量分析 ..................... 22 4.1 正交幅度调制 QAM 系统的信道容量分析 .........................22 4.2 QAM 系统的信道容量结果仿真数据 ............................. 23 第五章 结论 ............................................... 24 5.1 PAM 系统的性能分析................................................................................... 24 5.2 PSK 系统的的性能分析............................................................................... 25 5.3 QAM 系统的性能分析 ......................................... 27 5. 4 不同调制系统的性能比较……............................................................................28 5.5 信道容量与系统分析的联系 ................................... 28 参考文献 ................................................. 29 致谢.................................................................................................................................................30 附录.................................................................................................................................................31 1
    2013 届本科毕业设计论文 第一章 绪论 1.1 数字调制的基本思想 什么是数字调制？所谓的数字调制就是用数字信号对载波的一个或多个 参数所作的调制，用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息。 [2]为了使数字信号在带通信道上传输，必须用数字基带信号对载波进行调 制，以使信号与信道的特性相匹配。这种数字基带信号控制载波，把数字基带信 号变换为数字带通信号（已调信号）的过程称为数字调制。 一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值 的特点。因此数字调制技术有两种方法：① 利用模拟调制的方法去实现数字式 调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号 的特殊情况处理；② 利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实 现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键 控，便可获得振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying,FSK）和相移键控（Phase Shift Keying,PSK）三种基本的数字调 制方式。下图给出了相应的信号波形示例。 “ “ “ T （b）频移键控 （a）振幅键控 “ “ “ （c）相移键控 数字信息有二进制和多进制之分，因此，数字调制可分为二进制调制和多进 制调制。在二进制调制中，信号参量只有两种可能的取值；而在多进制调制中， 4 T 另外，以上三种基本的数字调制方式都存在不足之处，如频谱利用率低、抗 多径抗衰落能力差、功率谱衰减慢带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十 年来人们不断地提出一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求： T T （a）恒参信道中，正交振幅调制（QAM）和正交频分复用（OFDM）方式具 有高的频谱利用率。正交振幅调制在卫星通信和有线电视网高速数据传输等领域 1
    2013 届本科毕业设计论文 得到广泛应用；正交频分复用在非对称数字环路 ADSL 和高清晰度电视 HDTV 的地 面广播系统等得到成功应用； （b）高斯最小频移键控（GMSK）和π/4DQPSK 具有较强的抗多径抗衰落 性能，带外功率辐射小等特点，因而在移动通信领域得到应用。 常见的数字调制方法如： ASK ——幅移键控调制，把二进制符号 0 和 1 分别用不同的幅度来表示。 FSK ——频移键控调制，即用不同的频率来表示不同的符号。如 2KHz 表示 0，3KHz 表示 1。 PSK——相移键控调制，通过二进制符号 0 和 1 来判断信号前后相位。如 1 时用π相位，0 时用 0 相位。 GFSK——高斯频移键控，在调制之前通过一个高斯低通 滤波器来限制信号 的频谱宽度 。 GMSK —— 高斯滤波最小频移键控，GSM 系统所用调制技术。 QAM——正交幅度调制。 DPSK——差分相移键控调制。 PAM—脉冲幅度调制。 本文只讨论 PSK，QAM，PAM 调制方式，研究其调制方式的信道容量及其误码 率 1.2 各种数字调制及其性能分析 1.2.1 脉冲幅度调制 PAM 的调制 通常人们谈论的调制技术是采用连续振荡波形(正弦型信号)作为载波的，然 而，正弦型信号并非是唯一的载波形式。在时间上离散的脉冲串，同样可以作为 载波，这时的调制是用基带信号去改变脉冲的某些参数而达到的，人们常把这种 调制称为脉冲调制。 在抽样定理中，我们用冲击函数去抽样。但是实际的抽样脉冲的宽度和高度 都是有限的。可以证明这样抽样时，抽样定理仍然正确。从另一个角度看，可以 把周期性脉冲序列看作是非正弦载波，而抽样过程可以看做是用模拟信号对它进 行振幅调制。这种调制称为脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation,PAM） 如图所示。类似的还有PDM、PPM。 x (t) O O O 2 脉冲高度在变化 假设信号波形 t PAM 波形 t 脉冲位置不变宽度变化 PDM 波形 t 脉冲宽变不变脉
    2013 届本科毕业设计论文 图1.2.1.1 PAM，PDM，PPM的信号波形 脉冲振幅调制(PAM)是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。 设基带模拟信号的波形为m(t)，其频谱为Ｍ（ｆ）；用这个信号对一个脉冲载波ｓ（ｔ） 调幅，ｓ（ｔ）的周期为Ｔ，其频谱为Ｓ（ｆ）；脉冲宽度为τ，幅度为Ａ；并设抽样信 号ｍｓ（ｔ）是ｍ（ｔ）和ｓ（ｔ）的乘积。则抽样信号ｍｓ（ｔ）的频谱就是两者频谱 的卷积： M S ) (   1 [ 2  M ( )]  S  ( )  A  T s   n ( nsa  H ) M (  H 2  n ) （1.2.1.1） 下图示出ＰＡＭ调制过程的波形和频谱。由图可见周期性矩形脉冲ｓ（ｔ）频谱｜Ｓ （ｆ）｜的包络呈｜sinx/x｜形，而不是一条水平直线。并且PAM信号ms(t)的频谱|Ms(f)| 的包络也呈|sinx/x|形。若s(t)的周期T≤(1/2fH),或其重复频率fs≥2fH,采用一个截止 频率为fH的低通滤波器仍可以分离出原模拟信号。 m (t) s(t) A  m s(t) T (a) (b) (c) t t t M () －H O H |S()| 2   £ - －2H O 2H |M s()| 2   2   £ - －2H O 2H 2   (d)    图1.2.1.2 PAM调制过程波形和频谱 理想(用冲激脉冲序列)抽样就是脉冲振幅调制。按抽样定理进行抽样得到的信号 ms(t)就是一个PAM信号。冲激脉冲序列进行抽样不可能实现的。因为冲击序列在实际中是 不能获得的，即使能获得，由于抽样后信号的频谱为无穷大，无法传递。实际采样：用脉 冲宽度相对于抽样周期很窄的窄脉冲序列近似代替冲激脉冲序列两种脉冲振幅调制方 式： 3
    2013 届本科毕业设计论文 （1）自然抽样：抽样后的脉冲幅度（顶部）随被抽样信号m(t)变化 （2）平顶抽样：抽样后信号中的脉冲均具有相同的形状——顶部平坦的矩形脉冲， 矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。 自然抽样PAM的原理框图 )(tm )(tms  )(ts )(ˆ tm 理想 低通 图 1.2.1.3 自然抽样 PAM 原理图 频谱与理想抽样的频谱非常相似，也是由无限多个间隔为s=2H的M() 频谱之 和组成。 n=0时为(/Ts)M()，与原信号谱M(ω)只差一个比例常数，因而也可用低通滤波 器从Ms()中滤出M()，从而恢复出基带信号m(t)。 平顶抽样PAM信号地产生原理框图如下图所示，其中脉冲形成电路地作用就是把冲 激脉冲变为矩行脉冲。 图 1.2.1.4 平顶抽样 PAM 信号原理框图 比较采用矩形窄脉冲进行抽样与采用冲激脉冲进行抽样(理想抽样)的过程和结果，可 以得到以下结论： （1）它们的调制(抽样)与解调(信号恢复)过程完全相同，差别只是采用的抽样信号不 同。 （2）矩形窄脉冲抽样的包络的总趋势是随上升而下降，因此带宽是有限的；而理想抽 样的带宽是无限的。矩形窄脉冲的包络总趋势按 Sa 函数曲线下降，带宽与τ有关。τ越 大，带宽越小，τ越小，带宽越大。 （3）τ的大小要兼顾通信中对带宽和脉冲宽度这两个互相矛盾的要求。通信中一般对 信号带宽的要求是越小越好，因此要求τ大；但通信中为了增加时分复用的路数要求τ小， 显然二者是矛盾的。 信号 GRAY 映射 PAM 调制 高 斯 白 噪 声 信道 相 关 运 算 PAM 解调 4
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