【正文】 以方便的設(shè)計(jì)漂亮的界面，它可以 像 VB 等語言一樣設(shè)計(jì)漂亮的用戶接口，同時(shí)因?yàn)橛凶钬S富的函數(shù)庫（工具箱） ， 所以計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單，進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外， Matlab 和其他高級(jí)語言也具有良好的接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)與其他語言的混合編程，進(jìn)一步拓寬了 Matlab 的應(yīng)用潛力?？梢哉f， Matlab 已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一，掌握這門工具對(duì)學(xué)習(xí)各門學(xué) 科有非常重要的推進(jìn)作用。 Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具，也是目前在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一 。確切的說， Simulink 是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時(shí)間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。 Simulink 工作環(huán)境進(jìn)過幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來建模和仿真的主流工具包。在 Simulink 環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型圖就如 同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊和拖動(dòng)就能完成建模，并可直接進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結(jié)果。它的主要特點(diǎn)在于： 建模方便、快捷； 易于進(jìn)行模型分析；優(yōu)越的仿真性能。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。 Simulink 模塊庫（或函數(shù)庫）包含有 Sinks（輸出方式）、 Sources（輸入源）、 Linear（線性環(huán)節(jié)）、 Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)）、 Connection（連接與接口）和 Extra（其他環(huán)節(jié)）等具有不同功能或函數(shù)運(yùn)算 的 Simulink 庫模塊（或庫函數(shù)），而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用 Simulink 創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級(jí)開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后，用戶可以通過 Simulink 的菜單或 MATLAB 的命令窗口鍵入命令來對(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便 ，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行仿真的批處理非常有用。采用 Scope 模塊和其他的顯示模塊，可以在仿真進(jìn)行的同時(shí)就可立即觀看到仿真結(jié)果，若改變模塊的參數(shù)并再次運(yùn)行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到 MATLAB 的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線性化和整理工具， MATLAB 的所有工具及 Simulink 本身的應(yīng)用工具箱都包含這些工具。由于 MATLAB 和 SIMULINK 的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改模型。 強(qiáng)大的 Simulink 動(dòng)態(tài)仿真環(huán) 境 ， 可以實(shí)現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。 Simulink 支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng) ， 也支持多種采樣速率的多速率系統(tǒng) 。Simulink 為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口 ， 它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用差分方程和微分方程建模相比 ， 更直觀、方便和靈活。用戶可以在 Matlab 和 Simulink 兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。用于實(shí)現(xiàn)通信仿真的通信工具包 (Communication toolbox， 也叫 Commlib， 通信工具箱 )是 Matlab 語言中的一個(gè)科學(xué)性工具包 ， 提供通信 領(lǐng)域中計(jì)算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的功能 ， 可以在 Matlab 環(huán)境下獨(dú)立使用 ， 也可以配合Simulink 使用。另外， Matlab 的圖形界面功能 GUI（ Graphical User Interface）能為仿真系統(tǒng)生成一個(gè)人機(jī)交互界面，便于仿真系統(tǒng)的操作。因此， Matlab 在通信系統(tǒng)仿真中得到了廣泛應(yīng)用，本文也選用該工具對(duì)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 通信 技術(shù) 的發(fā)展 通信的概念 通信就是克服距離上的障礙，從一地向另一地傳遞和交換消息。消息是信息源所產(chǎn)生的，是信息的物理表現(xiàn)，例如，語音、 文字、數(shù)據(jù)、圖形和圖 像 等都是消息 (Message)。消息有模擬消息（如語音、圖像等）以及數(shù)字消息（如數(shù)據(jù)、文字等）之分。所有消息必須在轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（通常簡(jiǎn)稱為信號(hào)）后才能在通信系統(tǒng)中傳輸。所以，信號(hào)（ Signal）是傳輸消息的手段，信號(hào)是消息的物質(zhì)載體。 相應(yīng)的信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是連續(xù)的 (分別如圖 121 所示 ) ，如電話機(jī)、電視攝像機(jī)輸出的信號(hào)就是模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是離散的(分別如圖 122 所示 ) ，如 交換機(jī) 、計(jì) 算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備輸出的信號(hào)就是數(shù)字信號(hào)。 通信的目的是傳遞消息，但對(duì)受信者有用的是消息中包含的有效內(nèi)容，也即信息 (Information) 。消息是具體的、表面的，而信息是抽象的、本質(zhì)的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量來度量。 通信技術(shù)，特別是數(shù)字通信技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速，它的應(yīng)用越來越廣泛。通信從本質(zhì)上來講就是實(shí)現(xiàn)信息傳遞功能的一門科學(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息無失真，高效率地進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。當(dāng)今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有儲(chǔ)存、處理、采集及 顯示等功能，通信已成為信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。 通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和，包括信息源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備和信宿 (受信者 ) ，它的一般模型如圖 123 所示。 ? ? ? ?信 息 源 發(fā) 送 設(shè) 備 信 道 接 收 設(shè) 備 受 信 者 ↑ 噪 聲 源 圖 121 通信系統(tǒng)一般模型 通信系統(tǒng)可分為數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖 124 所示， ? ? ? ? ? ? ? ?信 數(shù) 信信 數(shù) 信信 源 道 字 受道 源字 信息 編 編 調(diào) 解 譯 譯 信源 碼 碼 調(diào) 碼 碼 者制 道器 器 器 器 器器 ↑ 噪 聲 源 圖 122 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖 125 所示。 ? ? ? ?信 息 源 調(diào) 制 器 信 道 解 調(diào) 器 受 信 者 ? 噪 聲 源 圖 123 模擬通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)較模擬通信系統(tǒng)而言，具有抗干擾能力強(qiáng)、便于加密 、易于實(shí)現(xiàn)集成化、便于與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)。因而，數(shù)字通信更能適應(yīng)對(duì)通信技術(shù)的越來越高的要求。近二十年來，數(shù)字通信發(fā)展十分迅速，在整個(gè)通信領(lǐng)域中所占比重日益增長(zhǎng)，在大多數(shù)通信系統(tǒng)中已代替模擬通信，成為當(dāng)代通信系統(tǒng)的主流。 通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 進(jìn)入 20 世紀(jì)以來，隨著晶體管、集成電路的出現(xiàn)與普及、無線通信迅速發(fā)展。特別是在 20 世紀(jì)后半葉，隨著人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，大規(guī)模集成電路、電子計(jì)算機(jī)和光導(dǎo)纖維等現(xiàn)代技術(shù)成果的問世，通信技術(shù)在以下幾個(gè)不同方向都取得了巨大的成功。 （ 1） 微波中繼通信使長(zhǎng)距離、大容量 的通信成為了現(xiàn)實(shí)。 （ 2） 移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，使人們隨時(shí)隨地可通信的愿望可以實(shí)現(xiàn)。 （ 3） 光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)更是將通信容量提高到了以前無法想象的地步。 （ 4） 電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將通信技術(shù)推上了更高的層次，借助現(xiàn)代電信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的融合，人們將世界變成了地球村。 （ 5） 微電子技術(shù)的發(fā)展，使通信終端的體積越來越小，成本越來越低，范圍越來越廣。例如， 2020 年我國(guó)的移動(dòng)電話用戶首次超過了固定電話用戶。根據(jù)國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到 2020 年底移動(dòng)電話用戶近 4 億。 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和寬帶化的方向 發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)通信的要求越來越高，各種技術(shù)會(huì)不斷地應(yīng)用于通信領(lǐng)域，各種新的通信業(yè)務(wù)將不斷地被開發(fā)出來。到那時(shí)人們的生活將越來越離不開通信。 通信系統(tǒng)主要分類 根據(jù)通信的業(yè)務(wù)和用途分類，有常規(guī)通信、控制通信等。其中常規(guī)通信又分為話務(wù)通信和非話務(wù)通信。話務(wù) 通信業(yè)務(wù)主要是電話服務(wù)為主，程控?cái)?shù)字電話交換網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)就是為普通用戶提供電話通信服務(wù)。非話務(wù)通信主要是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、計(jì)算機(jī)通信、傳真、視頻通 信等等。在過去很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，由于電話通信網(wǎng)最為發(fā)達(dá)，因而其它通信方式往往需要借助 于公共電話網(wǎng)進(jìn)行傳輸，但是隨著 Inter 網(wǎng)的迅速發(fā)展，這一狀況已經(jīng) 發(fā)生了顯著的變化?？刂仆ㄐ胖饕ㄟb測(cè)、遙控等等，如衛(wèi)星測(cè)控、導(dǎo)彈測(cè)控、遙控指令通信等等都是屬于控制通信的范圍。 課題的研究和意義 數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波的某些參量進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化。根據(jù)控制的載波參量的不同，數(shù)字調(diào)制有調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。 由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因，基帶信號(hào)不適合在各種信道上進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。為了進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸，必須對(duì)數(shù) 字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制，將信號(hào)頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現(xiàn)代通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)。另外，由于數(shù)字通信具有建網(wǎng)靈活，容易采用數(shù)字差錯(cuò)控制技術(shù)和數(shù)字加密，便于集成化，并能夠進(jìn)入綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ ISDN 網(wǎng)），所以通信系統(tǒng)都有由模擬方式向數(shù)字方式過渡的趨勢(shì)。因此，對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的分析與研究越來越重要，數(shù)字調(diào)制作為數(shù)字通信系統(tǒng)的重要部分之一，對(duì)它的研究也是有必要的。通過對(duì)調(diào)制系統(tǒng)的仿真，我們可以更加直觀的了解數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能及影響性能的因素，從而便于改進(jìn)系統(tǒng)，獲得更佳的傳輸性能。 根據(jù)是否采用 調(diào)制，可以將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和調(diào)制傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇?jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳送，如音頻市內(nèi)電話（用戶線上傳輸?shù)男盘?hào)）、 Ether網(wǎng)中傳輸?shù)男盘?hào)等。調(diào)制的目的是使載波攜帶要發(fā)送的信息，對(duì)于正弦載波調(diào)制，可以用要發(fā)送的信息去控制或改變載波的幅度、頻率或相位。接收端通過解調(diào)就可以恢復(fù)出信息。在通信系統(tǒng)中，調(diào)制的目的主要有以下幾個(gè)方面： （ 1） 便于信息的傳輸。調(diào)制過程可以將信號(hào)頻譜搬移到任何需要的頻率范圍，便于與信道傳輸特性相匹配。如無線傳輸時(shí)，必須要將信號(hào)調(diào)制到相應(yīng)的射頻上才能夠進(jìn)行無線電通信。 （ 2） 改變 信號(hào)占據(jù)的帶寬。調(diào)制后的信號(hào)頻譜通常被搬移到某個(gè)載頻附近的頻帶內(nèi)，其有效帶寬相對(duì)于載頻而言是一個(gè)窄帶信號(hào)，在此頻帶內(nèi)引入的噪聲就減小了，從而可以提高系統(tǒng)的抗干擾性。 （ 3） 改善系統(tǒng)的性能。由信息論可知，有可能通過增加帶寬的方式來換取接收信噪比的提高，從而可以提高通信系統(tǒng)的可靠性，各種調(diào)制方式正是為了達(dá)到這些目的而發(fā)展起來的。 本文比較全面的 分析 了 2ASK、 2FSK、 2PSK、 QAM、 QPSK 和 MSK 的 通信結(jié)構(gòu) ， 并 利用 Simulink 對(duì)該通信系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真評(píng)估分析。 2 數(shù)字基帶傳 輸 系統(tǒng) 在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中，為了使數(shù)字基帶信號(hào)能夠在信道中傳輸，要求信道應(yīng)具有低通形式的傳輸特性。然而，在實(shí)際信道中，大多數(shù)信道具有帶通傳輸特性，數(shù)字基帶信號(hào)不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸。必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生各種已調(diào)數(shù)字信號(hào)。 圖 21 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制原理是相同的，一般可以采用模擬調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。但是，數(shù)字基帶信號(hào)具有與模擬基帶信號(hào)不同的特點(diǎn)，其取值是有限的離散狀態(tài)。這樣， 可以用載波的某些離散狀態(tài)來表示數(shù)字基帶信號(hào)的離散狀態(tài)?；镜臄?shù)字調(diào)制方式有 ：振幅鍵控 (ASK)、移頻鍵控 (FSK)和移相鍵控 (PSK)、 正交振幅鍵控 (QAM)、多 相相移鍵控信號(hào) (QPSK)、最小移頻鍵控(MSK)。 本章重點(diǎn)論述數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理及其抗噪聲性能 。 二進(jìn)制 振幅鍵控 (2ASK)原理簡(jiǎn)介 幅度鍵控可以通過乘法器和開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。載波在數(shù)字信號(hào) 1 或 0 的控制下通或斷，在信號(hào)為 1 的狀態(tài)載波接通，此時(shí)傳輸信道上有載波出現(xiàn)；在信號(hào)為0 的狀態(tài)下，載波被關(guān)斷，此時(shí)傳輸信道上無載波傳送。那么在接收端我們就可以 根據(jù)載波的有無還原出數(shù)字信號(hào)的 1 和 0。 2ASK 信號(hào)功率譜密度的特點(diǎn)如下： （ 1）由連續(xù)譜和離散譜兩部分構(gòu)成；連續(xù)譜由傳號(hào)的波形 g(t)經(jīng)線性調(diào)制后決定，離散譜由載波分量決定； （ 2）已調(diào)信號(hào)的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。 振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制 。 當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí) ， 則為二進(jìn)制振幅鍵控 。 設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由 0， 1 序列組成 ，發(fā)送 0 符號(hào)的概率為 P， 發(fā)送 1 符號(hào)的概率為 1P， 且相互獨(dú)立 。 該二進(jìn)制符號(hào)序列可表示為 （ 211） 其中