【正文】 摘 要數(shù)字調(diào)制是通信系統(tǒng)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，數(shù)字調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)也是通信系統(tǒng)性能提高的重要途徑。本文首先分析了數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的五種基本調(diào)制解調(diào)方法，然后，運(yùn)用Matlab及附帶的圖形仿真工具 ——Simulink設(shè)計(jì)了這幾種數(shù)字調(diào)制方法的仿真模型。通過仿真，觀察了調(diào)制解調(diào)過程中各環(huán)節(jié)時(shí)域和頻域的波形，并結(jié)合這幾種調(diào)制方法的調(diào)制原理，跟蹤分析了各個(gè)環(huán)節(jié)對調(diào)制性能的影響及仿真模型的可靠性。最后，在仿真的基礎(chǔ)上分析比較了各種調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率、信號傳輸速率、信噪比、占用頻帶寬度等因素，綜合衡量各系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并通過比較仿真模型與理論計(jì)算的性能，證明了仿真模型的可行性。關(guān)鍵詞：數(shù)字調(diào)制，分析與仿真，Matlab，SimulinkAbstractIn this paper, five usual methods of digital modulation are introduced firstly. Then their simulation models are built by using MATLAB’s simulation tool, SIMULINK. Through observing the results of simulation, the factors that affect the capability of the digital modulation system and the reliability of the simulation models are analyzed. And then, the capability of three digital modulation simulation models, 2FSK, 2DPSK and MSK, have been pared, as well as paring the results of simulation and theory. At last, the conclusion is gotten: The simulation models are reasonable. Keywords:　Digital modulation，analysis and simulation， MATLAB， SIMULINK目 錄1 引言 ……………………………………………………………………………......1 數(shù)字調(diào)制的意義 ………………………………………………………… Matlab在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用 ………………………………………2 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的相關(guān)原理 …………………………………………………….... 2ASK調(diào)制與解調(diào) ………………………………………………………. 2FSK調(diào)制與解調(diào) ……………………………………………………….. 2PSK調(diào)制與解調(diào) ……………………………………………………….. 多進(jìn)制調(diào)制與解調(diào) ……………………………………………………….3 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)分析 ……………………………………………... 仿真框圖 ………………………………………………………… 信號源仿真及參數(shù)設(shè)置 ………………………………………… 調(diào)制解調(diào)模塊 …………………………………………………… 信道 ……………………………………………………………… 誤碼計(jì)算儀 ……………………………………………………… 頻譜儀 …………………………………………………………… 星座圖 …………………………………………………………… 仿真模型的設(shè)計(jì)原理及結(jié)果分析 ………………………………………... 2ASK ……………………………………………………………. 2FSK 、MSK、GMSK …………………………………………. 2PSK 、QPSK、OQPSK ……………………………………….. MFSK 、MPSK …………………………………………………. 數(shù)字調(diào)制的性能比較 ……………………………………………………... 各種調(diào)制模型的性能比較 ……………………………………… 仿真模型性能與理論性能比較 …………………………………4 外文翻譯 ………………………………………………………………………… 原文 ……………………………………………………………………....... 譯文 ………………………………………………………………………...5 結(jié)束語 ……………………………………………………………………………致謝 …………………………………………………………………………………..參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………..附錄 …………………………………………………………………………………..通信系統(tǒng)中數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的軟件仿真1 引言1. 1 數(shù)字調(diào)制的意義數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)字基帶信號對載波的某些參量進(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，基帶信號不適合在各種信道上進(jìn)行長距離傳輸。為了進(jìn)行長途傳輸，必須對數(shù)字信號進(jìn)行載波調(diào)制，將信號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。因此，對數(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，對它的研究也是有必要的。通過對調(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。1. 2 Matlab在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用隨著通信系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,傳統(tǒng)的手工分析與電路板試驗(yàn)等分析設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展的需要,通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)日益顯示出其巨大的優(yōu)越性.。計(jì)算機(jī)仿真是根據(jù)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的模型,如費(fèi)用低,易于進(jìn)行真實(shí)系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)的各種試驗(yàn),以及易于實(shí)現(xiàn)完全相同條件下的重復(fù)試驗(yàn)等。Matlab仿真軟件就是分析通信系統(tǒng)常用的工具之一。Matlab是一種交互式的、以矩陣為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)環(huán)境,它用于科學(xué)和工程的計(jì)算與可視化。Matlab的編程功能簡單,并且很容易擴(kuò)展和創(chuàng)造新的命令與函數(shù)。應(yīng)用Matlab可方便地解決復(fù)雜數(shù)值計(jì)算問題。Matlab具有強(qiáng)大的Simulink動態(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數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。2 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的相關(guān)原理數(shù)字調(diào)制可以分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制，多進(jìn)制調(diào)制是二進(jìn)制調(diào)制的推廣，所以本文主要討論二進(jìn)制的調(diào)制與解調(diào)，最后簡單討論一下多進(jìn)制調(diào)制中的MFSK(M元移頻鍵控)和MPSK(M元移相鍵控)。最常見的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式有二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）、移頻鍵控（2FSK）和移相鍵控（2PSK和2DPSK）。下面是這幾種調(diào)制方式以及其改進(jìn)調(diào)制方式的相關(guān)原理。 二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK） 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1或0的控制下通或斷，在信號為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)字信號的1和0。2ASK信號功率譜密度的特點(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)信號的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK） 頻移鍵控是利用兩個(gè)不同頻率f1和f2的振蕩源來代表信號1和0，用數(shù)字信號的1和0去控制兩個(gè)獨(dú)立的振蕩源交替輸出。對二進(jìn)制的頻移鍵控調(diào)制方式，其有效帶寬為B=2xF+2Fb,xF是二進(jìn)制基帶信號的帶寬也是FSK信號的最大頻偏，由于數(shù)字信號的帶寬即Fb值大，所以二進(jìn)制頻移鍵控的信號帶寬B較大，頻帶利用率小。2FSK功率譜密度的特點(diǎn)如下：(1) 2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分構(gòu)成,離散譜出現(xiàn)在f1和f2位置；(2) 功率譜密度中的連續(xù)譜部分一般出現(xiàn)雙峰。若兩個(gè)載頻之差|f1 f2|≤fs，則出現(xiàn)單峰。（2PSK） 在相移鍵控中，載波相位受數(shù)字基帶信號的控制，如在二進(jìn)制基帶信號中為0時(shí)，載波相位為0或π，為1時(shí)載波相位為π或0。載波相位和基帶信號有一一對應(yīng)的關(guān)系，從而達(dá)到調(diào)制的目的。2PSK信號的功率密度有如下特點(diǎn)： (1) 由連續(xù)譜與離散譜兩部分組成； (2) 帶寬是絕對脈沖序列的二倍； (3) 與2ASK功率譜的區(qū)別是當(dāng)P＝1/2時(shí)，2PSK無離散譜，而2ASK存在離散譜。 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 上面所討論的都是在二進(jìn)制數(shù)字基帶信號的情況，在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常用一種稱為多進(jìn)制（如4進(jìn)制，8進(jìn)制，16進(jìn)制等）的基帶信號。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制載波參數(shù)有M種不同的取值，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制比二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：一是有于多進(jìn)制數(shù)字信號含有更多的信息使頻帶利用率更高；二是在相同的信息速率下持續(xù)時(shí)間長，可以提高碼元的能量，從而減小由于信道特性引起的碼間干擾?，F(xiàn)實(shí)中用得最多的一種調(diào)制方式是多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）。 多進(jìn)制相移鍵控又稱為多相制，因?yàn)榛鶐盘栍蠱種不同的狀態(tài)，所以它的載波相位有M種不同的取值，這些取值一般為等間隔。在多相制移鍵控有絕對移相和相對移相兩種，實(shí)際中大多采用四相絕對移相鍵控（4PSK，有稱QPSK），四相制的相位有0、π/π、3π/2四種，分別對應(yīng)四種狀態(tài)1000、10。3 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì) 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)分析典型的數(shù)字通信系統(tǒng)由信源、編碼解碼、調(diào)制解調(diào)、信道及信宿等環(huán)節(jié)構(gòu)成，： 數(shù)字調(diào)制是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的輸入端是經(jīng)編碼器編碼后適合在信道中傳輸?shù)幕鶐盘?。對?shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，我們并不關(guān)心基帶信號的碼型，因此，我們在仿真的時(shí)候可以給數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)直接輸入數(shù)字基帶信號，不用在經(jīng)過編碼器。 仿真框圖MATLAB提供的圖形界面仿真工具Simulink由一系列模型庫組成,包括Sources(信源模塊)，Sinks(顯示模塊)，Discrete(離散系統(tǒng)模塊)，Linear(線性環(huán)節(jié))，Nonlinear(非線性環(huán)節(jié))，Connections(連接),Blocksetsamp。Toolboxes(其他環(huán)節(jié))。特別是在Blocksetsamp。Toolboxes中還提供了用于通信系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)和仿真的專業(yè)化模型庫CommTbxLibrary。在這里，整個(gè)通信系統(tǒng)的流程被概括為：信號的產(chǎn)生與輸出、編碼與解碼、調(diào)制與解調(diào)、濾波器以及傳輸介質(zhì)的模型。在每個(gè)設(shè)計(jì)模塊中還包含有大量的子模塊，它們基本上覆蓋了目前通信系統(tǒng)中所應(yīng)用到的各種模塊模型。通信系統(tǒng)一般都可以建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)所需仿真的通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(或數(shù)學(xué)表達(dá)式)，用戶只要從上述各個(gè)模型庫中找出所需的模塊,用鼠標(biāo)器拖到模型窗口中組合在一起,并設(shè)定好各個(gè)模塊參數(shù), ,如時(shí)域波形圖、頻譜圖等。每次仿真結(jié)束后還可以更改各參數(shù),以便觀察仿真結(jié)果的變化情況。另外，對Simulink中沒有的模塊，可運(yùn)用S函數(shù)生成所需的子模塊，并且可以封裝和自定義模塊庫，以便隨時(shí)調(diào)用。根據(jù)Simulink提供的仿真模塊，： 信號源仿真及參數(shù)設(shè)置 Simulink通信工具箱中的Comm Sources/Data Sources提供了數(shù)字信號源Bernoulli Binary Generator，這是一個(gè)按Bernoulli分布提供隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字信號的通用信號發(fā)生器。在現(xiàn)實(shí)中，對受信者而言，發(fā)送端的信號是不可預(yù)測的隨機(jī)信號。因此，我們在仿真中可以用Bernoulli Binary Generator來模擬基帶信號發(fā)生器。 其中主要參數(shù)的含義為：Probability of a zero ：產(chǎn)生的信號中0符號的概率，這樣便于頻譜的計(jì)算； Initial seed ：控制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的參數(shù)，要求不小于30，而且與后面信道中的Initial seed設(shè)置不同的值； Sample time：抽樣時(shí)間，這里指一個(gè)二進(jìn)制符號所占的時(shí)間，