【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(guò)仿真，觀察了調(diào)制解調(diào)過(guò)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(duì)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(hào)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(guò)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， Simulink Abstract In 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(hào)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(yǔ) …………………………………………………………………………… 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(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(guò)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(lái)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(guò)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。 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 ,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法 .它具有利用模型進(jìn)行仿真的一系列優(yōu)點(diǎn) ,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(kāi)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(jiǎn)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(wèn)題。 Matlab 具有強(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(yǔ)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。 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(jiǎn)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(jiàn)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(guò)乘法器和開(kāi)關(guān)電路來(lái)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(wú)載波傳送。那么在接收端我們就可以根據(jù)載波的有無(wú)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。 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(lái)代表信號(hào) 1 和 0，用數(shù)字信號(hào)的 1和 0去控制兩個(gè)獨(dú)立的振蕩源交替輸出。對(duì)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(hào)的帶寬也是 FSK 信號(hào)的最大頻偏，由于數(shù)字信號(hào)的帶寬即 Fb 值大，所以二進(jìn)制頻移鍵控的信號(hào)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(hào)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。 二進(jìn)制相移鍵控（ 2PSK） 在相移鍵控中，載波相位受數(shù)字基帶信號(hào)的控制，如在二進(jìn)制基帶信號(hào)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(hào)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，從而達(dá)到調(diào)制的目的。 2PSK 信號(hào)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(duì)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(wú) 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(hào)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(hào)。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(hào)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(zhǎng)，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。現(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?hào)有 M 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(duì)移相和相對(duì)移相兩種，實(shí)際中大多采用四相絕對(duì)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(duì)應(yīng)四種狀態(tài) 1 0 00、 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，其框圖如圖 所示： 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?hào)。對(duì)數(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(hào)的碼型，因此，我們?cè)诜抡娴臅r(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(hào)，不用在經(jīng)過(guò)編碼器。 圖 3 .1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 信息源 編碼器 調(diào)制器 信 道 解調(diào)器 解碼器 受信者 噪聲源 仿真框圖 MATLAB 提供的圖形界面仿真工具 Simulink 由一系列模型庫(kù)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