【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 幾 種基本調(diào)制解調(diào)方法，然后，運(yùn)用Matlab 設(shè)計(jì)了這幾種數(shù)字調(diào)制 解調(diào) 方法的仿真 程序，主要包括 PSK， DPSK 和 16QAM。通過仿真， 分析 了 這三種 調(diào)制解調(diào)過程中各環(huán)節(jié)時(shí)域和頻域的波形 ，并考慮了信道噪聲的影響。通過仿真更深刻地理解了數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)基本原理 。最后， 對(duì)三種調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了 比較。 關(guān)鍵詞：數(shù)字調(diào)制；分析與仿真； Matlab。 Abstract Digital modulation is one of the most important part in munication system, and the improvement of digital modulation technology is an important way for the improvement of munication 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 pared. Keywords: Digital modulation。 analysis。 simulation。 MATLAB. 目 錄 第一章 引言 …………………………………… ..………… …………… 1 研究背 景 …………………………………… ..…………………… 1 通 信 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 和 趨 勢(shì) … … … … … … … … … … … … … … … 1 研 究目 的 與 意 義 … ……… …… …… …… …… …… …… ……… 2 本文內(nèi)容安排 … …… … …… …… … …… …… … …… …… …… 2 第二章 數(shù)字調(diào)制解調(diào)相 關(guān)原理 …… … … … … …… … … … …… … 3 二進(jìn)制 相 移鍵 控 (2PSK) ……………………………………… 3 二進(jìn)制 差分相 移鍵控 (2DPSK)…… …… ……………………… 5 正交振幅調(diào)制 (Q AM) … … …… …… … …… …… … …… …… 8 第三章 數(shù)字調(diào)制解調(diào)仿真 ……………………… …… ……………… 10 2PSK 調(diào)制和解調(diào)仿真 … ………………… … ………………………… 10 2DPSK 調(diào)制和解調(diào)仿真 … … … ………………… …… ………………… 14 16QAM 調(diào)制和解調(diào)仿真 ………………………… ……………………… 18 各種調(diào)制 比較 … ………………… ……………………………… 2 4 第四章 結(jié)束語 ………… ……… ………………… …………… ……… 2 5 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………… 2 6 致謝 ………………………… ……………………………………………… 2 7 附錄 ………………………………………………………………………… 2 8 1 第一章 引言 研究背景 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。 數(shù)字通信的發(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， 2021 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 2021 年底移動(dòng)電話用戶近 4 億。 2 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。 研究目的與意義 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。 本文內(nèi)容安排 第 1 章引言 ， 簡(jiǎn)單介紹了 Matlab 在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用 ， 數(shù)字調(diào)制的意義 和 數(shù)字通信的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 。 第 ２章數(shù)字調(diào)制解調(diào)相關(guān)原理， 闡述了 PSK,DPSK,QAM 數(shù)字調(diào)制解調(diào)的基本原理和常用的調(diào)制解調(diào)方法。 第３章 數(shù)字調(diào)制解調(diào)仿真，通過 PSK,DPSK,QAM 的數(shù)字調(diào)制解調(diào)程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行仿真，并對(duì)它們的調(diào)制性能進(jìn)行比較。 第４章結(jié)束語。 3 第二章 數(shù)字調(diào)制解調(diào)相關(guān)原理 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) 。 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)。 本章重點(diǎn)論述 2PSK,2DPSK,16QAM 調(diào)制系統(tǒng)的原理 。 ２ .1 二進(jìn)制 相 移鍵控 (2PSK) 相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在 2PSK中，通常用初始相位０和π分別表示二進(jìn)制“１”和“０”。因此， 2PSK 信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 ? ?ncPS K tAte ?? ?? c o s)(2 （２ .1－ 1） 其中， n? 表示第 n 個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位： 時(shí)發(fā)送 時(shí)發(fā)送 ”“ ”“0 １０n ???? ?? （２ .1－ 2） 因此，式（２ .1－ 1）可以改寫為 PPtA tAte ccP SK ???? ?? 1c osc os)(2 概率為概率為?? （２ .1－ 3） 由于表示信號(hào)的兩種碼元的波形相同，極性相反，故 2PSK 信號(hào)一般可以表述為一個(gè)雙極性（ bipolarity）全占空（ 100% duty ratio）矩形脈沖 序列與一個(gè)正弦載波的相乘，即 ttste cP SK ?c o s)()(2 ? （２ .1－ 4） 其中 ? ?? n sn nTtgats )()( （２ .1－ 5） 這里， g(t)是脈寬為 sT 的單個(gè)矩形脈沖，而 na 的統(tǒng)計(jì)特性為 4 PPa n ?????? 111 概率為概率為 （２ .１－ 6） 即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“０”時(shí)（ na ?。保?)(2 tePSK ?。跋辔?；發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“１”時(shí)（ na ?。保?， )(2 tePSK 取π相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對(duì)相移方式。 2PSK 信號(hào)的調(diào)制原理框圖如圖 ２－ 1 所示。與 2ASK 信號(hào)的產(chǎn)生方法相比較，只是對(duì)s(t)的要求不同，在 2ASK 中 s(t)是單極性的，而在 2PSK 中 s(t)是雙極性的基帶信號(hào)。 2PSK 信號(hào)的解調(diào)通常采用相干解調(diào)法，解調(diào)原理框圖如圖 ２ － 2所示。在相干解調(diào)中，如何得到與接收的 2PSK 信號(hào)同頻同相的相干載波是個(gè)關(guān)鍵問題。 相乘器 低通濾波器 帶通濾波器 圖２－ 2 2PSK 信號(hào)的解調(diào)原理框圖 抽樣判決器 cosωct e2PSK (t) 定時(shí)脈沖 輸出 s(t) 乘法器 e2PSK (t) cosωct 雙極性不歸零 (a)模擬調(diào)制方法 cosωct 開關(guān)電路 (b)鍵控法 圖２－１ 2PSK 信號(hào)的調(diào)制原理框圖 180176。移相 o π 碼型變換 e2PSK (t) s(t) 5 ２ .２ 二進(jìn)制 差分相 移鍵控 (2DPSK) 在 2PSK 信號(hào)中，相位變化是以未調(diào)載波的相位作為參考基準(zhǔn)的。由于它利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值表示數(shù)字信息，所以又稱為絕對(duì)相移。 2PSK 相干解調(diào)時(shí)，由于載波恢復(fù)中相位有０、π模糊性，導(dǎo)致解調(diào)過程出現(xiàn)“反向工作”現(xiàn)象，恢復(fù)出的數(shù) 字信號(hào)“１”和“０”倒置，從而使 2PSK 難以實(shí)際應(yīng)用。為了克服此缺點(diǎn)，提出了二進(jìn)制差分相移鍵控（ 2DPSK）方式。 2DPSK 是利用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化傳遞數(shù)字信息，所以又稱相對(duì)相移鍵控。假設(shè) ?? 為當(dāng)前碼元與