【文章內(nèi)容簡介】 ，[19,20]。 數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型 數(shù)字基帶信號傳輸系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)原理 二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK)基本原理振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。在2ASK中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)二進(jìn)制信息0或1。一種常用的也是最簡單的二進(jìn)制振幅鍵控方式稱為通斷鍵控，其表達(dá)式為 ()可見，載波在二進(jìn)制基帶信號s(t)控制下通斷變化，所以這種鍵控又稱為通斷鍵控。在OOK中，某一符號(“0”或“1”)用沒有電壓來表示。2ASK信號的一般表達(dá)式為： () ()式中，為碼元持續(xù)時(shí)間；為持續(xù)時(shí)間的基帶脈沖波形。為簡便起見，通常假設(shè)是高度為1，寬度等于的矩形脈沖；是第n個符號的電平。若取， ()則相應(yīng)的2ASK信號就是OOK信號。與AM信號的解調(diào)方法一樣。2ASK/OOK信號也有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)解調(diào)）和相干解調(diào)（同步解調(diào)）。與模擬信號的接收系統(tǒng)相比，這里增加了一個“抽樣判決器”方框，這對于提高數(shù)字信號的接收性能是必要的[21]。 2ASK/OOK信號接收系統(tǒng)組成方框圖功率譜密度由于2ASK信號是隨機(jī)的功率信號，故研究它的頻譜特性時(shí)，應(yīng)該討論它的功率譜密度。一個2ASK信號可以表示成： ()其中，二進(jìn)制信號s(t)是隨機(jī)的單極性矩形脈沖序列。若設(shè)s(t)的功率譜密度為，2ASK信號的功率譜密度為，則由式可得： ()可見，2ASK信號的功率譜是基帶信號功率譜密度的線性搬移（屬線性調(diào)制）。知道了即可確定。單極性的隨機(jī)脈沖序列功率譜的一般表達(dá)式為 ()式中：；是單個基帶信號碼元g(t)的頻譜函數(shù)。對于全占空矩形脈沖序列，根據(jù)矩形波形g(t)的頻譜特點(diǎn)，對于所有的的整數(shù)，有，故式()可以簡化為 ()將其代入式()，得 () 當(dāng)概率時(shí)，并考慮到，則2ASK功率譜密度為 ()。 2ASK信號的功率譜密度示意圖從以上分析及圖可以看出：第一，2ASK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分，組成，連續(xù)譜取決于g(t)經(jīng)線性調(diào)制后的雙邊頻譜，而離散譜由載波分量確定。第二，2ASK信號的帶寬是基帶信號帶寬的2倍，若只計(jì)譜的主瓣（第一個譜零點(diǎn)位置），則有 ()其中。由此可見，2ASK信號的傳輸帶寬是碼元速率的2倍[22][23]。 二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)基本原理頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK信號中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在和兩個頻率點(diǎn)間變化。故其表達(dá)式為 ()一個2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加，因此，2FSK信號的時(shí)域表達(dá)式又可寫成 ()式中：g(t)為單個矩形脈沖；脈寬為。 ()是的反碼，若=1，則=0；若=0，則=1。于是 ()和分別是第n個碼元(1或0)的初始位。在頻移鍵控中，和不攜帶信息，通?？闪詈蜑榱?，因此2FSK信號的表達(dá)式可簡化為： () () ()。其解調(diào)原理是將2FSK信號分解成上下兩路2ASK信號分別進(jìn)行解調(diào)，然后進(jìn)行判決。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小，可以不專門設(shè)置門限，判決規(guī)則應(yīng)與調(diào)試規(guī)則相呼應(yīng)，調(diào)制時(shí)若規(guī)定“1”符號對應(yīng)載波頻率，則接收時(shí)上支路的樣值較大，應(yīng)判為“1”；反之判為“0”。 2FSK信號解調(diào)原理圖功率譜密度根據(jù)2ASK信號功率譜表示式，不難寫出這種2FSK信號的功率譜密度的表達(dá)式： ()令概率，參照式()，只需將其中的分別替換為和，然后代入式()即可得 ()[24]。 相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜示意圖由式()：第一，相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個中心位于和的雙峰疊加而成，離散譜位于兩個載頻和處；第二，連續(xù)譜的形狀隨著兩個載頻之差的大小而變化，若，連續(xù)譜在處出現(xiàn)單峰；若，出現(xiàn)雙峰；第三，若以功率譜第一個零點(diǎn)之間的頻率間隔計(jì)算2FSK信號的帶寬，則其帶寬近似為 ()其中，為基帶信號的帶寬[25]。 二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)基本原理相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時(shí)域表達(dá)式為 ()其中，表示第n個符號的絕對相位： ()因此，式()可以改寫為 ()由于表示信號的兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號一般可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦波的相乘。即 ()這里，g(t)是脈寬為的單個矩形脈沖，而的統(tǒng)計(jì)特性為 ()即發(fā)送二進(jìn)制符號“0”時(shí)(取+1)，取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號“1”時(shí)(取1)，取相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對相移方式。2PSK信號的解調(diào)通常采用相干解調(diào)法。在相干解調(diào)中，如何得到與接收的2PSK信號同頻同相的相干載波是個關(guān)鍵問題。 2PSK信號的解調(diào)原理框圖功率譜密度比較2ASK信號的比表達(dá)式和2PSK信號的表達(dá)式可知，兩者的表達(dá)式形式完全一樣。區(qū)別僅在于基帶信號s(t)不同不同，前者是單極性，后者為雙極性，因此，我們可以直接引用2ASK信號的功率譜密度的公式來表述2PSK信號的功率譜，即 ()應(yīng)當(dāng)注意，這里的是雙極性的隨機(jī)矩形脈沖序列的功率譜。雙極性的全占空矩形隨機(jī)脈沖序列的功率譜密度為 ()將其代入式()，得 ()若等概(P=1/2)，并考慮到矩形脈沖的頻譜，則2PSK信號的功率譜密度為 ()。 2PSK(2DPSK)信號的功率譜密度從以上分析可見，二進(jìn)制相移監(jiān)控信號的頻譜特性與2ASK的十分相似，帶寬也是基帶信號帶寬的2倍，區(qū)別僅在于當(dāng)P=1/2時(shí)，其譜中無離散譜（即載波分量），此時(shí)，2PSK信號實(shí)際上相當(dāng)于抑制噪波的雙邊帶信號。因此，它可以看做是雙極性基帶信號作用下的調(diào)幅信號[26][27]。 二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)基本原理 前面討論的2PSK信號中，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值表示數(shù)字信息，所以又稱為絕對相移。已經(jīng)指出，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)過程中出現(xiàn)“反向工作”現(xiàn)象。恢復(fù)出的數(shù)字信號“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(2DPSK)鍵控方式。 2DPSK是利用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來傳遞數(shù)字信息，所以又稱為相對相移鍵控。假設(shè)為當(dāng)前碼元與前一碼元的載波相位差，可定義一種數(shù)字信息與之間的關(guān)系為 ()于是可以將一組二進(jìn)制數(shù)字信息與其對應(yīng)的2DPSK信號的載波相位關(guān)系示例如下：二進(jìn)制數(shù)字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 02DPSK信號相位：(0) π 0 0 π π π 0 π π 或 ： (π) 0 π π 0 0 0 π 0 0 數(shù)字信息與之間的關(guān)系也可定義為由此示例可知，對于相同的基帶數(shù)字信息序列，有序列初始碼元的參考相位不同，2DPSK信號的相位，可以不同。也就是說，2DPSK信號的相位并不直接代表基帶信號，而前后碼元相對差才唯一決定信息符號。2DPSK信號的解調(diào)方法之一是相干解調(diào)加碼反變換法。其解調(diào)原理是：對2DPSK信號進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對碼，再經(jīng)碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復(fù)出的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，由于載波相位模糊性的影響，使得解調(diào)出的相對碼也可能是“1”和“0”倒置的現(xiàn)象，但經(jīng)差分譯碼得到的絕對碼不會發(fā)生任何倒置的現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊性帶來的問題。 2DPSK解調(diào)原理框圖功率譜密度從前面討論的2DPSK信號的調(diào)制過程及其波形可以知道，2DPSK可以與2PSK具有相同形式的表達(dá)式。所不同的是2PSK中的基帶信號s(t)對應(yīng)的是絕對碼序列。而2DPSK中的基帶信號s(t)對應(yīng)的是碼變換后的相對碼序列。因此，2DPSK信號和2PSK信號的功率譜密度是完全一樣的，信號帶寬為與2ASK相同，也是碼元速率的2倍[28]。4 模擬通信系統(tǒng)仿真平臺總體設(shè)計(jì) 模擬通信系統(tǒng)仿真平臺的功能本平臺的功能是能實(shí)現(xiàn)比較細(xì)致的通信的時(shí)域波形和頻譜，定性的看出噪聲和通信系統(tǒng)的各個參數(shù)對信號的各個時(shí)段的時(shí)域波形和頻譜的影響，對信號的恢復(fù)的影響。軟件能實(shí)現(xiàn)在圖形界面上輸入各個參數(shù)，然后輸出波形。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 模擬通信系統(tǒng)仿真平臺總體設(shè)計(jì)框圖模擬通信系統(tǒng)仿真平臺GUI界面 模擬通信系統(tǒng)仿真平臺GUI界面如圖所示，該GUI界面的功能區(qū)包含五個部分，各模塊相對應(yīng)的功能如下：調(diào)制方式模塊功能：通過按鍵選擇調(diào)制方式；參數(shù)設(shè)置模塊功能：從編輯框輸入采樣頻率（fs），基帶頻率（f），載波頻率（fc），信噪比（snr），調(diào)制指數(shù)（K）五個參數(shù)；基本信號模塊功能：通過按鍵選擇所要顯示的信號；時(shí)域或頻域選擇模塊功能：通過按鍵選擇與所選信號對應(yīng)的時(shí)域或頻域波形；畫圖模塊功能：通過單功能按鍵“畫圖”，在坐標(biāo)軸中畫出波形圖；通過單功能按鍵“放大”，對波形圖進(jìn)行放大；通過單功能按鍵“清空”，清除坐標(biāo)軸中圖形[29][30]。 總體設(shè)計(jì)參數(shù)（AM）參數(shù)設(shè)計(jì)要求 AM參數(shù)設(shè)計(jì)采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）任意值任意值雙邊帶調(diào)制（DSB）參數(shù)設(shè)計(jì)要求 DSB參數(shù)設(shè)計(jì)采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）任意值任意值單邊帶調(diào)制（SSB）參數(shù)設(shè)計(jì)要求 SSB參數(shù)設(shè)計(jì)采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）任意值任意值頻率調(diào)制（FM）參數(shù)設(shè)計(jì)要求 FM參數(shù)設(shè)計(jì)采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）調(diào)制指數(shù)（K）任意值任意值任意值相位調(diào)制（PM）參數(shù)設(shè)計(jì)要求 PM參數(shù)設(shè)計(jì)采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）調(diào)制指數(shù)（K）任意值任意值 模擬通信系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn) 信號調(diào)制解調(diào)程序流程圖 模擬信號調(diào)制解調(diào)程序流程圖 普通調(diào)幅（AM）信號仿真參數(shù)設(shè)置如下表 AM仿真具體參數(shù)采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）10000 Hz100Hz1000 Hz10dB普通調(diào)幅（AM）信號仿真如下基帶信號時(shí)域波形 基帶信號時(shí)域波形基帶信號頻域波形 基帶信號頻域波形載波信號時(shí)域波形 載波信號時(shí)域波形調(diào)制信號時(shí)域波形 AM信號時(shí)域波形調(diào)制信號頻域波形 AM信號頻域波形加噪信號時(shí)域波形 加噪AM信號時(shí)域波形解調(diào)信號時(shí)域波形 AM解調(diào)信號時(shí)域波形 雙邊帶調(diào)幅（DSB）信號仿真參數(shù)設(shè)置如下表 DSB仿真具體參數(shù)采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）1000 Hz10 Hz100 Hz5dB雙邊帶調(diào)幅（DSB）信號仿真如下基帶信號時(shí)域波形 基帶信號時(shí)域波形基帶信號頻域波形 基帶信號頻域波形載波信號時(shí)域波形 載波信號時(shí)域波形調(diào)制信號時(shí)域波形 DSB信號時(shí)域波形調(diào)制信號頻域波形 DSB信號頻域波形加噪信號時(shí)域波形 加噪DSB信號時(shí)域波形解調(diào)信號時(shí)域波形 DSB解調(diào)信號時(shí)域波形 單邊帶調(diào)幅（SSB）信號仿真參數(shù)設(shè)置如下表 SSB仿真具體參數(shù)采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）2000 Hz1Hz20 Hz5dB單邊帶調(diào)幅（SSB）信號仿真如下基帶信號時(shí)域波形 基帶信號時(shí)域波形基帶信號頻域波形 基帶信號頻域波形載波信號時(shí)域波形 載波信號時(shí)域波形調(diào)制信號時(shí)域波形 SSB信號時(shí)域波形調(diào)制信號頻域波形 SSB信號頻域波形加噪信號時(shí)域波形 加噪SSB信號時(shí)域波形解調(diào)信號時(shí)域波形 SSB解調(diào)信號時(shí)域波形 調(diào)頻（FM）信號仿真參數(shù)設(shè)置如下