1、一、設計的目的與要求數字調制是通信系統中最為重要的環節之一，數字調制技術的改進也是通信系統性能提高的重要途徑。通過分析了解數字調制系統的幾種基本調制解調方法，Matlab用于仿真，分析和修改，應用圖形界面功能GUI能為仿真系統生成一個人機交互界面，便于仿真系統的操作，因此采用Matlab對數字系統進行仿真。通過對系統的仿真，我們可以更加直觀的了解數字調制系統的性能及影響性能的因素，從而便于改進系統，獲得更佳的傳輸性能。二、系統設計思路與原理1.基礎知識1.1數字調制的意義 數字調制是指用數字基帶信號對載波的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。根據控制的載波參量的

2、不同，數字調制有調幅、調相和調頻三種基本形式，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特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸。為了進行長途傳輸，必須對數字信號進行載波調制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現代通信系統都使用數字調制技術。因此，對數字通信系統的分析與研究越來越重要，數字調制作為數字通信系統的重要部分之一，對它的研究也是有必要的。 1.2 Matlab在通信系統仿真中的應用 Matlab是一種交互式的、以矩陣為基礎的軟件開發環境,它用于科學和工程的計算與可視化。Matlab的編程功能簡單,并且很容易擴展和創造

3、新的命令與函數。應用Matlab可方便地解決復雜數值計算問題。Matlab具有強大的Simulink動態仿真環境,可以實現可視化建模和多工作環境間文件互用和數據交換。用戶可以在Matlab和Simulink兩種環境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。用于實現通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,也叫Commlib,通信工具箱)是Matlab語言中的一個科學性工具包,提供通信領域中計算、研究模擬發展、系統設計和分析的功能,可以在Matlab環境下獨立使用,也可以配合Simulink使用。另外Matlab的圖形界面功能GUI（Graphical Us

4、er Interface）能為仿真系統生成一個人機交互界面，便于仿真系統的操作。因此，Matlab在通信系統仿真中得到了廣泛應用。2.系統設計原理數字調制系統的相關原理 數字調制可以分為二進制調制和多進制調制，多進制調制是二進制調制的推廣，所以本文主要討論二進制的調制與解調，最后簡單討論一下多進制調制中的差分相位鍵控調制（M-DPSK）。最常見的二進制數字調制方式有二進制振幅鍵控（2-ASK）、移頻鍵控（2-FSK）和移相鍵控（2-PSK和2-DPSK）。下面是這幾種調制方式的相關原理。 2.1 二進制幅度鍵控（2-ASK）幅度鍵控可以通過乘法器和開關電

5、路來實現。載波在數字信號1或0的控制下通或斷，在信號為1的狀態載波接通，此時傳輸信道上有載波出現；在信號為0的狀態下，載波被關斷，此時傳輸信道上無載波傳送。那么在接收端我們就可以根據載波的有無還原出數字信號的1和0。2-ASK信號功率譜密度的特點如下：  （1）由連續譜和離散譜兩部分構成；連續譜由傳號的波形g(t)經線性調制后決定，離散譜由載波分量決定； （2）已調信號的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。2.2 二進制頻移鍵控（2-FSK） 頻移鍵控是利用兩個不同頻率f1和f2的振蕩源來代表信號1和0，用數字信號的1和0去控制兩個獨立的振蕩源交替輸

6、出。對二進制的頻移鍵控調制方式，其有效帶寬為B=2xF+2Fb,xF是二進制基帶信號的帶寬也是FSK信號的最大頻偏，由于數字信號的帶寬即Fb值大，所以二進制頻移鍵控的信號帶寬B較大，頻帶利用率小。2-FSK功率譜密度的特點如下： (1) 2FSK信號的功率譜由連續譜和離散譜兩部分構成,離散譜出現在f1和f2位置；(2) 功率譜密度中的連續譜部分一般出現雙峰。若兩個載頻之差|f1 -f2|fs，則出現單峰。2.3二進制相移鍵控（2-PSK） 在相移鍵控中，載波相位受數字基帶信號的控制，如在二進制基帶信號中為0時，載波相位為0或，為1時載波相位為或

7、0。載波相位和基帶信號有一一對應的關系，從而達到調制的目的。2-PSK信號的功率密度有如下特點：  (1) 由連續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功率譜的區別是當P1/2時，2PSK無離散譜，而2ASK存在離散譜。2.4 多進制數字調制 上面所討論的都是在二進制數字基帶信號的情況，在實際應用中，我們常常用一種稱為多進制（如4進制，8進制，16進制等）的基帶信號。多進制數字調制載波參數有M種不同的取值，多進制數字調制比二進制數字調制有兩個突出的優點：一是有于多進

8、制數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時間長，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實中用得最多的一種調制方式是多進制相移鍵控（MPSK）。 多進制相移鍵控又稱為多相制，因為基帶信號有M種不同的狀態，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、/2、3/2四種，分別對應四種狀態11、01、00、10。三、軟件實現過程與結果分析1.2-ASK通常，二進制振幅鍵控信號（2-ASK）的產生方法（調制方法）有兩種，如

9、圖3.1所示：圖3.1 2-ASK信號產生的兩種方法2-ASK解調的方法也有兩種相應的接收系統組成方框如圖3.2所示：圖3.2 2-ASK信號接收系統組成框圖根據3.1（a）所示方框圖產生2-ASK信號，并用圖3.2（b）所示的相干解調法來解調，設計2-ASK仿真模型如圖3.3所示：圖3.3 2-ASK模型在該模型中，調制和解調使用了同一個載波，目的是為了保證相干解調的同頻同相，雖然這在實際運用中是不可能實現的，但是作為仿真，這樣能獲得更理想的結果。 主要模塊參數設置如下： 1Bernoulli Binary Generator的參數設置為： 

10、Probability of a zero ：0.5 Initial seed ：67 Sample time：1 2. 載波頻率設為：50（可調） 3. Sample and Decide模塊是一個子系統，其內部結構由抽樣和判決兩部分組成，其中，抽樣由同步沖激信號（Sychronizing signal）完成，其參數perio（sec）設置和信號源的參數Sample time保持一致。Sample and 

11、;Decide 模塊內部結構如圖3.4所示：圖3.4 Sample and Decide子系統內部結構4. Error Rate Calculation的參數設置：   Receive delay：2 Output data： Work space Variable name：ErrorVec仿真結果時域分析 設信息源發出的是由二進制符號0、1組成的序列，且假定0符號出現的概率為P，1符號出現的概率為1-P，他們彼此獨立。則2ASK信號的時間表示

12、式為: （3.1）（3.2）將圖3.3中各示波器的值輸出到Work space中做統一處理（處理程序見附錄2），各環節波形如圖3.5所示；圖3.5 2-ASK各環節波形示意圖從圖3.5中可以看出，經過調制后的信號波形在符號1持續時間內是載波的波形，在符號0持續時間內無波形，這與式（3.2）是完全吻合的。最后經過解調和抽樣判決出來的信號與源信號波形大體一致，只是有兩個碼元的延遲，這說明如果將Error Rate Calculation的Receive delay參數設置為2，則此模型最后的誤碼率為0。這個值與理論值有些出入，原因是我們在仿真時為了便于觀察信

13、號的波形，將信號源發送的碼元數設定為20個（碼元速率為1，仿真時間20秒），這大大低于現實中的傳碼率，所以在只傳送20個碼元的情況下，誤碼率為0是可能的。 仿真結果頻域分析 由于二進制的隨機脈沖序列是一個隨機過程,所以調制后的二進制數字信號也是一個隨機過程，因此在頻率域中只能用功率譜密度表示。2ASK的功率譜密度為：（3.3）又因為G(f)=TsSa(fTs), 當概率P=0.5時，2ASK的功率譜密度可進一步整理為:（3.4）由上式可知，2-ASK信號的中心頻譜被搬移到了載波頻率fc上。對圖3.5中各環節數據做1024點快速傅立葉可得頻域波形，如圖3.6所示：圖3.6 2

14、-ASK各環節頻譜圖從圖3.6中可以看到，源信號中心頻率經調制后搬移到了載波頻率上，這與公式（3.4）是相符的。最后經過抽樣判決后的頻譜與源信號頻譜也大體一致，說明該2-ASK仿真模型是成功的、符合理論的。2.2-FSK如果信號源同2-ASK一樣的假設，那么，2-FSK信號便是0符號對應于載波1，而1符號則對應于2（與1不同的另一載波）的已調波形，而且1與2之間的改變是瞬間完成的。2-FSK信號的產生如圖3.7所示：圖3.7 2-FSK信號產生方法2-FSK信號最常用的解調方法是采用的相干檢測法，如圖3.8所示：圖3.8 2-FSK相干解調的方法利用Simulink通信工具箱中的FSK調制解調

15、模塊及信號源與信道即可。設計的2-FSK仿真模型如圖3.9圖3.9 2-FSK仿真模型重要模塊參數設置如下：     1.信號源參數設置同2-ASK； 2. M-FSK Modulator Passband及M-FSK Demodulator Passband：M-ary number：2 Symbol period (s)：1（與Bernoulli Binary Generator/ Sample tim

16、e一致）Frequency separation (Hz)：1（可調）Carrier frequency (Hz)：30（可調）Carrier initial phase (rad)：0   Input sample time(s)：1/100 Output sample time(s)：1/1003. AWGN Channel： Initial seed：120（與Bernoulli Binar

17、y Generator/ Initial seed不同）；  Mode： SNR（dB）SNR (dB)：10（可調）4. Error Rate Calculation的參數設置：  Receive delay：3 Output data： Work space Variable name：ErrorVec2 仿真結果時域分析：根據上述2-FSK信號產生原理，已調信號的時間表達式可表示為：由式（3

18、.5）可看出2-FSK信號是由兩個2-ASK信號相加而成的，將圖3.9中各示波器的值輸出到Work space中做統一處理（處理程序見附錄3），其中源信號、調制后信號及解調后信號波形如圖3.10所示：(a)源信號波形（b）調制后信號波形（c）解調后信號波形圖3.10 2-FSK源信號、調制后信號及解調后信號波形由圖3.12可知，調制后信號波形由兩種頻率不同的波形組成，且兩種頻率分別對應解調后信號的符號0和符號1，即2-FSK信號波形可以看作是由兩個2-ASK信號相加而成的，這與式（3.5）完全相符。仿真結果頻域分析 改變Frequency separation&#

19、160;(Hz)和Carrier frequency (Hz)兩個參數的值單獨觀察調制后的頻譜，獲得圖3.11中的兩個頻譜圖（a）載波差值：1 載波：30（b）載波差值：5 載波：20圖3.11 2-FSK調制后頻譜對比圖3.13（a）和 (b)可知，當兩個載波差值很小時，已調信號的頻譜呈現單峰如（a）圖；當兩個載波差值較大時，已調信號的頻譜呈現雙峰如（b）圖,這與2.2節中闡述的2-FSK頻譜的特點完全相符。 仿真結果的分析說明該2-FSK仿真模型是可行的。3.2-PSK和2-FSK一樣我們也用Simulink通信工具箱提供的現成DPSK調制解調模塊來

20、構建仿真模型，并由M文件編制程序對仿真結果進行統一處理。2-PSK仿真模型如圖3.12所示：圖3.12 2-PSK仿真模型主要模塊參數設置如下： 將信號源的Sample time設為1/2，仿真觀察40個碼元，調制解調模塊中的Symbol period (s)也相應設成1/2，其余參數可參照2-FSK，兩者參數類似。仿真結果分析：2-PSK信號的時間表達式為：若在某一碼元持續時間Ts內觀察時，可以簡寫為： （3.7）或以相反的形式。將圖3.12中各示波器數據做統一處理，得到各環節時域頻域對比圖如圖3.13所示，仿真結果處理程序見附錄4圖3.13 2-PS

21、K各環節時域頻域波形 從上圖可以看出，調制后的信號波形由兩種相位不同的波形組成，而且兩種波形是反相的，即相位相差180度，這與式（3.7）一致。解調后的時域波形和源信號相比，不僅有一個碼元的延遲，而且第一個碼元由1變成了0，出現了誤碼，由誤碼計算儀的計算數據可知，該系統在傳送40個碼元的情況下誤碼率為0.025，這是一個理論上和現實中都可以接受的值。 將式（3.6）與式（3.2）比較可見，2-ASK和2-PSK時間表達式形式完全相同，所不同的只是an的取值，因此，兩者的頻域波形也相似。將圖3.13中的2-PSK信號調制后頻譜與圖3.6中的2-ASK信號調制后頻譜比較也可得出

22、相同結論。4. GUI用戶界面設計為了使整個數字調制仿真系統便于操作，我們利用Matlab 中的GUI圖形用戶界面將各種調制模型集合到一個操作界面上，使該仿真系統成為一個整體。 GUI全稱Graphical User Interface即，圖形用戶界面，就是通過窗口、選單、按鈕、文字說明等對象構成一個美觀的界面，提供用戶利用鼠標或鍵盤方便地實現操作。GUI是Matlab自帶的用于生成人機交互界面的工具，Matlab設計圖形用戶界面的方法有兩種：使用可視化的界面環境和通過編寫程序。用戶可根據自己的需要生成符合用戶要求的圖形界面，并通過編寫各控件的回調函數（

23、callback function）使控件和該控件所要實現的功能聯系起來，從而實現圖形界面的操作功能。圖3.14 數字調制仿真系統操作界面 只要在Matlab命令窗口輸入仿真系統的名稱：ddmod即可進入如上圖所示的仿真操作界面。從上圖可以看出，該仿真系統操作界面主要由時間域波形顯示框、頻率波形顯示框、調制方式單選項、設置參數按鈕、打開模型按鈕、仿真按鈕、關閉按鈕及包含所要觀察的各環節的下拉式菜單等控件組成。通過該操作界面，我們可以使各個仿真模型及相關函數在后臺運行，同時將我們需要的結果在界面上顯示出來，使系統的操作方便簡潔。另一方面，可以通過“參數設置”按鈕對仿真模型的主

24、要參數進行設置，以觀察在不同參數下仿真的結果，“參數設置”對話框如圖3.15所示：圖3.15 M-DPSK參數設置對話框如果需要對更多的參數進行設置或者需要修改仿真模型的某些模塊，可以通過單擊“打開模型”按鈕來打開所需要的模型。當各種參數設置好后，可以在下拉式菜單中選擇一個要觀察的仿真環節，然后單擊仿真按鈕就可以在時間域波形顯示框、頻率波形顯示框中觀察到時間域波形和頻率波形，當然，這一切的前提是在調制方式單選項上選擇了其中一項，否則將會出現如圖3.16所示的警告：圖3.16 警告對話框另外，為了方便查看與仿真相關的程序，File中菜單中設計了OpenMfile一項，如圖3.17所示，圖3.17

25、 File菜單 仿真結束后可單擊“關閉”按鈕或File/Close關閉仿真系統。四、設計總結與心得體會課程設計是培養學生綜合運用所學的理論知識，發現、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環節，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。通過動手去做，理論與實踐相結合使我更加明白什么是數字調制系統。通過兩周的的努力，我們的課程設計終于完成了，這意味著這一階段艱苦的熱烈的付出即將告一段落。在整個課程設計中，我在學習上和思想上都有很大收獲，這除了自身的努力外，與指導的老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開。理論應用到實際是需要一個過程，遇到自己解決不了的問題，通過查閱資料，請教同學和請教老

26、師等方法來解決。而且可以發現自己的不足之處，對以前所學知識進一步掌握，也可以通過課程設計過程提高實際工作能力和獨立思考的能力。由于所學知識水平和能力的有限，在課程設計過程中，我遇到了很多問題，有些通過查閱相關資料得到了解決，也有一部分是請教同學，而更重要的是老師的答疑給我們一個系統的框架和結構，使我們在總體方案的設計中有了正確的方法和方向。本次課程設計按是以小組為單位進行的，小組中的每個人既有不同的任務也可以通過小組討論來提出更好的解決辦法和不同的思路。在這個過程中，獨立思考很重要，團隊合作也是必不可少的。總之，此次課程設計使我受益匪淺！參考文獻 1 樊昌信. 通

27、信原理教程.北京：電子工業出版社，2005 2 張輝，曹麗娜現代通信原理與技術 M西安電子科學出版社，2001 3 張威MATLAB入門與基礎 M西安電子科技大學出版社，2004 4 施曉紅，周佳精通GUI圖形界面編程 M北京大學出版社，2003 5 JDGibsonPrinciples of Digital and Analog Communications1990 6 F Xiong， Dig

28、ital Modulation TechniquesArtech House， 2000  7 鄧華MATLAB通信仿真及應用實例詳解 M北京：人郵電出版社，20038 李建新現代通信系統分析與仿真一MATLAB通信工具箱 M.西安電子科技大學出版社，2000附錄附錄1  2-ASK仿真結果處理程序function ask1() sim('dm'); t1=ScopeData5(:,1); y1=ScopeData5(:,2);&

29、#160;t2=ScopeData2(:,1); y2=ScopeData2(:,2);t3=ScopeData(:,1);y3=ScopeData(:,2);t5=ScopeData1(:,1);y5=ScopeData1(:,2); t6=ScopeData7(:,1);y6=ScopeData7(:,2); t7=ScopeData3(:,1); y7=ScopeData3(:,2);   %引入示波器的數據subplot(3,2,5); plot(t1,y1),grid; xlabel('

30、濾波后的波形')subplot(3,2,4);plot(t2,y2),grid; xlabel('相干解調后的波形')subplot(3,2,1); stairs(t3,y3),axis(0 20 -0.5 2.5),grid;title('ASK調制與解調各環節波形') xlabel('源信號')subplot(3,2,2); plot(t5,y5),grid; xlabel('調制后的波形')subplot(3,2,3);plot(t6,y

31、6),grid; xlabel('經過高斯信道后的波形') subplot(3,2,6); stairs(t7,y7),axis(0 20 -0.5 2.5),grid;xlabel('抽樣判決后的波形') figure(2) n1=1024; f1=(-n1/2:1:n1/2-1);s=fft(y3,n1); subplot(3,2,1); plot(f1,abs(fftshift(s),%axis(-30 30 0 7)

32、xlabel('源信號頻譜') n2=1024; f2=(-n2/2:1:n2/2-1); s=fft(y5,n2); subplot(3,2,2); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300) xlabel('調制后的頻譜') s=fft(y2,n2);subplot(3,2,3); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)x

33、label('相干解調后的頻譜')s=fft(y1,n2); subplot(3,2,4); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300) xlabel('濾波后的頻譜') s=fft(y7,n2);subplot(3,2,5); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel('抽樣判決后的頻譜')附錄2  2-FSK仿真結果

34、處理程序 function bfsk2() sim('bfsk'); t1=ScopeData(:,1);y1=ScopeData(:,2);t2=ScopeData1(:,1);y2=ScopeData1(:,2); t3=ScopeData2(:,1); y3=ScopeData2(:,2);t4=ScopeData3(:,1); y4=ScopeData3(:,2);subplot(4,2,1); stairs(t1,y1),axis(0 20 -1/2 3/2)

35、,grid;xlabel('源信號')subplot(4,2,3); plot(t2,y2),grid; xlabel('調制后的波形') subplot(4,2,5); plot(t3,y3),grid; xlabel('經過高斯信道后的波形')subplot(4,2,7); stairs(t4,y4),axis(0 20 -1/2 3/2),grid; xlabel('相干解調后的波形') n1=1024; 

36、f1=(-n1/2:1:n1/2-1);s=fft(y1,n1); subplot(4,2,2); plot(f1,abs(fftshift(s),%axis(-30 30 0 7)xlabel('源信號頻譜')n2=1024; f2=(-n2/2:1:n2/2-1);s=fft(y2,n2); subplot(4,2,4); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300) xlabel('調制后的頻譜

37、9;) f2=(-n2/2:1:n2/2-1);s=fft(y3,n2); subplot(4,2,6); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel('經過高斯信道后的頻譜')f2=(-n1/2:1:n1/2-1); s=fft(y4,n1); subplot(4,2,8); plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300) xlabel('調制后的頻譜')r=ErrorVec2(1); w=sprintf('符號誤差率= %dn',r); uiwait(msgbox(w,'符號誤差率','modal');附錄3 2-PSK仿真結果處理程序 function psk() sim('msk');