二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計

1、二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計MATLAB及SIMULINK建模環(huán)境簡介MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù) 據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB SIMULINK兩大部分。Simulink是MATLA撮重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的 集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、 靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)

2、雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAE的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLA的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)， 也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI）,這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式， 而

3、且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。數(shù)字通信系統(tǒng)的基本模型從消息傳輸角度看，該系統(tǒng)包括了兩個重要交換，即消息與數(shù)字基帶信號之間的交換 ， 字基帶信號與信道信號之間的交換 .通常前一種交換由發(fā)收端設(shè)備完成 .而后一種交換則由 調(diào)制和解調(diào)完成.數(shù)字通信系統(tǒng)模型、2ASK調(diào)制解調(diào)基本原理2ASK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。其信號表達(dá)式為：e0（t）= S（t）,cos編cS為單極性數(shù)字基帶信號。2ASK幅移鍵控幅移鍵控(ASK相當(dāng)于模擬信號中的調(diào)幅，只不過與載頻信號相乘的是二進(jìn)數(shù)碼而已。 幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，信息比特是通過載波的幅度來傳遞

4、的。 由于調(diào)制信號只有 ?；?兩個電平，相乘的結(jié)果相當(dāng)于將載頻或者關(guān)斷，或者接通，它的實際意義是當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號 1時，傳輸載波；當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號為0時，不傳輸載波。23由圖可以看出2ASK信號的時間波形e2ASK (t)隨二進(jìn)制基帶信號 s (t)通斷變化。 所以又被稱為通斷鍵控信號2ASK信號的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制法和鍵控法。 模擬調(diào)制法使用乘法器實現(xiàn)自式.十鍵控法使用開關(guān)電路實現(xiàn)接1*也稱OOK 信號公開關(guān)1的動作由氫1 1決定，當(dāng)S( I )=2ASK的調(diào)制方法2ASK有兩種基本解調(diào)方法：相干解調(diào)法(同步檢測法)和非相干解調(diào)法(包絡(luò)檢波法)相干解調(diào)需要將載頻位置的已調(diào)信號頻譜重

5、新搬回原始基帶位置，因此用相乘器與載波相乘來實現(xiàn)。為確保無失真還原信號，必須在接收端提供一個與調(diào)制載波嚴(yán)格同步的本地載波， 這是整個解調(diào)過程能否順利完好進(jìn)行的關(guān)鍵。林沖相干解調(diào)非相干解調(diào)刪1LJ1八八八2ASK信號非相干解調(diào)過程的時間波形振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而頻率和初始相位保持不變。在 2ASK 中：S2ask=m(t)*cos(2*pi*f*t) ，其中 m(t) 為數(shù)字信號，后者為載波。載波在二進(jìn)制基帶信號控制下通斷變化，所以又叫通-斷鍵控(OOK ) 。2ASK 的產(chǎn)生方法有兩種：模擬調(diào)制和鍵控法而解調(diào)也有兩中基本方式：非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波)和相干解調(diào)(同步檢測法

6、)DS2ask=s(t)*cos(2*pi*f*t)=0.5*m(t)+0.5*m(t)*cos(2*wc*t)乘以相干載波后，只要濾去高頻部分就可以了本次仿真使用相干解調(diào)方式：2ask 信號 帶通濾波器與 與載波相乘低通濾波器抽樣判決輸出以下就是 matlab 的仿真結(jié)果極其頻譜圖(省去了帶通filter )可以看到解調(diào)后的信號與信源有一定的延時。通過觀察頻譜圖，用放大鏡可以清楚的看到， 2ask 實現(xiàn)了頻譜的搬移，將基帶信號搬移到了 fc=150hz 的頻率上，而且若只計頻譜的主瓣則有：B2ask=2fs ， fs=1/Ts其中 Ts 為一個碼元寬度即： 2ask 信號的傳輸帶寬是碼元傳輸

7、速率的 2 倍Matlab 程序?qū)崿F(xiàn)clc;clear all;close all;% 信源a=randint(1,15,2);t=0:0.001:0.999;m=a(ceil(15*t+0.01);subplot(511)plot(t,m);axis(0 1.2 -0.2 1.2);title( 信源 );% 載波f=150;carry=cos(2*pi*f*t);%2ASK 調(diào)制st=m.*carry;subplot(512);plot(t,st)axis(0 1.2 -1.2 1.2)title(2ASK 信號 )% 加高斯噪聲nst=awgn(st,70);% 解調(diào)部分nst=nst.

8、*carry;subplot(513)plot(t,nst)axis(0 1.2 -0.2 1.2);title( 乘以相干載波后的信號)% 低通濾波器設(shè)計wp=2*pi*2*f*0.5;ws=2*pi*2*f*0.9;Rp=2;As=45;N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s);B,A=butter(N,wc,s);% 低通濾波h=tf(B,A); %轉(zhuǎn)換為傳輸函數(shù)dst=lsim(h,nst,t);subplot(514)plot(t,dst)axis(0 1.2 -0.2 1.2);title( 經(jīng)過低通濾波器后的信號);% 判決器k=0.25;pdst=1*(dst0.

9、25);subplot(515)plot(t,pdst)axis(0 1.2 -0.2 1.2);title( 經(jīng)過抽樣判決后的信號)% 頻譜觀察% 調(diào)制信號頻譜T=t(end);df=1/T;N=length(st);f=(-N/2:N/2-1)*df;sf=fftshift(abs(fft(st);figure(2)subplot(411)plot(f,sf)title( 調(diào)制信號頻譜)% 信源頻譜mf=fftshift(abs(fft(m);subplot(412)plot(f,mf)title( 信源頻譜 )% 乘以相干載波后的頻譜mmf=fftshift(abs(fft(nst);s

10、ubplot(413)plot(f,mmf)title(乘以相干載波后的頻譜) %經(jīng)過低通濾波后的頻譜dmf=fftshift(abs(fft(dst);subplot(414) plot(f,dmf) title(經(jīng)過低通濾波后的頻譜);File Ecflrt View Insert Toots：Wlnctow HelpQ 疊I場|強 0 I飛| 口回I 石信源1 ,50n1- 1,.rV|K-()Q20 40 60ar1 2.42ASK信號JnMW二()0.2桀以相干裹裊后的信義I1.211 1102避建低通濾建器后的售1.21 5 0fJ -L1J111-020.40.60.8經(jīng)過抽樣判

11、決后的信號1L2 51V1b()CL20 40 6Qer1 2二、2FSK調(diào)制解調(diào)頻移鍵控是利用載波的頻率來傳遞數(shù)字信號，在2FSK中，載波的頻率隨著二進(jìn)制基帶信號在fl和f2兩個頻率點間變化，頻移鍵控是利用載波的頻移變化來傳遞數(shù)字信息的。在2FSK中，載波的頻率隨基帶信號在 fl和f2兩個頻率點間變化。故其表達(dá)式為：ACOS( it )e2 FSK (t ) = A cos( 2t -n )典型波形如下圖所示。由圖可見。2FSK信號可以看作兩個不同載頻的ASK信號的疊加。因此2FSK信號的時域表達(dá)式又可以寫成：s2FSK(t) Inang(t-n1)cos( it %) ang(t-nTs)

12、cos( 2tn)ak s 1 (t)s 2 (t)cos (w1 t+ 8n )cos (w2 t+()n)s 1(t) co s(w1t +0 n )s 2 (t) cos (w2 t+()n)2 FSK信號2FSK數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制原理2FSK調(diào)制就是使用兩個不同的頻率的載波信號來傳輸一個二進(jìn)制信息序列?？梢杂枚?進(jìn)制“ 1”來對應(yīng)于載頻f1 ,而“0”用來對應(yīng)于另一相載頻 w2的已調(diào)波形，而這個可以用 受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立的頻率源w1、f2進(jìn)行選擇通。如下原理圖：2FSK輸出信號二進(jìn)制數(shù)據(jù)2FSK的調(diào)制原理圖2FSK的解調(diào)方式2FSK的解調(diào)方式有兩種：相干解調(diào)方式和

13、非相干解調(diào)方式 .下面我們將詳細(xì)的介紹1非相干解調(diào)經(jīng)過調(diào)制后的2FSKa字信號通過兩個頻率不同的帶通濾波器fl、f2濾出不需要的信號，然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號分別通過包絡(luò)檢波器檢波，最后將兩種信號同時輸入到抽樣判決器同時外加抽樣脈沖，最后解調(diào)出來的信號就是調(diào)制前的輸入信號。其原理圖如下圖所示：H帶通濾波器與包絡(luò)檢波器輸由抽樣脈/中一）抽樣判決I揩一，帶通濾波F2 包絡(luò)檢波器非相干方式原理圖2相干解調(diào)根據(jù)已調(diào)信號由兩個載波fl、f2調(diào)制而成，則先用兩個分別對fl、f2帶通的濾波器對已調(diào)信號進(jìn)行濾波，然后再分別將濾波后的信號與相應(yīng)的載波fl、f2相乘進(jìn)行相干解調(diào)，再分別低通濾波、用抽樣信號進(jìn)行

14、抽樣判決器即可。原理圖如下：輸入cos2 n fitcos2 n f2t相干方式原理圖Matlab程序?qū)崿F(xiàn)Fc=150; % 載頻Fs=40; %系統(tǒng)采樣頻率Fd=1; %碼速率N=Fs/Fd;df=10;numSymb=25;% 進(jìn)行仿真的信息代碼個數(shù)M=2;% 進(jìn)制數(shù)SNRpBit=60;% 信噪比SNR=SNRpBit/log2(M);%60seed=12345 54321;numPlot=15;x=randsrc(numSymb,1,0:M-1);% 產(chǎn)生 25 個二進(jìn)制隨機碼figure(1)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);%顯示 15 個碼元，桿

15、圖，從 x 的前十五個隨機數(shù)中選取title(二進(jìn)制隨機序列)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);娟制y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,fsk,M,df);%數(shù)字帶通調(diào)制numModPlot=numPlot*Fs; %15*40t=0:numModPlot-1./Fs;% 數(shù)組除法(仿真時間)figure(2)plot(t,y(1:length(t),b-);axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title( 調(diào)制后的信號)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲randn(state,seed(

16、2); %生成 -2 到+2 之間的隨機數(shù)矩陣y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),measured,dB);%在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲figure(3)plot(t,y(1:length(t),b-);%畫出經(jīng)過信道的實際信號axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title( 加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%相干解調(diào)figure(4)z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye,M,df);title( 相干解調(diào)后的信號的眼圖 )% 帶輸出波形的相干M 元頻移

17、鍵控解調(diào)figure(5)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);hold on;stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),ro);hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title( 相干解調(diào)后的信號原序列比較)legend( 原輸入二進(jìn)制隨機序列 , 相干解調(diào)后的信號)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%非相干解調(diào)figure(6)z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye/noncoh,M,df);title( 非相干解調(diào)后的信號的眼圖 )% 帶輸出波形的非相干M 元頻移

18、鍵控解調(diào)figure(7)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);hold on;stem(0:numPlot-1,z2(1:numPlot),ro);hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title( 非相干解調(diào)后的信號)legend( 原輸入二進(jìn)制隨機序列 , 非相干解調(diào)后的信號)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%誤碼率統(tǒng)計errorSym ratioSym=symerr(x,z1);figure(8)simbasebandex(0:1:5);title( 相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計)errorSym rat

19、ioSym=symerr(x,z2);figure(9)simbasebandex(0:1:5);title( 非相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計)%濾除高斯白噪聲Delay=3;R=0.5;PropD=0; % 滯后 3syf,tf=rcosine(Fd,Fs,fir,R,Delay); %升余弦函數(shù)yo2,to2=rcosflt(y,Fd,Fs,filter,yf);% 加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號和經(jīng)過升余弦濾波器后的已調(diào)信號t=0:numModPlot-1./Fs;figure(10)plot(t,y(1:length(t),r-);hold on;plot(to2,yo2,b-);%濾出帶外噪聲h

20、old off;axis(0 30 -1.5 1.5);xlabel(Time);ylabel(Amplitude);legend( 加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號 , 經(jīng)過升余弦濾波器后的已調(diào)信號 )title( 升余弦濾波前后波形比較)eyediagram(yo2,N);% 眼圖title( 加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號的眼圖 )仿真結(jié)果Filw Evflit Vi&W lrit?rt Tools DSpSMOiP Vlr-idOW世曰 g口心口目 每。七畫訝O，F(xiàn)kjitnre： FtFile Edit V*gw irert工qIbDesktop VMincftow Help口 3fe q交國

21、 近 育 a 口才自干解 謫后 謀百馬率蛻計 BP=Ba3 s1 一.1-,IIj 一 i n 三一一2三一II1_ _ _ _ JiJ1 IITheoretical SEF?Theoretical 日EF?O Simulated SERSimulated BER-EbNo （d日）A tigiuH-e yiFile Edit View Insert Tools iC*esktop Vnciow Help10 2非相干解調(diào)后誤碼率疏計_ _ _ 一上i 一一L一鼻一一 i -1 rijftnrftii n ai o i- KBaB1 ineorerici ot K1fa1JHJO Simiil

22、3tecl SERSivTiulatd BERybi，riJ14F1通一yj二l4iiiri口心Ld鳥除強魚鐺r衰 口回, 口FifjPLiT拈 1LO三、2psk信號調(diào)制解調(diào)z (t)2PSK2psk信號的調(diào)制不能采用包絡(luò)檢測的方法，只能進(jìn)行相干解調(diào)，其原理框圖如下:、抽樣F*不后定時脈沖不考慮噪聲時，帶通濾波器輸出可以表示為y(t)=cos(wct+ n)式中n為2psk信號某一碼元的初相。n=0時，代表數(shù)字0，n=7t時，代表數(shù)字“1”。與同步載波COSwct相乘后，輸出為Z(t)=COS(wct+ n) COSwct=1/2cos n+1/2cos(2wct+ n)經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量，得解調(diào)輸出為w 之獷 6，口叫根據(jù)發(fā)送端產(chǎn)生2psk信號