基于MTALABASK_PSK調制解調對比仿真

1、 河北聯(lián)合大學ASK、PSK調制解調的對比仿真通信原理課程設計設計題目：基于MTALAB的ASK與PSK的調制與解調仿真設計班 級：10通信X班學生姓名： 組長 ：XXX 組員 : XXX XXX XXX XXX XXX 指導老師：XXX 2013 年 X 月 XX 日1摘要數(shù)字調制解調技術的發(fā)展不斷更新，如今在現(xiàn)實中應用的數(shù)字調制系統(tǒng)大部分都是經過改進的，性能較好的系統(tǒng)，但是，作為理論發(fā)展最成熟的調制解調方式，對ASK，F(xiàn)SK，PSK的研究仍然具有非常大的意義，而且這樣可以更容易將其仿真結果與成熟的理論進行比較，從而驗證仿真的合理性。因此，我們選擇了這幾種調制解調方式進行對比仿真研究。本次課

2、程設計運用了MATLAB實現(xiàn)了2ASK,2FSK,2PSK調制解調過程的仿真，在調制解調過程中觀察了各個環(huán)節(jié)時域和頻域的波形，還對比了這三種調制方式的頻譜特點與誤碼率情況，并結合這幾種調制方法的調制原理，跟蹤分析了頻譜與誤碼率對調制性能的影響，以及仿真結果與預測結果的對比，從而得出此次仿真的可靠性，最終可以對比以上因素，在不同的場合中選擇出信號傳輸?shù)淖罴颜{制解調方式。3目錄1.序言41.1工具介紹4 1.2程序設計目的與意義4 1.3數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)52.數(shù)字調制技術原理62.1二進制振幅鍵控（2ASK）原理62.2二進制相移鍵控（2PSK）原理83.數(shù)字調制系統(tǒng)的模擬103.1預測結果113

3、.2仿真預測結果的意義114.數(shù)字調制系統(tǒng)的仿真124.1二進制振幅（2ASK）調制解調124.1.1設計流程124.1.2代碼清單134.1.3運行結果144.2二進制相移（2PSK）調制解調154.2.1設計流程154.2.2代碼清單164.2.3運行結果184.3誤碼率204.31設計思路214.3.2代碼清單214.3.3運行結果225.總結226.心得體會23 參考文獻231.序言數(shù)字調制技術的發(fā)展日新月異現(xiàn)如今信息技術不斷的推陳出新，信息的傳輸及通信起著支撐作用。而對于信息的傳輸，數(shù)字通信已經成為重要的手段。因此，數(shù)字信號的調制就顯得非常重要。數(shù)字調制是通信系統(tǒng)中最為重要的環(huán)節(jié)之一

4、，而實現(xiàn)數(shù)字調制需要的方法就需要用鍵控法來實現(xiàn)，比如可以對載波的振幅、頻率和相位進行鍵控。1.1工具介紹仿真工具：Matlab7.1軟件介紹：Matlab語言是一種官方應用于工程計算及數(shù)值分析領域的新型高級語言，自1984年美國MathWords公司推向市場以來，經歷二十多年的發(fā)展和競爭，現(xiàn)已成為國際公認的最優(yōu)秀的工程應用開發(fā)軟件。Matlab功能強大、簡單易學、編程效率高，深受廣大科技工作者的歡迎。Matlab軟件系列產品是一套功能強大的數(shù)值運算和系統(tǒng)仿真軟件，被譽為“巨人肩膀上的工具”。借助Matlab，能夠迅速提測試設計構想，綜合評測系統(tǒng)的性能。1.2程序設計目的與意義選擇該程序設計的目

5、的是為了通過對幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)調制解調進行仿真，加大對他們的認識并對其特點（誤碼率、抗噪聲性能等）進行分析，熟練了解他們各自具備的特點，在信號傳輸中選擇最佳的調制解調方法。因為通信的最終目的是在一定的距離內傳遞信息。雖然基帶數(shù)字信號可以在傳輸距離相對較近的情況下直接傳送，但如果要遠距離傳輸時，特別是在無線或光纖信道上傳輸時，則必須經過調制將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。為了使數(shù)字信號在有限帶寬的高頻信道中傳輸，必須對數(shù)字信號進行載波調制。如同傳輸模擬信號時一樣，傳輸數(shù)字信號時也有三種基本的調制方式：幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵

6、控(PSK)。它們分別對應于用載波（正弦波）的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號，可以看成是模擬線性調制和角度調制的特殊情況?？梢姺奇I控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)調制解調的重要性，我們只有充分了解其特點，才能在現(xiàn)實生活中選擇最佳的調制解調方法。1.3數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)數(shù)字信號的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸。然而，在實際應用中，大多數(shù)信道具有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號，這是因為數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻分量。為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號對載波進行調制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號

7、的過程稱為數(shù)字調制。在接收端通過解調器把帶通信號還原成數(shù)字基帶信號的過程稱為數(shù)字解調。通常把包括調制和解調過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)。由于是借助于正線載波的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號的，所以帶通傳輸也叫載波傳輸。2.數(shù)字調制技術原理2.1二進制振幅鍵控（2ASK）原理2ASK二進制振幅鍵控。振幅鍵控是利用載波變化來傳遞數(shù)字信息的，而其頻率和初始相位保持不變。在2ASK中，載波的幅度有兩種變化態(tài)度，分別對應二進制信息“0”和“1”。一種常用的就是通-斷鍵控（OOK），其表達式為：以概率P發(fā)送“1”時 （2.1.1）0 以概率1-P發(fā)送“0”時典型波形如圖2-1所示?？梢?，載波

8、在二進制基帶信號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，某一種符號（“0” 或“1” ）用沒有電壓來表示。2ASK信號的一般表達式為： （2.1.2）其中 （2.1.3）式中： 為馬原持續(xù)時間；g(t)為持續(xù)時間為 的基帶脈沖波形。為簡便起見，通常假設g(t)是高度為1、寬度等于 的矩形脈沖； 是第n個符號的點評取值。若取1 概率為P （2.1.4）0 概率為1-P則相應的2ASK信號就是OOK信號。 圖2-1 2ASK信號時間波型2ASK信號的產生方法通常有兩種：模擬調制法（相乘器法）和鍵控法，相應的調制器如圖2-2所示。圖（a）就是一般的模擬幅度調制的方法，用乘

9、法器實現(xiàn)；圖（b）是一種數(shù)字鍵控法，其中開關電路受s（t）控制。圖2-2 2ASK信號調制器原理框圖與AM信號的解調方法一樣。2ASK信號也有兩種基本的解調方法：非相干解調（包絡檢波法）和相干解調（同步檢測法），相應的接收系統(tǒng)組成方框圖如圖2-3所示。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。 圖2-3 2ASK信號的接收系統(tǒng)組成方框圖 圖2-4給出了2ASK信號非相干解調過程的時間波形。 圖2-4 2ASK信號非相干解調過程的時間波形2ASK是20世紀初最早運用于無線電報中的數(shù)字調制方式之一。但是，ASK傳輸技術噪聲影響很大。噪聲電壓和

10、信號一起改變了振幅。在這種情況下，“0”可能變?yōu)椤?”，“1”可能變?yōu)椤?”?？梢韵胂?，對于主要依賴振幅來識別比特的ASK調制方法，噪聲是一個很大的問題。由于ASK是受噪聲影響最大的調制技術，現(xiàn)已較少應用，不過，2ASK常常作為研究其他數(shù)字調制基礎，還是有必要了解它。2.2二進制相移鍵控（2PSK）原理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 分別表示二進制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達式為 （2.3.1）其中， 表示第n個符號的絕對相位：0 發(fā)送“0”時（2.3.2）發(fā)送“1”時因此，式子（2.3-1）可以改寫為概率為P（

11、2.3.3）概率為1-P典型波形如圖2-6所示。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載波的相乘，即 （2.3.4）其中 （2.3.5）這里，g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而 的統(tǒng)計特性為1 概率為P（2.3.6）-1 概率為1-P即發(fā)送二進制符號“0”時（ 取+1）， 取0相位；發(fā)送二進制符號“1”時（ 取-1）， 取 相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應二進制數(shù)字信號的調制方式，稱為二進制絕對相移方式。圖2-6 2PSK信號的時間波形2PSK信號的調制原理框圖如圖2-7所示。2ASK信號的產生方法比較知識對s

12、(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。圖2-7 2PSK信號的調制原理圖2PSK信號的解調通常采用相干解調法，解調器原理框圖如圖所示。圖2-8 2PSK信號的解調原理圖2PSK信號相干解調各點波形如圖2-9所示。圖中假設想干載波的基準相位與2PSK信號的調制載波的基準相位一致。但是，由于在2PSK信號的載波恢復過程中存在180的相位模糊，也就是當恢復的相干載波產生180倒相時，解調出的數(shù)字基帶信號將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好是相反，解調器輸出數(shù)字基帶信號全部出錯。這種現(xiàn)象通常稱為“倒”現(xiàn)象。由于在2PSK信號的載波恢復過程中存在著180的相位

13、模糊，所以2PSK信號的相干解調存在隨機的“倒”現(xiàn)象，從而使得2PSK方式在實際中很少采用。 圖2-9 2PSK信號相干解調各點時間波形 3.數(shù)字調制系統(tǒng)的模擬3.1預測結果通過MATLAB仿真設計程序，實現(xiàn)信號的調制解調的程序仿真。誤碼率是衡量一個數(shù)字通信系統(tǒng)性能的重要指標，又由于ASK具有相干和非相干解調方法，所以將相干ASK、非相干ASK與PSK的誤碼率進行預測對比。通過對相關理論知識有一定的了解，預測對比各個解調方式的誤碼率結果：在抗加性高斯白噪聲方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。3.2仿真預測結果的意義信號調制解調的仿真可以實現(xiàn)對現(xiàn)實中信號進行調制解調，由于誤碼

14、率與信道信噪比之間的關系可以反映出調制系統(tǒng)的調制性能，根據(jù)誤碼率的分析，可以很好的反映出調制系統(tǒng)的調制性能。在信號傳輸過程中，信噪比的不同選擇誤碼率較小的解調方式加強信號的抗干擾性能。 244.數(shù)字調制系統(tǒng)的仿真4.1二進制振幅（2ASK）調制解調4.1.1設計流程收信者信號判決器低通濾波器信 道加高斯噪聲信號調制信號源 圖4-1 2ASK信號同步調制解調（同步檢波法）系統(tǒng)性能分析模型隨機信源：產生一千個二進制數(shù)作為信號源；載波信號：頻率為150Hz的余弦函數(shù)作為載波；然后對信號進行制2ASK調制，加入高斯噪聲，再對信號進行解調，最后通過低通濾波器和判別器產生接收信號。4.1.2代碼清單clc

15、;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);%解調部分nst=nst.*carry;subplot(513)plot(t,n

16、st)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(經過低通濾波器后的信號);%判決器k=0.25;pdst=1*(dst0.25);subplot(515)plot(t,pdst)

17、axis(0 1.2 -0.2 1.2);title(經過抽樣判決后的信號)%頻譜觀察%調制信號頻譜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);subplot(413)plot(f,mmf)title(乘以相干載波后

18、的頻譜)%經過低通濾波后的頻譜dmf=fftshift(abs(fft(pdst);subplot(414)plot(f,dmf)title(經過低通濾波后的頻譜);4.1.3運行結果圖4-2 2ASK調制解調信號波形圖4-3 2ASK調制解調頻譜分析：由圖4-2可見，基帶信號乘以載波后，信源為“1”的保存原有波形，基帶信號為“0”的乘以載波后變?yōu)椤?”，信號的初始相位和頻率沒有發(fā)生變化，只是信號的幅度發(fā)生了變化，這一特性符合2ASK調制的特點。在經過低通濾波器，濾除高頻信號，抽樣判決器，大于0.25的輸出“1”小于的輸出“0”的到解調后的信號，而經過加高斯白噪聲信道傳輸后，解調后的信號和信源

19、相差不大，這現(xiàn)象同時符合2ASK解調特點。通過調制信號頻譜可知2ASK信號的中心頻譜被搬移到了載波頻率f上，這與理論相符。最后經過抽樣判決后的頻譜和信號源頻譜也大體一致，說明該2ASK仿真模型是成功的、符合理論預期結果。4.2二進制相移（2PSK）調制解調4.2.1設計流程收信者抽樣判決器低通濾波器經過相乘器加噪信道信號調制信 號 源圖4-5 2PSK系統(tǒng)性能分析模型隨機信源：產生十個隨機數(shù)，每個碼元寬度為200；2PSK調制：將信源成語載波乘于載波；加入高斯白噪聲：是調制后的信號經過帶有高斯白噪聲的信道；2PSK解調：經過相乘器、低通濾波器、抽樣判決器。4.2.2代碼清單clear all;

20、 close all;clc;max=10g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%長度為max的隨機二進制序列cp=;mod1=;f=2*2*pi;t=0:2*pi/199:2*pi;for n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,200);%每個值200個點 else g(n)=1; A=ones(1,200); end cp=cp A; %s(t),碼元寬度200 c=cos(f*t);%載波信號 mod1=mod1 c;%與s(t)等長的載波信號,變?yōu)榫仃囆问絜ndfigure(1);subplot(4,2,1);plot(cp)

21、;grid on;axis(0 200*length(g) -2 2);title(二進制信號序列);cm=;mod=;for n=1:length(g); if g(n)=0; B=ones(1,200);%每個值200個點 c=cos(f*t); %載波信號 else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %載波信號 end cm=cm B; %s(t),碼元寬度200 mod=mod c; %與s(t)等長的載波信號endtiaoz=cm.*mod;%e(t)調制figure(1);subplot(4,2,2);plot(tiaoz);grid on

22、;axis(0 200*length(g) -2 2);title(2PSK調制信號);figure(2);subplot(4,2,1);plot(abs(fft(cp);axis(0 200*length(g) 0 400);title(原始信號頻譜);figure(2);subplot(4,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 200*length(g) 0 400);title(2PSK信號頻譜);%帶有高斯白噪聲的信道tz=awgn(tiaoz,10);%信號tiaoz中加入白噪聲，信噪比為10figure(1);subplot(4,2,3);plot(tz)

23、;grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title(通過高斯白噪聲信道后的信號);figure(2);subplot(4,2,3);plot(abs(fft(tz);axis(0 200*length(g) 0 400);title(加入白噪聲的2PSK信號頻譜);jiet=2*mod1.*tz;%同步解調figure(1);subplot(4,2,4);plot(jiet);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title(相乘后信號波形)figure(2);subplot(4,2,4);plot(abs(fft(jiet);axi

24、s(0 200*length(g) 0 400);title(相乘后信號頻譜);%低通濾波器fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%計算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計算H(z）jt=filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(4,2,5);plot(jt);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title(經低通濾波器后信號波形)figure(2);subplot(

25、4,2,5);plot(abs(fft(jt);axis(0 200*length(g) 0 400);title(經低通濾波器后信號頻譜);%抽樣判決for m=1:200*length(g); if jt(m)=0; jt(m)=0; endendfigure(1);subplot(4,2,6);plot(jt);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title(經抽樣判決后信號s(t)波形)figure(2);subplot(4,2,6);plot(abs(fft(jt);axis(0 200*length(g) 0 400);title(經抽樣判決后信號頻

26、譜);4.2.3運行結果圖4-14 2PSK調制解調信號的波形圖4-15 2PSK調制解調信號的頻譜圖 分析：將調制后信號進行放大得到圖像如下圖：可見，2PSK是雙極性碼，在“0”與“1”變換的時候，波形發(fā)生率跳變，可見2PSK相移鍵控利用載波相位變化來傳送數(shù)字信息，而支付和頻率保持不變，這和2PSK的性質一致。2PSK調制后頻譜與2ASK調制后頻譜差不多，實現(xiàn)頻譜搬移，能量主要集中在主瓣附近，可見能量比較集中，抗噪聲能力強，信號通過解調后和解調前一樣，這與理論相符合，仿真結果的分析說明該2PSK仿真模型是可行的。4.3誤碼率4.3.1設計思路為了保證信號源的特性一樣，我們假設同意幅度的信號，

27、分別經過2ASK相干解調、2ASK非相干解調、2PSK解調后根據(jù)小表比較信噪比和誤碼率的關系。相干解調 非相干解調2ASK 2PSK圖4-17 二進制數(shù)字調制系統(tǒng)誤碼率公式一覽表4.3.2代碼清單clear all;a=0.001 %信號幅度SNR_dB=0:0.3:20; %信噪比范圍（單位分貝）SNR=10.(SNR_dB./10); %信噪比（由分貝轉化而來 10lg(SNR)=SNR_dB）SNR2=a.2./(2*SNR); %信號幅度為a時的噪聲功率for i=1:length(SNR_dB) ask_pe1=0.5*erfc(sqrt(a.2./(8*SNR2); %ASK相關解

28、調時的誤碼率（給定信號幅度a和噪聲方差2時的信噪比r=a2/2*2，而%這里的噪聲功率是SNR2）ask_pe2=0.25*erfc(sqrt(a.2./(8*SNR2)+0.5*exp(-a.2./(8*SNR2); %ASK非相干解調時的誤碼率 psk_pe=0.5*erfc(sqrt(0.5*a.2./SNR2); %PSK解調時的誤碼率endsemilogy(SNR_dB,ask_pe1,.r); %這些都是繪制信噪比誤碼率曲線hold on;semilogy(SNR_dB,ask_pe2);hold on;semilogy(SNR_dB,psk_pe,om);hold on;lege

29、nd( 相干2ASK, 非相干2ASK,2PSK);grid on;axis(0,20,1/1e7,1);xlabel(SNR_dB);ylabel(Pe);4.3.3運行結果 圖4-18 誤碼率分析圖解誤碼率信噪比245 6 8 10 12 16 15相干2ASK0.18400.14650.099150.079140.036190.013540.0024390.0001682.054e-7非相干2ASK0.22220.33770.27350.22440.11760.050210.010730.000891.454e-6 2PSK0.035750.013360.0069930.0023880.0001634.91e-6圖4-19 誤碼率分析表解分析：1、從橫向比較，對同一調制方式，采用相干解調方式的誤碼率低于采用非相干解調方式的誤碼率。2、從縱向比較，若采用相同的解調方式，在誤碼率相同的情況下，所需要的信噪比2ASK比2PSK高6dB。反過來，若信噪比r一定，2PSK系統(tǒng)的誤碼率比2ASK的小。5