相位調(diào)制與解調(diào)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1. 前言1.1 序言隨著人類社會(huì)步入信息化社會(huì)，電子信息科學(xué)技術(shù)正以驚人的速度發(fā)展，開(kāi)辟了社會(huì)發(fā)展的新紀(jì)元。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始至今，通信技術(shù)特別是移動(dòng)通信技術(shù)取得了舉世矚目的成就。在通信技術(shù)日新月異的今天，學(xué)習(xí)通信專業(yè)知識(shí)不僅需要扎實(shí)的基礎(chǔ)理論，同時(shí)需要學(xué)習(xí)和掌握更多的現(xiàn)代通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。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。全面、系統(tǒng)地論述了通信系統(tǒng)基本理淪、基本技術(shù)以及系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中用到的基本工具和方法，并將重點(diǎn)放在數(shù)字通信系統(tǒng)上。通信系統(tǒng)又可分為數(shù)字通信與模擬通信。傳統(tǒng)的模擬通信系統(tǒng)，包括模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，以及加性噪聲對(duì)幅度調(diào)制

2、和角度調(diào)制模擬信號(hào)解調(diào)的影響。數(shù)字通信的基本原理，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、基本AWGN信道中的數(shù)字調(diào)制方法、數(shù)字通信系統(tǒng)的信號(hào)同步方法、帶限AWGN信道中的數(shù)字通信問(wèn)題、數(shù)字信號(hào)的載波傳輸、數(shù)字信源編碼以及信道編碼與譯碼等，同時(shí)對(duì)多徑信道中的數(shù)字通信、多載波調(diào)制、擴(kuò)頻、GSM與IS95數(shù)位蜂窩通信。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展原來(lái)許多不得不采用的模擬技術(shù)部分已經(jīng)可以由數(shù)字化來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是模擬通信還是比較重要的1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)是基于MATLAB的模擬相位（PM）調(diào)制與解調(diào)仿真，主要設(shè)計(jì)思想是利用MATLAB這個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件工具，其中的通信仿真模塊通信工具箱以及M檔等，方便快捷靈活的功能實(shí)現(xiàn)仿真通信的調(diào)制解調(diào)設(shè)

3、計(jì)。還借助MATLAB可視化交互式的操作，對(duì)調(diào)制解調(diào)處理，降低噪聲干擾，提高仿真的準(zhǔn)確度和可靠性。要求基于MATLAB的模擬調(diào)制與解調(diào)仿真，主要設(shè)計(jì)思想是利用MATLAB、simulink檔、M檔等，方便快捷的實(shí)現(xiàn)模擬通信的多種調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì)?；趕imulink對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)建模。并編寫(xiě)相應(yīng)的m檔，得出調(diào)試及仿真結(jié)果并進(jìn)行分析。2.通信系統(tǒng)與MATLAB軟件2.1模擬通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介通信系統(tǒng)是為了有效可靠的傳輸信息，信息由信源發(fā)出，以語(yǔ)言、圖像、數(shù)據(jù)為媒體,通過(guò)電(光)信號(hào)將信息傳輸，由信宿接收。通信系統(tǒng)又可分為數(shù)字通信與模擬通信?；谡n程設(shè)計(jì)的要求，下面簡(jiǎn)要介紹模擬通信系統(tǒng)。信源是模

4、擬信號(hào)，信道中傳輸?shù)囊彩悄M信號(hào)的系統(tǒng)為模擬通信。模擬通信系統(tǒng)的模型如圖1所示。 圖1 模擬通信系統(tǒng)模型調(diào)制器: 使信號(hào)與信道相匹配, 便于頻分復(fù)用等。發(fā)濾波器: 濾除調(diào)制器輸出的無(wú)用信號(hào)。收濾波器: 濾除信號(hào)頻帶以外的噪聲，一般設(shè)N(t)為高斯白噪聲,則Ni(t)為窄帶白噪聲。2.2 相位調(diào)制與解調(diào)調(diào)制在通信系統(tǒng)中具有重要作用。通過(guò)調(diào)制，不僅可以進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸或便于信道多任務(wù)的已調(diào)信號(hào)，而且它對(duì)系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸可靠性有著很大的影響。調(diào)制方式往往決定了一個(gè)通信系統(tǒng)的性能。在無(wú)線電通信中，角度調(diào)制（簡(jiǎn)稱角調(diào)）是一種重要

5、的調(diào)制方式，它包括頻率調(diào)制和相位調(diào)制。頻率調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)頻用FM表示，它是使高頻振蕩信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，而振幅保持不變的一種調(diào)制方式。我們稱調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)為鑒頻或頻率檢波。相位調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)相，用PM表示，它是使高頻振蕩信號(hào)的相位按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，其振幅也保持不變。調(diào)相信號(hào)的解調(diào)，稱為鑒相或相位檢波。角度調(diào)制屬于頻譜的非線性變換，即已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)不再保持原調(diào)制信號(hào)頻譜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且調(diào)制后的信號(hào)帶寬比原調(diào)制信號(hào)的貸款要大得多。雖然角度調(diào)制信號(hào)的頻帶利用率不高，但其抗干擾和噪聲的能力較強(qiáng)。由于從消息變換過(guò)來(lái)的原始信號(hào)具有頻率較低的頻譜分量，這種信號(hào)在許多信道中不適宜直接進(jìn)行傳輸。因此，

6、在通信系統(tǒng)的發(fā)送端通常需要有調(diào)制過(guò)程，而在接收端則需要有反調(diào)制過(guò)程解調(diào)過(guò)程。 所謂載波調(diào)制，就是按調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)過(guò)程。調(diào)制的載波可以分為兩類：用正弦型信號(hào)作為載波；用脈沖串或一組數(shù)字信號(hào)作為載波。通常，調(diào)制可以分為模擬（連續(xù)）調(diào)制和數(shù)字元調(diào)制兩種方式。在模擬調(diào)制中，調(diào)制信號(hào)的取值是連續(xù)的，而數(shù)字調(diào)制中的調(diào)制信號(hào)的取值則為離散的。目前常見(jiàn)的模數(shù)變換可以看成是一種用脈沖串作為載波的數(shù)位調(diào)制，它又稱為脈沖編碼調(diào)制（PCM）。2.3 SIMULINKSIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，其

7、與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)言的編程上。在simulink環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫(huà)”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫(huà)模型就像你用手和紙來(lái)畫(huà)一樣容易。而所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來(lái)就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl檔進(jìn)行存?。?，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。SIMILINK 模塊庫(kù)按

8、功能進(jìn)行分類，包括以下8類子庫(kù)： Continuous（連續(xù)模塊），Discrete（離散模塊），F(xiàn)unction&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊），Math（數(shù)學(xué)模塊），Nonlinear（非線性模塊），Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊），Sinks（接收器模塊），Sources（輸入源模塊）。   3.原理分析3.1調(diào)相信號(hào)在模擬調(diào)制中，一個(gè)連續(xù)波有三個(gè)參數(shù)可以用來(lái)攜帶信息而構(gòu)成已調(diào)信號(hào)。當(dāng)幅度和頻率保持不變時(shí)，改變載波的相位使之隨未調(diào)信號(hào)的大小而改變，這就是調(diào)相的概念。角度調(diào)制信號(hào)的一般表示形式為： S (t)=Acost+(t)式中，A是載波的恒定

9、振幅；t+(t)是信號(hào)的瞬時(shí)相位，而(t)稱為瞬時(shí)相位偏移；dt+(t)/dt為信號(hào)的瞬時(shí)頻率，而d(t)/dt稱為瞬時(shí)頻率偏移，即相對(duì)于的瞬時(shí)頻率偏移。設(shè)高頻載波為u=Ucost，調(diào)制信號(hào)為U(t)，則調(diào)相信號(hào)的瞬時(shí)相位(t)=+KU(t)瞬時(shí)角頻率 (t)=+K調(diào)相信號(hào) u=Ucost+Ku(t) 將信號(hào)的信息加在載波的相位上則形成調(diào)相信號(hào)，調(diào)相的表達(dá)式為： S(t)=Acost+Kf(t)+這里K稱為相移指數(shù)，這種調(diào)制方式，載波的幅度和角頻率不變，而瞬時(shí)相位偏移是調(diào)制信號(hào)f(t)的線性函數(shù)，稱為相位調(diào)制。調(diào)相與調(diào)頻有著相當(dāng)密切的關(guān)系，我們知道相位與頻率有如下關(guān)系式： =+Kf(t) (t

10、)=t+K所以在調(diào)相時(shí)可以先將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行微分后在進(jìn)行頻率調(diào)制，這樣等效于調(diào)相，此方法稱為間接調(diào)相，與此相對(duì)應(yīng)，上述方法稱為直接調(diào)相。調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生如圖2所示：圖2 PM調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生3.2 調(diào)制原理實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的基本原理是使角頻率為的高頻載波u(t)通過(guò)一個(gè)可控相移網(wǎng)絡(luò), 此網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相移受調(diào)制電壓u(t)控制, 滿足=Ku(t)的關(guān)系, 所以網(wǎng)絡(luò)輸出就是調(diào)相信號(hào)，可控相移網(wǎng)絡(luò)調(diào)相原理圖如圖3所示：圖3 可控相移網(wǎng)絡(luò)調(diào)相原理圖3.3 解調(diào)原理已調(diào)波的解調(diào)電路稱為檢波器，調(diào)相波的解調(diào)電路稱為相位檢波器或鑒相器。采用乘積鑒相是最常用的方法。若調(diào)相信號(hào)為 u=Ucost+(t) 其中(t)=K(t

11、)同步信號(hào)與載波信號(hào)相差u =sin(t)-sin2t+(t) 式中k為乘法器增益, 低通濾波器增益為1,可以看到乘積鑒相的線性鑒相范圍較小，只能解調(diào)M的調(diào)相信號(hào)。乘積鑒相器的原理圖如圖4所示，由于相乘的兩個(gè)信號(hào)有90的固定相位差，故這種方法又稱為正交乘積鑒相。圖4 正交乘積鑒相原理圖4M函數(shù)實(shí)現(xiàn)的仿真4.1源代碼首先任意給定一個(gè)已知調(diào)制信號(hào)m(t)=sin(100*t)進(jìn)行相位調(diào)制時(shí)要用到傅里葉變換，因此先編寫(xiě)傅里葉變換的m文件用作主函數(shù)調(diào)用，其m文件代碼如下：%求傅里葉變換的子函數(shù)function M,m,df=fftseq(m,ts,df)fs=1/ts;if nargin=2 n1=0

12、; %nargin為輸入?yún)⒘康膫€(gè)數(shù)else n1=fs/df;endn2=length(m);n=2(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2); %nextpow2(n)取n最接近的較大2次冪M=fft(m,n); %M為信號(hào)m的傅里葉變換，n為快速傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)，及基n-FFT變換m=m,zeros(1,n-n2); %構(gòu)建新的m信號(hào)df=fs/n; %重新定義頻率分辨率上述m文件以“fftseq.m”保存。在實(shí)現(xiàn)相位解調(diào)時(shí)要調(diào)用兩個(gè)子函數(shù)，分述如下：%求信號(hào)相角的子函數(shù)，這是調(diào)頻、調(diào)相都要用到的方法function v,phi=env_phas(x,ts,f0)if n

13、argout=2 %nargout為輸出變數(shù)的個(gè)數(shù) z=loweq(x,ts,f0); %產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的正交分量 phi=angle(z); %angle是對(duì)一個(gè)復(fù)數(shù)求相角的函數(shù)endv=abs(hilbert(x); %abs用來(lái)求復(fù)數(shù)hilbert(x)的模上述m文件以“env_phas.m”保存。%產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的正交分量function x1=loweq(x,ts,f0)t=0:ts:ts*(length(x)-1);z=hilbert(x); %希爾伯特變換對(duì)的利用-通過(guò)實(shí)部來(lái)求虛部x1=z.*exp(-j*2*pi*f0*t); %產(chǎn)生信號(hào)z的正交分量， %并將z信號(hào)與它的正交分量加

14、在一起上述m文件以“l(fā)oweq.m”保存%主程序t0=0.2; %信號(hào)的持續(xù)時(shí)間,用來(lái)定義時(shí)間向量ts=0.001; %抽樣間隔fs=1/ts; %抽樣頻率fc=300; %載波頻率,fc可以任意改變t=-t0/2:ts:t0/2; %時(shí)間向量kf=100; %偏差常數(shù)df=0.25; %所需的頻率分辨率，用在求傅里葉變換時(shí)，它表示FFT的最小頻率間隔m=sin(100*t); %調(diào)制信號(hào)，m(t)可以任意更改int_m(1)=0; %求信號(hào)m(t)的積分for i=1:length(t)-1 int_m(i+1)=int_m(i)+m(i)*ts;endM,m,df1=fftseq(m,ts

15、,df); %對(duì)調(diào)制信號(hào)m(t)求傅里葉變換M=M/fs; %縮放，便于在頻譜圖上整體觀察f=0:df1:df1*(length(m)-1)-fs/2; %時(shí)間向量對(duì)應(yīng)的頻率向量u=cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_m); %調(diào)制后的信號(hào)U,u,df1=fftseq(u,ts,df); %對(duì)調(diào)制后的信號(hào)u求傅里葉變換U=U/fs; %縮放%通過(guò)調(diào)用子程序env_phas和loweq來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能v,phase=env_phas(u,ts,fc); %解調(diào)，求出u的相位phi=unwrap(phase); %校正相位角，使相位在整體上連續(xù)，便于后面對(duì)該相位角求導(dǎo)dem=(1/(

16、2*pi*kf)*(diff(phi)*fs); %對(duì)校正后的相位求導(dǎo) %再經(jīng)一些線性變換來(lái)恢復(fù)原調(diào)制信號(hào) %乘以fs是為了恢復(fù)原信號(hào)，因?yàn)榍懊媸褂昧丝s放 subplot(3,2,1) %子圖形式顯示結(jié)果plot(t,m(1:length(t) %現(xiàn)在的m信號(hào)是重新構(gòu)建的信號(hào)， %因?yàn)樵趯?duì)m求傅里葉變換時(shí)m=m,zeros(1,n-n2)axis(-0.1 0.1 -1 1) %定義兩軸的刻度xlabel('時(shí)間t') title('原調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖')subplot(3,2,2)plot(t,u(1:length(t)axis(-0.1 0.1 -1 1)x

17、label('時(shí)間t')title('已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖')subplot(3,2,3)plot(f,abs(fftshift(M) %fftshift：將FFT中的DC分量移到頻譜中心axis(-600 600 0 0.04)xlabel('頻率f')title('原調(diào)制信號(hào)的頻譜圖')subplot(3,2,4)plot(f,abs(fftshift(U)axis(-600 600 0 0.04)xlabel('頻率f')title('已調(diào)信號(hào)的頻譜圖')subplot(3,2,5)plot(t,

18、m(1:length(t)axis(-0.1 0.1 -1 1)xlabel('時(shí)間t')title('原調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖')subplot(3,2,6)plot(t,dem(1:length(t)axis(-0.1 0.1 -1 1)xlabel('時(shí)間t')title('解調(diào)后信號(hào)的時(shí)域波形')4.2結(jié)果顯示將源代碼輸入MATLAB命令窗口，運(yùn)行就可以得到結(jié)果，如圖5所示：圖5 M文件仿真結(jié)果圖5.SIMULINK實(shí)現(xiàn)的仿真5.1所用模塊及參數(shù)MATLAB的功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充MATLAB的數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理

19、、符號(hào)計(jì)算功能、圖形建模仿真功能、文字處理功能、與硬件實(shí)時(shí)交互功能。本設(shè)計(jì)主要用到通信工具箱(Communication Toolbox)的函數(shù)是調(diào)制與解調(diào)：ademod( )模擬帶通信號(hào)解調(diào)，ademodce( ) 模擬基帶信號(hào)解調(diào)，amod( ) 模擬帶通信號(hào)調(diào)制，amodce( ) 模擬基帶信號(hào)調(diào)制。以完成設(shè)計(jì)的任務(wù)：模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。假定基頻信號(hào)為m(t)=cos(20*t)，載波頻率f=100Hz，相位偏差K=， 仿真電路如圖6所示：圖6 SIMULINK仿真電路圖基帶信號(hào)Sine Wave：振幅(Amplitude) 設(shè)為1；頻率(Frequency)設(shè)為2*pi*10，取樣時(shí)

20、間(Sample time)設(shè)定1/2000。如圖7所示：圖7 Sine Wave參數(shù)設(shè)定圖調(diào)制模塊：載波頻率(Carrier frequency)設(shè)定為100(Hz)，頻率偏差設(shè)定為pi(rad)。如圖8所示：圖8 調(diào)制模塊參數(shù)設(shè)定圖解調(diào)模塊：載波頻率(Carrier frequency)設(shè)定為100(Hz)，頻率偏差設(shè)定為pi(Hz)，希伯爾轉(zhuǎn)換濾波器階層(Hilbert transform filter order)設(shè)定為100(默認(rèn)值)。如圖9所示：圖9 解調(diào)模塊參數(shù)設(shè)定圖示波器：Number of axes這邊設(shè)定為3，Time range為想要顯示的時(shí)間終點(diǎn)，設(shè)定為auto時(shí)， T

21、ime range與環(huán)境模擬設(shè)定時(shí)間一樣。如圖10所示： 圖10 示波器參數(shù)設(shè)定圖頻域訊號(hào)的零階保持：設(shè)定為1/1000。如圖11所示：圖11 零階保持設(shè)定圖頻域訊號(hào)的頻譜分析器設(shè)定：Buffer size設(shè)定為1024，Buffer overlap設(shè)定為100，F(xiàn)FT length設(shè)定為1024；Frequency units選擇Hertz ，F(xiàn)requen選擇-Fs/2.Fs/2 。如圖11所示：圖11 頻譜分析器設(shè)定圖5.2結(jié)果顯示6.心得體會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)多星期的關(guān)于工程信號(hào)分析處理的課程設(shè)計(jì)，在老師和同學(xué)的幫助下，我基本上完成了這次任務(wù)，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我收獲頗多，概而言之，大約以下幾點(diǎn)：

22、一、溫故而知新。課程設(shè)計(jì)發(fā)端之始，思緒全無(wú)，舉步維艱，對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)的我深感“書(shū)到用時(shí)方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的靈感。 二、理論聯(lián)系實(shí)際。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，值得一提的是剛開(kāi)始在解調(diào)問(wèn)題上我被卡住了，命令窗口一直提示不能識(shí)別fftseq這個(gè)函數(shù)，之前我以為MATLAB里面有這個(gè)庫(kù)函數(shù)，于是找了大量數(shù)據(jù)，自己編寫(xiě)出fftseq的M檔然后運(yùn)行就成功了。總的來(lái)說(shuō)，這次設(shè)計(jì)的關(guān)于工程信號(hào)的課程設(shè)計(jì)還是比較成功的，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，上網(wǎng)