实验三Matlab的数字调制系统仿真实验参考

成都理工大学实验报告课程名称数字通信原理姓名__________________学号______________成绩_______实验三__tlab的数字调制系统仿真实验（参考）1数字调制系统的相关原理数字调制可以分为二进制调制和多进制调制，多进制调制是二进制调制的__，主要讨论二进制的调制与解调，简单讨论一下多进制调制中的差分相位键控调制（M-DPSK）最常见的二进制数字调制方式有二进制振幅键控（2-ASK）、移频键控（2-FSK）和移相键控（2-PSK和2-DPSK）下面是这几种调制方式的相关原理

1.1二进制幅度键控（2-ASK）幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现载波在数字__1或0的控制下通或断，在__为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在__为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字__的1和0幅移键控法ASK的载波幅度是随着调制__而变化的，其最简单的形式是，载波在二进制调制__控制下通断，此时又可称作开关键控法OOK多电平__SK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用2-ASK__功率谱密度的特点如下

（1）由连续谱和离散谱两部分构成；连续谱由传号的波形gt经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；

（2）已调__的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍

1.2二进制频移键控（2-FSK）数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率2FSK__便是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的__频率源进行选通键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛频移键控是利用两个不同频率f1和f2的振荡源来代表__1和0，用数字__的1和0去控制两个__的振荡源交替输出对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2FbxF是二进制基带__的带宽也是FSK__的最大频偏，由于数字__的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的__带宽B较大，频带利用率小2-FSK功率谱密度的特点如下12FSK__的功率谱由连续谱和离散谱两部分构成•离散谱出现在f1和f2位置；2功率谱密度中的连续谱部分一般出现双峰若两个载频之差|f1-f2|≤fs，则出现单峰2FSK__的产生方法主要是两种第一种是用二进制基带矩形脉冲__区调制一个调频器，使其能够输出两个不同的频率的码元，如图

1.1

（1）；第二种方法是用以个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个__频率源的振荡作为输出，如图

1.1

（2）两者的区别是前者的相位是连续的，后者由于两个__的频率源产生的两个不同频率的__，故相邻码元的相位不一定是连续的2-FSK__的接受也分为相干和非相干接受两类最常用的解调方法是采用的相干检测法，相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图8-8所示图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频__，取出含基带数字信息的低频__，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频__的抽样值V0（t）和V1t进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字__如图

1.2所示

1.3二进制相移键控（2-PSK）在相移键控中，载波相位受数字基带__的控制，如在二进制基带__中为0时，载波相位为0或π，为1时载波相位为π或0载波相位和基带__有一一对应的关系，从而达到调制的目的2-PSK__的功率密度有如下特点1由连续谱与离散谱两部分组成；2带宽是绝对脉冲序列的二倍；3与2ASK功率谱的区别是当P＝1/2时，2PSK无离散谱，而2ASK存在离散谱2PSK__的产生方法主要也是两种第一种是相乘法，用二进制不归零矩形脉冲__与载波相乘，得到相位反相的两种码元，如图

1.3

（1）；第二种方法叫选择法，是用此基带__控制一个开关电路，以选择输入__，开关电路的输入__是相位相差的同频载波，如图

1.3

（2）由于2PSK__实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为相位或相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒”现象或“反向工作”现象绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作2PSK__的解调方法是相干接受法由于PSK__本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用__的相位信息来解调__，如图

1.4所示

1.4二进制差分相移键控（2DPSK）二进制差分相移键控2DPSK二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号这说明解调2DPSK__时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息这就避免了2PSK方式中的“倒π”现象发生单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相__可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成这就为2DPSK__的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法2DPSK__的解调有两种解调方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调-码变换法后者又称为极性比较－码变换法2数字调制系统各个环节分析

2.1仿真框图典型的数字通信系统由信源、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节构成，其框图如图

2.1所示数字调制是数字通信系统的重要组成部分，数字调制系统的输入端是经编码器编码后适合在信道中传输的基带__对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心基带__的码型，因此，我们在仿真的时候可以给数字调制系统直接输入数字基带__，不用在经过编码器__TLAB提供的图形界面仿真工具Simulink由一系列模型库组成包括Sour__s信源模块，Sinks显示模块，Discrete离散系统模块，Linear线性环节，Nonlinear非线性环节，Connections连接BlocksetsToolboxes其他环节特别是在BlocksetsToolboxes中还提供了用于通信系统分析设计和仿真的专业化模型库CommTbxLibrary在这里，整个通信系统的流程被概括为__的产生与输出、编码与解码、调制与解调、滤波器以及传输介质的模型在每个设计模块中还包含有大量的子模块，它们基本上覆盖了目前通信系统中所应用到的各种模块模型通信系统一般都可以建立数学模型根据所需仿真的通信系统的数学模型或数学表达式，用户只要从上述各个模型库中找出所需的模块用鼠标器拖到模型窗口中组合在一起并设定好各个模块参数就可方便地进行动态仿真.从输出模块可实时看到仿真结果如时域波形图、频谱图等每次仿真结束后还可以更改各参数以便观察仿真结果的变化情况另外，对Simulink中没有的模块，可运用S函数生成所需的子模块，并且可以封装和自定义模块库，以便随时调用根据Simulink提供的仿真模块，数字调制系统的仿真可以简化成如图

2.2所示的模型

2.2__源仿真及参数设置Simulink通信工具箱中的CommSour__s/DataSour__s提供了数字__源BernoulliBinaryGenerator，这是一个按Bernoulli分布提供随机二进制数字__的通用__发生器在现实中，对受信者而言，发送端的__是不可预测的随机__因此，我们在仿真中可以用BernoulliBinaryGenerator来模拟基带__发生器其中主要参数的含义为Probabilityofazero产生的__中0符号的概率，在仿真的时候一般设成

0.5，这样便于频谱的计算；Initialseed控制随机数产生的参数，要求不小于30，而且与后面信道中的Initialseed设置不同的值；Sampletime抽样时间，这里指一个二进制符号所占的时间，用来控制号发生的速率，这个参数必须与后面调制和解调模块的Symbolperiod保持一致

2.3调制与解调模块Simulink通信工具箱中提供了数字__各种调制方式的模块，如AM、CPM、FM及PM等虽然不同的调制模块，参数设置有所不同，但很多参数在各种调制中是一致的，下面我们以DPSK调制模块为例介绍一下调制模块的参数及其设置，其余模块将在下面仿真模型的建立过程中详细介绍M-DPSKModulatorBaseband和M-DPSKDemodulatorBaseband分别是数字__DPSK调制和解调的专用模块，其中主要参数有M-arynumber输入__的阶次数，比如2-DPSK就是2阶的；Symbolperiod符号周期，即，一个符号所占的时间，这必须与__源的Sampletime保持一致；Carrierfrequency载波频率；Carrierinitialphase载波的初始相位；Inputsampletime输入__的抽样时间；Outputsampletime输出__的抽样时间其中，各参数要满足以下关系Symbolperiod1/CarrierfrequencyInputsampletime1/[2*Carrierfrequency+2/Symbolperiod]Outputsampletime1/[2*Carrierfrequency+2/Symbolperiod]

2.4信道在分析通信系统时通常选择高斯噪声作为系统的噪声来考查，因为这种噪声在现实中比较常见而且容易分析Simulink中提供了带有加性高斯白噪声的信道AWGNChanne仿真时可以用该模块模拟现实中的信道，该模块的主要参数有Initialseed控制随机数产生的参数，要求不小于30，且与前面__源中的Initialseed设置不同的值；Es/NodB__每个符号的能量与噪声的功率谱密度的比值；SNRdB__功率与噪声功率的比值；注Es/NodB和SNRdB是表征__与噪声关系的两种方法，在一次仿真中只能选择其中一个

2.5误码计算仪__经过信道后，由于噪声的干扰，在接收端可能出现误码，Simulink中提供了ErrorRateCalculation模块来计算误码率，其主要参数的设置为Re__ivedelay接收延迟，表明在计算误码率时接收到的__比源__延迟的码元数，便于准确计算Outputdata数据输出，将误码率、误码数及码元总数输出，有两个选项可选择Workspa__和Port将数据输出到Workspa__就是将误码率等数据存在内存中，以便下一步使用，而输出到Port中，则是在误码计算仪后面再接一个模块（比如结果显示模块），将数据传到该模块中（显示出来）；Variablename变量名称，该参数只有在前面选择了Workspa__后才有用，它决定数据输出到Wokspa__后的名称，默认值为ErrorVec

2.6示波器在仿真过程中，可以观察各个环节的时域和频域波形，因此，在各个环节加上示波器以观察波形另外，还可将示波器的数据输出到Workspa__中存储，以便对仿真结果做进一步处理，比如将各个环节的波形对比显示和做频域变换等3数字调制系统仿真及结果分析

3.1仿真模型的设计及结果分析了解了仿真所需的主要模块后，下一步就是设计和仿真各种数字调制模型，并对仿真结果在时域和频域进行分析运用__tlab/Simulink软件进行各种数字通信系统的仿真，并对结果进行分析比较__tlab/Simulink中有各种调制解调方式的现成模块可以直接应用，但是必须得设定正确的参数才能取得理想的仿真结果通过仿真比较各种系统的占用带宽和误码率等性能指标为了正确比较误码率，必须保证误码率比较器中比较的为发送码元和对应的接收码元，因此根据系统不同需要进行不同的延时；为了便于比较，建立了三个条件基本一致的仿真系统，即相同的__源（伯努利随机二进制发生器），相同的传输环境（加性高斯白噪声环境信噪比为-5dB），都是基带调制、解调模块，最后显示出误码率、传输错误个数、传输总数

3.2二进制频移键控（2FSK）利用伯努利二进制__发生器（BernoulliBinaryGenerator）成生数字__，利用Simulink通信工具箱中提供了专门的FSK调制和解调模块应用FSK调制模块能可方便__生2FSK__，根据图

3.1所示仿真框图模型中运用了Simulink工具箱中的现成调制解调模块和信道模块，然后用示波器观察各环节波形，最后由误码计算仪计算误码重要模块参数设置如下信源probabilityofazero:

0.5Initialseed:12345Sampletime:

0.001调制解调器m-arynumber2Frequencyseparationhz:1000;2000;4000Samplepersymbol:16信道initialseed:12345Mode:SNRSNR:-5Inputsignalpower:1误码器re__ivedelay:0Computationdelay:0Mode:entireframeOutputdata:port延时器initialcondition:0Sampletime:-1频谱bufferinputbuffersize:1024bufferoverlap:512windowtype:boxcarFftlength:1024numberofspectral__erage:64Frequencyunits:hertsfrequencyrange:[-fs/2…fs/2]Amplitudeacaling:dbminimumy-limit:-30__ximumy-limit:30y-axistitle:__dnitude-squareddb信源的码元速率为1000Baud，对于2FSK已调__功率谱密度曲线来说，当时为单峰；当时刚刚分离为双峰；当为完全分离的双峰即，当小于码元速率两倍时，2FSK已调__功率谱密度曲线为单峰，出现混叠现象；当等于两倍码元速率时，恰好出现双峰；当远远大于两倍码元速率时，功率谱密度曲线为双峰，频谱基本不再混叠

3.3最小频移键控（MSK）最小频移键控MSK二进制频移键控（2FSK）的改进，其Simulink仿真模型如图

3.5所示将__源的Sampletime设为1/2，其余参数可参照2-FSK，两者参数类似从上图可以看出，与2FSK调制频谱相比，MSK__的频谱比较紧凑，在主瓣之外，频谱旁瓣的下降非常迅速这说明MSK__的功率主要包含在主瓣之内因此，MSK__比较适合在窄带信道中传输，对邻道的干扰也较小

3.4二进制相移键控（2PSK）利用随机整数__发生器（RandomIntegerGenerator）成生数字__，利用Simulink通信工具箱中提供了专门的BPSK调制和解调模块，应用BPSK调制模块能可方便__生2PSK__，根据图

3.7所示仿真框图重要模块参数设置如下信源m-arynumber2Initialseed:12345Sampletime:

0.001调制解调器m-arynumber2Inputtype integerPhaserotation:pi/4Outputdatatype:double信道、误码器、延时器、频谱器参数设置参考2FSK根据上述参数设置各模块，运行后，得出如下结果，系统的功率谱密度曲线如图

3.8所示在数字调制中，2PSK（后面将会看到2DPSK也同样）的频谱特性与2ASK十分相似相位调制和频率调制一样，本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化这样一来，数字调相同线性调制的数字调幅就__起来了，为此可以把数字调相__当作线性调制__来处理了但是不能把上述概念__到所有调相__中去

3.5二进制差分相移键控（2DPSK）利用随机整数__发生器（RandomIntegerGenerator）成生数字__，利用Simulink通信工具箱中提供了专门的DBPSK调制和解调模块，应用DBPSK调制模块能可方便__生2DPSK__，根据图

3.9所示仿真框图重要模块参数设置调制解调器Phaserotation:pi/4Outputdatatype:double其余参数与2PSK相同根据上述参数设置各模块，运行后，得出如下结果，系统的功率谱密度曲线如图

3.10所示2DPSK与2PSK__有相同的功率谱；2DPSK与2PSK__带宽相同，是基带__带宽Bs的两倍，2DPSK与2PSK__频带利用率也相同4数字调制误码率的计算与分析误码率（BER biterrorratio）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%如果有误码就有误码率另外，也有将误码率定义为用来衡量误码出现的频率IEEE

802.3标准为1000Base-T网络制定的可接受的最高限度误码率为10-10这个误码率标准是针对脉冲振幅调制PAM-5编码而设定的也就是千兆以太网的编码方式误码的产生是由于在__传输中，衰变改变了__的电压致使__在传输中遭到破坏，产生误码噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码（比如传送的__是1，而接收到的是0；反之亦然）各种不同规格的设备，均有严格的误码率定义，如通常视/音频双向光端机的误码率应该在（BER）≤10E-9由于种种原因数字__在传输过程中不可避免地会产生差错例如在传输过程中受到外界的干扰或在通信系统内部由于各个组成部分的质量不够理想而使传送的__发生畸变等当受到的干扰或__畸变达到一定程度时就会产生差错什么是差错在数据通信中如果发送的__是“1”而接收到的__却是“0”这就是“误码”也就是发生了一个差错在一定时间内收到的数字__中发生差错的比特数与同一时间所收到的数字__的总比特数之比就叫做“误码率”，也可以叫做“误比特率”误码率（BER biterrorratio）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标误码率=接收出现差错的比特数/总的发送的比特数误码率是最常用的数据通信传输质量指标它表示数字系统传输质量的式是“在多少位数据中出现一位差错”举例来说，如果在一万位数据中出现一位差错，即误码率为万分之一，即10E-4Atst频率源0频率源1f0f1开关电路图

1.1

（2）调频器stAt图

1.1

（1）带通滤波f0带通滤波f1相乘相乘低通滤波低通滤波抽样判决输入输出VotV1tcostcostytyt定时脉冲图

1.22FSK__的相干接收原理方框图At3st载波移相图

1.3

（2）相乘stAt图

1.3

（1）本地载波带通滤波相乘低通滤波抽样判决本地载波提取Vt图

1.42PSK__相干接收原理方框图图

2.1数字通信系统模型信息源编码器调制器信道解调器解码器受信者噪声源基带__调制器信道调制器基带__噪声源图

2.2数字调制系统仿真框图图

3.12FSK仿真模型图

3.2时2FSK功率谱密度曲线图图

3.3时2FSK功率谱密度曲线理方框图图

3.4时2FSK功率谱密度图

3.5MSK的仿真模型图

3.6MSK的仿真模型图

3.72PSK仿真模型图

3.82PSK功率谱密度曲线图

3.92DPSK仿真模型图

3.102DPSK功率谱密度曲线。