数字调制系统分析与仿真

1 引言

1. 1 数字调制的意义数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。根据控制的载波参量的不同，数字调制有调幅、调相和调频三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。因此，大部分现代通信系统都使用数字调制技术。另外，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ISDN 网），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。因此，对数字通信系统的分析与研究越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要部分之一，对它的研究也是有必要的。通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进系统，获得更佳的传输性能。

1. 2 Matlab 在通信系统仿真中的应用随着通信系统复杂性的增加,传统的手工分析与电路板试验等分析设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出其巨大的优越性.。计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型,利用计算机进行实验研究的一种方法.它具有利用模型进行仿真的一系列优点,如费用低,易于进行真实系统难于实现的各种试验,以及易于实现完全相同条件下的重复试验等。Matlab 仿真软件就是分析通信系统常用的工具之一。

Matlab 是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。Matlab 的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。应用Matlab 可方便地解决复杂数值计算问题。Matlab 具有强大的Simulink 动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink 支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink 为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。用户可以在Matlab 和Simulink 两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。用于实现通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,也叫Commlib,通信工具箱)是Matlab 语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab 环

境下独立使用,也可以配合Simulink 使用。另外，Matlab的图形界面功能GUI (Graphical User Interface)能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。

2 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推广，所以本文主要讨论二进制的调制与解调，最后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。

2.1 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

字信号1 或0 的控

制下通或断，在信号为1 的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为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信号的1和0。

2-ASK 信号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g(t )经线性调制后决

定，离散谱由载波分量决定；

( 2)已调信号的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。

2.2 二进制频移键控( 2-FSK)

频移键控是利用两个不同频率f1 和f2 的振荡源来代表信号1 和0，用数字信号的1 和0去控制两个独立的振荡源交替输出。对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为

B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。2-FSK 功率谱密度的特点如下：

(1) 2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分构成,?离散谱出现在fl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| w,fs则出

现单峰。

2.3 二进制相移键控( 2-PSK)

在相移键控中，载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载波相位为0或n为1时载波相位为n或0。载波相位和基带信号有一一对应的关系，从而达到调制的目的。2-PSK信号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

2.4 多进制数字调制

上面所讨论的都是在二进制数字基带信号的情况，在实际应用中，我们常常用一种称为多进制(如4进制，8进制，16进制等)的基带信号。多进制数字调制载波参数有M 种不同的取值，多进制数字调制比二进制数字调制有两个突出的优点：一是有于多进制数字信号含有更多的信息使频带利用率更高；二是在相同的信息速率下持续时间长，可以提高码元的能量，从而减小由于信道特性引起的码间干扰。现实中用得最多的一种调制方式是多进制相移键控(

MPSK)。

多进制相移键控又称为多相制，因为基带信号有M 种不同的状态，所以它的载波相位有M 种不同的取值，这些取值一般为等间隔。在多相制移键控有绝对移相和相对移相两种，实际中大多采用四相绝对移相键控(4PSK,有称QPSK)，四相制的相位有0、n /2 n 3n /2四种，分别对应四种状态11、01、00、10。

3 数字调制系统的仿真设计

3.1 数字调制系统各个环节分析

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3.1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信号。对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心基带信号的码型，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信号，不用在经过编码器。