基于MATLAB的基本数字调制解调系统的设计

桃扇骨 2022-08-28 14:54 197阅读 0赞

一、摘要

现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好，作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。本文以MATLAB为软件平台，充分利用其提供的通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，对数字调制解调系统进行Simulink设计仿真，并且进行误差分析。

调制与解调是通信系统中十分重要的一个环节，针对不同的信道环境选择不同的调制与解调方式可以有效地提高通信系统中的频带利用率，改善接收信号的误码率。本设计运用Simulink仿真软件对二进制调制解调系统进行模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示、误差分析以及综合性能分析，重点对BASK，BFSK，BPSK进行性能比较和误差分析。在实际应用中，视情况选择最佳的调制方式。

本文首先介绍了课题研究的背景，然后介绍系统设计所用的Simulink仿真软件，随后介绍了载波数字调制系统的原理，并根据原理构建仿真模型，进行数字调制系统仿真，最后对设计进行总结，并归纳了Simulink软件使用中需要注意的事项。本文的主要目的是对Simulink的学习和对数字调制解调理论的掌握和深化，为今后在通信领域继续学习和研究打下坚实的基础。

**关键词**：通信系统；Simulink仿真；数字化调制解调；BASK；BFSK；BPSK

二、提纲

[摘要 II][II]

[Abstract III][]

[第1章 绪论 1][1_ _ 1]

[1.1 课题研究背景 1][1.1 _ 1]

[1.2 通信系统的组成 1][1.2 _ 1]

[第2章 仿真软件简介 7][2_ _ 7]

[2.1仿真软件MATLAB简介 7][2.1_MATLAB_ 7]

[2.2 Simulink简介 8][2.2 Simulink_ 8]

[2.3 本章小结 9][2.3 _ 9]

[第3章 数字频带传输系统 11][3_ _ 11]

[3.1 数字调制系统 11][3.1 _ 11]

[3.2 二进制振幅键控 11][3.2 _ 11]

[3.3 二进制移频键控 13][3.3 _ 13]

[3.4 二进制移相键控 16][3.4 _ 16]

[3.5 二进制差分相位键控 18][3.5 _ 18]

[3.6 二进制数字信号的功率谱密度 20][3.6 _ 20]

[3.6.1 2ASK信号的功率谱密度 20][3.6.1 2ASK_ 20]

[3.6.2 2FSK信号的功率谱密度 21][3.6.2 2FSK_ 21]

[3.6.3 2PSK及2DPSK 信号的功率谱密度 22][3.6.3 2PSK_2DPSK _ 22]

[3.7 本章小结 23][3.7 _ 23]

[第4章 系统设计与仿真 25][4_ _ 25]

[4.1 2ASK信号的调制与解调 25][4.1 2ASK_ 25]

[4.1.1 2ASK信号调制仿真 25][4.1.1 2ASK_ 25]

[4.1.2 2ASK信号解调仿真 27][4.1.2 2ASK_ 27]

[4.2 2FSK信号的调制与解调 29][4.2 2FSK_ 29]

[4.2.1 2FSK信号调制仿真 29][4.2.1 2FSK_ 29]

[4.2.2 2FSK信号解调仿真 31][4.2.2 2FSK_ 31]

[4.3 2PSK信号的调制与解调 34][4.3 2PSK_ 34]

[4.3.1 2PSK信号调制仿真 34][4.3.1 2PSK_ 34]

[4.3.2 2PSK信号解调仿真 36][4.3.2 2PSK_ 36]

[4.4 本章小结 38][4.4 _ 38]

[第5章 结论 39][5_ _ 39]

[参考文献 43][43]

三、统设计与仿真

## 2ASK信号的调制与解调 ##

### 2ASK信号调制仿真 ###

(1) 建立系统模型。首先进行模块选择，进行系统搭建。先从Simulink工具箱选择器件：从Sources中选取Pulse Generator作为方波信号源，从Math Operations中选取Product作为乘法器，从Sinks中选取Scope作为示波器；再从DSP模块的DSP Sources中选取sine wave作为载波信号。2ASK信号调制的模型方框图由sine wave信号源、方波信号源、相乘器等模块组建成功，simulink模型如图4.1所示。

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图4.1 2ASK信号调制仿真模型

其中正弦信号是载波信号，方波代表S（t）序列的信号源，正弦信号和方波相乘后就得到2ASK信号，也就是二进制键控信号。若一个信号状态始终为零，相当于处在断开状态，此时常称为通断键控信号。二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的，也是最简单的。这种方法最初用于电报系统，但是由于它在抗噪声的能力上较差，故在数字通信中用的不多。不过，二进制振幅键控常常作为研究其他数字调制方式的基础，熟悉它也是必要的。

1.  参数设置。建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。从正弦信号源开始依次的仿真参数设置如下图所示。

图4.2所示，其中sin函数是幅度为2、频率为1Hz、采样周期为0.005的双精度DSP信号。图4.3所示的方波是基于采样的，其幅度设置为2、周期为3、脉冲持续设置2、采样时间为1。

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图4.2 正弦信号参数设置

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图4.3 方波信号源的参数设置

1.  系统仿真及各点波形图。经过参数的设置后，就可以进行系统的仿真。下面是示波器显示的各点的波形图。第一个波形是方波信号源输出的方波；第二个波形正弦信号源输出的频率为1Hz的正弦波；第三个是方波与正弦波经过乘法器后输出的2ASK信号。

![v2-f64379a4a24f35aef9c2f96dc12748c7\_b.jpg][v2-f64379a4a24f35aef9c2f96dc12748c7_b.jpg]

图4.4 仿真各点波形图

### 2ASK信号解调仿真 ###

1.  建立Simulink模型。2ASK的解调分为相干解调和非相干解调法，下面采用相干解调法对2ASK信号进行解调。相干解调也叫同步解调，就是将已调信号恢复出载波，再用载波信号同已调信号相乘，经过低通滤波器和抽样判决器恢复出原始信号S(t)。同样先从Simulink模块选择器件：从Sources中选取Pulse Generator作为方波信号源，从Math Operations中选取Product作为乘法器，从Sinks中选取Scope作为示波器；再从DSP工具箱的DSP Sources中选取sine wave作为载波信号，方波信号与正弦波信号相成后生成2ASK信号。2ASK信号经过低通滤波器后再经过判决器便可解调出原始信号。Simulink模型如下。

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图4.5 2ASK解调模型

1.  参数设置。建立好模型之后，开始设置各点的参数，由于低通滤波器是滤去高频载波的，才能恢复出原始信号，所以为了使已调信号的频谱有明显的搬移，使视觉有更直观的印象，就要使载波和信息源的频率有明显的差别，所以载波的频率设置的要相对高一些，这里设置为150Hz。为了更好的恢复出信源信号，所以在此直接使用原载波信号作为同步载波信号。下面是主要部件的参数设置。

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图4.6 低通滤波器的参数设置

将图4.2中正弦信号的频率设置为150Hz，其他参数不变。

1.  系统仿真及各点波形。仿真波形如图4.7所示，由上到下的顺序：第一个波形是原始信号，第二个是载波信号，第三调制后的2ASK信号，第四个是2ASK信号与载波信号相乘后得到的信号，第五个是经过低通滤波器的波形，第六个是经抽样判决器后解调出的原始信号。
2.  误码率分析。由于在解调过程中没有信道和噪声，所以误码率相对较小，一般是由于码间串扰或是参数设置的问题，可以得出此系统的误码率为0.3636。

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图4.7 解调波形图

## 2FSK信号的调制与解调 ##

### 2FSK信号调制仿真 ###

(1) 建立系统模型。2FSK信号是由频率分别为

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和

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的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中

![v2-2bbd1088d38b0768ec0bcf616b670be2\_b.jpg][v2-2bbd1088d38b0768ec0bcf616b670be2_b.jpg]

和

![v2-735d368f8cab6c2d2437a65b1880c537\_b.jpg][v2-735d368f8cab6c2d2437a65b1880c537_b.jpg]

是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号。2FSK信号产生的simulink仿真模型图如下。

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图4.8 2FSK信号simulink调制模型

1.  参数设置。其中sine wave和sine wave1是两个频率分别为f1和f2的载波，Pulse Generator模块是信号源，NOT实现方波的反相，经相乘器和相加器生成2FSK。

本来信号源s(t)序列是用随机的“0”、“1”信号产生，在此为了方便仿真就选择了基于采样的Pulse Generator信号模块其参数设置如图4.9。

![v2-152d262aeda12c462c9990046fd8c360\_b.jpg][v2-152d262aeda12c462c9990046fd8c360_b.jpg]

图4.9 信号源模块参数

![v2-00a09e4bb21699f021caa8cac64a0f67\_b.jpg][v2-00a09e4bb21699f021caa8cac64a0f67_b.jpg]

图4.10 载波sin wave参数设置

图4.10所示，其幅度为2，频率f1=1Hz，采样时间为0.002，载波为单精度信号。

![v2-025c33544c432fac44946989d89c94eb\_b.jpg][v2-025c33544c432fac44946989d89c94eb_b.jpg]

图4.11 载波sin wave1参数设置

图4.11所示，该载波是幅度为2、频率为2Hz、采样时间为0.002的单精度信号。

1.  系统仿真及波形。经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形如图4.12。第一个波形是原始信号，第二个是正弦载波周期为1Hz的载波信号，第三个是周期为2Hz的正弦载波，第四个就是调制后的2FSK信号。

![v2-8ad5516a787239b4dbaef4634ccc760c\_b.jpg][v2-8ad5516a787239b4dbaef4634ccc760c_b.jpg]

图4.12 2FSK信号调制波形图

### 2FSK信号解调仿真 ###

1.  2FSK解调系统模型。其中From File是一个封装模块，就是2FSK信号的调制模块，两个带通滤波器分别将2FSK信号上下分频为

![v2-85b95b90b4f4b3b41dda199e5047b495\_b.jpg][v2-85b95b90b4f4b3b41dda199e5047b495_b.jpg]

和

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，再经过与载波相乘，经过低通滤波后两路信号相加，再经抽样判决器解调出原始信号。

![v2-837d657d219b9fad0187c55ded4b6e30\_b.jpg][v2-837d657d219b9fad0187c55ded4b6e30_b.jpg]

图4.13 2FSK解调框图

2FSK是数字通信中用得较为广泛的一种方式。在话带内进行数据传输数据时，国际电报电话咨询委员会（CCITT）推荐在话音频带内低于1200bit/s数据率时使用FSK方式。在衰落信道中传输数据时也被广泛采用。

1.  参数设置。图4.14和图4.15是上下两路进行分频的带通滤波器的参数设置，具体设置见图。

![v2-0f91a38020bd98ad1e164e0605d1f27c\_b.jpg][v2-0f91a38020bd98ad1e164e0605d1f27c_b.jpg]

图4.14 2FSK信号f1带通滤波器参数设置

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图4.15 2FSK信号

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带通滤波器参数设置

1.  系统仿真及各点波形。

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图4.16 2FSK信号解调仿真波形

## 2PSK信号的调制与解调 ##

### 2PSK信号调制仿真 ###

1.  2PSK信号系统模型。二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控(2PSK)信号。在此用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的“1”和“0”。用两个反相的载波信号进行调制，其系统框图如图4.17。

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图4.17 2PSK信号调制框图

其中Sine Wave1和Sine Wave2是反相的载波，正弦脉冲作为信号源。

1.  参数设置。

![v2-f9a7e44a9e5457a91a9dc9797275e6d8\_b.jpg][v2-f9a7e44a9e5457a91a9dc9797275e6d8_b.jpg]

图4.18 Sine Wave1参数设置

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图4.19 Sine Wave2参数设置

![v2-d879c5eaad990c2b847a8f9565c4d31e\_b.jpg][v2-d879c5eaad990c2b847a8f9565c4d31e_b.jpg]

图4.20脉冲信号的参数设置

脉冲信号是幅度为2、周期为1、占空比为50%的时钟的信号。

1.  仿真波形。如图4.21所示。

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图4.21 2PSK调制信号波形图

### 2PSK信号解调仿真 ###

1.  建立Simulink模型。2PSK信号与本地载波相乘后进入低通滤波器，在经过抽样判决器解调出原始信号。

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图4.22 2PSK信号调制系统模型

1.  参数设置。各个模块设置与前面基本相同，只是将信号源参数稍作调整，便于做误码分析。信号源参数设置如图4.23。

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图4.23 信号源参数设置

1.  仿真波形。图4.24所示为2PSK信号解调的各点波形。

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图4.24 2PSK信号解调波形

(4) 结果分析。由图4.22可看出其误码率为0.6364，由于参数设置、系统的不准确性和码间影响，所以误码率稍微偏大。

[II]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475894
[Abstract III]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475895
[1_ _ 1]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475897
[1.1 _ 1]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475898
[1.2 _ 1]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475899
[2_ _ 7]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475900
[2.1_MATLAB_ 7]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475901
[2.2 Simulink_ 8]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475902
[2.3 _ 9]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475903
[3_ _ 11]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475904
[3.1 _ 11]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475905
[3.2 _ 11]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475906
[3.3 _ 13]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475907
[3.4 _ 16]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475908
[3.5 _ 18]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475909
[3.6 _ 20]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475910
[3.6.1 2ASK_ 20]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475911
[3.6.2 2FSK_ 21]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475912
[3.6.3 2PSK_2DPSK _ 22]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475913
[3.7 _ 23]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475914
[4_ _ 25]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475915
[4.1 2ASK_ 25]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475916
[4.1.1 2ASK_ 25]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475917
[4.1.2 2ASK_ 27]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475918
[4.2 2FSK_ 29]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475919
[4.2.1 2FSK_ 29]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475920
[4.2.2 2FSK_ 31]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475921
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[4.3.2 2PSK_ 36]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475924
[4.4 _ 38]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475925
[5_ _ 39]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475926
[43]: https://zhuanlan.zhihu.com/write#__RefHeading___Toc201475927
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