二进制数字调制与解调系统的设计.doc

二进制数字调制和解调系统设计MATLAB及SIMULINK建模环境介绍MATLAB 是美国MathWorks企业出品商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析和数值计算高级技术计算语言和交互式环境，关键包含MATLAB和SIMULINK两大部分。Simulink是MATLAB最关键组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要经过简单直观鼠标操作，就可结构出复杂系统。Simulink含有适应面广、结构和步骤清楚及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理复杂仿真和设计。同时有大量第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中一个可视化仿真工具， 是一个基于MATLAB框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理建模和仿真中。Simulink能够用连续采样时间、离散采样时间或两种混合采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中不一样部分含有不一样采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一个愈加快捷、直接明了方法，而且用户能够立即看到系统仿真结果。数字通信系统基础模型从消息传输角度看,该系统包含了两个关键交换,即消息和数字基带信号之间交换,数字基带信号和信道信号之间交换.通常前一个交换由发收端设备完成.以后一个交换则由调制和解调完成.数字通信系统模型一、2ASK调制解调 基础原理2ASK是利用载波幅度改变来传输数字信息，而其频率和初始相位保持不变。其信号表示式为： ，S (t)为单极性数字基带信号。2ASK幅移键控幅移键控（ASK）相当于模拟信号中调幅，只不过和载频信号相乘是二进数码而已。幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是经过载波幅度来传输。因为调制信号只有0或1两个电平，相乘结果相当于将载频或关断，或接通，它实际意义是当调制数字信号1时，传输载波；当调制数字信号为0时，不传输载波。由图能够看出2ASK信号时间波形e2ASK（t）随二进制基带信号s（t）通断改变。所以又被称为通断键控信号2ASK信号产生方法通常有两种：模拟调制法和键控法。模拟调制法使用乘法器实现键控法使用开关电路实现2ASK调制方法2ASK有两种基础解调方法：相干解调法（同时检测法）和非相干解调法（包络检波法）。相干解调需要将载频位置已调信号频谱重新搬回原始基带位置，所以用相乘器和载波相乘来实现。为确保无失真还原信号，必需在接收端提供一个和调制载波严格同时当地载波，这是整个解调过程能否顺利完好进行关键。 相干解调非相干解调 2ASK信号非相干解调过程时间波形振幅键控是利用载波幅度改变来传输数字信息，而频率和初始相位保持不变。在2ASK中：S2ask=m(t)*cos(2*pi*f*t)，其中m(t)为数字信号，后者为载波。载波在二进制基带信号控制下通断改变，所以又叫通-断键控（OOK）。2ASK产生方法有两种：模拟调制和键控法而解调也有两中基础方法：非相干解调（包络检波）和相干解调（同时检测法）DS2ask=s(t)*cos(2*pi*f*t) =0.5*m(t)+0.5*m(t)*cos(2*wc*t) 乘以相干载波后，只要滤去高频部分就能够了此次仿真使用相干解调方法：2ask信号 带通滤波器和和载波相乘低通滤波器 抽样判决 输出以下就是matlab仿真结果极其频谱图（省去了带通filter）能够看到解调后信号和信源有一定延时。经过观察频谱图，用放大镜能够清楚看到，2ask实现了频谱搬移，将基带信号搬移到了fc=150hz频率上，而且若只计频谱主瓣则有： B2ask=2fs，fs=1/Ts其中Ts为一个码元宽度即：2ask信号传输带宽是码元传输速率2倍Matlab程序实现clc;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);%载波f=150;carry=cos(2*pi*f*t);%2ASK调制st=m.*carry;subplot(512);plot(t,st)axis(0 1.2 -1.2 1.2)title(2ASK信号)%加高斯噪声 nst=awgn(st,70);%解调部分nst=nst.*carry;subplot(513)plot(t,nst)axis(0 1.2 -0.2 1.2);title(乘以相干载波后信号)%低通滤波器设计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);%低通滤波h=tf(B,A); %转换为传输函数dst=lsim(h,nst,t);subplot(514)plot(t,dst)axis(0 1.2 -0.2 1.2);title(经过低通滤波器后信号);%判决器k=0.25;pdst=1*(dst0.25);subplot(515)plot(t,pdst)axis(0 1.2 -0.2 1.2);title(经过抽样判决后信号)%频谱观察%调制信号频谱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(调制信号频谱)%信源频谱mf=fftshift(abs(fft(m);subplot(412)plot(f,mf)title(信源频谱)% 乘以相干载波后频谱mmf=fftshift(abs(fft(nst);subplot(413)plot(f,mmf)title(乘以相干载波后频谱)%经过低通滤波后频谱dmf=fftshift(abs(fft(dst);subplot(414)plot(f,dmf)title(经过低通滤波后频谱); 二、2FSK调制解调频移键控是利用载波频率来传输数字信号，在2FSK中，载波频率伴随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间改变，频移键控是利用载波频移改变来传输数字信息。在2FSK中，载波频率随基带信号在f1和f2两个频率点间改变。故其表示式为：经典波形以下图所表示。由图可见。2FSK信号能够看作两个不一样载频ASK信号叠加。所以2FSK信号时域表示式又能够写成：2FSK数字系统调制原理2FSK调制就是使用两个不一样频率载波信号来传输一个二进制信息序列。能够用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频w2已调波形，而这个能够用受矩形脉冲序列控制开关电路对两个不一样独立频率源w1、f2进行选择通。以下原理图：2FSK解调方法2FSK解调方法有两种:相干解调方法和非相干解调方法.下面我们将具体介绍:1 非相干解调经过调制后2FSK数字信号经过两个频率不一样带通滤波器f1、f2滤出不需要信号，然后再将这两种经过滤波信号分别经过包络检波器检波，最终将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲，最终解调出来信号就是调制前输入信号。其原理图以下图所表示：2 相干解调依据已调信号由两个载波f1、f2调制而成，则先用两个分别对f1、f2带通滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后信号和对应载波f1、f2相乘进行相干解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。原理图以下：Matlab程序实现Fc=150; %载频 Fs=40; %系统采样频率 Fd=1; %码速率 N=Fs/Fd; df=10; numSymb=25;%进行仿真信息代码个数 M=2; %进制数 SNRpBit=60;%信噪比 SNR=SNRpBit/log2(M);%60 seed=12345 54321; numPlot=15; x=randsrc(numSymb,1,0:M-1);%产生25个二进制随机码 figure(1) stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);%显示15个码元，杆图，从x前十五个随机数中选择 title(二进制随机序列) xlabel(Time); ylabel(Amplitude); %调制 y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,fsk,M,df);%数字带通调制 numModPlot=numPlot*Fs; %15*40 t=0:numModPlot-1./Fs;%数组除法（仿真时间） figure(2) plot(t,y(1:length(t),b-); axis(min(t) max(t) -1.5 1.5); title(调制后信号) xlabel(Time); ylabel(Amplitude); %在已调信号中加入高斯白噪声 randn(state,seed(2); %生成-2到+2之间随机数矩阵 y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),measured,dB);%在已调信号中加入高斯白噪声 figure(3) plot(t,y(1:length(t),b-);%画出经过信道实际信号 axis(min(t) max(t) -1.5 1.5); title(加入高斯白噪声后已调信号) xlabel(Time); ylabel(Amplitude);%相干解调 figure(4) z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye,M,df); title(相干解调后信号眼图) %带输出波形相干M元频移键控解调 figure(5) stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx); hold on; stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),ro); hold off; axis(0 numPlot -0.5 1.5); title(相干解调后信号原序列比较) legend(原输入二进制随机序列,相干解调后信号) xlabel(Time); ylabel(Amplitude); %非相干解调 figure(6) z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye/noncoh,M,df); title(非相干解调后信号眼图) %带输出波形非相干M元频移键控解调 figure(7) stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx); hold on; stem(0:numPlot-1,z2(1:numPlot),ro); hold off; axis(0 numPlot -0.5 1.5); title(非相干解调后信号) legend(原输入二进制随机序列,非相干解调后信号) xlabel(Time); ylabel(Amplitude);%误码率统计 errorSym ratioSym=symerr(x,z1); figure(8) simbasebandex(0:1:5); title(相干解调后误码率统计) errorSym ratioSym=symerr(x,z2); figure(9) simbasebandex(0:1:5); title(非相干解调后误码率统计) %滤除高斯白噪声 Delay=3;R=0.5;PropD=0; %滞后3s yf,tf=rcosine(Fd,Fs,fir,R,Delay); %升余弦函数 yo2,to2=rcosflt(y,Fd,Fs,filter,yf); %加入高斯白噪声后已调信号和经过升余弦滤波器后已调信号 t=0:numModPlot-1./Fs; figure(10) plot(t,y(1:length(t),r-); hold on; plot(to2,yo2,b-);%滤出带外噪声 hold off; axis(0 30 -1.5 1.5); xlabel(Time); ylabel(Amplitude); legend(加入高斯白噪声后已调信号,经过升余弦滤波器后已调信号) title(升余弦滤波前后波形比较) eyediagram(yo2,N);%眼图 title(加入高斯白噪声后已调信号眼图)仿真结果 三、2psk信号调制解调2psk信号调制不能采取包络检测方法，只能进行相干解调，其原理框图以下：不考虑噪声时，带通滤波器输出能够表示为y(t)=cos(wct+n)式中n为2psk信号某一码元初相。n=0时，代表数字“0”， n=时，代表数字“1”。和同时载波COSwct相乘后，输出为Z(t)=COS(wct+n) COSwct=1/2cosn+1/2cos(2wct+n)经过低通滤波器滤除高频分量，得解调输出为依据发送端产生2psk信号时n代表数字信息1或0要求，和接收端x（t）和n关系特征，抽样判决器判决准则为其中，x为x（t）在抽样时刻值。2psk信号相干解调过程实际上就是输入已调信号和当地载波信号进行极性比较过程，故常称为极性比较解调。Matlab程序实现clear ;close all; fs=8e5; %抽样频率fm=20e3; %基带频率n=2*(6*fs/fm);final=(1/fs)*(n-1);fc=2e5; % 载波频率t=0:1/fs:(final);Fn=fs/2; %耐奎斯特频率 %用正弦波产生方波twopi_fc_t=2*pi*fm*t; A=1;phi=0;x = A * cos(twopi_fc_t + phi); % 方波am=1;x(x0)=am;x(x= vt Vs(ii)=High; else Vs(ii)=Low; endendVo=Vs;subplot(325);plot (t,Vo), title(解调后输出信号),axis(0 2e-4 -5 5)grid on;xlabel(时间 (s), ylabel(幅度(V)仿真结果