学士学位论文—-数字通信系统的性能分析.doc

题 目 数字通信系统的性能分析
学生姓名 学号
所在学院 物理与电信工程学院
专业班级 通 信 工 程 专 业 1201 班
指导教师
完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室

2016年6月5日

毕业论文﹙设计﹚任务书

院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1201班 学生姓名
一、毕业论文﹙设计﹚题目 数字通信系统的性能分析
二、毕业论文﹙设计﹚工作自2016年1月10日 起至2016年6月15日止
三、毕业论文﹙设计﹚进行地点: 物电学院南区实验室
四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：
数字通信系统是非常复杂和庞大的大规模系统，在各种噪声和干扰的存在下，一般很难通过解析的方法求得系统的精确数学描述。在这种情况下系统仿真分析就成为了一个极为有效的方法。本次毕业设计运用仿真软件结合三种传输码实现四种调制解调技术下的不同信道环境的数字通信系统的性能分析。
本次毕业设计要求：
1.掌握数字通信系统的工作原理；
2.利用仿真软件搭建数字通信系统；
3.对各种不同条件下的数字通信系统性能进行测试；
4.对测试结果进行分析；
5.完成毕业论文。
本次毕业设计进度安排：
1月10日─3月1日：理解课题查阅资料掌握数字通信系统的工作原理。
3月2日─4月1日：提交英文翻译、整理并提交开题报告。
4月2日─5月1日：完成系统的软件仿真并进行期中检查。
5月2日─5月30日：对对测试结果进行分析，准备验收，提交毕业设计论文初稿。
6月1日─6月15日：修改毕业设计论文，提交论文终稿并进行毕业设计答辩。

指 导 教 师 系(教 研 室)
系(教研室)主任签名 批准日期
接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名

数字通信系统的性能分析

（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业 2012级1班，陕西 汉中 723003）
指导教师

[摘要]数字调制技术是通信系统中最主要的一项技术，也是提高通信系统性能的重要途径。本次设计运用MATLAB软件的仿真环境Simulink搭建了2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK的仿真模型；分析这四种不同数字调制分别在高斯、瑞利、莱斯信道环境下的误码率与频谱性能。最后得出结论，同种信道下的误码率2PSK<2DPSK<2FSK<2ASK.设备复杂度上2FSK最复杂，2DPSK要比2PSK简单。由于2ASK存在最佳判决门限，因此对信道最敏感。
[关键词]MATLAB;Simulink;调制;解调

Performance analysis of the digital communication system

(Grade 2012,Class1,Major of Communication Engineering ,Dept of  Electrinics and Information Engineering Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shaanxi)
Tutor:Wei Rui

Abstract：Digital modulation technology is one of the most main technology in communication system, also is the important way to improve the performance of communication system. This design using the MATLAB software Simulink simulation environment set up 2ASK, 2FSK, 2PSK and 2DPSK simulation model; analysis the four different modulation respectively in Gauss and Rayleigh, Rician channel bit error rate and the spectral properties of environment. Finally come to the conclusion that the bit error rate under the same channel 2PSK < 2DPSK < 2FSK < 2ASK. Equipment complexity on 2FSK the most complex, 2DPSK than 2PSK is simple. Because 2ASK best decision threshold, so the most sensitive to channel.
Key words：MATLAB;Simulation; modulation ; demodulation

目 录
引言 1
1.研究方案 2
1.1 研究目标 2
1.2 方案设计 2
1.3 方案分析与选择 4
1.4 软件介绍 5
2.四种数字调制解调方式的原理 6
2.1 2ASK调制与解调原理 6
2.2 2FSK调制与解调原理 7
2.3 2PSK调制与解调原理 8
2.4 2DPSK调制与解调原理 9
3.仿真与分析 11
3.1 2ASK系统 11
3.1.1 2ASK系统的仿真建立 11
3.1.2 2ASK系统模块参数的设置 11
3.1.3 2ASK仿真结果 12
3.2 2FSK系统 14
3.2.1 2FSK系统的仿真建立 14
3.2.2 2FSK系统模块参数的设置 14
3.2.3 2FSK仿真结果 15
3.3 2PSK系统 18
3.3.1 2PSK系统仿真的建立 18
3.3.2 2PSK系统模块参数的设置 18
3.3.3 2PSK仿真结果 19
3.4 2DPSK系统 21
3.4.1 2DPSK系统的仿真建立 21
3.4.2 2DPSK系统模块参数的设置 22
3.4.3 2DPSK仿真结果 23
3.5 总体分析 25
3.5.1 频谱分析 25
3.5.2误码率分析 28
4.结束语 31
致谢 32
参考文献 33
附录A:外文文献原文 34
附录B:外文文献译文 38
附录C:2ASK调制解调仿真模块电路图 41
附录D:2FSK调制解调仿真模块电路图 42
附录E:2PSK调制解调仿真模块电路图 43
附录F:2DPSK调制解调仿真模块电路图 44

陕西理工学院毕业设计
引言
随着数字通信系统复杂性增加，传统的手工分析和电路板试验分析设计方法已不能适应发展的需求，通信系统计算机的模拟仿真技术日益显示出它巨大的优越性。计算机仿真是一种根据被研究的真实系统模型，利用计算机进行实验研究的方法.它具有费用低，操作方便，结果可见性强，易于实现真实系统难以解决的试验等大量优点[1]。现在，作为有效分析通信系统常用的仿真工具之一是matlab软件。
一方面，现代社会发展要求数字通信系统功能越来越强,性能越来越好,构成越来越复杂；但是，另一方面,要求数字通信系统技术研究和产品开发周期缩短,成本降低,水平提高。这样对立的两个方面的要求,只有用强大的计算机辅助分析技术和工具满足。这些新出现的具有强大功能的仿真软件,使通信系统的仿真设计和分析过程变得更加直观和方便,因此也使数字通信系统仿真技术得到了更快更好的发展。
本次毕业设计论文主要分成四个部分：
第一部为研究方案，方案设计，方案选择，软件介绍；
第二部分是对2ASK，2FSK,2PSK,2DPSK的调制解调原理的简单介绍；
第三部分是对2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK仿真设计的具体介绍，以及仿真结果的分析和四种数字调制解调方式在不同噪声下的误码率总体分析；
第四部分为结束语，总结在设计过程中遇到的问题及感悟；

1.研究方案
1.1 研究目标
(1)设计一个具体的2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK调制与解调系统。
(2)该系统针对四种情况下的数字调制解调系统仿真。
(3)该系统在上步基础上通过三种信道情况下的调制解调系统仿真。
(4)观测数字调制解调中时域和频域波形图。
(5)对仿真结果的频谱特点与误码率情况进行分析。
1.2 方案设计
方案一：基于单片机的调制解调方案设计
用集成电路构建调制解调器是一个相对较好的方案，但是难以应用于线路干扰强的场合。用单片机来实现数字信号的调制解调，不仅其结构简单，而且实用性强。
由频率调制器产生不同的频率信号，常常在二进制中用和两种不同频率，其代表码元“0”，代表码元“1”。调制器的输出频率由调制信号的码元频率决定，它有频率选择法、数字调频法和调频法三种[2]。频率选择法的优点是是输出频率准确稳定，缺点是相位不连续，容易产生带外辐射会影响邻近的信道信号。调频法相位虽然连续，但是频率精度低，稳定性较差，容易受外界环境变化，当外界条件发生变化时，调频法很容易产生频率漂移。数字调频法很好的解决了上述问题，同时又兼有其它两种频率选择法的优点。因此，在单片机方案设计中，我选择数字调频法。其数字调频法的原理框图如图1.1所示。
晶振

D/A
固定分频
可变分频

脉冲形成
信号

调制数据输入
图1.1 基于单片机调制原理框图
在单片机中，信号的解调就是从载波信号中恢复出原始基带信号，其方法分为相干解调和非相干解调。其中，在单片机中易于实现非相干解调，所以，通常使用的是非相干解调方式，其原理框图如图1.2所示。

带通滤波器
整形
鉴频
判决
载波 原始基带信号

图1.2 非相干解调原理框图
实现信号解调涉及的技术难度问题都比较大，一般用带通滤波器、倍频器、锁相环等，电路较复杂一些。
方案二：基于FPGA的调制解调方案设计
基于FAPGA的调制解调系统仿真里面，在调制解调中，它的设计比较灵活。该方案设计也是基于键控法设计调制模块，利用过零检测法实现其解调模块，使其在最后输出原始基带信号[3]。在这个FPGE设计中，它的原理上输出的信号和基带信号是一致的，也满足整个设计要求，且整个系统还具有较高的稳定性。
在调制模块中，是由两个分频器，两个载波和选通开关组成的。其具体实现调制的原理框图如图1.3所示。

clk
start
载波2

分频器2

已调信号

二选一
选通开关
载波1
分频器1
基带信号

图1.3 基于FPGA调制原理框图
基于FPGA的解调中，分频器是一种基本电路，通常用来对某个频率进行分频得到所需的频率，整数分频器可采用计数器设计实现。判决器是对到来的码元按照判决门限进行判决[4]。其具体的解调原理框图如图1.4所示。

clk
start
寄存器
判决
计数器
分频器
基带信号
基带信号

图1.4 基于FPGA解调原理框图
方案三：基于MATLAB的仿真方案设计
常用的解调方式有很多种，包括相干解调、非相干解调（包络检测法）、过零检测法和差分检波法等。
1. 非相干解调法，具体原理框图如图1.5所示。
带通滤波器1
抽样脉冲
带通滤波器2

抽样判决
包络检波器

包络检波器

图1.5 非相干解调法原理框
2.相干解调法，具体原理框图如图1.6所示。
低通滤波器2
带通滤波器2
带通滤波器1
低通滤波器1
相乘器
相乘器
抽样判决器

抽样脉冲

图1.6 相干解调法原理框图
3.过零检测法，具体原理框图如图1.7所示。
脉冲展宽
抽样判决
限幅
BPF
整流
微分
低通

图1.7 过零检测法原理框图

1.3 方案分析与选择
方案一：单片机方案分析
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模的集成电路技术把具有数据处理能力的系统集成到一块硅片上，构成一个虽然小却很完善的计算机系统。其特点如下：
优点:（1）系统结构简单，使用方法简单，易于模块化；
（2）单片机可靠性高；
（3）处理功能强，速度快；
（4）控制功能强，环境适应力强。
缺点:（1）运行速度慢是因为集中指令结构，而且芯片为了抗干扰采用了12分频法；
（2）所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱；
（3）芯片里面的P0口没有上拉电阻；
（4）芯片不能定义成内部复位方式，只能用外部微分电路复位；
（5）功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。
方案二： FPGA方案分析
FPGA是一种现场可编程门阵列，设计方法灵活，可以设计成各种逻辑功能。它也可以嵌入各种CPU中作为处理器。新型FPGA可以用内部乘法器/寄存器/内存块构造软核。其特点如下：
优点：（1）设计周期较短，逻辑单元相对灵活；
（2）集成度高；
（3）可实现较大规模的电路；
（4）编程很灵活。
缺点：（1）功耗较大；
（2）系统突然断电后，数据不能自动存储，导致编程数据信息丢失；
（3）保密性相对较差，使用方法却很复杂。
方案三： MATALB方案分析
MATLAB软件主要包括MATLAB和Simulink两大部分。其特点如下：
优点：（1）在计算要求相同时，MATLAB编程工作量大大减小；
（2）MATLAB工具包大多是现成的，易于寻找，调用十分方便；
（3）在各类仿真中，MATLAB是主要解决电子信息中的问题，可以做出仿真结果；
（4）计算功能较强大，同时运行速度快，输出结果精度高；
（5）编写程序简单，易懂。
缺点：在与其他数学软件相比较的话，最主要的缺点有两点，分别是：
（1）循环的执行速度、符号计算功能比较弱；
（2）参数设置比较困难；
（3）价格比较贵。
方案选择：我在本次设计中，将借助于MATLAB平台来完成2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK调制解调系统仿真。原因有以下几点：
（1） 考虑到实现软件功能的灵活性，方便，电路的复杂度，预采用MATLAB实现；
（2） 在实际情况中，由于要观察各个时期的波形变化和误码率观察，特别是频谱特性的观察。在硬件电路中它的元器件多，波形在调制解调时也容易失真难以观察，但在软件中就很容易实现的。
（3） 在硬件电路中，多进制频移键控是很难完成的，可以想象其在调试阶段是多么的困难。
（4） 最主要的是由于自身的原因。一方面，自己本来就在硬件方面是弱项，再加上做硬件的不可能一次两次就成功的，这是需要不停地调试。另一方面，在仿真这块，我们接触的最多的就是MATLAB仿真，在Simulink环境中搭建模块的话比较便捷，并且可以达到毕设的要求，美中不足的就是参数设置不太好调试。
综上所述，由于多种原因，自己会采用基于MATALB的Simulink环境下进行不同的调制解调系统仿真与分析。
1.4 软件介绍
MATLAB简介：MATLAB是美国MathWorks公司出品的一款用于系统仿真、算法开发、数据分析、数值计算的高级技术计算语言和交互式环境的商业数学软件，其主要包括MATLAB和Simulink两大部分[5]。
Simulink是MATLAB的软件包，它的功能主要是实现动态系统仿真模型构建与分析。Simulink同时支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统的建模，simulink提供了相对齐全的仿真模块。可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试相应控制模块的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤为：选择所需的基本功能模块，构建系统结构图模型，设置模块参数，进行动态仿真，观测仿真结果，对输出结果进行比较分析[6]。

2.四种数字调制解调方式的原理
2.1 2ASK调制与解调原理
二进制数字幅度键控记作2ASK。2ASK用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的正弦载波，从而使载波时断时续输出。发送“1”表示有载波输出，发送“0”表示无载波输出[7]。根据二进制幅度调制原理，其信号可表示为：
(2.1)
式中，表示载波角频率，s(t)表示单极性NRZ矩形脉冲序列
（2.2）
其中，称为持续时间为、高度为1的矩形脉冲门函数；为二进制数字序列。
设发送的二进制符号序列由0，1组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立[8]。则该二进制符号序列可表示为：

其中: （2.3）

（2.4）
（2.5）
则二进制振幅键控信号可表示为：
 （2.6）
二进制振幅键控信号的产生方法如图2.1所示，图2.1(a)采用模拟相乘的方法实现，图2.1(b)采用数字键控的方法实现。

开关电路

乘法器
二进制乘法器
乘法器
乘法器

不归零信号

乘法器
乘法器
s(t)
(a) 模拟相乘法 （b）数字键控法
图2.1 二进制振幅键控信号产生方法

2ASK信号解调的常用方法主要有两种：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。 其原理方框图如图2.2所示。

带通滤波器
全波整流器
低通滤波器
抽样判决器
b c d

输出
定时
脉冲
（a）非相干解调方式

相乘器
带通滤波器
抽样判决器
低通滤波器
输出

定时脉冲

（b）相干解调方式
图2.2 二进制振幅键控信号解调器的原理方框图
对于依靠振幅来识别信码的2ASK调制方法，噪声一直是很大的问题，噪声大，则导致误码率增大，从而影响2ASK的应用。
2.2 2FSK调制与解调原理
在二进制数字调制中，若载波频率随基带信号在和两个频率间变换，则产生二进制频移键控信号（2FSK信号）[9]。
在二进制中基带信号当中，我们通常用数字1代表频率为的载波，用数字0代表频率为的载波。
当发送“1”时的时域表达式为 （2.7）
当发送“0”时其时域表达式为 （2.8）
根据2FSK信号的产生原理，已调2FSK信号表示为（2.9）所示。
（2.9）
其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列为（2.10）所示。
（2.10）
g(t)表示为持续时间为、高度为1的门函数；
为对逐码元取反而形成的脉冲序列，即式为（2.11）所示。
（2.11）
是的反码，即若，则；若，则，于是式为（2.12）所示。
（2.12）
二进制频移键控产生方法如图2.1所示，在键控法实现2FSK时，和是两个独立的载波频率，在基带脉冲到来时会输出一个载波频率，即实现2FSK信号的调制。模拟法调制产生的2FSK 相连码元信号相位是连续变化的，而键控法产生的2FSK信号在两个独立的频率间进行转换，因此其相邻码元之间的相位是不连续的[10]。

模拟调制器
键控法调制器
输入 输出 输入 输出

（a）模拟法 (b)键控法
图2.3 2FSK信号调制方法
二进制频移键控采用非相干解调、相干解调和过零检测法的原理框图如图2.4、2.5所示。
带通滤波器1
包络检波器
抽样脉冲
包络检波器
带通滤波器2
抽样判决器

图2.4 非相干解调法原理框图

带通滤波器2
带通滤波器1
低通滤波器1
低通滤波器2
相乘器
相乘器
抽样判决器

抽样脉冲

图2.5 相干解调法原理框图

2.3 2PSK调制与解调原理
二进制相移键控是利用载波的相位变化传递数字信息，而频率和振幅保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为
（2.13）
式中：---第n个符号的绝对相位。，发送0时；，发送1时。
2PSK调制方法主要有两种：模拟调相法和键控法（相位选择法）。

双极性不归零 开关电路

乘法器
码型变换
0

180°移相

（a）模拟调制方法 （b）数字键控方法
图2.6 二进制相移键控信号的调制原理图
2PSK信号解调方法为相干解调法。图2.7是一种2PSK信号相干接收设备的原理框图。2PSK信号经过带通滤波后在相乘器中与正弦载波相乘，然后用低通滤波器滤除其高频分量，再进行抽样判决[8]。
2PSK信号的解调原理方框图如下:

相乘器
抽样判决器
低通滤波器
带通滤波器
a c d

b 输出e

图2.7 2PSK信号的解调原理框图
2.4 2DPSK调制与解调原理
2PSK调制是将传输的数字码元“1”用初始相位为180°的正弦波表示，而数字码元“0”用初始相位为0°的正弦波表示[7]。若设是传输数字码元的绝对码，则2PSK已调信号在任一个码元时间内的表达式为
（2.14）
若将传输数字码元的绝对码先进行差分编码得相对码，其差分编译码如下：
差分编码为 （2.15）
差分译码为 （2.16）
再将相对码进行2PSK调制，则所得到的为2DPSK已调信号，其在任一码元时间内的表达式为
（2.17）
差分编码移相2DPSK，其抗噪性能和信道频带利用率均优于移幅键控(ASK)和移频键控(FSK)，在实际的数据传输系统中得到广泛应用[10]。2DPSK调制解调系统的原理框图如图2.8
差分编码
低通滤波
调相
带通滤波
相乘
抽样判决
差分解码
分频
晶振
+
信号输入

输出
噪声
图2.8 2DPSK调制解调系统原理框图

在这种绝对移相方式中，发送端是采用某一个相位作为基准，所以在系统接收端也必须采用相同的基