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。

图3.1数字通信系统模型

3.1.1仿真框图

MATLAB提供的图形界面仿真工具Simulink由一系列模型库组成，包括Sources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）,Blocksets&Toolboxes其他环节）。特别是在Blocksets&Toolboxes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：信号的产生与输出、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3.2所

示的模型:

图3. 2数字调制系统仿真框图

3.1.2信号源仿真及参数设置

Simulink 通信工具箱中的Comm Sources/Data Source 提供了数字信号源

Bernoulli Bin ary Ge nerator ,这是一个按Bernoulli 分布提供随机二进制数字信号的 通用信

号发生器。在现实中，对受信者而言，发送端的信号是不可预测的随机信 号。因此，我们在仿真中可以用Bernoulli Bin ary Gen erator 来模拟基带信号发生器。 其中主要参数的含义为：

Probability of a zero :产生的信号中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；

Initial seed :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Initial seed 设置不同的值；

Sample time ：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 Symbol period 保持

一致。

3.1.3调制与解调模块

Simulink 通信工具箱中提供了数字信号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-DPSK Modulator Passba nc 和 M-DPSK Demodulator Passba nd 分别是数字

信号DPSK 调制和解调的专用模块，其中主要参数有：

M-ary number ：输入信号的阶次数，比如2-DPSK 就是2阶的； Symbol period:符号周期，即，一个符号所占的时间，这必须与信号源的

Sample time 保 持一致；

Carrier freque ncy:载波频率；

Carrier initial phase：载波的初始相位；

In put sample time：输入信号的抽样时间；

Output sample time：输出信号的抽样时间。

其中，各参数要满足以下关系：

Symbol period >〔/(Carrier freque ncy)

In put sample time < 1/[2*Carrier freque ncy + 2/(Symbol period)]

(3 1)

Output sample time <1/[2*Carrier freque ncy + 2/(Symbol period)] '

3.1.4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：AWGN Channe。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：

Initial seed：控制随机数产生的参数，要求不小于30，且与前面信号源中的

Ini tial seed设置不同的值；

Es/No (dB):信号每个符号的能量与噪声的功率谱密度的比值；

SNR (dB)：信号功率与噪声功率的比值；

注：Es/No (dB)和SNR (dB)是表征信号与噪声关系的两种方法，在一次仿真中只能选择其中一个。

3.1.5误码计算仪

信号经过信道后，由于噪声的干扰，在接收端可能出现误码，Simuli nk中

提供了Error Rate Calculation模块来计算误码率，其主要参数的设置为：

Receive delay接收延迟，表明在计算误码率时接收到的信号比源信号延迟的码元数，便于准确计算

Output data：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：Work space和Porto将数据输出到Work space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)；

Variable name：变量名称，该参数只有在前面选择了Work space后才有用，它决

定数据输出到 Wok space 后的名称，默认值为ErrorVec 。

3.1.6示波器

在仿真过程中，必须观察各个环节的时域和频域波形，因此，必须在各个

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

Work space 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。

3.2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。

3.2.1 2-ASK

通常，二进制振幅键控信号（2-ASK ）的产生方法（调制方法）有两种，如 图3.3所示：

2-ASK 解调的方法也有两种相应的接收系统组成方框如图 3.4所示:

s (t)

(a) (b)

图3.3 2-ASK 信号产生的两种方法

输 2- BPF

命出

全波或半波楚流

定时脉冲

佃｝非相千跟枚

输入

〔时相千接收

图3.4 2-ASK 信号接收系统组成框图

根据3.3 (a )所示方框图产生2-ASK 信号，并用图3.4 (b )所示的相干解调 法来解调，设计2-ASK 仿真模型如图3.5所示：

Glu?Jh SirHUjuv

在该模型中，调制和解调使图了同一个载3模型 目的是为了保证相干解调的同 频同相，虽然这在实际运用中是不可能实现的， 但是作为仿真，这样能获得更理 想的结果。

主要模块参数设置如下:

1. Bernoulli Bi nary Gen erator 的参数设置为: Probability of a zero : 0.5 Initial seed : 67 Sample time ： 1

2. 载波频率设为：50 (可调)

3. Sample and Decide 模块是一个子系统，其内部结构由抽样和判决两部分 组成，

其中，抽样由同步冲激信号(Sychronizing signal)完成，其参数period(sec ) 设置和信号源的参数Sample time 保持一致。判决模块是一个由M 文件编写的S 函 数，S 函数是Simulnk 中用以功能扩展的一个功能，用S 函数可以自己编制Simulink 库中没有的Simulink 模块，从而使Simulink 的功能大大加强，本模型中使用的判 决模块就是这样一个应用，其 M 文件详见附录［9］。Sample and Decide 模块内部 结构如图3.6所示：

3ein ：Duli

Br^nr

轴曲杷]

SoapBl

?匚

Gu^i2

Set 圈

PraiJCt G 』闽劭Nc 鱼

Gtncuio*

ATIJI og fiHei Oidgiil

Pfiidurtl

tor

'A

>hi Quii

* 髄 kuLiiicr

上 nmlog Sjinple wild D riliti

[>B5icD

ErrviRjti ：

Cd (UlJtiO'

Ssp-

Andkig Filter &esigrk2

Bern mil

十匚

SuzipeJ

图3.6 Sample and Decide子系统内部结构

5. Error Rate Calculatio n 的参数设置：

Receive delay 2

Output data： Work space

Variable name： ErrorVec

仿真结果时域分析

设信息源发出的是由二进制符号0、1组成的序列，且假定0符号出现的概率为P，1符号出现的概率为1-P，他们彼此独立。贝U, 2ASK信号的时间表示式为：

(32)

s(t)为随机的单极性矩形脉冲序列。

将图3.5中各示波器的值输出到Work space中做统一处理(处理程序见附录[2]),各环节波形如图3.7所示;

从图3.7中可以看出，经过调制后的信号波形在符号1持续时间内是载波

的波形，在符号0持续时间内无波形，这与式（3.2）是完全吻合的。最后经过解调和抽样判决出来的信号与源信号波形大体一致，只是有两个码元的延迟，这

说明如果将Error Rate Calculation的Receive delay参数设置为2，则此模型最后的误码率为0。这个值与理论值有些出入，原因是我们在仿真时为了便于观察信号的波形，将信号源发送的码元数设定为20个（码元速率为1,仿真时间20秒），这大大低于现实中的传码率，所以在只传送20个码元的情况下，误码率为0是

可能的。

仿真结果频域分析

由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,?所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。

2ASK的功率谱密度为

4 （3.3）

又因为G ⑴哗屈 当概率P=0.5时，2ASK 的功率谱密度可进一步整理为

J 5

T \

- -1

pw -旳+呵+创|

16

由式（3.4）可知，2-ASK 信号的中心频谱被搬移到了载波频率 仁上。对图

3.7中各环节数据做1024点快速傅立叶可得频域波形，如图 3.8所示:

图3.8 2-ASK 各环节频谱图

从图3.8中可以看到，源信号中心频率经调制后搬移到了载波频率上，这与 公式（3.4）是相符的。最后经过抽样判决后的频谱与源信号频谱也大体一致， 说明该2-ASK 仿真模型是成功的、符合理论的。

3.2.2 2-FSK

如果信号源同2-ASK 一样的假设，那么，2-FSK 信号便是0符号对应于载

波3 1，而1符号则对应于3 2（与31不同的另一载波）的已调波形，而且 31 与3 2之间

的改变是瞬间完成的。2-FSK 信号的产生如图3.9所示：

+扌（1-尸产卜（厂人）+旳+人）］

16

(3.4)

1-3

抽择判决陌的频谱

滤波启的频谱

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 模块能方

便的产生2-FSK 信号。因此，设计2-FSK 仿真模型时，只需根据图3.2 所示框图，利用

Simulink 通信工具箱中中的FSK 调制解调模块及信号源与信道 即可。设计的2-FSK 仿真模

型如图3.11

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：

1?信号源参数设置同2-ASK ;

■

―

升关

栽波

s(l) = l

模拟恥⑴丿 F 调制器'

图3.9 2-FSK 信号产生方法

(f'i

2-FSK 信号最常用的解调方法是采用的相干检测法，如图 3.10所示

输入

Cos32t

:图3.10 2-FSK 相干解调的方法

图3.11 2-FSK 仿真模型

2. M-FSK Modulator Passba nd及M-FSK Demodulator Passba nd

根据公式（3.1）所示的调制解调模块所满足的关系，设置参数如下:

M-ary number：2

Symbol period (s)：1 (与Berno ulli Bi nary Gen erator/ Sample tim「致) Freque ncy separati on (Hz) 1 (可调)

Carrier frequency (Hz)：30 (可调)

Carrier initial phase (rad)：0

In put sample time(s)： 1/100

Output sample time(s) 1/100

3. AWGN Cha nnel:

In itial seed：120 (与Bernoulli Bin ary Gen erator/ I nitial seed 不同)；

Mode：SNR(dB)

SNR (dB): 10 (可调)

4. Error Rate Calculatio n 的参数设置：

Receive delay 3

Output data： Work space

Variable name： ErrorVec2

仿真结果时域分析：

根据上述2-FSK信号产生原理，已调信号的时间表达式可表示为：

(3.5)

由式（3.5）可看出2-FSK 信号是由两个2-ASK 信号相加而成的

将图3.11中各示波器的值输出到 Work space 中做统一处理（处理程序见附 录［3］）,其中源信号、调制后信号及解调后信号波形如图

3.12所示:

图3.12 2-FSK 源信号、调制后信号及解调后信号波形

由图3.12可知，调制后信号波形由两种频率不同的波形组成，且两种频率分 别对应解调后信号的符号0和符号1,即2-FSK 信号波形可以看作是由两个2-ASK 信号相加而成的，这与式（3.5）完全相符。

另外，源信号波形与解调后信号波形只是在时间上有 3

个单位的延迟，如果

（a ）源信号波形

（b ）调制后信号波形

打鼻询制；解调后

（c ）解调后信号波形

将Error Rate Calculator的Receive delay参数设置为3,则此模型最后的误码率为0。原因同2-ASK分析。

仿真结果频域分析

改变Freque ncy separation （Hz和Carrier freque ncy （Hz）两个参数的值单独观察调制后的频谱，获得图3.13中的两个频谱图

频域波形

（a）:载波差值：1 载波为30

（b）::载波差值：5 载波为20

图3.13 2-FSK调制后频谱

对比图3.13（a）和（b）可知，当两个载波差值很小时，已调信号的频谱呈现单峰如（a）图；当两个载波差值较大时，已调信号的频谱呈现双峰如（b）图,这与2.2节中阐述的2-FSK频谱的特点完全相符。

仿真结果的分析说明该2-FSK仿真模型是可行的。

3.2.3 2-DPSK

2-PSK和2-DPSK调制的原理是相同的，2-DPSK可以看作是相对码的2-PSK调制，在仿真数字调制系统时，我们并不关心基带信号的码型，因此，

在仿真时去掉了编码和解码环节，同样，这里也可将2-PSK 和2-DPSK 当作同 一种调制方式来仿真，因此，我们只仿真

2-DPSK 。

和2-FSK 一样我们也用Simulink 通信工具箱提供的现成 DPSK 调制解调 模块来构建仿真模型，并由M 文件编制程序对仿真结果进行统一处理。2-DPSK 仿真模型如图3.14所示：

图3.14 2-DPSK 仿真模型

主要模块参数设置如下：

将信号源的Sample time 设为1/2，仿真观察40个码元，调制解调模块中 的Symbol period （s ）也相应设成1/2，其余参数可参照2-FSK ，两者参数类似＜ 仿真结果分析：

2-DPSK 信号的时间表达式为：

（3.6）

若在某一码元持续时间Ts 内观察时，（2.3-1）可以简写为: cos %￡■ 慨率为P

-2$琢概率为（1-鬥

或以相反的形式。

将图3.14中各示波器数据做统一处理，得到各环节时域频域对比图如图 3.15

所示，仿真结果处理程序见附录[4]

（3.7）

2.3-2

图3.15 2-DPSK 各环节时域频域波形

从上图可以看出，调制后的信号波形由两种相位不同的波形组成， 而且两种

波形是反相的，即相位相差180度，这与式（3.7） —致。解调后的时域波形和 源信号相比，不仅有一个码元的延迟，而且第一个码元由 1变成了 0,出现了误

码，由误码计算仪的计算数据可知，该系统在传送

40个码元的情况下误码率为

0.025,这是一个理论上和现实中都可以接受的值。

将式（3.6）与式（3.2）比较可见，2-ASK 和2-DPSK 时间表达式形式完全 相同，所不同的只是an 的取值，因此，两者的频域波形也相似。将图

3.15中的

2-DPSK 信号调制后频谱与图3.8中的2-ASK 信号调制后频谱比较也可得出相同 结论。 3.2.4 2-MSK

2-MSK （最小频移键控）是2-FSK 信号的改进型，其Simulink 仿真模型如图3.16

所示

30

10

D _ A^VVJ .

■600 300 l &D 300-

3C,一' 30

10

-40D

-20U L GO □山 CD

EUU

幣调石師頻書

［匕 童1:奩師伫鸭塔哨回

200

一丿伽』I

4C0 0

200 ilOT E 们

I.

2IT 1C D

■400 -20J I 10D i （D GOO

.袴忖牽蚯萤雷口宜虹讲

4D0 200 0 200 dOO EOJ

词哉常眄切缱

』塔1 ---- i -------- ： ---- ： -----

□ & 1C 恬 2D

主要模块参数设置如下：

将信号源的Sample time 设为1/2,仿真观察40个码元，调制解调模块中的

Symbol period (s)也相应设成1/2，其余参数可参照2-FSK ，两者参数类似。 Error Rate Calculatio n 的参数设置：

Receive delay 3

仿真结果时域分析：

各环节时域对比图如图3.17所示，仿真结果处理程序见附录 ⑸

从上图可以看出，MSK 信号波形的振幅非常稳定，而图 3.12中2-FSK 信号 波形的振幅有些波动。这说明MSK 的相位比2-FSK 稳定，相移较小，这与MSK 的定义是相符的。另外，解调后的时域波形和源信号相比， 除了有5个码元的延 迟外，其信号波形与源信号波形是一致的，这说明 2-MSK 调制性能较好。

Passband

图3.16 2-MSK 仿真模型

绘过咼所f 言道后泊渡形 相于解调后的肢号

仿真结果频域分析

从上图可以看出，与其他调制方法相比，MSK信号的频谱比较紧凑，在主瓣之外，频谱旁瓣的下降非常迅速。这说明MSK信号的功率主要包含在主瓣之内。因此，MSK信号比较适合在窄带信道中传输，对邻道的干扰也较小。

325 M-DPSK

M-DPSK是多进制相对移相键控调制，用Simulink构建的M-DPSK仿真系统

可一通过改变M的值来选择调制进制，如2、4、8等，模型如3.19所示，

图3.19 M-DPSK仿真模型

主要模块参数设置如下:

信号源选择Random Integer Generator模块，因为该模块可以产生不同进制

的数字基带信号。该模块主要参数为:

M-ary number：4或8 (可调)

Initial seed：60

Sample time： 1/2

调制解调模块的M-ary number和Symbol period与信号源模块相对应; 信道信噪比SNR: 30

Error Rate Calculatio n 的参数设置：

Receive delay： 1

仿真结果分析：

M-DPSK各环节时域波形图如图3.20所示，结果处理程序见附录⑹

(a) 4-DPSK源信号波形

(b) 4-DPSK调制后波形