数字信号的频带传输系统的仿真分析

摘要

本文首先介绍了通讯的历史和发展，随后介绍了数字信号的二进制和多进制对载波的幅度、频率或相位进行调制，并以幅度键控（ASK）为例利用MATLAB 集成环境下的Simulink仿真平台对调制解调的原理、过程以及特点进行深入了解以及各种模拟调制方式性能的比较。对于不同的调制解调方式，让它们处于高斯白噪声或者随机环境下，对它们的信噪比、增益、误码率等进行对比分析，总结归纳出各自的优缺点以及应用。

关键字：二进制，多进制，MATLAB，Simulink，高斯白噪声

ABSTRACT

In this paper, we first introduce the history and development of communication, then introduces the digital signal of binary and M-ary the carrier amplitude, frequency, or phase modulation, and amplitude shift control (ask) for example to use the integrated environment of MATLAB Simulink simulation platform of modulation and demodulation principle, process and characteristics of the deep understanding and various modulation performance simulation. For different modulation and demodulation, let them under Gaussian white noise or random environment, their signal to noise ratio, gain and bit error rate (BER) are compared and analyzed, summed up their respective advantages and disadvantages as well as application.

Keywords: binary, multi band, MATLAB, Simulink, Gauss white noise

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (3)

前言 (4)

目录............................................. 错误！未定义书签。第1章通信技术的历史和发展 (5)

1.1通信的概念 (5)

1.2通信的发展史简介 (6)

1.3通信技术的发展现状和趋势 (7)

第2章数字信号频带传输系统的基本原理 (8)

2.1数字信号的二进制调制 (8)

2.1.1 幅度键控（2ASK） (8)

2.1.2频移键控（2FSK） (10)

2.1.3相移键控（2PSK） (13)

2.2数字信号的多进制调制 (15)

2.2.1 MASK的调制 (15)

2.2.2 MFSK的调制 (16)

2.2.3 MPSK的调制 (16)

第3章仿真及结果分析 (20)

3.1ASK调制与解调 (20)

3.2加入高斯白噪声后的ASK调制与解调 (26)

3.3误码率的计算 (29)

参考文献 (32)

致谢 (33)

摘要

本文首先介绍了通讯的历史和发展，随后介绍了数字信号的二进制和多进制对载波的幅度、频率或相位进行调制，并以幅度键控（ASK）为例利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台对调制解调的原理、过程以及特点进行深入了解以及各种模拟调制方式性能的比较。对于不同的调制解调方式，让它们处于高斯白噪声或者随机环境下，对它们的信噪比、增益、误码率等进行对比分析，总结归纳出各自的优缺点以及应用。

关键字：二进制，多进制，MATLAB，Simulink，高斯白噪声

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文

Abstract

In this paper, we first introduce the history and development of communication, then introduces the digital signal of binary and M-ary the carrier amplitude, frequency, or phase modulation, and amplitude shift control (ask) for example to use the integrated environment of MATLAB Simulink simulation platform of modulation and demodulation principle, process and characteristics of the deep understanding and various modulation performance simulation. For different modulation and demodulation, let them under Gaussian white noise or random environment, their signal to noise ratio, gain and bit error rate (BER) are compared and analyzed, summed up their respective advantages and disadvantages as well as application.

Keywords: binary, multi band, MATLAB, Simulink, Gauss white noise

前言

当今时代是信息化时代，而信息的数字化也越来越为研究人员所重视。早在40年代。仙农证明了采样定力，即在一定的条件下，用离散的序列可以完全代表。一个连续函数。就实质而言，采样定理为数字化技术奠定了重要的基础。

数字化是数字计算机的基础。是软件技术的基础，是智能技术的基础。是信息社会的技术基础。数字化管理是指利用计算机、通信、网络等技术，通过统计技术量化管理对象与管理行为，实现研发、计划、组织、生产、协调、销售、服务、创新等职能的管理活动。

数字化理论已经广泛应用在现代的通讯系统之中，在其中最为广泛应用的是频带传输系统。在频带传输系统中，通过将最初始的数字基带信号转换为频带信号，使得信号能够在频带上传输，而且，载波参数不同，数字信号的频带调至方法也不同。

对现代通信系统而言，数字频带传输系统有着非常巨大的意义。其应用非常广泛，被广泛应用于低中、高速数字信道之中。故本文对数字频带传输系统的研究非常有意义。

第1章通信技术的历史和发展

1.1通信的概念

通讯是人们通过各种方式，打破距离的常规限制，在两地之间进行消息的传递和交流。信息汇聚起来形成信息源，信息源通过物理传播形成消息，比如说汉字、语音、图像、数据等都是消息的载体。消息还可以有模拟和数字之分。通讯系统之中的电信号（以下简称信号）便是经过转换之后的消息。故电信号既是消息的载体，又是消息的传播手段。

就广泛而言，信号有模拟信号和数字信号的区别，这两种信号的自变量都可以连续也可以离散，但是区别是模拟信号的幅度必须是连续的，而数字信号的幅度必须是离散的。常用模拟信号的如电话、电视、摄影机等输出的信号，常用数字信号的有计算机等数字终端设备的输出信号。

人们进行通讯的目的就是为了将消息尽快的传递给对方，但是真正对接收者而言有用的只是其中的有效部分，也就是信息。对我们而言，具体的、表面的是消息，抽象的、本质的是信息。于是信息量的多少便成为我们度量获取消息的有效程度。

近些年来数字通信技术在通讯领域发展即为突出，被越来越多的人应用到通讯领域。通信是一门专门来进行信息传递的科学技术，它的主要任务是将有效的信息及时、保真的传递给接收方，在传输过程中在所难免遇到一些无用的或是有害的信息需要过滤掉。现代通信在传递信息的同时，还要将有效的信息进行采集、处理以及保存等步骤。在信息科学领域，通信已经以极大的优势占据重要地位。

[1]

所谓的通信系统指的是在信息传输过程中所需要借助的所有技术设备和载体，最主要指的是息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者)，一般模型如下图所示。

图1.1通信系统一般模型

通信系统有模拟和数字系统的分类。顾名思义，模拟通信系统通过模拟信号来传递消息，数字通信系统即用数字信号来传递消息，模型如下图所示：

图1.2 模拟通信系统模型

与模拟通信系统相比，数字通信系统有很大的优势，它的抗干扰能力很强，加密简单，可以快速简单与计算机连接。因为现代通讯对通讯技术的要求越来越高，而数字通讯系统更能满足其要求。二十多年以来，数字技术得到了很大的提高，在通信系统中占据的比例越来越重，在很多通信系统中取代了模拟通信。1.2 通信的发展史简介

在古时候，传递信息的主要方式是书信，但是这种方式的明显缺点便是传输时间由距离长短决定。为了缩短传输时间，在短的时间内获得更多的有效信息，人们在长时间的技术发展中摸索新的技术。1837年莫尔斯电磁式电报机的诞生预示着一个崭新的电通信时代的良好开端，开创了用电来进行通讯的先锋。1866年海底电缆的发明使得人们可以进行越洋电报通讯。1876年科学家贝尔发明了电话，完全实现了电信号转化为语音信号的有线传输，迅速准确的进行信息的传输，预示着模拟通讯时代开始了，因为这种方式比电报通信更加方便，所以在之后的时间里，这种电话通信手段得到了更多的人的广泛推广。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展

前途[2]。

1.3通信技术的发展现状和趋势

进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。

（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。

（2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。

（4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。

（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。

例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。

随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。

第2章 数字信号频带传输系统的基本原理

在数字信号频带传输系统中，主要是对数字信号进行调制，其中主要包括幅度键控（ASK ）、频移键控（FSK ）、相移键控（PSK ）因为数字信号有二进制与多进制之分，因此，数字调制也分为二进制调制和多进制调制，本章节分别对二进制和多进制调制进行分析。

2.1数字信号的二进制调制

2.1.1 幅度键控（2ASK ）

振幅键控是正弦载波的幅度随着数字基带信号而变化的数字调制，数字幅度调制又称幅度键控（ASK ），当数字基带信号为二进制时，则为二进制幅度键控,二进制幅度键控记作2ASK 。2ASK 是利用代表数字信息0或1的基带矩形脉冲去键控一个连续的高频载波，使载波时断时续地输出。如有载波输出是发送1，无载波输出时发送0.

设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，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。该二进制符号序列可表示为S(t)=

其中：

???=P P a n －出现概率为出现概率为110 （2-1）

Ts 用来表示二进制基带信号的时间间隔，g(t)用来代表持续时间Ts 的矩形脉冲：

那么二进制幅度键控信号可表示为：

t nT t g a t S c n s n ASK ωcos )()(2??

????-=∑t t S c ωcos )(=

（2-2） 二进制幅度键控信号时间波型如图2.1所示：

图2.1 2ASK 信号时域波形

2.1.1.1 2ASK 的调制

2ASK 的产生方法主要有两种。第一种，可以把2ASK 信号当做载波与S(t)二者的乘积，因此对其进行调制的时候需要采用模拟乘法器，即“乘积法”。 第二种，2ASK 信号的传播与载波的通断有直接的联系，也就是说可以用模拟开关控制载波通断，此时二进制序列S(t)可以进行调节：S(t)=1时开关导通，S(t)=0时开关截止，即“通—断键控法”。

图2.2为“乘积法”的原理图，图2.3为“通—断键控法”的原理图。

图2.2 2ASK调制乘积法

图2.3 2ASK调制通断键控法

2.1.1.2 2ASK的解调

由图2.1可以知道，2ASK是一种100%的AM调制信号，信号解调方法有两种：1包络检波法2相干检测法。下图2.4、图2.5分别展示了包络检波法和相干检测法的解调原理【3】：

图2.4 2ASK信号包络检波法解调原理框图

图2.5 2ASK信号相干检测法解调原理框图

2.1.2频移键控（2FSK）

数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字信息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。

频移键控通过完全不一样的两个频率F1、F2产生的振荡源来体现信号1和0，然后用1和0去控制两个独立的振荡源的交替输出，其波形如图2.6所示。

图2.6

图2.7 2FSK信号的产生原理框图

（a）模拟调频法（b）键控法

2.1.2.1 2FSK的调制

2FSK主要是通过键控法来进行调频，键控法的主要原理就是利用矩形脉冲序列的开关电路根据两个不同的独立频率源来进行选通，2FSK信号的产生方法及波形示例如图2.8所示。其中s(t)代表信息的二进制矩形脉冲序列，即是2FSK信号。

图2.8 2FSK信号的产生方法及波形示例

2.1.2.2 2FSK的解调

数字调频信号的解调方法很多，如包络检波法、相干检测法、过零检测法、

差分检测法、鉴频法等。

（1）包络检波法

这种方法则可以看作是2路2ASK对电路的解调，如下图2.9所示：

图2.9 2FSK信号包络检波方框图

其中、代表上下两支路，上支路对应，下支路对应，s(t)及指的是包络，指的

是经过包络检测之后抽取的包络抽样值，判决准则通过的值来决定即：

（2-3）

（2）相干检测法

相干检测的具体解调电路是同步检波器，如下图2.10所示：

图2.10 2FSK同步检测方框图

除了上述两种方法，过零检测法、差分检测法、鉴频法等也被广泛应用。

2.1.3相移键控（2PSK ）

数字相位调制又称相移键控（PSK ），是利用高频载波相位的变化来传送数字信息的，二进制相移键控记作（2PSK ）。

在2PSK 中，初始相位0和π用来代表二进制“1”和“0”，如图2.11所示。因此，2PSK 信号的时域表达式为:

)cos(A )(2PSK n c t t S ?ω+=

（2-4） 式中，?n 表示第n 个符号的绝对相位：

???=”时发送“”时

发送“，01,0π?n

图2.11 因此，上式可以改写为:

???-=-P P

t t t S c c 1,cos A ,cos A )(2PSK 概率为概率为ωω

（2-5）

2.1.

3.1 2PSK 的调制

模拟调制的方法，如图2.12所示：

图2.12

)

键控法 如图2.13

图2.13

2.1.

3.2 2PSK 的解调

因为发”0”或”1”的时候,其采用相位变化携带信息，故2PSK 只能采用相干解调,。如图2.14所示：

a b c d e

2 S

图2.14

2.2数字信号的多进制调制

多进制数字调制，就是一数字基带信号去调制高频载波的幅度、相位、频率的过程。因此，多进制数字调制可以分为多进制幅度键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）以及多进制相移键控（MPSK或MDPSK）。

2.2.1 MASK的调制

多进制数字幅度调制（MASK）是二进制数字幅度调制方式的推广。进制

幅度调制信号的载波振幅有种取值，在一个码元期间内，发送其中的一种幅度的载波信号。MASK已调信号的表示式为：

（2-6）

这里，为进制数字基带信号

（2-7）

式中，是高度为1、宽度为的门函数；有种取值

2.2.2 MFSK的调制

多进制数字频率调制（MFSK）是2FSK方式的推广。它是用个不同的载波频率代表种数字信息。MFSK系统的组成方框图如图2.15所示。发送端采用键控选频的方式，接收端采用非相干解调方式。

图2.15 多进制数字频率调制系统的组成方框图

2.2.3 MPSK的调制

多进制数字相位调制是二相制的推广。通过利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息。MPSK也有绝对相位调制(MPSK)和相对相位调制（MDPSK）两种。设载波为，则MPSK信号可表示为

（2-8）

式中，是高度为1，宽度为的门函数；为进制码元的持续时间，

亦即（＝）比特二进制码元的持续时间；为第个码元对应的相位，共有种不同取值

（2-9）

且（5-114）

由于一般都是在范围内等间隔划分相位的，因此相邻相移的差值为

（2-10）

令

这样式（2-8）变为

（2-11）这里

（2-12）

（2-13）