通信工程 数字信号调制课程设计报告

烟台大学通信工程专业综合课程设计数字调制系统仿真院系：光电信息科学技术学院专业：通信工程班级：光114-1姓名：(组长)姜祥乾201157501326(1号)泮宜志201157504119(2号)罗志丹201157504122指导老师：贺鹏飞2014年11月18日一、课程设计原理（Ⅰ）二进制数字调制（1）2ASK（二进制振幅键控）调制的原理及产生过程：振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通-断键控，“通-断键控(OOK)”信号表达式为波形101t0sTst载波tt2ASK2ASK信号的一般表达式其中Ts－码元持续时间；g(t)－持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设是高度为1，宽度等于Ts的矩形脉冲；na－第N个符号的电平取值，若取则相应的2ASK信号就是OOK信号产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法。模拟调制法（相乘器法）：”时发送“以概率，”时发送“以概率0P101Pt,Acos)(cOOKtettsteccos)(2ASKnsnnTtgats)()(P0P1an1,,概率为概率为乘法器)(2teASK二进制不归零信号tccos)(ts键控法：tccos)(ts)(2teASK开关电路（2）2FSK（二进制频移键控）调制的原理及产生过程：频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为典型波形：10t10tt1()2FSKa信号11)cosbstt（22()coscstt由图可见，2FSK信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成式中g(t)－单个矩形脉冲，Ts－脉冲持续时间；”时发送“”时发送“0),cos(A1),cos(A)(212FSKnnttte)cos()()cos()()(212FSKnnsnnnsntnTtgatnTtgatena是na的反码。n和n分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位，通常可令其为零。因此，2FSK信号的表达式可简化为式中2FSK信号的产生方法：采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。振荡器1f1反相器振荡器2f2选通开关选通开关相加器基带信号)(2teFSK（3）2PSK（二进制相移键控）调制的原理及产生过程：相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位01”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为n表示第n个符号的绝对相位：因此，上式可以改写为典型波形PPan1,0,1概率为概率为PPan概率为概率为,01,1ttsttste22112FSKcoscos)(nsnnTtgats)(1nsnnTtgats)(2)cos(A)(2PSKnctte”时发送“”时发送“，1,00nPtPttecc1,cosA,cosA)(2PSK概率为概率为1101t0sT由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘：式中：这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而na的统计特性为即发送二进制符号“0”时（na取+1），)(2PSKte取0相位；发送二进制符号“1”时（na取-1），)(2PSKte取π相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。2PSK信号的产生方法：模拟调制的方法：乘法器)(2tePSK双极性不归零tccos)(ts码型变换键控法：tccos)(ts)(2tePSK开关电路移相01800ttsteccos)(2PSKnsnnTtgats)()(PPan1,1,1概率为概率为二进制数字调制系统的性能比较：误码率相干解调非相干解调2ASK421rerfc421re2FSK221rerfc221re2PSKrerfc21误码率曲线频带宽度2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度2FSK系统的频带宽度④对信道特性变化的敏感性sPSKASKTBB222sFSKTffB2122在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限与接收机输入信号的幅度有关，对信道特性变化敏感，性能最差。（Ⅱ）多进制数字调制（1）MASK（多进制振幅键控）调制的原理及产生过程：M进制幅度键控信号中，载波幅度有M种取值，每个符号间隔sT内发送一种幅度的载波信号。M进制幅度键控信号的时域表达式为tTcSMASKcosn-tgatsnn）（）（其中，g（t）为基带信号波形，c为载波角频率，ST为信号间隔，na为幅度值。na可以有M种取值，na{Ai}，i=0,1，···，M-1，这M种取值的出现概率分别为0P,1P,···，1MP,且110iiMP。波形举例基带信号是多进制单极性不归零脉冲基带信号是多进制双极性不归零脉冲二进制抑制载波双边带信号就是2PSK信号。(b)MASK信号(a)基带多电平单极性不归零信号0010110101011110000t0t0101101010111100产生方式：MASK和2ASK的调制方法相同，模拟调制法（相乘器法）和键控法。MASK的优点：MASK信号的带宽和2ASK信号的带宽相同，故单位频带的信息传输速率高，即频带利用率高。（2）MPSK（多进制相移键控）调制的原理及产生过程：它是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的调制方式。在M进制数字相位键控调制中，四进制绝对移相键控（4PSK，又称QPSK）用的最为广泛。一个MPSK信号码元可以表示为式中，A－常数，k一组间隔均匀的受调制相位它可以写为通常M取2的某次幂：M=2k，k=正整数可以将MPSK信号码元表示式展开写成式中上式表明，MPSK信号码元kS(t)可以看作是由正弦和余弦两个正交分量合成的信号，并且ak2+bk2=1。因此，其带宽和MASK信号的带宽相同。信号产生方法（以4PSK信号为主，4PSK又叫正交相移键控）相乘电路法0101101010111100000t(c)基带多电平双极性不归零信号00000t01011010101111(d)抑制载波MASK信号MktAtskk,,2,1)cos()(0MkkMk,2,1),1(2tbtattskkkk000sincos)cos()(kkacoskkbsin码元串并变换：矢量图：二进制信号码元“0”和“1在相乘电路中与不归零双极性矩形脉冲振幅的关系如下：二进制码元“1”双极性脉冲“+1”；二进制码元“0”双极性脉冲“-1”。-相干载波产生相乘电路相乘电路相移串/并变换相加电路tA(t)s(t)图7-37第一种QPSK信号产生方法ab012345(a)输入基带码元t024(b)并行支路a码元t135(c)并行支路b码元t图7-38码元串/并变换01110010a(1)a(0)b(1)b(0)图7-39QPSK矢量的产生选择法（3）MFSK（多进制频移键控）调制的原理及产生过程：多进制数字频率调制也称多元调频或多频制。M频制有M个不同的载波频率与M种数字信息对应，即用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号，在某一码元时间内只发送其中一个频率。其实多进制频移键控（MFSK）体制同样是2FSK体制的简单推广，所以MFSK调制原理和2FSK的基本相同。MFSK信号的带宽：B=fM-f1+f式中f1－最低载频fM－最高载频f－单个码元的带宽产生方法（后半部分是解调器）MFSK的优点：相同频率利用率时，其抗干扰性好。串/并变换相位选择带通滤波4相载波产生器1432ab图7-40选择法产生QPSK信号缺点：实现难度大。多进制调制的特点：1.相同的码元速率下，多进制系统信息速率显然比二进制系统高。2.相同的信息速率下，码元的持续时间长。码元的能量增加了，能减小由于信道引起的码间串扰。3.多进制调制的代价是增加信号功率和实现的复杂性。总结：ASK,FSK,PSK的优缺点：ASK是一种应用最早的基本调制方式。其优点是设备简单，频率利用率高;缺点是抗噪声性能差，并且对信道特性变化敏感，不易使抽样判决器工作在最佳判决门限状态。FSK是数字通信中不可或缺的一种调制方式。其优点是抗干扰能力强，不受信道参数变化的影响，因此FSK特别适合应用于衰落信道；缺点是占用频率较宽，尤其是MFSK，频带利用率较低。目前，调频体制主要应用于中、低速数据传输中。PSK是一种高传输效率的调制方式，其抗噪声能力比ASK和FSK都强，且不易受到信道特性变化的影响，因此在高、中速数据传输中得到了广泛的应用。二、实验仿真选定基带数字序列（101101001），利用matlab仿真二进制调制的过程，绘制2ASK已调信号波形，波形如下010020030040050060070080090000.51原始信号0100200300400500600700800900-505载波信号0100200300400500600700800900-202ASK信号选定基带数字序列（101101001），利用matlab仿真二进制调制的过程，绘制2FSK已调信号波形，波形如下010020030040050060070080090000.20.40.60.81原始信号0100200300400500600700800900-1-0.500.512FSK信号选定基带数字序列（101101001），利用matlab仿真二进制调制的过程，绘制2PSK已调信号波形，波形如下010020030040050060070080090000.51原始信号0100200300400500600700800900-1-0.500.51PSK信号2ASK的功率谱计算方法：2FSK的功率谱计算方法：2PSK的功率谱计算方法：其中为基带数字信号的功率谱密度。功率谱波形如下：051000.51t输入信号-202-40-200f输入信号功率谱密度(dB/Hz)0510-1-0.500.51t2ask-505-40-200f2ask功率谱密度(dB/Hz)0510-1-0.500.51t2fsk-505-40-200f2fsk功率谱密度(dB/Hz)0510-1-0.500.51t2psk-505-40-200f2psk功率谱密度(dB/Hz)选定基带数字序列（OO011000000000110100），利用matlab仿真二进制调制的过程，绘制4ASK已调信号波形，波形如下)]()([161}]([]([{16)(22ccbcbcbeffffTffSaTffSaTfP)]()([41)]()([41)(2211ffPffPffPffPfPsssse)()((41)(cscseffPffPfP)(fPs0100200300400500600700800900100001234原始信号01002003004005006007008009001000-4-20244ASK信号选定基带数字序列（100011011