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调制解调的Matlab仿真实现 调制与解调的matlab仿真实现 调制解调的Matlab仿真实现 摘要 在通信过程中，调制与解调占有十分重要的地位。假如没有调制与解调技术，就没有通信，没有广播和电视，也没有今天的 BP 寻呼、手持电话、传真、电脑通信及 Internet 国际互联网。 本设计是基于MATLAB来实现调制与解调的仿真。主要设计思想是利用MATLAB这个强大的数学软件工具方便快捷灵活的功能实现模拟调制解调中的幅度调制和角度调制及数字调制解调中的FSK和DPSK的调制解调设计。首先，先介绍这几种模拟和数字调制解调的产生、频谱、解调等过程及原理，接着就编写相应的m文件先后对模拟调制中的幅度调制和角度调制里面的频率调制的进行仿真，并对仿真得出调试及仿真结果并进行分析。 FM调制的时候是让基带信号去控制振荡电路的频率，AM是用基带信号去控制载波的幅度。无论哪一种调制方式，采用相干解调的性能优于非相干解调的性能。而且DPSK可以消除PSK的“倒p”现象。DPSK的系统性能要优于FSK系统。相干系统要求本地载波与发送信号之间保持同步，否则误码率增加。因此，在高质量的数字通信系统中多采用相干解调，而对抗噪声性能要求不高的就采用较为简单的非相干解调。 关键词：MATLAB；调制解调；AM；FM；FSK；DPSK 调制与解调的matlab仿真实现 SIMULATION OF MODEM IN MATlAB ABSTRACT In the communication process, modulation and demodulation is very important position. If there is no modulation and demodulation technology, there is no communication, no radio and television, nor did the BP pager, handheld phone, fax, computer communications and Internet Internet. The design is based on MATLAB to achieve modulation and demodulation of the simulation. The main design idea is the use of MATLAB software, this powerful mathematical tool for convenient and flexible function for analog modulation and demodulation of amplitude modulation and angle modulation and digital modulation and demodulation of FSK and DPSK modem design. First of all, to introduce these types of analog and digital modulation and demodulation of the resulting spectrum, demodulator,etc. Then the preparation of the corresponding document has m analog modulation of the amplitude modulation and angle modulation frequency modulation inside the simulation, and simulation debugging and simulation results obtained and analyzed. FM modulation is the time base-band signal to control the frequency of oscillator circuit, AM base-band signals used to control the range of carrier. No matter what kind of modulation, the use of the performance of coherent demodulation is superior to the performance of non-coherent demodulation. DPSK can remove the "anti-" phenomenon of PSK. DPSK system performance is superior to FSK system. The local carrier coherent system requirements and to maintain synchronization between the transmitted signal, Otherwise, increase the bit error rate. So, In high-quality digital communication systems use coherent demodulation, and noise performance of low-resistance on the use of relatively simple non-coherent demodulation. Key words: matlab; modem; am; fm; fsk; dpsk 调制与解调的matlab仿真实现 目 录 1 绪论 . 1 1.1 课题发展的现状 . 1 1.2 课题研究的内容和目的 . 2 1.3 课题研究的步骤 . 2 2 调制解调原理 . 3 2.1 实现AM的调制解调的原理 . 3 2.2 实现FM的调制解调的原理 . 4 2.3 实现FSK的调制解调的原理 . 6 2.4 实现DPSK的调制解调的原理 . 8 3 调制与解调的MATLAB仿真实现 . 10 3.1 仿真工具MATLAB的介绍 . 10 3.1.1 MATLAB软件 . 10 3.1.2 M文件 . 11 3.2 AM的仿真实现 . 11 3.2.1 未加噪声时的AM调制解调 . 11 3.2.2 叠加噪声时的AM调制解调 . 13 3.2.3 AM系统的抗噪声性能 . 16 3.3 FM的仿真实现 . 17 3.3.1 未加噪声的FM解调实现 . 17 3.3.2 叠加噪声时的 FM解调 . 20 3.4 FSK的调制解调的实现 . 23 3.4.1 FSK调制实现 . 23 3.4.2 FSK相干解调实现 . 25 3.5 DPSK的调制解调的实现 . 26 4 总结 . 28 参考文献 . 31 致谢 . 32 调制与解调的matlab仿真实现 附录 . 33 附录A . 33 附录B . 36 附录C . 38 附录D . 40 附件1 开题报告.42 附件2 译文和原文影印件.49 调制与解调的matlab仿真实现 1 绪论 1.1课题发展的现状 调制在通信系统中具有重要的作用。通过调制，不仅仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制方式往往决定了一个通信系统的性能。由于从消息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不适宜直接传输。因此，在通信系统的发送端通常需要有调制过程，而在接受端则需要有反调制过程解调过程。 根据被调制的是模拟还是数字信号,调制技术分为模拟调制和数字调制两类。模拟调制应用比较早,也比较广泛,主要应用于广播、电视和卫星通信。而随着数字通信和数字技术的发展,数字调制所占的比例越来越高,而且不断有新的数字调制方式出现。 传统的模拟通信系统，包括模拟信号的调制与解调，以及加性噪声对幅度调制和角度调制模拟信号解调的影响。数字通信的基本原理，包括模数转换、基本AWGN信道中的数字调制方法、数字通信系统的信号同步方法、带限AWGN信道中的数字通信问题、数字信号的载波传输、数字信源编码以及信道编码与解码等，同时对多径信道中的数字通信、多载波调制、扩频、GSM与IS95数字蜂窝通信。随着数字技术的发展原来许多不得不采用的模拟技术部分已经可以由数字化来实现，但是模拟通信还是比较重要的。 现在的数字比例式无线电遥控设备。现在的AM设备在编码电路上采用的是与FM设备同样的时分制脉冲宽度或脉冲位置编码方式，两者的区别只在于对载频的调制方法。AM设备采用的是频率幅度键控方式：即用一开关管通过对高频发射电路的开关即有无高频发射信号来表达编码信号的高低电平。在接收电路因为发射机发出的只是单一频率的高频信号，所以可以将接收机的接收频率范围作的很窄，使得其他相邻的频率很难通过，这即日本人的窄频带接收技术。而FM设备是利用编码脉冲的高低电平对高频电路实行频差调制：即用两种频率来表达电码的1、0电位。这两种频率的频率之差即频第1页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 差。在接收电路上用鉴频电路来鉴别两种频率。 按照基带数字信号对载波的振幅、频率和相位等不同参数所进行的调制，可把数字调制方式分为3 种基本类型：幅度键控、频移键控和相移键控。其他任何调制方式都是在这3种方式上的发展和组合。 GSM使用的是GMSK，它是MSK的一种特殊实现方式，而MSK也是一种特殊的FSK，可以说是它的一个变种。FSK还有许多其它变种，例如AFSK等。FSK在业余无线电、北美的Call ID中也有应用10。 1.2 课题研究的内容和目的 调制解调是通信原理中十分重要的理论，对其进行仿真能够加深学生对该部分内容的理解，同时也提高动手能力。本课题要求分别从模拟调制解调和数字调制解调的原理进行展开，着重介绍模拟调制解调中的幅度调制和角度调制及数字调制解调中的FSK和DPSK的产生、频谱、解调等过程。同时熟悉MATLAB软件的特点功能及编程操作，对各种通带调制解调方式进行MATLAB仿真。通过仿真过程加深各种调制解调方式的原理及特点，同时加强学生的动手能力和综合分析问题能力。 本文先是介绍MATLAB软件的使用，然后再讨论模拟调制中的AM、FM调制解调原理和抗噪声性能。接着继续研究FSK、DPSK调制和解调过程。下一步就是用MATLAB的M文件编写程序来实现这些调制解调过程，并对结果进行分析。 1.3 课题研究的步骤 熟练掌握各种常见模拟调制和数字调制方法的原理和特点； 熟悉matlab软件的使用; 掌握m文件的编程方法； 对几种重要的调制方法进行编程仿真； 将仿真结果同理论进行比较； 第2页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 2 调制解调原理 2.1 实现AM的调制解调的原理 AM调制信号的产生 标准调幅是指用信号m(t)去控制载波c(t)的振幅，是已调信号的包络按照m(t)的规律线性变化的过程，u(t)=(A0+a*m(t)*c(t)。调制过程如图2.1所示。 m(t) u(t) A0 c(t) 图2.1 AM调制模型 AM的解调 调制的逆过程叫解调，调制是一个频谱搬移过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。解调就是从已调信号的频谱中，将位于载频的信号频谱搬移回来。调制和解调都完成频谱搬移，各种调幅都是利用乘法器实现的，因此可以设想，在收端也可以利用乘法器进行解调1。已调信号u(t)乘以本地载波c(t),再通过低通滤波器得到解调信号dem(t)=u(t)*c(t) 如图2.2所示，解调后dem(t)=A0/2+m(t)/2，所以在解调后要重新缩放。另一种解调方法，包络解调由于包络检波器电路简单，检波效率高，几乎所有调幅式接收机都采用这种电路，如图2.3所示为包络检波模型。在MATLAB中我们使用hilbert函数找出已调信号包络dem(t)»A0+m(t)。找出包络后也要重新缩放，最终解调出基带信号m(t)。 u(t) LPF dem(t) c(t) 图2.2 相干解调模型 第3页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 u(t) 包络检波 dem(t) c (t) 图2.3 包络解调模型 2.2 实现FM的调制解调的原理 角度调制是频率调制和相位调制的总称。角度调制是使正弦载波信号的角度随着基带调制信号的幅度变化而改变。 也就是说，比如在调频信号中，载波信号的频率随着基带调制信号的幅度变化而改变。调制信号幅度变大时，载波信号的频率也变大，调制信号幅度变小时，载波信号的频率也变小；而在调相信号中；载波信号的相位随着基带调制信号的幅度变化而改变。调制信号幅度变大时，载波信号的相位也变大，调制信号幅度变小时，载波信号的相位也变小；实际上，在某种意义上，调频和调相是等同的，所以我们都称之为角度调制；而在这种调制方式中，载波的幅度保持不变。 调频信号可以被看作调制信号在调制前先积分的调相信号。这意味着先对m(t)积分，再将结果作为调相器的输入即可得到调频信号。相反，先微分m(t)，再将结果作为调频器的输入也可得到调相信号。在模拟蜂窝移动通信中，调频是更为普遍应用的角度调制，这是因为FM不管信号的幅度如何，抗干扰能力都很强，而在调幅中，正如前面所说的那样，抗干扰能力要弱得多10。 有两种基本的方法来产生调频信号：直接法和间接法。在直接法中，载波的频率直接随着输入的调制信号的变化而改变。在间接法中，先用平衡调制器产生一个窄带调频信号，然后通过倍频的方式把载波频率提高到需要的水平。 非线形调制要完成频谱的搬移但是他所形成的信号频谱不再保持原来基带频谱的结构，也就是说已调信号频谱与基带信号频谱存在着非线形关系，而解调正是从已调波中不失真地检出调制信号的过程。频率调频制：是瞬时频率偏移随基带信号成比例变化的调制5。 第4页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 dj(t)=KFm(t) (2-1) dtj(t)=òKFm(t)dt-¥t (2-2) FM公式： Sm(t)=Acoswct+òKFm(t)dt-¥t m(t)=Amcoswmt éùKA =Acosêwct+Fmsinwmtú (2-3) wmëû也可以表示成：sm(t)=Acoswct+mfsinwmt (2-4) 调频指数： mf=kFAm=Dwmaxwmwm=Dfmax (2-5) fmDwmax最大相偏 ，Dfmax最大频偏。 wm为调制信号角频率，fm为解调器中低通滤波器的截止频率 FM解调框图2.4如下： 带通限幅器鉴频图2.4 调频信号的解调方框图 低通滤波器为使实验更明确，将白噪声与调频波一起输入，在观看其对解调实验的影响，其框图2.5如下： SFM(t)SFM(t)带通ni(t)n(t)限幅微分FM-AM包络低通FM 鉴频器S0(t)n0(t)图2.5 调频系统抗噪声性能分析 n(t)：均值为0，单边功率谱密度为n0的高斯白噪声。 ni(t)：经带通后，变成带限高斯白噪声。 限幅器输入为调频与噪声的合成波，其幅度和相位均受到噪声的影响，通过限幅器第5页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 后，可消除幅度影响，因此只考虑噪声对相位的影响。鉴频器微分器输出为调频调幅波，包络检出后，通过低通滤波器取出调制信号6。 2.3 实现FSK的调制解调的原理 FSK又称作二进制移频键控。2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态，被调载波的频率随二进制序列1、0状态而变化，当传送“0”码时对应于载波频率f0，传送“1”码时对应于载波频率f1 7。显然，2FSK信号完全可以看作分别以f0和f1为载频，以Dn和Dn为被传二进制序列的两种2ASK信号合成。 Dn=1，出现概率为P，对应于cos(w1(t)+qn) Dn=0，出现概率为1-P，对应于cos(w0(t)+jn) 其中w1=2pf1，w0=2pf0，qn为频率为f1的载波初始相位，jn为频率为f0的载波的初始相位。Dn为Dn的反码,即: Dn=1-Dn (2-6) 则有:当Dn=1时，Dn=0;当Dn=0时，Dn=1。 所以FSK信号可以表示为： S2FSK(t)=Dng(t+nTs)cos(w1t+qn)+Dng(t+nTs)cos(w0t+jn)N=-¥N=-¥(2-7)其中，我们在分析中假设g(t)为单个矩形脉冲序列，其表达式为： g(t)=1,0£t£T0,其他 (2-8) 2FSK信号波形可看作两个2ASK信号波形的合成。图2.6是相位连续的2FSK信号波形。 图2.6 FSK波形图 第6页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 采用模拟调制框图如图2.7所示： 图2.7 模拟调制框图 当传送“1”码时对应于载波频率w2，传送“0”码时,将它求反,再对应于载波频率w1，分别相干调制后,在叠加得到已调信号。FSK相干解调原理：假设通过加性高斯白噪声信道传输FSK信号。传输过程中存在延迟。因此输入到解调器的接收信号为图2.8，相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决，即可还原出基带数字信号。 图2.8 相干解调原理图 FSK信号的功率谱密度的特点：2FSK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个双边带谱叠加而成，而离散谱出现在f1和f0的两个载频位置上。 若两个载频之差较小，如小于fs，则连续谱呈现单峰；如载频之差增大，则连续谱将出现第7页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 双峰。 2.4 实现DPSK的调制解调的原理 基于数字信号的传输优于模拟信号, 所以数字信号的传输越来越重要。虽然近距离时可以由数字基带信号直接传输, 但是进行远距离传输时必须将基带信号调制到高频处。二进制移相键控是二进制数字信号调制的基本方式之一, 其包括两种方式: 绝对移相方式(2PSK) 和相对(差分) 移相方式(2DPSK)。绝对移相方式存在一个缺点, 即倒“p”现象。因此, 在实际中一般不采用2PSK方式, 而采用2DPSK方式。讨论2DPSK的调制和解调模型。 移相键控是指载波的相位受数字信号的控制而改变, 通常用相位0°来表示“1”, 而用180°来表示“0”。二相相对移相键控2DPSK信号的参考相位不是未调波的相位, 而是相邻的前一位码元的载波相位。2DPSK信号的产生只需要在二相调制前加一套相对码变换电路就可以实现, 2DPSK的调制方框图见图2.9,其中S(t)为载波,E0(t)为已调信号。 开关载波E0(t)移相码变换S(t)图2.9 2DPSK 的调制方框图 DPSK的解调方法： 极性比较法 信号可以采用相干解调方式(极性比较法) , 其原理框图见图2.10。其解调原理是: 对2DPSK 信号进行相干解调, 恢复出相对码, 再通过码反变换器变换为绝对码, 从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中, 若相干载波产生180°相位模糊, 解调出的相对码将产生倒置现象, 但是经过码反变换器后, 输出的绝对码不会发生任何倒置现象, 从而解决了载波相位模糊度的问题。 第8页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 调制信号输入相乘器低通滤波器运放抽样判决器逆差分变换解调信号输出本地载波位同步信号图2.10 极性比较法解调原理框图 相位比较法 2DPSK 信号也可以采用差分相干解调方式(相位比较法) , 其原理框图见图2.11。其解调原理是: 直接比较前、后码元的相位差, 从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用, 故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波, 因此是一种非相干解调方法。 调制信号输入带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器解调信号输出延迟图2.11 差分相干解调原理框图 第9页 共41页 位同步信号 调制与解调的matlab仿真实现 3 调制与解调的MATLAB仿真实现 3.1 仿真工具MATLAB的介绍 3.1.1 MATLAB软件 MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，它的交互式集成界面能够帮助用户快速完成数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建模、系统控制和优化等功能。MATLAB语言采用与数学表达相同的形式，不需要传统的程序设计语言，因而不像其他高级语言那样难于掌握。一般说来，用户可以在极短的时间内掌握MATLAB的基础知识，并且能够初步应用MATLAB解决简单的问题。由于MATLAB的这些特性，它已经成为科研工作和工程仿真中的高效助手。 MATLAB是一种科学的计算软件, 它简单易学,书写简洁, 编程和调试效率高, 人机交互性能好, 用解释方式工作, 键入程序后可立即得出结果, 特别是具有很强的绘图功能, 可以使比较抽象的概念得以直观地展示, 繁琐的计算得到大大简化。 目前的MATLAB版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像vb等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了MATLAB的应用潜力。可以说，MATLAB已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用8。 我们在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统时，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后应用于实际系统中，这个过程就是通信仿真。简而言之，通信仿真就是衡量通信系统性能的工具。通信仿真一般分为仿真建模、仿真实验和仿真分析三个步骤。通过对仿真数据的分析可以得到相应的结论，然后把这个结论应用到当前通信系统的改造。 MATLAB是一种目前通用的通信仿真软件，它将高性能的数值计算和可视化集成在一起，除自身带有丰富的库函数外还可以根据用户的需要方便地建立和扩充新的库函数。人们常用它来帮助进行数值运算、信号处理及图像处理等等。为研究所述本文所提第10页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 到的各种解调方案的抗干扰性能并说明该解调方案的一些细节，下面用MATLAB语言进行仿真2。 3.1.2 M文件 MATLAB的程序设计就是进行M文件的设计，MATLAB提供了M文件的设计工具编辑器和编译器。M文件的编写规则： 在编写函数式M文件时，M文件保存的文件名必须与函数名相同。 脚本式M文件没有输入和输出参数，而函数式M文件有输入和输出参数，它根据输入输出参数提供的信息，对数据进行加工处理，然后通过输出函数返回处理结果。 函数可以没有或有多个输入变量，而且可以没有或有多个输出变量。函数nargin和nargout分别包含输入和输出变量的个数。 函数M文件中的所有变量除了特别声明的以外，都是局部变量。局部变量在自己专有的空间中工作，全局变量则在MATLAB内共享。编写完M文件后，保存文件就可以进行M文件的调试，调试过程中设置断点即可查看各变量的值。 3.2 AM的仿真实现 3.2.1 未加噪声时的AM调制解调 为了对信号进行解调，我们设置如下参数： t0 = 0.12; % 信号持续时间 ts = 0.001; % 抽样间隔 fc = 125; % 载波频率 fs = 1/ts; % 抽样频率 1000Hz m = ones(1,t0/(3*ts),-2*ones(1,t0/(3*ts),zeros(1,t0/(3*ts)+1); % 基带信号 c = cos(2*pi*fc.*t+j0); % 载波信号 通过上面的参数设置，我们可以推测出其中一些图形方面的关系。假设基带信号频率为f0=1/t0，因为有fs=8fc=120f0，所以整个已调信号持续时间内应该有15个载波信号周期。为了讨论方便，我们将载波信号的初始相位设置为j0=0。这样已调信号就为：u = m_n(t).*c(t)，其中m_n(t)为加入直流分量并引入调制系数的基带信号，c(t)为载波。将调制信号使用ademod函数进行相干解调得到解调信号dem(t)，并对解调信号进行低第11页 共41页 调制与解调的matlab仿真实现 通滤波，实现形式为dem(t) = ademod(u,fc,fs,'am',num,den)。或者使用hilbert函数找出已调信号的包络，在对包络进行重新缩放得到解调信号dem(t)。其中设计内容还要求观察已调信号和解调信号的频谱，所以就要求对信号进行傅立叶变换。这时我们使用的是MATLAB库函数fft对信号进行的变换。 下面就对如何运用上面的函数实现课程设计内容，是否达到所需要的要求。通过图形辅助分析：首先，