武汉工业学院
毕业论文
论文题目：二进制数字调制系统的抗噪性能及传输性能分析
姓名李玲
学号071203208
院（系）数理系
专业电子信息科学与技术
指导老师程光晖
2011年6月8日
目录
摘要 .................................................................................................................................. - 3 - Abstract ............................................................................................................................. - 4 - 引言 .................................................................................................................................. - 5 - 1. 二进制数字调整系统的调制解调原理 ..................................................................... - 6 -
1.1二进制振幅键控（2ASK） ............................................................................... - 6 -
1.1.1调制原理 ................................................................................................... - 6 -
1.1.2解调原理 ................................................................................................... - 7 -
1.2二进制频移键控（2FSK) .................................................................................. - 8 -
1.2.1调制原理 ................................................................................................... - 8 -
1.2.2解调原理 ................................................................................................... - 9 -
1.3二进制相移键控（2PSK) ................................................................................ - 10 -
1.3.1调制原理 ................................................................................................. - 10 -
1.3.2解调原理 ................................................................................................. - 10 -
1.4二进制差分相位键控（2DPSK）.................................................................... - 11 -
1.4.1调制原理 .................................................................................................. - 11 -
1.4.2解调原理 ................................................................................................. - 12 -
2. 二进制数字调制系统的抗噪声性能 ....................................................................... - 13 -
2.1 数字调制系统无码间串扰条件 ...................................................................... - 13 -
2.2 2ASK系统的抗噪声性能 ................................................................................ - 14 -
2.3 2FSK系统的抗噪声性能................................................................................. - 16 -
2.4 2PSK/2DPSK系统的抗噪声性能 ................................................................... - 17 -
3.二进制数字调制系统的传输性能比较与分析 ......................................................... - 19 -
3.1 二进制调制系统的频带宽度与频带利用率 .................................................. - 19 -
3.2 二进制调制系统的误码率 .............................................................................. - 21 -
3.3 二进制调制系统对信道特性变化的敏感性 .................................................. - 22 -
4. 二进制数字调制解调仿真实验 ............................................................................... - 23 -
4.1 MATLAB软件及Simulink建模环境介绍 ..................................................... - 23 -
4.2 模型的建立及其仿真 ...................................................................................... - 23 -
4.2.1 2ASK系统模型的建立及其仿真 .......................................................... - 23 -
4.2.3 2PSK系统模型的建立与仿真............................................................... - 29 -
4.2.4 2DPSK系统模型的建立与仿真............................................................ - 31 -
4.3 仿真结果分析、总结与展望 .......................................................................... - 33 - 结束语 ............................................................................................................................ - 34 - 谢辞................................................................................................................................ - 35 - 参考文献 ........................................................................................................................ - 36 -
通信系统中的主要性能指标指的是系统的有效性及可靠性。本论文通过仿真实验的方式，通过进行数字基带信号（2ASK、2FSK、2PSK及2DPSK）在二进制数字调制系统中的传输过程的实验，对系统的抗噪声性能及传输性能做了分析，提出了系统高效传输时的频带利用率、误码率等一系列影响因素，并对这些因素在不同调制系统下的使用情况进行比较，从而得知：对于同一种调制方式，采用相关解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率。若采用相同的解调方式，在误码率相同的情况下，所需要的信噪比2ASK比2FSK高，2FSK比2PSK高,2PSK比2DPSK高。当信噪比一定时，2PSK系统的误码率比2FSK的小，2FSK系统的误码率比2ASK的小。因而在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。
关键词：二进制；调制；仿真；频带利用率；误码率
The main performance indexes in communication system refer to the effectiveness and reliability. This paper mainly used simulation experiments, through the experiment of digital baseband signal (2ASK, 2FSK, 2PSK and 2DPSK) transmits in binary digits modulation system, a series of factors are the anti-noise performance and system transmission performance which do were put forward and the system efficiency of transmission bandwidth utilization and BER, making all of these factors compared when used in different modulation system , thus learned: for the same modulation mode, the BER adopting related demodulation is lower than the non-coherent demodulation way. If you use the same demodulation, when the BER is identical, the need for the signal-to-noise ratio of 2ASK is higher than the 2FSK, the 2FSK is higher than the 2PSK, and the 2PSK is higher than the 2DPSK. When the SNR is certain, the BER of the system in the 2PSK is less than the 2FSK, the 2FSK is less than the 2ASK. Thus, in the resistance for additive white Gaussian noise, the coherent performance of the 2PSK is the best, the 2FSK is better, the last is the 2ASK.
Keywords：binary; modulation; simulation; band utilization rate; BER
引言
数字信号的传输方式可以分为基带传输和带通传输。为了使信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特性相匹配。在这个过程中就要用到数字调制。
一般说来，数字调制技术可分为两种类型：(1) 利用模拟方法去实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；(2) 利用数字信号的离散取值特点键控载波，从而实现数字调制。第(2)种技术通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率及相位进行键控，便可获得振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)及相移键控(PSK/DPSK)调制方式。键控法一般由数字电路来实现，它具有调制变换速率快，调整测试方便，体积小和设备可靠性高等特点。
在数字通信中，用于评述通信系统性能的指标主要有两个，一个是传输速率；另一个是误码率，即信息传输速度和传输质量，也是我们一般所说的有效性与可靠性。通常，要求所设计的通信系统，既要保证信息的传输质量又要提高信息的传输速率。
本篇的目的在学习以上三种调制的基础上，通过实验仿真的方式，实现对2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK等数字调制系统的传输过程的应用，同时对以上系统进行性能比较。
1.二进制数字调整系统的调制解调原理
数字调制技术有两种方法：（1）利用模拟调制的方法去实现数字式调制，也就是将数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理;（2）利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控（ASK ）、频移键控（FSK ）和相移键控（PSK ）。
1.1二进制振幅键控（2ASK ）
1.1.1调制原理
振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初相保持不变。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（On Off Keying, OOK)，其表达式为
?
?=”时
发送“以概率”时
发送“以概率0-101P cos )(P t w A t e c ook
波形如图1-1所示
图1-1 2ASK 信号的时间波形图
二进制幅度键控s(t)
二进制基带信号f(t)
载波信号c(t)
2ASK 信号的一般表达式为
t w t s t e c ASK cos )()(2=
其中
∑-=n
s n nT t g a t )
()(s
式中：Ts 为码元持续时间；g(t)为持续时间为Ts 的基带脉冲波形，常设g(t)是高度为1，宽度等于Ts 的矩形脉冲；a n 是第n 个符号的电平取值，若取
??
?=P -10P 1概率为概率为n a
则相应的2ASK 信号就是OOK 信号。
1.1.2解调原理
二进制振幅键控信号的基本解调方法有两种：相干解调和非相干解调，即包络检波和同步检测。其相应的接收系统组成框图及各点波形图如图1-2所示。
(1) 非相干解调
（2）相干解调
图1-2 2ASK/OOK 信号的接收系统组成框图
1.2二进制频移键控（2FSK)
1.2.1调制原理
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f 1和f 2两个频率点之间变化。其表达式为
??
?++=”时发送“”时发送“0)cos(1
)cos()(212n n FSK t A t A t e θω?ω
波形如图1-3所示。
图1-3 2FSK 信号的时间波形
Ts
1 0 1
f 1 f 1
f 2 f 2 1
2FSK 信号可以看作由频率分别为f 1和 f 2两个不同载频信号的叠加。即
t s t t s t e FSK 22112cos )t (cos )()(ωω+=
其中
∑∑-=-=n
s n n
s n nT t g a t s nT t g a t s )
()()
()(21
1.2.2解调原理
2FSK 信号的常用解调方法是采用如图1-4所示的相干解调和非相干解调（包络检波）。其解调原理是将2FSK 信号分解为上下两路2ASK 信号分别进行解调，然后进行判决。这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限。判决规则应与调制规则相呼应，调制时若规定“1”符号对应载波频率f 1，则接收时上支路的抽样值较大，应判为“1”；反之判为“0”。
(a)非相干解调; (b)相干解调
图1-4 2FSK 信号的解调原理图
e 2FSK (t)
BPF1
ω 8
包络
检波器抽样判决器
输出
抽样脉冲
BPF2
ω 2
包络检波器(a)
e 2FSK (t)
BPF1
ω 1
LPF
抽样判决器
输出
抽样脉冲
BPF2
ω 2
LPF 相乘器相乘器cos ω 1t cos ω 2t
(b)
1.3二进制相移键控（2PSK)
1.3.1调制原理
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
)cos()(2n c PSK t A t e ?ω+=
其中，
n ?表示第n 个符号的绝对相位：
??
?=”时发送“”时
发送“100π?n
波形图如图1-5所示。
图1-5 2PSK 信号的时间波形
1.3.2解调原理
2PSK 信号的解调通常采用相干解调法，解调器原理如图1-6所示。
r
e -2
1
图1-6 2PSK 信号的解调原理框图
1.4二进制差分相位键控（2DPSK ）
1.4.1调制原理
2DPSK 是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息。假设
??为当前
码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息与??之间的关系为
??
?=?”表示数字信息“”
表示数字信息“100π?
则2DPSK 信号的波形图如图1-7所示
图1-7 2DPSK 信号的时间波形
1.4.2解调原理
2DPSK 信号的解调方法之一是相干解调（极性比较法）加码反变换法。其解调原理是：对2DPSK 信号进行相干解调，恢复出相对码，再经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。2DPSK 的相干解调器原理框图如图1-8所示。
图1-8 2DPSK 的相干解调器原理框图
2DPSK 信号的另一种解调方法是差分相干解调（相位比较法），其原理框图如图1-9所示。
图1-9 2DPSK 差分相干解调器原理图
绝对码
相对码
载波
DPSK 信号
1
1
1
1
2.二进制数字调制系统的抗噪声性能
通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。通信系统中，信道噪声可能使传输码元产生错误，错误程度常用误码率来衡量，因此，分析通信系统的抗噪声性能就是求系统在信道噪声干扰下的总误码率。本章主要对通信系统的抗噪声性能进行理论上的计算分析。
2.1 数字调制系统无码间串扰条件
数字基带信号传输系统的组成框图如图2-1所示。
图2-1 数字基带信号传输系统的组成框图
图中各方框的功能和信号传输的物理过程简述如下：
（1）信道信号形成器（发送滤波器）。其功能是产生适合于信道传输的基带信号波形。它将输入信号频带压缩，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号。
（2）信道。它是允许基带信号通过的媒质。信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起传输波形的失真。另外假设信道引入的是均值为零的高斯白噪声。（3）接收滤波器。它用于接收信号，尽可能滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。
（4）抽样判决器。在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。
（5）定是脉冲和同步提取。用于抽样的定时脉冲依靠同步提取电路从接收信号中提取，定时准确与否直接影响判决效果。
由于系统传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰，即为码间干扰。
通过对信号在抽样时刻的分析可知，只要基带传输系统的波形信号h(t)只在本码元的抽样时刻上有最大值，并且在其他码元的抽样时刻上均为0，则可消除码间干扰。
将上面的时域分析转化到频域中即可得到：一个实际的H(ω)特性若能等效成一个理想的低通滤波器，即可实现无码间干扰。
假设理想低通滤波器H(ω)，有
???
???
?
>≤=s s
T T H πωπωω||0||T s ）（ 其冲击响应为
)
/(sin )(s s
s T t Sa T t
T t h ππ
π
==
在发送序列的时间间隔为Ts 时，正好很好的利用了冲击响应函数中的零点，只要接收端在t=k Ts （k 为整数）时间点上抽样，就能实现无码间干扰。
因而对于带宽为
B=1/2Ts (Hz)
的理想低通传输特性，若输入数据以R B =1/Ts 波特的速率进行传输，这在抽样时刻上不存在码间干扰。即有了耐奎斯特带宽f N =1/2Ts,只有当传码率R B ≤2f N =1/Ts 时，才可能实现无码间干扰。
数字调制系统无码间干扰的频域条件是:
∑∞
∞
-=+const
kTs f H )(
系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，信道噪声有可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。因此，分析数字调制系统的抗噪声性能就是求系统在信道噪声的干扰下的总误码率。假设这里的噪声全部为加性高斯白噪声。
2.2 2ASK 系统的抗噪声性能
2ASK 信号的解调方法有包络检波法和同步检测法。
设发“1”的概率为P(1)，发“0”的概率为P(0)，发送“0”时，错误接收为“1”的概率是P(1/0),发送“1”时，错误接收为“0”的概率是用同步检测法检波时，其原理框图如图2-2所示。
图2-2 2ASK 信号同步检测法的系统性能分析模型
由参考文献知2ASK 系统的总误码率为
??∝
-∝
+=+=b
b
e dx
x f P dx x f P P p P P P )()0()()1()0/1()0()1/0()1(01
其中，f 1(x)表示发送“1”时，x 的一维概率密度函数，f 0(x)表示发送“0”时，x 的一维概率函数密度。
当P(1)、P(0)及f 1(x)、f 0(x)一定时，系统的总误码率只与判决门限b*的选择密切相关。经由数学知识变换得到使得误码率最小的最佳判决门限为
)1()0(ln
2*2P P a a b n σ+=
系统总误码率为
???? ??=421
r erfc P e
22
2n a r σ=
为解调器输入端信噪比
当r>>1，即大信噪比时，总误码率为
4
1
r
e e
r
P -=
π
用包络检波法检波，其原理框图如图2-3所示。
图2-3 2ASK 信号包络检波法系统性能分析模型
由参考文献[1]知该系统的总误码率为
2
)0()],2(1)[1()0/1()0()1/0()1(200b e
P b r Q P P P P P Pe -
+-=+=
其中，b 0=b/σn 指的是归一化门限值。
最终有
2
12
1
2
2
412812*?
??
??+=???
? ??+≈r a a
a b n
σ
实际上系统总是工作在大信噪比的情况下，此时b*=a/2，系统总误码率为
421441
r e e r erfc P -+???? ??=
当r→∞时， 有
4
min 21r e e
P -=
对于2ASK 系统，大信噪比条件下使用包络检波，而小信噪比条件下使用相干
解调。
2.3 2FSK 系统的抗噪声性能
对2FSK 信号只对同步检测法和包络检波法的系统进行分析。
用同步检测法，2FSK 信号的系统性能分析原理框图如图2-4所示。
2FSK 系统的两路信号的误码率对称、相等。但是又与2ASK 系统的不同。
图2-4 2FSK 信号同步检测法系统性能分析模型
由参考文献[1]知该2FSK 系统总误码率为
???? ??=221
r erfc P e
在大信噪比（r>>1)的情况下
2
21
r
e e r P -≈
π
用包络检波法，2FSK 信号的系统性能分析原理框图如图2-5所示。
图2-5 2FSK 信号包络检波法系统性能分析模型
由参考文献[1]知该系统的总误码率为
2
21r
e e P -=
2.4 2PSK/2DPSK 系统的抗噪声性能
以下分别讨论2PSK 相干解调（极性比较法）系统、2DPSK 相干解调（极性比
较—码反变换）系统以及2DPSK 差分相干解调系统的误码性能。
2PSK 信号相干解调其原理框图如图2-6所示。
图2-6 2PSK 信号相干解调系统性能分析模型
由参考文献[1]知系统的总误码率为
()
r erfc P P P P Pe 2
1)0/1()0()1/0()1(=
+=
大信噪比（r>>1)条件下，系统总误码率为
r
e e r
P -=
π21
2DPSK 信号相干解调时，系统的总误码率为
()
???
?
??
-=
2121r erfc P e 当码反变换器输入端相对码序列的误码率很小时，系统误码率为
r e P r
e π-=
2DPSK 信号差分相干解调时，系统的总误码率为
r
e e P -=21
3.二进制数字调制系统的传输性能比较与分析
数字通信系统的主要性能指标是指传输的有效性和可靠性。有效性是指在给定的信道内能传输信息内容的多少，可以用传输速率和频带利用率来衡量。可靠性是指接收信息的准确程度，其主要的指标是误码率，即在传输过程中发生错误的码元个数与总码元个数之比。
3.1
二进制调制系统的频带宽度与频带利用率
对2ASK 信号，由参考文献[1]知，其功率谱密度表达式为
[])()(16
1
)()(sin )()(sin 16)(2
2
2c c s
c s
c s c s c s ASK f f f f T f f T f f T f f T f f T f P -+++???
????
?--+
++=δδππππ
功率谱密度如图3-1所示。
图3-1 2ASK 信号的功率谱密度示意图
由式子及示意图可看出2ASK 信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，连续谱取决于基带信号码元g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。
并且有
s ASK f B 22=
其中，fs=1/Ts 。
对2FSK 信号，由参考文献[1]知，其功率谱密度为
[][])()(16
1
)()(sin )()(sin 16)()(16
1
)()(sin )()(sin 16)
()()(222
222
22112
112
1121222f f f f T f f T f f T f f T f f T f f f f T f f T f f T f f T f f T f P f P f P s
s
s s s s
s s s s FSK A SK A SK -+++???
???
??--++++-+++???
???
??--+++=+=δδππππδδππππ
其功率谱密度示意图如图3-2所示。
图3-2 2FSK 信号功率谱密度示意图
由上式及示意图看出：相位不连续的2FSK 信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个中心位于f 1和f 2处的双边谱叠加而成，离散谱位于载频f 1和f 2处；连续谱的形状随着两个载频之差|f 1-f 2|的大小而变化，若|f 1-f 2|
s FSK f f f B 2||122+-≈
其中fc 为两个载频的中心频率。
2PSK 信号的功率谱密度为
???????
?--+
++=2
2
2)()(sin )()(sin 4)(s c s
c s c s c s PSK T f f T f f T f f T f f T f P ππππ
其功率谱密度示意图如图3-3所示。
衡量一个数字通信系统性能优劣的最为主要的指标是有效性和可靠性，下面主要针对二进制频移键控(2FSK)、二进制相移键控(BPSK)、二进制差分相移键控(DBPSK)以及四进制差分相移键控（DQPSK）数字调制系统，分别从误码率、频带利用率、对信道的适应能力以及设备的可实现性大小几个方面讨论。 1. 误码率 通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，信道噪声有可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。 在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达式的形式则取决于解调方式：相干解调时为互补误 差函数erfc形式（k只取决于调制方式），非相干解调时为指数函数形式。 图1和图2是在下列前提条件下得到： ①二进制数字信号“1”和“0”是独立且等概率出现的； ②信道加性噪声n(t)是零均值高斯白噪声，单边功率谱密度为0n，信道参 恒定； ③通过接受滤波器后的噪声为窄带高斯噪声，其均值为零，方差为2nσ； ④由接收滤波器引起的码间串扰很小，忽略不计； ⑤接收端产生的相干载波的相位差为0。
图1 各种数字调制系统误码率 图2 二进制数字调制系统的误码率曲线 DBPSK ()erfc r 12r e - DQPSK (2sin )2erfc r M π —
图3a MDPSK 信号误码率曲线 图3b MPSK 信号的误码率曲线 (1) 通过图1从横向来看并结合图2得到： 对同一调制方式，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率，相干解调方式的抗噪声性能优于非相干解调方式。但是，随着信噪比r 的增大，相干与非相干误码性能的相对差别越不明显，误码率曲线有所靠拢。 (2) 通过图1从纵向来看： ①若采用相干解调，在误码率相同的情况下，2224ASK FSK BPSK r r r ==，转化成分贝表示为22()3()6()ASK FSK BPSK r dB dB r dB dB r dB =+=+，即所需要的信噪比的要求为：BPSK 比2FSK 小3dB ，2FSK 比2ASK 小3dB ；BPSK 和DBPSK 相比，信噪比r 一定时，若 ()e BPSK P 很小，则()()/2e DBPSK e BPSK P P ≈，若()e BPSK P 很大，则有()()/1e DBPSK e BPSK P P ≈，意味着()e DBPSK P 总是大于()e BPSK P ，误码率增加，增加的系数在1~2之间变化，说明DBPSK 系统抗加性白噪音性能比BPSK 的要差；总之，使用相干解调时，在二进制数字调制系统中，BPSK 的抗噪声性能最优。 ②若采用非相干解调，在误码率相同的情况下，信噪比的要求为：DBPSK
数字信号调制与解调技术 张海超(天津712) 摘要 调制技术是把基带信号变换成传输信号的技术。它将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。 调制技术又分为模拟调制技术与数字调制技术，其主要区别是：模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续估值，而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。与模拟调制系统中的调幅、调频和调相相对应，数字调制系统中也有幅度键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种方式，其中移相键控调制方式具有抗噪声能力强、占用频带窄的特点，在数字化设备中应用广泛，具体的数字调制方式有2FSK、2ASK、2PSK、QPSK、QAM、GSMK、MSK等。 数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。在现在文明高速发展的今天，人们越来越离不开数字信息，数字通信也越来越重要，因此数字调制解调技术越来越被广泛应用。 由于信道资源的紧张与人们越来越希望更快的通信速度与更好通信质量的要求的矛盾，将来必然还要寻找更加好的调制技术，它要求功率效率高，频带利用率高，并且易于实现，节能低碳，环保。激光调制通信、卫星通信、非恒包络调制等都是研究方向。数字调制解调的发展，必定会有力地推进通信、数字技术等各个领域的进步。 关键字：数字、调制方式、解调方式
一、概述 调制是将各种基带信号转换成适于信道传输的调制信号(已调信号或频带信号)，就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。 调制技术分为模拟调制技术与数字调制技术，其主要区别是：模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续估值，而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。 1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制（PCM）的概念，从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了，但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以后才开始的。随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。常用的数字调制技术有2ASK（Amplitude Shift Keying，幅移键控）、4ASK、8ASK、BIT/SK（Phase Shift Keying，相移键控）、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。更有将幅度与相位联合调制的QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM，其频带利用率可达8bit/s/Hz，8倍于2ASK或BIT/SK。此外，还有可采用减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。 数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性，除此之外，数字调制抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。在现在文明高速发展的今天，人们越来越离不开数字信息，数字通信也越来越重要，因此数字调制解调技术越来越被广泛应用。
安康学院 学年论文﹙设计﹚ 题目多进制数字调制系统抗噪性能分析 学生姓名任永森学号 2009222343 所在院(系)安康学院 专业班级电子信息工程 09级（1班） 指导教师张申华 2012年 6月8日
多进制数字调制系统抗噪性能分析 （作者：任永森） （安康学院电子与信息工程系电子信息工程专业09级，陕西安康725000） 指导教师：张申华 【摘要】本文以双模噪声为背景噪声，详细分析了二进制数字调制系统的抗噪声性能。它是对原建立在高斯噪声基础上通信与信号处理理论的完善与补充，有一定的普遍意义。在理论分析的基础上，给出了仿真结果并进行了分析。 【关键词】双模噪声相干检测非相干检测高斯型混合 Anti-noise performance of M-ary digital modulation system Author: Ren Y ongsen （Department of electronics and Information Engineering Ankang University of electronic information engineering09，Ankang 725000，Shaanxi） Directed by Zhang Shenhua Abstract：The bimodal noise background noise, a detailed analysis of the binary digital modulation noise immunity performance of. It is to build in the Gauss noise based on communication and signal processing theory perfect and supplement, has certain common sense. On the basis of theoretical analysis, simulation results and analysis. Key words：Bimodal Noise coherent detection noncoherent detection Gauss hybrid 0 引言 通信与信号处理理论一般是建立在高斯噪声基础之上的，它对建立在高斯噪声基础上的数字调制系统中的背景噪声为高斯噪声时的性能分析理论上已经比较完善。非高斯噪声研究是现代信号处理的核心内容之一，其应用范围以涉及地球物理各个领域。在信号处理方法中，特别是对于各种污染非高斯噪声的接收信号的检测和处理，用高斯噪声进行近似分析不能得到满意效果，所以在处理信号和数据时，首先要分清混有那类噪声，建立其数学模型进行处理。非高斯噪声比高斯噪声更具
2、四相绝对移相键控(QPSK)系统 a)QPSK信号的产生 QPSK信号利用载波的四种不同相位来表示数字信息。由于每一种载波相位代表两比特信息，因此每个四进制码元称为双比特码元。两个二进制码元中的前一比特用a 表示，后一比特用 b 表示，采用体系，则双比特ab 与载波相位的关系如右表。 在2PSK信号相干解调过程中会产生180?相位模糊。同样，对QPSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是0?, 90?,180?和270?四个相位模糊。故在实际中更实用的是四相相对移相调制，即QDPSK方式。 3、四相相对移相键控(QDPSK)系统 四相相对移相键控(QDPSK)信号是利用前后码元之间载波四种不同的相对相位变化来表示数字信息。若以前一双比特码元相位作为参考，??n为当前双比特码元与前一双比特码元初相差，则信息编码与载波相位变化关系如右表（π/2体系） 五、正交振幅调制（QAM） 在系统带宽一定的条件下，多进制调制的信息传输速率比二进制高，也就是说，多进制调制系统的频带利用率高。但是，多进制调制系统频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的。因为随着M 值的增加，在信号空间中各信号点的最小距离减小，相应的信号判决区域也随之减小。因此，当信号受到噪声和干扰的损害时，接收信号的错误概率也将随之增大。 振幅相位联合键控（APK）或正交振幅调制（QAM）就是为克服上述问题而提出来的。在M 较大时，可以获得较好的功率利用率，同时，其设备组成也比较简单。因此，它是目前研究和应用较多的一种调制方式。 正交振幅调制（QAM）是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同
频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。 输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过 2 电平到L 电平的变换，形成L 电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外辐射，该L 电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成X(t)和Y(t)，再分别对同相载波和正交载波相乘。最后将两路信号相加即可得到QAM 信号。 正交振幅调制（QAM）的原理 五、总结 六、布置作业： 课后习题
121 第六章 数字调制系统（数字频带传输系统） 6.1 引 言 在实际通信中，有不少信道都不能直接传送基带信号，而必须用基带信号对载波波形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，即所谓调制。 数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在收端对载波信号的离散调制参量进行检测。 数字调制信号也称键控信号。 在二进制时，有 ASK ~ 振幅键控 FSK ~ 移频键控 PSK ~ 移相键控 正弦载波的三种键控波形 见樊书P129，图6－1 6.2 二进制数字调制原理 6.2.1 二进制振幅键控（2ASK ） 一、一般原理及实现方法 2ASK 是用“0”，“1” 码基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时 断时续地输出。 最早使用的载波电报就是这种情况。 数字序列{}n a ()t s 单极性基带脉冲序列 ()()t t s t e c ω=cos 0 与t c ωcos 相乘，()t s 频谱搬移到c f ±附近，实现2ASK 。 {}n a 信号 2ASK 调制的方框图 转换成 数字调制系统的基本结构图
122 带通滤波器滤出所需已调信号，防止带外辐射，影响邻台。 二、2ASK 信号的功率谱及带宽 ()()()() ∑∞-∞ =-=ω=n s n c nT t g a t s t Cos t s t e 0 ???-=p p a n 110，概率为，概率为随机变量 ()()()()()() ()()()s s T f j s a s T j s a s e fT S T f G e T S T G E t e S t s G t g 002 π-ω-?π=???? ??ω=ωω?ω?ω?或，设 ()()()[]c c S S E ω-ω+ω+ω=ω21 ()()()的功率为： 则在频率轴上互不重叠，，假如t e S S c c 0ω-ωω+ω ()()()[]()()()[] c S c S E c S c S E f f P f f P f P P P P -++=ω-ω+ω+ω= ω4 1 4 1 或 )(f P S 为)(t s 的功率谱， 可见，知道了)(f P S 即可知道)(f P E 。 由前面，二进制随机序列)(t s 的功率谱： 的门函数 12s 2 s t t t
常用多进制数字调制技术基础 1 常用多进制数字调制技术及应用 1.1 QPSK(四相相移键控)技术及应用 (1)QPSK技术 在相移键控(PSK)技术中，通过改变载波信号的相位来表示二进制数0、1，而相位改变的同时，最大振幅和频率则保持不变。例如，可以用两种不同相位的正弦信号分别表示0和1，用0°相位表示0，用180°相位表示1，这种PSK技术称为二相位PSK或2-PSK，信号之间的相位差为180°。 同样，可以用4种不同相位的正弦信号分别表示00、01、10和11，例如，用0°相位表示00，用90°相位表示01，用180°相位表示10，用270°相位表示11。这样每种相位的正弦信号可以表示两位二进制信息，信号之间的相位差为90°，这种PSK技术称为四相位PSK或QPSK，由于4个相位与四进制的4个符号相对应，也称四进制PSK调制。因每种相位的正弦信号可以表示两位二进制信息，与2-PSK相比，其编码效率提高了1倍。 以此类推，当不同相位的载波数为8、16……时,分别称为8-PSK(八进制PSK)、16-PSK(十六进制PSK)……，理论上，不同相位差的载波越多，可以表征的数字输入信息越多，频带的压缩能力越强，可以减小由于信道特性引起的码间串扰的影响，从而提高数字通信的有效性。但在多相调制时，相位取值数增大，信号之间的相位差也就减小，传输的可靠性将随之降低，因而实际中用得较多的是四相制(4-PSK)和八相制(8-PSK)。 (2)QPSK的应用 QPS K广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入与移动通信及有线电视的上行传输。在卫星数字电视传输中普遍采用的QPSK调谐器可以说是当今卫星数字电视传输中对卫星功率、传输效率、抗干扰性以及天线尺寸等多种因素综合考虑的最佳选择。欧洲与日本的数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制，我国也出现了采用QPSK调制解调的卫星广播和数字电视机。 要实现卫星电视的数字化，必须在卫视传输中采用高效的调制器和先进的压缩技术，因为我国现行的PAL制彩色电视是采用625行/50场，其视频带宽5 MHz，根据4∶2∶2的标准，625行/50场的亮度信号(Y)的取样频率为13.5 MHz，每个色差信号(R-Y)和(B-Y)的取样频率均为6.75 MHz。当Y，(R-Y)，(B-Y)信号的每个取样为8 bit量化时，电视信号经数字化后的亮度信号码率为13.5×8=108 Mbps，色度信号的码率为6.75×8×2=108 Mbps，总码率为色亮码率之和，即216 Mbps，在现有的传输媒介中要传送这样宽带的数字电视信号是不可能的。
数字调制技术 一般情况下，信道不能直接传输由信息源产生的原始信号，信息源产生的信号需要变换成适合信号，才能在信道中传输。将信息源产生的信号变换成适合于信道传输的信号的过程称为调制。在调制电路中，调制信号是数字信号，因此这种调制称为数字调制。数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点：数字调制具有更好的抗干扰性能、更强的抗信道损耗及更高的安全性。在数字调制中，调制信号可以表示为符号或脉冲的时间序列，其中每个符号可以有m种有限状态，而每个符号又可采用n比特来表示。主要的数字调制方式包括幅移键控（amplitude shift keying，ASK）、频移键控（frequency shift keying，FSK）、相移键控（phase shift keying，PSK）、多电平正交调幅（multi level quadrature amplitude modulation，mQAM）、多相相移键控（multiphase shift keying，mPSK），也包括近期发展起来的网格编码调制（trellis coded modulation，TCM）、残留边带（vestigial sideband，VSB）调制、正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）调制等。 1.幅移键控 幅移键控就是用数字信号控制高频振荡的幅度，可以通过乘法器和开关电路来实现。幅移键控载波在数字信号1或0的控制下通或断。在信号为1的状态下，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，在接收端就可以根据载波的有无还原出数字信号1和0。移动通信要求调制方式抗干扰能力强、误码性能好、频谱利用率高。二进制幅移键控的抗干扰能力和抗衰落能力差，误码率高于其他调制方式，因此一般不在移动通信中使用。 2. 频移键控 频移键控或称数字频率控制，是数字通信中较早使用的一种调制方式。频移键控广泛应用于低速数据传输设备中。它的调制方法简单、易于实现，解调不需要回复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落能力强。因此，频移键控成为在模拟电话网上传输数据的低速、低成本异步调制解调器的一种主要调制方式。频移键控是用载波的频率来传送数字消息的，即用所传送的数字消息控制载波的
二进制数字调制与解调系统的设计 MATLAB 及SIMULINK 建模环境简介 MATLAB 是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和SIMULINK 两大部分。 Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。 Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 数字通信系统的基本模型 从消息传输角度看,该系统包括了两个重要交换,即消息与数字基带信号之间的交换,数字基带信号与信道信号之间的交换.通常前一种交换由发收端设备完成.而后一种交换则由调制和解调完成. 数字通信系统模型 一、2ASK 调制解调 基本原理 2ASK 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。 其信号表达式为： ，S (t)为单极性数字基带信号。 t t S t e c ωcos )()(0 ?=
调制是所有无线通信的基础，调制是一个将数据传送到无线电载波上用于发射的过程。如今的大多数无线传输都是数字过程，并且可用的频谱有限，因此调制方式变得前所未有地重要。 如今的调制的主要目的是将尽可能多的数据压缩到最少的频谱中。此目标被称为频谱效率，量度数据在分配的带宽中传输的速度。此度量的单位是比特每秒每赫兹（b/s/Hz）。现在已现出现了多种用来实现和提高频谱效率的技术。 幅移键控（ASK）和频移键控（FSK） 调制正弦无线电载波有三种基本方法：更改振幅、频率或相位。比较先进的方法则通过整合两个或者更多这些方法的变体来提高频谱效率。如今，这些基本的调制方式仍在数字信号领域中使用。 图1显示了二进制零的基本串行数字信号和用于发射的信号以及经过调制后的相应AM和FM信号。有两种AM信号：开关调制（OOK）和幅移键控（ASK）。在图1a中 ,载波振幅在两个振幅级之间变化，从而产生ASK调制。在图1b中，二进制信号关断和导通载波，从而产生OOK调制。 图1:三种基本的数字调制方式仍在低数据速率短距离无线应用中相当流行： 幅移键控（a）、开关键控（b）和频移键控（c）。在载波零交叉点发生二进制状态变化时，这些波形是相 干的。 AM在与调制信号的最高频率含量相等的载波频率之上和之下产生边带。所需的带宽是最高频率含量的两倍，包括二进制脉冲调制信号的谐波。 频移键控（FSK）使载波在两个不同的频率（称为标记频率和空间频率，即fm和fs）之间变换（图1c）。FM会在载波频率之上和之下产生多个边带频率。产生的带宽是最高调制频率（包含谐波和调制指数）的函数，即： m = Δf（T） Δf是标记频率与空间频率之间的频率偏移，或者： Δf = fs –fm T是数据的时间间隔或者数据速率的倒数（1/bit/s）。
课程设计(论文)说明书 题目：二进制数字调制系统 的实现 院（系）：信息与通信学院 专业：通信工程
摘要 MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。 论文中介绍了《通信原理》课程中数字频带传输系统的工作原理，并用MATLAB 软件编写M文件实现产生数字基带信号及对其进行四种方式的调制、解调的系统仿真。关键词：数字频带传输系统；MATLAB软件；数字调制
目录 引言 (1) 1 MATLAB简介 (1) 2 二进制数字调制系统的原理及实现 (2) 2.1 二进制振幅键控 (2) 2.1.1ASK调制原理 (2) 2.1.2ASK解调原理 (3) 2.1.3仿真结果及分析 (4) 2.2 二进制移频键控 (4) 2.2.1FSK调制原理 (5) 2.2.2FSK解调原理 (6) 2.2.3仿真结果及分析 (6) 2.3 二进制相移键控 (8) 2.3.1PSK调制原理 (8) 2.3.2PSK解调原理 (9) 2.3.3仿真结果及分析 (9) 2.4 二进制差分相移键控 (10) 2.4.1DPSK调制原理 (11) 2.4.2DPSK解调原理 (11) 2.4.3仿真结果及分析 (12) 3 心得体会 (13) 谢辞 (15) 参考文献 (16) 附录 (17)
引言 通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。 通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统。数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。 本文利用MATLAB软件来仿真二进制数字调制系统，包括2ASK，2FSK，2PSK，2DPSK调制、解调过程。 1 MATLAB简介 美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。 Matlab将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用Matlab产品的开放式结构，可以非常容易地对Matlab的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善Matlab产品以提高产品自身的竞争能力。 利用M语言还开发了相应的Matlab专业工具箱函数供用户直接使用。这些工具箱应用的算法是开放的可扩展的，用户不仅可以查看其中的算法，还可以针对一些算法进行修改，甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。目前Matlab产品的工具箱有四十多个，分别涵盖了数据获取、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。
成绩 西安邮电大学 《通信原理》软件仿真实验报告 实验名称：数字频带系统--2ASK系统 院系：通信与信息工程学院 专业班级： 学生姓名： 学号： （班内序号） 指导教师：张明远 报告日期：2013年10月13日
●实验目的： 1、掌握2ASK信号的波形和产生方法； 2、掌握2ASK信号的频谱特点； 3、掌握2ASK信号的解调方法； 4*、掌握2ASK系统的抗噪声性能。 ●知识要点： 1、2ASK信号的波形和产生方法； 2、2ASK信号的频谱； 3、2ASK信号的解调方法； 4*、2ASK系统的抗噪声性能。 ●仿真设计电路及系统参数设置： 采用模拟相乘法和键控法产生2ASK信号，经调制后用相干解调法和包络解波法进行解调系统框图： 时间参数：No. of Samples =8192；Sample Rate =10000Hz 单极性不归零码Rate = 200Hz，Amp =0.5V，Offset = 0.5V 载波Amp = 1V，Frep = 1000Hz； 图14为带通滤波器，Low Fc = 8000Hz，Hi Fc = 1200Hz 图18为全波整流器 图4和19为低通滤波器，截止频率为200Hz 图5和20为采样器，采样频率为200Hz 图8和21为保持器 图7和22为比较器，比较条件为a>=b,True Output=1v，False Output=-1v ●仿真波形及实验分析： 1.调制信号 原始信号，模拟相乘法得2ASK，键控法得2ASK瀑布图
原始信号频谱 模拟相乘法得2ASK 键控法的2ASK信号 分析：原始信号经模拟相乘法和键控法所得的2ASK信号波形相同，频谱也相同。所以两种方法均可获得2ASK信号
******************* 实践教学 ******************* 兰州理工大学 计算机与通信学院 2013年春季学期 通信系统仿真课程设计 题目：2ASK的数字调制与解调 专业班级：通信工程2班 姓名：李晗 学号：10250228 指导教师：李英堂 成绩：
摘要 现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式，也是各种数字调制的基础。本课程设计主要是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个2ASK 调制与解调系统。用示波器观察调制前后的信号波形；用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化；加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。文中还介绍了基于MATLAB 如何实现2ASK 调制解调的系统仿真。仿真主要采用MATLAB 脚本文件编写程序。结果表明了该设计的正确性。本文研究了基于MATLAB 的2ASK(幅度键控)调制解调的系统仿真，并给出了M 文件环境下的仿真结果。通过Simulink的仿真功能摸拟到了实际中的2ASK调制与解调情况。 关键词：2ASK；Matlab；调制；解调
目录 摘要............................................. 错误！未定义书签。 一、前言 (3) 二、2ASK调制与解调原理 (4) 2.1 2ASK调制原理 (4) 2.2 2ASK解调原理 (6) 三、程序设计 (8) 3.1 数字信号的ASK调制 (8) 3.2 数字信号的ASK相干解调 (9) 四、系统仿真及结果分析 (11) 总结 (12) 参考文献 (13) 致谢 (14)
导入新课： 随着数字通信的发展，人们对频带利用率的要求不断提高，多进制数字调制作为一种解决方案获得了广泛应用。 讲授新课： 课题二 多进制数字调制 一、多进制数字调制系统 由于二进制数字调制系统频带利用率较低，使其在实际应用中受到一些限制。在信道频带受限时 为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统。所谓多进制数字调制系统就是用多进制的基带信号去调制载波的幅度、频率或相位。相应地有多进制振幅调制、多进制频率调制和多进制相位调制。 与二进制数字调制系统相比具有如下特点： 1）在相同的码元速率RB 下，多进制数字调制系统的信息速率比二进制高； )/( log 2s bit M R R B b 2）在相同的信息速率下， 多进制码元速率比二进制系统的低，增大码元宽度，可以增加码元的能量，并能减小码间干扰的影响。 二、多进制数字振幅调制系统 1、多进制数字振幅调制(MASK)的原理 多进制数字振幅调制又称多电平调制，它是二进制数字振幅键控方式的推广。M 进制数字振幅调制信号的载波幅度有M 种取值，在每个符号时间间隔Ts 内发送M 个幅度中的一种幅度的载波信号。 四进制数字振幅调制信号的时间波形 M 进制数字振幅调制可以看成是M 个不同振幅的2ASK 信号的叠加。 b) 多进制数字振幅调制信号的功率谱密度 M 进制数字振幅调制可以看成是M 个不同振幅的2ASK 信号的叠加。 M
进制数字振幅调制信号的功率谱密度是这M 个不同振幅的2ASK 信号功率谱密度之和。尽管叠加后频谱结构很复杂，但其带宽与2ASK 信号的相同。 多进制数字振幅调制信号的带宽：基带22B f B s MASK == c) MASK 信号的产生及解调 MASK 信号的产生方法与2ASK 类似，差别在于基带信号为M 电平。 将二进制信息n 位（n=log2M ）分为一组，然后变换为M 电平，再送入幅度调制器。除了可以采用双边带调制外，也可以用多电平残留边带调制或单边带调制等。基带信号的波形最简单的为矩形脉冲，为了限制信号频谱也可用其他波形如升余弦滚降波形，或部分响应波形等。 MASK 信号的解调可以采用非相干解调即包络检波，或相干检测。 三、多进制数字频率调制系统 1、多进制数字频率调制的基本原理 多进制数字频率调制(MFSK)简称多频调制，它是2FSK 方式的推广。 时域表达式：( )()t t s t e i i MFSK ωcos = ()???<<<<=”时发送的符号不为“0，在时间间隔0”时发送的符号为“0在时间间隔 ，i T t i T t A t s s s i ωi 为载波角频率，共有 M 种取值。通常可选载波频率 fi=n/2T ，n 为正整数，此时M 种发送信号相互正交。 2、多进制数字频率调制的基本原理
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
南华大学电气工程学院 通信原理课程设计 设计题目：多进制数字调制解调系统设计 专业：通信工程 学生姓名:学号: 起迄日期:2015 年6月29日~2015年7月10日指导教师: 系主任：
《通信原理课程设计》任务书
摘要：多进制数字调制基于二进制调制，通过采用多进制调制的方式，使得每个码元传送多个比特的信息，从而在信息传送速率不变的情况下提高频带利用率。与二进制类似，多进制调制有多进制振幅键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）、多进制相移键控（MPSK）和多进制差分相移键控（MDPSK）。本文介绍了多进制调制的原理，并通过Systemview软件，设计了MASK和MFSK调制解调系统。 关键词：多进制调制MASK MFSK
目录 1绪论 (6) 1.1引言 (6) 1.2 MASK调制的基本原理介绍 (7) 1.3 MFSK调制的基本原理介绍 (8) 2 MASK调制设计方法与步骤分析 (9) 2.1 建立仿真电路 (9) 2.2参数设置 (10) 2.3运行时间设置 (10) 2.4 运行系统 (11) 2.5测试结果和分析 (12) 3 MFSK调制设计方法与步骤分析 (13) 3.1 建立仿真电路 (13) 3.2参数设置 (14) 3.3运行时间设置 (14) 3.4 运行系统 (15) 3.5测试结果和分析 (15) 4 心得与体会 (16) 参考文献 (17) 附录 (18)
1绪论 1.1引言 二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方式，具有较好的抗干扰能力。但是由于一个码元只能传送两个比特的信息，因此其频带利用率较低，这一点使得其在实际应用中受到一定的限制。在信道频带受限时，为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现的复杂性。由信息 传输速率R b 、码元传输速率R B 和进制数M之间的关系可知，在信息传送速率不 变的情况下，通过增加进制数M可以降低码元传送速率，从而减小信号带宽，节约频带资源，提高系统的频带利用率。虽然多进制调制带来了信号功率上升和实现上更加复杂，但是随着现代社会的发展，对数据传输要求的迅速增长必然要求多进制调制的进一步应用，而电子技术的飞速发展也使得其调制解调的实现也变得相对简单起来，因此多进制调制的应用必然变得更加广泛。 与二进制数字调制系统相类似，若用多进制数字基带信号去调制载波的振幅，频率或相位，则可相应地产生多进制振幅调控、多进制数字频率调制和多进制数字相位调制。 1.2多进制振幅键控（4ASK）的调制解调原理 振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）是利用载波的幅度变化来传递数字信号，而其频率和初始相位保持不变。在4Ask中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应四进制信息“0”或“1”或“2”或“3” MASK信号的一般表达式为 e2ASK（t）=s（t）coswct 其中 s（t）=Σa n g(t-nTs) 式中：Ts为码元持续时间；g(t)为持续时间为Ts的基带脉冲波形，为简便起见，通常假设g(t)是高度为1、宽度等于Ts的矩形脉冲；an是第n个符号的电平取值。 MASK信号的产生方法通常有两种：数字键控法和模拟相乘法，相应的调制器如图1-1所示。图（a）就是一般的模拟幅度调制的方法，用乘法器实现；
一．设计题目： 二进制数字调制与解调系统的设计 二．主要内容： 二进制数字调制与解调系统的设计 MATLAB及SIMULINK建模环境简介 MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。 Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 三．具体要求 a．利用所学的《通信原理及应用》的基础知识，设计一个2ASK数字调制器。完成对2ASK的调制与解调仿真电路设计，并对其仿真结果进行分析。要求理解2ASK信 号的产生，掌握2ASK信号的调制原理和实现方法并画出实现框图。 b．设计一个2FSK数字调制器。要求给出2FSK的产生原理框图（调频法、键控法）、Matlab仿真调制解调的原理框图，给出信号的频谱图、调制前与解调后数据波形 图 c．设计一个2PSK数字调制器。给出信号的频谱图、调制前与解调后数据波形图. d. 尽可能做出加噪前后相关波形。(加分项)
一数字调制系统仿真实验 基本原理 当调制信号位二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二 进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态，常用的二进制数字调制方式有以下几种：二进制振幅键控调制（2ASK ）、二进制频移键控（2FSK ）、二进制移相键控（2PSK ）和二进制相对（或差分）相位键控（2DPSK ）。 1、 二进制振幅键控（2ASK ） 1) 调制方法 2ASK 信号可表示为： 式中，g(t)是持续时间为Ts 的矩形脉冲，即： 产生2ASK 的方法有两种，如图所示。 相应的调制输出如下图所示： 1) 2ASK 信号的解调 相干解调法： 包络检波法 2、 二进制频移键控（2FSK ） 1) 调制方法 2FSK 信号可表示为： 式中，g(t)是持续时间为Ts 的矩形脉冲，即：???≤=t T t t g s 其它02/1)( 产生2FSK 的方法有两种，如图所示。 FSK 调制信号的输出如下图所示： 2) 解调方法 2FSK 信号有两种基本解调方法：非相干解调和相干解调，此外，还 有鉴频法、过零检测法和差分检波法。 包络检波法 相干解调法 实验步骤 2ASK 仿真部分： 1、 根据2ASK 调制原理，采用相乘器或者开关电路产生2ASK 信号，用
SystemVue仿真实现，观察输出的2ASK波形。 2、计算ASK信号的带宽，并与利用分析窗口得到的信号功率谱进行对比。 3、根据信号的带宽设定合适的带通滤波器，并采用非相干解调法（包络检 波法）或者相干解调法对产生的2ASK信号进行解调，注意缓冲器中判 决门限电平的设置，观察解调后的信号的波形，并与原波形进行比较。 4、具体的仿真系统如下图所示： FSK仿真部分： 1、根据2FSK调制原理，采用相乘器或者开关电路产生2FSK信号，用 SystemVue仿真实现，观察输出的2FSK波形。 2、计算2FSK信号的带宽，并与利用分析窗口得到的信号功率谱进行对比。 3、根据信号的带宽设定合适的带通滤波器，（若基带信号的码速率为10b/s， 载波频率为150Hz和100Hz,则可设定带通滤波器的两个截止频率分别为 120Hz和170Hz）并采用非相干解调法（包络检波法）或者相干解调法 对产生的2FSK信号进行解调，（其中包络检波器可采用截止频率为5Hz 的低通滤波器表示）观察解调后的信号的波形，并与原波形进行比较。 4、具体的仿真系统如下图所示： 实验结果 1、假定数字基带信号的码速率为10b/s，采用频率为30Hz的载波进行2ASK 调制，试画出2ASK信号的频谱图。 2、修改ASK中缓冲器的判决门限电平，解调输出的波形将发生什么变化？ 3、假定数字基带信号的码速率为10b/s，采用频率为100Hz和150Hz的载波 进行2FSK调制，试画出2FSK信号的频谱图。 数字基带传输系统仿真及性能分析数字基带传输系统 基带传输包含着数字通信技术的许多问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此频带传输也存在基带问题。基带传输的许多问题，频带传输同样须考虑。如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。理论上还可证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统来代替。 基带传输系统设计中的误码 产生误码的原因：基带传输中的误码将造成基带系统传输误码率的提升，影响基带系统工作性能。误码是由接收端抽样判决器的错误判决造成的，造成错误判决的原因主要有两个：码间串扰和信道加性噪声的影响。码间串扰是由于系统传输总特性（包括收发滤波器和信道特性）不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰。接收端能否正确恢复信息，在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰。