《信通仿真平台设计--毕业设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信通仿真平台设计--毕业设计.doc（87页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要通信系统的设计、实验过程中，通信信号仿真具有灵活性好、经济等诸多优点，为通信系统研究工作带来了极大的方便。本通信仿真平台的任务是对调幅、双边带、单边带、调频、调相五种模拟通信信号的调制和解调进行建模和计算，以及对2ASK，2FSK，2PSK，2DPSK四种数字通信信号的调制和解调进行建模和计算。该仿真平台实现了不同设计参数下各个信号的时域和频域图形的绘制，从而很好的为教学提供了帮助。通信仿真充分考虑了调制样式和噪声大小以及在调制过程中的各种参数对通信信号性能的影响，完成了对模拟以及数字信号建模计算，得到了时域波形和频谱，能够直观的显示各种参数对各种调制样式的通信的
2、影响。本文做了以下工作：以MATLAB为工具，主要应用MATLAB中的GUI（图形用户接口）程序设计，设计实现了一个通信平台，能模拟九种调制信号的产生，传输以及解调接收，实现了在平台上进行参数输入和图形输出的交互功能。关键词：调制；解调；仿真；MATLAB；GUIAbstractIn the design and test of the communication system, communicating signal simulation possesses many advantages, such as good flexibilities, economy e.g. And it t
3、akes great convenience to the research of communication system. The target of the communication system flat is modeling and calculating to modulation and demodulation of five kinds of signals: AM,DSB,SSB,FM,PM.The task of the communication simulation platform for modeling and calculation of 2ASK, 2F
4、SK, 2PSK, 2DPSK four digital communications signal modulation and demodulation. The simulation platform realized the drawing of time domain graphics and frequency domain graphics to the different design parameters of each signal .Communicating simulation considers the effects of modulation mode, noi
5、se level and modulating parameters to communication, modeling calculation, creation of the four time periods waveform and spectrum deeply and widely. Its convenient to display intuitionisticly the effects of parameters to modulation modes. This paper made the following job: by using MATLAB, mainly u
6、sing the tool of the MATLAB graphical user interface (GUI) program design, designed a communication platform, which can simulate the eight kinds of modulation signals generation, transmission and demodulation and realized the input of the parameters and the output of the graphics. Keywords: modulati
7、on; demodulation ; simulation; MATLAB; GUI 目 录1 绪 论12 模拟通信系统基础理论32.1 模拟通信系统概述32.2 模拟通信系统中的线性调制42.2.1 普通幅度调制（AM）42.2.2 双边带幅度调制（DSB）82.2.3 单边带调制（SSB）102.3 模拟通信系统中的非线性调制132.3.1 频率调制（FM）132.3.2 相位调制（PM）163 数字通信系统基础理论173.1 数字通信系统概述173.2 数字通信系统调制解调原理183.2.1 二进制幅度键控(2ASK)183.2.2 二进制频移键控(2FSK)213.2.3 二进制相移键
8、控(2PSK)233.2.4 二进制差分相移键控(2DPSK)264 模拟通信系统仿真平台总体设计284.1 模拟通信系统仿真平台的功能284.2 系统总体设计284.3 总体设计参数294.4 模拟通信系统仿真实现304.4.1 信号调制解调程序流程图304.4.2 普通调幅（AM）信号仿真314.4.3 双边带调幅（DSB）信号仿真334.4.4 单边带调幅（SSB）信号仿真354.4.5 调频（FM）信号仿真374.4.6 调相（PM）信号仿真394.5 仿真结果分析415 数字通信系统仿真实现425.1 仿真平台功能425.2 总体设计方案425.3 总体设计参数435.4 仿真实现4
9、45.4.1 信号调制解调程序流程图445.4.2 二进制幅度键控(2ASK)信号仿真445.4.3 二进制频移键控(2FSK)信号仿真465.4.4 二进制相移键控(2PSK)信号仿真485.4.5 二进制差分相移键控(2DPSK)信号仿真505.5 仿真结果及分析51结 论52致 谢53参考文献54附录A 英文原文57附录B 汉语翻译63附录C 部分程序67C.1 AM程序67C.2 DSB调制函数68C.3 FM调制函数69C.4 “画图”按钮的回调函数70C.5 2ASK程序72C.6 2FSK程序76C.7 2PSK程序80III沈阳理工大学学士学位论文1 绪 论随着技术的发展，现代
10、无线通信系统功能日趋强大；性能指标越来越高；无线通信系统越来越复杂；其工作的过程描述又很抽象。与此相对应的是，研制费用不断上升，对各部分及系统的研究变得更加困难。如果无线通信系统的研究全部用实际设备来实现，人力、物力、财力花费都是巨大的，而且研制周期也会增加，此外有的研究实际的设备也不一定能有效地实现。回顾数字通信的发展历程，调制解调技术和个人通信的移动性以及无缝隙覆盖多媒体综合业务需求将愈来愈突出。频谱延伸至毫米波、亚毫米波的电磁“无线光纤”乃至激光与粒子通信范畴的无线通信将有愈来愈广阔的活动舞台及光明的发展前景。市场是发展的驱动力。尽管我国的数字通信和互联网发展十分迅速，但面对我国13亿人
11、口，我国在网络规模和容量方面有很大的发展空间。同时竞争局面的形成，促使运营企业积极拓展新业务、新应用，向用户提供丰富的选择，以满足用户多方面、多层次的需求。因此，在数字通信和互联网上的应用开发也有很大的发展潜力。我们要积极促进无线领域的科技进步、技术创新，为实现科教兴国战略，增强中华民族的综合国力，为全球信息化及经济全球化环境下的国际社会与全人类的发展而积极贡献力量1。通信技术的发展日新月异，通信系统也日趋复杂，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
12、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。通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视。因此，在通信系统的设计研发环节中，在进行实际硬件系统试验之前，软件仿真已成为必不可少的一部分。因此，通信信号模拟仿真以其经济、灵活和逼真等特点逐渐成为通信系统的设计、分析过程中不可或缺的手段。通信信号模拟仿真是系统模拟仿真技术与通信技术相结合的产物，它模拟的对象是各种通信信号的调制和解调以及通信的环境，模拟的结果蕴含通信系统的各种参数和环境噪声对通信信号的影响。所以，通信信号模拟系统具有很高的实用价值和战略意义2。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
13、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。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，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
14、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。数字调制技术的发展日新月异，如今在现实中应用的数字调制系统大部分是经过改进的，性能较好的系统，但是，作为理论发展最成熟的调制方式，ASK，FSK，PSK等的研究仍然具有很重大的意义，因此，我们选择了这几种调制方式做仿真研究。仿真这几种理论已经很成熟的数字调制方式，一方面，可以更容易将仿真结果与成熟的理论进行比较，从而验证仿真的合理性；另一方面，也可以以此为基础将仿真系统进行改进扩展，使其成为仿真更多的数字调制方式的模板。仿真理论的日益成熟和计算机及数字技术的飞速进步，使通信信号的仿真可以做到交互性好，直观，精确。MATLAB仿真软
15、件就是分析通信系统常用的工具之一。本题中仿真平台可实现基本模拟信号和数字信号的产生和解调。普通调幅、双边带、单边带、调频、调相五种调制样式的通信系统信号的产生和解调，产生该五种信号的信源、调制后、通过信道后(即加入了噪声后)、解调后的信号的时域波形和频谱。以及2ASK，2FSK，2PSK，2DPSK四种种调制样式的通信系统信号的产生和解调，产生该五种信号的信源、调制后、通过信道后(即加入了噪声后)、解调后的信号的时域波形和频谱。2 模拟通信系统基础理论2.1 模拟通信系统概述通信按照传统的理解就是信息的传输与交换。实际上，基本的点对点通信，均是把发送端的消息通过某种通道传递到接收端。因而，这种
16、通信系统可由图2.1中模型加以概括。图中，在发送端信息源（也称发送端）的作用是把各种可能消息转换成原始电信号。为了使这个原始信号适合在信道中传输，由发送设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信道。信道是指信号传输的通道。在接收端，接收设备的功能与发送设备的相反，它能从接收信号中恢复出相应的原始信号，而受信者（也称信息宿或收终端）是将复原的原始信号转换成相应的消息。图中的噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。（接收端） 图2.1 通信系统模型上述模型概括地反映了通信系统地共性。通信传输的消息是多种多样的，可以是符号、文字、话音、数据、图象等等。各种不同的消息可以分成两类：
17、一类称作离散消息；另一类称作连续消息。离散消息是指消息的状态是可数的或离散型的。离散消息也称为数字消息。而连续消息则是某状态连续变化的消息。连续消息也称为模拟消息。为了传递消息，各种消息转换成电信号。由图2.1的通信过程可知，消息与电信号之间必须建立单一的对应关系，否则在接收端就无法复制出原来的消息。通常，消息被载荷在电信号的某一参量上，如果电信号的该参量携带着离散消息，则该参量必将是离散取值的。这样的信号就称为数字信号。如果电信号的参量连续取值，则称这样的信号为模拟信号。模拟通信系统需要两种变换。首先，发送端的连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原连续消息。这里所说的原始电
18、信号，由于它通常具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。因此，模拟通信系统里常需要有第二种变换：将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换。这种变换和反变换通常称为调制和解调。经过调制后的信号称为已调信号，它应有两个基本特征：一是携带有消息，二是适应在信道中传输。通常，我们将发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号。因此，原始电信号又称为基带信号，而已调信号则常称为频带信号。消息从发送端传递到接收端并非仅经过以上两种变换，系统里可能还有滤波、放大、变频、辐射等等过程。但是主要还是上述两种变换和反变换，其余过程被认为都是足够理想的。于是，一般的模拟通信系统模型可由图2
19、.1略加改变而成，如图2.2所示。这里的调制器与解调器就代表图2.1中的发送设备与接收设备34。（接收端）图2.2 模拟通信系统模型2.2 模拟通信系统中的线性调制线性调制是通过改变载波的幅度来实现基带调制信号的频谱搬移，它所形成的信号频谱保持原来基带信号频谱的结构。也就是说，已调信号频谱与基带信号频谱之间存在着线性变换关系。本文介绍模拟通信系统线性调制中的普通幅度调制、双边带调幅、单边带调幅三种调制方法。2.2.1 普通幅度调制（AM）1、调幅信号的产生在图2.3中，假设单频调制信号为，其叠加直流后与载波相乘，就可形成调幅(AM)信号。其时域和频域表示式分别为 (2.2.1) (2.2.2)
20、式中，A0为外加的直流分量；可以是均值为零的确知信号，也可以是随机信号（此时，已调信号的频域表示必须用功率谱描述），但通常认为其平均值=0。图2.3 AM调制器模型当满足条件时，AM信号的包络与调制信号成正比，所以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号，否则，将会出现过调幅现象而产生包络失真。振幅调制信号一个重要的参数是调幅度，调幅度的定义为 (2.2.3)=1称为满调幅，此时。一般小于1，只有为负值，出现过调幅时，才大于1。这时不能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用同步解调。AM信号的频谱载频分量由上、下两个边带组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边
21、带的镜像。因此，AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽的两倍，即。AM信号在1电阻上的平均功率应等于的均方值。当为确知信号时，的均方值即为其平方的时间平均，即 (2.2.4)通常假设调制信号没有直流分量，即=0。因此 (2.2.5)式中 不带信息的载波功率，； 信号平均功率，。由此可见，AM信号的总平均功率由不带信息的载波功率和携带信息的边带功率两部分组成。只有边带功率才与调制信号有关。通常把边带功率与总平均功率的比值称为调制效率，用符号表示5。 (2.2.6)即使在“满调幅”条件下，如果为矩形波形，则最大可得到=0.5，而为正弦波时可得到 =33.3%。一般情况下，都小于1，
22、调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小。因此，AM信号的功率利用率比较低。但AM信号有一个很大的优点，即可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号。2、调幅信号的相干解调和抗噪声性能AM信号的解调方法有两种：包络检波和相干解调。本设计采用的是相干解调方法。相干解调又称同步检波，必须采用一个与发射端载波同频同相（或固定相位差）的本地载波，称为同步信号6,7。同步检波可由乘法器实现，其原理见图2.4。图2.4 AM信号的相干解调器模型如图所示，乘法器一端输入为调幅信号，另一端输入为同步信号，即则乘法器输出为 (2.2.7)其中是乘法器增益。可见，输出信号中含有
23、直流、几个频率分量。用低通滤波器来取出直流和分量，再去掉直流分量，就可以恢复原调制信号。对于普通调幅信号，因其中包含有载波分量，故提取同步信号并不困难。可以将普通调幅信号放大后限幅，使其成为等幅方波信号，然后用带通滤波器取出它的基频，就是同步信号了。抗噪声性能分析输入信号平均功率 (2.2.8)输入噪声的功率为 (2.2.9)普通调幅信号与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号 (2.2.10)因此，解调器输出端的有用信号功率为 (2.2.11)经乘法器再经过低通滤波器后，最终的输出噪声功率为 (2.2.12)于是普通调幅解调器的输入信噪比为 (2.2.13)输出信噪比为 (2.2.1
24、4)因而制度增益为 (2.2.15)则对于100%的调制（即=），这时AM的最大信噪比增益为=2.2.2 双边带幅度调制（DSB）1、双边带调幅信号的产生产生双边带调幅信号的最直接方法就是将调幅信号与载波信号相乘。如图2.5。图2.5 DSB调制器模型设单频调制信号，载波，两者相乘得DSB信号为 (2.2.16)可见，双边带调幅信号中只包含两个边频，无载频分量，其频带宽度为调制信号带宽的2倍8,9。2、双边带调幅信号的解调原理和抗噪声性能双边带调幅信号的解调采用相干解调方法。同步检波仍由乘法器实现，其原理见图2.6。图2.6 DSB信号的相干解调器模型如图所示，乘法器一端输入为双边带调幅信号，
25、另一端输入为同步信号。则乘法器输出为 (2.2.17)其中是乘法器增益。可见，输出信号中含有、几个频率分量。用低通滤波器来取出分量，就可以恢复原调制信号，即实现了解调。对于双边带调幅信号要提取同步信号，可将双边带信号取平方，则可得到频率为2的分量，经二分频电路后就可以得到分量，这种提取同步信号的方法称为平方法。双边带调幅信号的抗噪声性能分析。输入信号平均功率为 (2.2.18)输入噪声的功率为双边带信号与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号因此，解调器输出端的有用信号功率为 (2.2.19)经乘法器再经过低通滤波器后，最终的输出噪声功率同公式（2.2.12）为于是双边带解调器的输入信
26、噪比为 (2.2.20)输出信噪比为 (2.2.21)因而制度增益为 (2.2.22)由此可见，DSB调制系统的制度增益为2。也就是说，DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用相干解调，使输入噪声中的一个正交分量被消除的缘故10。2.2.3 单边带调制（SSB）1、滤波法产生单边带信号产生SSB信号最直观的方法是，先产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。我们把这种方法称为滤波法，它是最简单也是最常用的方法。其原理框图如图2.7所示。图2.7 滤波法SSB信号调制器图中，为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性
27、： (2.2.23)则可滤除下边带，保留上边带（USB）；若具有如下理想低通特性： (2.2.24)则可滤除上边带，保留下边带（LSB）。用滤波法形成SSB信号的技术难点是，由于一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，这就要求单边带滤波器在附近具有陡峭截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。为此，在工程中往往采用多级调制滤波的方法11。2、用相移法形成单边带信号SSB信号的时域表示式的推导比较困难，一般需要借助希尔伯特变换来表述。但我们可以从简单的单频调制出发，得到SSB的信号的时域表示式，然后再推
28、广到一般表示式。设单频调制信号，载波，两者相乘得DSB信号如公式（2.2.16）为 保留上边带，则 (2.2.25)保留下边带，则 (2.2.26)把上、下边带合并起来可以写成下式： (2.2.27)式中，“-”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。可以看成是相移/2，而幅度大小不变。即是希尔伯特变换，记为“”，则 (2.2.28)因为任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和。因此，结合公式（2.2.27）可以得到调制信号为任意信号的SSB信号的时域表示式 (2.2.29)式中，是的希尔伯特变换12,13。3、SSB信号的解调和噪声性能单边带信号的解调方法与双边带信号的解调方法相同，也是只
29、能用相干解调。二者的不同之处在于，从单边带调幅信号中无法提取同步信号。一般可在发送单边带信号的同时，也附带发送一个功率较小的载波信号，供接收端从中提取作为同步信号。解调过程即 (2.2.30)与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号 (2.2.31)因此，输出信号平均功率 (2.2.32)输入信号平均功率 (2.2.33)因为与幅度相同，所以两者具有相同的平均功率，故上式变为 (2.2.34)于是单边带解调器的输入信噪比为 (2.2.35)输出信噪声比为 (2.2.36)因而制度增益为 (2.2.37)与DSB相比SSB的制度增益只有DSB的一半。如果只是调制方式不一样的话，DSB调制
30、方式后的发射功率为SSB的两倍。如果将SSB的功率增加到与DSB一样，则它们的信噪比也就一样了。但SSB可以用一半的频带宽度得到和DSB一样的信噪比。这是SSB的优势14,15。2.3 模拟通信系统中的非线性调制线性调制是通过改变载波的幅度来实现基带调制信号的频谱搬移，而非线性调制虽然也要完成频谱的搬移，但它所形成的信号频谱不再保持原来基带信号频谱的结构。也就是说，已调信号频谱与基带信号频谱之间存在着非线性变换关系。非线性调制通常是通过改变载波的频谱或相位来达到的，即载波的振幅保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故这种调制又称角度调制。角
31、度调制就是频率调制（FM）和相位调制（PM）的统称。这两种调制方法有紧密联系，其中一个性质可以从另一个性质中推到出来。与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能，然而有得就有失，获得这种优势的代价是角度调制占用比幅度调制信号更宽的带宽16。2.3.1 频率调制（FM）1.调频信号的产生通常采用间接法来产生FM信号。间接法是先对调制信号积分，然后对载波进行相位调制，从而产生窄带调频信号(NBFM)。然后，利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信号(WBFM)。其原理框图如图2.8所示。图2.8 间接法产生WBFM窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成，即 (2.3.1)因此，可
32、采用图2.9所示的框图来实现窄带调频。图2 9窄带调频（NBFM）信号产生框图窄带调频一般都要再用倍频来得到宽带调频信号。所产生调频信号为 (2.3.2) 其中，为单一频率余弦波，即，式中：为调频指数 (2.3.3)表示最大的相位偏移；其中的，为最大角频偏；，为最大频偏。2.调频信号的解调和抗噪性能调频信号的解调常采用鉴频法，其原理图如图2.10。（a） 振幅鉴频器特性（b） 鉴频器解调原理框图图2.10 振幅鉴频器特性与原理框图由于随调制信号成线性关系的瞬时角频率与相位是微分关系，而相位与电压又是三角函数关系，因此要从调频信号中直接提取与成正比的电压信号很困难。通常采用以下方法，即先将调频信
33、号通过频幅转换网络变成调频调幅信号（指瞬时频率和振幅中都含有与调制信号电压成正比分量的高频已调波信号），然后利用包络检波的方法取出调制信号。图中的限幅器将调频波在传输中引起的幅值变化（寄生调幅等）部分削去，变成固定幅度调频波。带通滤波器让调频信号顺利通过，而滤去带外噪声和高次谐波。微分器和包络检波器组成鉴频器，微分器将调频信号变成调幅调频波，再由包络检波器检出幅度变化。如图，输入调频信号为，其表达式为公式（2.3.2）。理想鉴频器可看成是带有微分器的包络检波器，微分器输出 (2.3.4)可见，FM波经微分后变成了调幅调频信号，其幅值为 (2.3.5)经包络检波并隔除支流分量后，鉴频器输出： (
34、2.3.6)式中：为检频器灵敏度（V/(rad/s)）。以上解调过程是先用微分器将幅度恒定的调频波变成调幅调频波，再用包络检波器从幅度变化中检出调制信号，因此上述解调方法又称为包络检测。其缺点之一是包络检波器对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应，为此，在微分器前加一个限幅器和带通滤波器以便将调频波在传输过程中引起的幅度变化部分削去，变成固定幅度的调频波，带通滤波器让调频信号顺利通过，而滤除带外噪声及高次谐波分量17。2.3.2 相位调制（PM）假设单频调制信号为，载波信号为，实现相位调制的基本原理是使高频载波通过一个可控相移网络，此网络产生的相移受调制电压控制，满足的关系，为比例系数
35、，表示单位调制电压产生的相位偏移量，此网络输出就是调相信号，图2.11给出了可控相移网络调相原理图。图2.11 可控相移网络调相原理图由图可知，经过可控相移网络后的调相信号为 (2.3.7)上式表明，调相信号的振幅恒定，瞬时相位是在随时间变化的载波相位上叠加了一个与调制电压成正比的相偏。调相指数（最大相偏）定义为 (2.3.8)3 数字通信系统基础理论数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。这是因为数字基带信号往往具有低频分量。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字
36、基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调。通常把包括调制解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统，为了与“基带”一词相对应，带通传输也称为频带传输，又因为是借助于正弦载波的幅度频率和相位来传递数字基带信号的，所以带通传输也叫载波传输。一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理是相同的，但是数字信号有离散取值的特点。因此数字调制的技术有两种方法。通常我们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，这种方法叫做键控法使用键控法来实现数字调制，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振
37、幅键控，频移键控，和相位键控三种基本的数字调制方式。图3.1给出了相应的信号波形示例。图3.1 正弦波的三种键控波形调制信号是二进制数字基带信号时，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，频率和相位只有两种形式的变化状态。相应的调制方式有二进制振幅键控(2ASK)，二进制频移键控(2FSK)，二进制相移键控(2PSK)18。3.1 数字通信系统概述数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，模型如图3.2所示。需要说明的是，图3.2是数字通信系统的一般模型，实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节。 如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号
38、无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中如图3.3就不包括调制与解调环节19,20。图3.2 数字通信系统的一般模型图3.3 数字基带信号传输系统模型3.2 数字通信系统调制解调原理3.2.1 二进制幅度键控(2ASK)1、基本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，其表达式为 (3.2.1)可见，载波在二进制基带信号s(t)控制下通-断变化，所以这种键控又称为通-断键控。在OOK中，某一符号(“0”或“1”)用没有电
39、压来表示。2ASK信号的一般表达式为： (3.2.2) (3.2.3)式中，为码元持续时间；为持续时间的基带脉冲波形。为简便起见，通常假设是高度为1，宽度等于的矩形脉冲；是第n个符号的电平。若取， (3.2.4)则相应的2ASK信号就是OOK信号。与AM信号的解调方法一样。2ASK/OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调（包络解调）和相干解调（同步解调），相应的接收系统组成方框图如3.4所示。与模拟信号的接收系统相比，这里增加了一个“抽样判决器”方框，这对于提高数字信号的接收性能是必要的21。图3.4 2ASK/OOK信号接收系统组成方框图2、功率谱密度由于2ASK信号是随机的功率信号，
40、故研究它的频谱特性时，应该讨论它的功率谱密度。一个2ASK信号可以表示成： (3.2.5)其中，二进制信号s(t)是随机的单极性矩形脉冲序列。若设s(t)的功率谱密度为，2ASK信号的功率谱密度为，则由式可得： (3.2.6)可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱密度的线性搬移（属线性调制）。知道了即可确定。单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式为 (3.2.7)式中：；是单个基带信号码元g(t)的频谱函数。对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形g(t)的频谱特点，对于所有的的整数，有，故式(3.2.7)可以简化为 (3.2.8)将其代入式(3.2.6)，得 (3.2.9) 当概率时，并考虑
41、到，则2ASK功率谱密度为 (3.2.10)其曲线如图3.5所示。图3.5 2ASK信号的功率谱密度示意图从以上分析及图可以看出：第一，2ASK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g(t)经线性调制后的双边频谱，而离散谱由载波分量确定。第二，2ASK信号的带宽是基带信号带宽的2倍，若只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有 (3.2.11)其中，。由此可见，2ASK信号的传输带宽是码元速率的2倍2223。3.2.2 二进制频移键控(2FSK)1、基本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信号中，载波的频率随二进制基带信号在和两个频率点间变化。故其表达式为 (
42、3.2.12)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 (3.2.13)式中：g(t)为单个矩形脉冲；脉宽为。 (3.2.14)是的反码，若=1，则=0；若=0，则=1。于是 (3.2.15)和分别是第n个码元(1或0)的初始位。在频移键控中，和不携带信息，通常可令和为零，因此2FSK信号的表达式可简化为： (3.2.16) (3.2.17) (3.2.18)2FSK常用的解调方法是如图3.6所示的相干解调。其解调原理是将2FSK信号分解成上下两路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，判决规则应与调试规则相呼应，调制时若规定“1”符号对应载波频率，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之判为“0”。 图3.6 2FSK信号解调原理图2、功率谱密度根据2ASK信号功率谱表示式，不难写出这种2F