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1、第6章 通信系統(tǒng)仿真,6.1 通信工具箱函數(shù) 6.2 信息的度量和編碼 6.3 差錯(cuò)控制編/譯碼方法 6.4 模擬調(diào)制和解調(diào) 6.5 數(shù)字調(diào)制和解調(diào) 6.6 通信系統(tǒng)的性能仿真 6.7 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真,6.1通信工具箱的函數(shù),在MATLAB的Communication Toolbox(通信工具箱)中提供了許多仿真函數(shù)和模塊，用于對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。主要包括兩部分內(nèi)容：通信函數(shù)命令和Simulink的Communications Blockset（通信模塊集）仿真模塊。用戶既可以在MATLAB的工作空間中直接調(diào)用工具箱中的函數(shù)，也可以使用Simulink平臺(tái)構(gòu)造自己的仿真模塊，以達(dá)到擴(kuò)

2、充工具箱的內(nèi)容。通信工具箱中的函數(shù)名稱和內(nèi)容列表，其內(nèi)容包含：,Signal Sources(信號(hào)源函數(shù))； Signal Analysis function(信號(hào)分析函數(shù))； Source Coding(信源編碼)； Error Control Coding(差錯(cuò)控制編碼函數(shù))； Lower Level Function for Error Control Coding(差錯(cuò)控制編碼的底層函數(shù))； Modulation/Demodulation(調(diào)制/解調(diào)函數(shù)) Special Filters(特殊濾波器設(shè)計(jì)函數(shù))； Lower Level Function for Specials Fil

3、ters(設(shè)計(jì)特殊濾波器的底層函數(shù))； Channel Functions(信道函數(shù))； Galosi Field Computation(有限域估計(jì)函數(shù))； Utilities(實(shí)用工具函數(shù))。,6.2 信息的量度與編碼,信源熵的輸出可以用隨機(jī)過(guò)程來(lái)表達(dá)。對(duì)于一個(gè)離散無(wú)記憶平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，其信息量 (熵)定義為：,,,其中X表示信源取值集合，p(x)是信源取值x的概率。,,6.2.1 Huffman編碼 信源編碼可分為兩類：無(wú)失真編碼和限失真編碼。Huffman編碼的基本原理就是為概率較小的信源輸出分配較長(zhǎng)的碼字，而對(duì)那些出現(xiàn)可能性較大的信源輸出分配較短的碼字。,Huffman編碼算法及步

4、驟如下： 將信源消息按照概率大小順序排隊(duì)。 按照一定的規(guī)則，從最小概率的兩個(gè)消息開始編碼。 將經(jīng)過(guò)編碼的兩個(gè)消息的概率合并，并重新按照概率大小排序，重復(fù)步驟。 重復(fù)上面步驟，一直到合并的概率達(dá)到1時(shí)停止。這樣便可以得到編碼樹狀圖。 按照后出先編碼的方式編程，即從數(shù)的根部開始，將0和1分別放到合并成同一節(jié)點(diǎn)的任意兩個(gè)支路上，這樣就產(chǎn)生了這組Huffman碼。,6.2.2 MATLAB信源編/譯碼方法,大多數(shù)信源（比如語(yǔ)音、圖像）最開始都是模擬信號(hào)，為了將信源輸出數(shù)字化，信源必須量化為確定數(shù)目的級(jí)數(shù)。量化方案可劃分為標(biāo)量量化和矢量量化兩種。在標(biāo)量量化中每個(gè)信源輸出都分別被量化，標(biāo)量量化可進(jìn)一步分為

5、均勻量化和非均勻量化。在均勻量化中量化區(qū)域是等長(zhǎng)的；在非均勻量化中量化區(qū)域可以是不等長(zhǎng)的。矢量量化是對(duì)信源輸出組合進(jìn)行整體量化。,在標(biāo)量量化中，隨機(jī)標(biāo)量X的定義域被劃分成N個(gè)互不重疊的區(qū)域Ri，1 i

6、律壓擴(kuò)計(jì)算函數(shù)compand( ),格式：out=compand(in, param, V, method) 功能：實(shí)現(xiàn),,律或A律壓擴(kuò)，其中param為,,值，V為峰值。壓擴(kuò)方式由method指定。,,,(2) 產(chǎn)生量化索引和量化輸出值的函數(shù)quantiz( ) 格式：indx=quantiz(sig, partition) 功能：根據(jù)判斷向量partition，對(duì)輸入信號(hào)sig產(chǎn)生量化索引indx，indx的長(zhǎng)度與sig矢量的長(zhǎng)度相同。 (3) 采用訓(xùn)練序列和Lloyd算法優(yōu)化標(biāo)量算法的函數(shù)lloyds( ) 格式：parition, codebook=lloyds(training_se

7、t, ini_codebook) 功能：用訓(xùn)練集矢量training_set優(yōu)化標(biāo)量量化參數(shù)partition和碼本codebook。ini_codebook是碼本codebook的初始值。,例6-2 用訓(xùn)練序列和Lloyd算法，對(duì)一個(gè)正弦信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)量化。 MATLAB程序如下： N=23; %以3比特傳輸信道 t=0:100*pi/20; u=cos(t); p,c=lloyds(u,N); %生成分界點(diǎn)矢量和編碼手冊(cè) index,quant,distor=quantiz(u,p,c); %量化信號(hào) plot(t,u,t,quant,*); 該程序運(yùn)行結(jié)果如圖6.3所示。,2.預(yù)測(cè)量化

8、 根據(jù)過(guò)去發(fā)送的信號(hào)來(lái)估計(jì)下一個(gè)將要發(fā)送的信號(hào)值。 (1) 差分脈沖調(diào)制編碼函數(shù)dpcmenco( ) 格式：indx=dpcmenco(sig, codebook, partition, predictor) 功能：返回DPCM編碼的編碼索引indx。其中參數(shù)sig為輸入信號(hào)，predictor為預(yù)測(cè)器 傳遞函數(shù)，其形式為0, t1,, tm。 預(yù)測(cè)誤差的量化參數(shù)由partition和predictor指定。 (2) 信源編碼中的DPCM解碼函數(shù)dpcmdeco( ) 格式：sig=dpcmdeco(indx, codebook, predictor) 功能：根據(jù)DPCM信號(hào)編碼索引in

9、dx進(jìn)行解碼。predictor為指定的預(yù)測(cè)器，codebook為 碼本。,(3) 用訓(xùn)練數(shù)據(jù)優(yōu)化差分脈沖調(diào)制參數(shù)的函數(shù)dpcmopt( ) 格式：predictor=dpcmopt(training_set, ord) 功能：對(duì)給定訓(xùn)練集的預(yù)測(cè)器進(jìn)行估計(jì)，訓(xùn)練集及其順序由training_set和ord指定，預(yù)測(cè)器由predictor輸出。,,例6-3 用訓(xùn)練數(shù)據(jù)優(yōu)化DPCM方法，對(duì)一個(gè)余弦信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)量化。 MATLAB程序如下： N=23; %以3比特傳輸信道 t=0:100*pi/20; u=cos(t); predictor,codebook,partition=dpcmopt(

10、u,1,N); %優(yōu)化的預(yù)測(cè)傳遞函數(shù) index,quant=dpcmenco(u,codebook,partition,predictor); %使用DPCM編碼 sig, equant=dpcmdeco(index, codebook, predictor); %使用DPCM解碼 plot(t,u,t,equant,*); 運(yùn)行后所得圖形如圖6.4所示。,6.3 差錯(cuò)控制編/譯碼方法,在通信系統(tǒng)中，差錯(cuò)控制編/譯碼技術(shù)被廣泛地用于檢查和糾正信息在傳遞過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤。在發(fā)送端，差錯(cuò)控制編碼添加了一定的冗余碼元到信源序列；接收時(shí)就利用這些冗余信息來(lái)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。糾錯(cuò)編碼主要有分

11、組碼和卷積碼兩種類型。 MATLAB通信工具箱提供了一系列函數(shù)用于有限域計(jì)算。概率解碼中最常用的是Viterbi解碼，用于卷積碼解碼。常用的糾錯(cuò)編碼方法包括線性分組碼、海明碼、循環(huán)碼、BCH碼、Reed-Solomon碼和卷積碼。,1. 糾錯(cuò)編碼函數(shù)encode( )及譯碼函數(shù)decode( ) 格式：code=encode(msg, N, K, method, opt) 功能：用method指的方法完成糾錯(cuò)編碼。其中msg代表信息碼元；method是允許的編碼方法，包括hamming 、linear等， opt是一個(gè)可選擇的優(yōu)化參數(shù)。 格式：msg=decode(code,n,k,metho

12、d) 功能：用指定的method方式進(jìn)行譯碼。為了正確地復(fù)制出信源序列，編碼和譯碼的調(diào)用方式必須相同。,,2. 卷積糾錯(cuò)編碼函數(shù)convenc( ) 格式：code=convenc(msg, trellis) 功能：利用poly2trellis函數(shù)定義的格形trellis 結(jié)構(gòu)，對(duì)二進(jìn)制矢量信息msg進(jìn)行卷積 編碼。編碼器的初始狀態(tài)為零狀態(tài)。,3. 將卷積編碼多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換成格形(trellis)結(jié)構(gòu)函數(shù)poly2trellis( ) 格式：trellis = poly2trellis(constrainlength, codegenerator) 功能：將前向反饋卷積編碼器的多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換成一格形(

13、trellis)結(jié)構(gòu)。,4. 利用Viterbi 算法譯卷積碼函數(shù)vitdec( ) 格式：decoded = vitdec(code,trellis,tblen,opmode,dectype) 功能：利用Viterbi 算法譯卷積碼。Code為poly2trellis函數(shù)或istrellis函數(shù)定義的格形 trellis結(jié)構(gòu)的卷積碼。參數(shù)tblen 取正整數(shù)，表示記憶(traceback)深度。參數(shù)opmode 代表解碼操作模型。,,,例6-6 利用vitdec函數(shù)對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行卷積碼譯碼的例子。 MATLAB程序如下： t = poly2trellis(3 3,4 5 7;7 4 2)

14、; k = log2(t.numInputSymbols); msg = 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1; code = convenc(msg,t); tblen = 3; d1=vitdec(code,t,tblen,cont,hard); d m p in = vitdec(code,t,tblen,cont,hard); 該程序運(yùn)行結(jié)結(jié)果：d1與d相同；d為信息msg的延遲結(jié)果, d(tblen*k+1:end)與 msg(1:end-tblen*k)相同。,6.4 模擬調(diào)制與解調(diào),根據(jù)調(diào)制信號(hào)的不同，可將調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制的輸入信號(hào)為

15、連續(xù)變化的模擬量，數(shù)字調(diào)制的調(diào)制信號(hào)是離散的數(shù)字量。在對(duì)調(diào)制進(jìn)行仿真模擬有帶通的和基帶的兩種選擇。帶通仿真的載波信號(hào)包含于傳輸模型中。由于載波信號(hào)的頻率遠(yuǎn)高于輸入信號(hào)，根據(jù)抽樣定理，抽樣頻率必須至少大于兩倍的載波頻率才能正確地恢復(fù)信號(hào)，因此對(duì)高頻信號(hào)的模擬仿真效率低、速度慢。為了加速模擬仿真，一般使用基帶仿真，也稱為低通對(duì)等方法?；鶐Х抡媸褂脦ㄐ盘?hào)的復(fù)包絡(luò)。,6.4.1帶通模擬調(diào)制與解調(diào),模擬調(diào)制通常分為：幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。幅度調(diào)制又可分為常規(guī)幅度調(diào)制(AM)、抑制雙邊帶幅度調(diào)制(DSB-AM)、抑制單邊帶幅度調(diào)制(SSB-AM)和正交幅度調(diào)制(QAM)等

16、。解調(diào)就是從調(diào)制信號(hào)中提取消息信號(hào)。解調(diào)過(guò)程與利用何種解調(diào)方式有關(guān)。在模擬調(diào)制的仿真中包含兩個(gè)頻率：載波頻率 fc和仿真的采樣頻率 fs。,,,1雙邊幅度調(diào)制(DSB-AM)與解調(diào) 在DSB-AM中，已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表示如下式：,,,其中m(t)是消息信號(hào)，,,為載波，,,是載波的頻率(單位赫茲Hz)，,,是初始相位。,,對(duì)u(t) 作傅立葉變換，即可得到信號(hào)的頻域表示：,傳輸帶寬BT 是消息信號(hào)帶寬的兩倍，即：,DSB-AM調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程如圖6.7所示，調(diào)制信號(hào)與接收機(jī)本地振蕩器所產(chǎn)生的正弦信號(hào)相乘可得混頻器輸出：,,圖6.7 DSB-AM調(diào)制信號(hào)的解調(diào),然后利用低通濾波器對(duì)低通分量進(jìn)行濾

17、波即可恢復(fù)被調(diào)信號(hào)。,圖6.5 信號(hào)調(diào)制前后比較,圖6.6 DSB-AM調(diào)幅前后頻譜,圖6.9未調(diào)制信號(hào)、解調(diào)信號(hào)及其相應(yīng)的頻譜比較,,,2單邊幅度調(diào)(SSB-AM)與解調(diào) 去掉DSB-AM的一邊就得到SSB-AM。依據(jù)所保留的邊帶是上邊，還是下邊，可以分為USSA和LSSB兩種不同的方式，此時(shí)信號(hào)的時(shí)域表示為：,,在頻域表示為：,,,其中,,的希爾特變換，定義為,,, 在頻域中為：,是,,,單邊SSB幅度調(diào)制占有DSB-AM的一半的帶寬，即等于信號(hào)帶寬：,,,SSB-AM調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程基本上與DSB-AM調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程是相同的，即調(diào)制信號(hào)與本地振蕩器的輸出進(jìn)行混頻得：,,,然后利用低

18、通濾波器對(duì)低通分量進(jìn)行濾波即可恢復(fù)被調(diào)信號(hào)。,圖6.11 上、下邊帶調(diào)制信號(hào)頻譜,圖6.10 上、下邊帶調(diào)制信號(hào),圖6.12未調(diào)制信號(hào)、解調(diào)信號(hào)及其相應(yīng)的頻譜比較,,,這里a是調(diào)制指數(shù)，,,是經(jīng)過(guò)歸一化處理的消息信號(hào)。,在常規(guī)AM中，調(diào)制信號(hào)的時(shí)域表示為：,,,,,,,,,,,,3. 常規(guī)幅度調(diào)制(AM) 常規(guī)幅度調(diào)制(AM)在很多方面與雙邊幅度調(diào)制類型。不同的是，用,,對(duì)u(t)作傅里葉變換，即可得到信號(hào)的頻域表示：,,常規(guī)幅度調(diào)制(AM)信號(hào)的解調(diào)，可采用包絡(luò)檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。包絡(luò)檢波器可得到AM調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)為： 式中mn(t)與被調(diào)信號(hào)m(t)成比例，1對(duì)應(yīng)于可由直流電路分離出來(lái)的載波

19、分量。,圖6.13 常規(guī)幅度調(diào)制信號(hào),圖6.14 常規(guī)幅度調(diào)制信號(hào)頻譜,圖6.15 常規(guī)幅度調(diào)制信號(hào),4正交幅度調(diào)制 正交幅度調(diào)制(QAM)調(diào)制信號(hào)為：,,其中mI(t)為同相信號(hào)，mQ(t)為正交信號(hào)，fc是載波頻率(單位赫茲Hz)， 是初始相位。正交幅度調(diào)制過(guò)程如圖6.16所示。對(duì)應(yīng)的解調(diào)過(guò)程如圖6.17所示。,,圖6.16 正交幅度調(diào)制框圖,圖6.17 正交幅度調(diào)制的解調(diào)框圖,,5頻率調(diào)制 頻率調(diào)制亦稱為等振幅調(diào)制。在頻率調(diào)制過(guò)程中，輸入信號(hào)控制載波的頻率，使已調(diào)信號(hào)u(t)的頻率按輸入信號(hào)的規(guī)律變化。調(diào)制公式為：,,其中u(t)是調(diào)制后的信號(hào)，fc是載波的頻率(單位赫茲Hz)， 是

20、初始相位， 是瞬時(shí)相位，隨著輸入信號(hào)的振幅變化。 的計(jì)算公式為：,,其中 為比例常數(shù)。,,頻率調(diào)制的解調(diào)過(guò)程使用鎖相環(huán)方法，如圖6.18所示。,圖6.18 FM解調(diào)框圖,,其中 為比例常數(shù)，稱為調(diào)制器的靈敏度。相位調(diào)制的解調(diào)過(guò)程如圖6.19所示。,6相位調(diào)制 相位調(diào)制則是利用輸入信號(hào)m(t)控制已調(diào)信號(hào)u(t)的相位，控制規(guī)律為：,其中u(t)是調(diào)制后的信號(hào)，fc是載波的頻率(單位赫茲Hz)， 是初始相位， 是瞬時(shí)相位，隨著輸入信號(hào)的振幅變化。 的計(jì)算公式為：,,圖6.19 PM解調(diào)框圖,7帶通模擬調(diào)制/解調(diào)函數(shù) (1) 帶通模擬調(diào)制函數(shù)amod( ) 格式：y=amod(x,Fc,

21、Fs,method) 功能：用載波為Fc(Hz)的信號(hào)來(lái)調(diào)制模擬信號(hào)x，采樣頻率為Fs(Hz)，F(xiàn)c Fs。變量Fs可以是標(biāo)量也可以為一個(gè)二維的矢量。二維矢量中第一個(gè)值為采樣頻率，第二個(gè)值為調(diào)制載波的初相，初相以弧度表示，默認(rèn)值為0。根據(jù)采樣定理，采樣頻率必須大于或等于調(diào)制信號(hào)最高頻率的兩倍。字符串變量method指定所用的調(diào)制方式，見表6.4。,(2) 帶通模擬解調(diào)函數(shù)ademod( ) 格式：z=ademod(y,Fc,Fs,method...) 功能：對(duì)載波為Fc的調(diào)制信號(hào)y進(jìn)行解，采樣頻率Fs，F(xiàn)cFs。它是amod函數(shù)的逆過(guò)程，amod與ademod選擇的調(diào)制方式必須相同，否則不容易

22、正確復(fù)制出源信號(hào)。該函數(shù)在解調(diào)中用到一個(gè)低通濾波器，低通濾波器傳輸函數(shù)的分子、分母由輸入?yún)?shù)num、den指定，低通濾波器的采樣時(shí)間等于1/Fs。當(dāng)num=0或缺省時(shí)，函數(shù)使用一個(gè)默認(rèn)的巴特沃斯低通濾波器，可由num,den=butter(5,Fc*2/Fs)生成。字符串變量method指定所用的調(diào)制方式， 見表6.4。,例6-13 使用MATLAB對(duì)一信號(hào)進(jìn)行正交幅度調(diào)制。 MATLAB程序如下： Fs=100; %采樣頻率 Fc=15; %載波頻率 t=0:0.025:2; %采樣時(shí)間 x=sin(pi*t,2*pi*t); %信號(hào) y=amo

23、d(x,Fc,Fs,qam); %正交幅度調(diào)制 z=ademod(y,Fc,Fs,qam); %正交幅度解調(diào) plot(t,x(:,1),-,t,z(:,1),--) %繪制調(diào)制信號(hào) hold; plot(t,x(:,2),-o,t,z(:,2),--*) %繪制調(diào)制信號(hào) 程序運(yùn)行得到的信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的波形如圖6.20所示。,,6.4.2 基帶模擬調(diào)制/解調(diào),,基帶仿真，也稱低通對(duì)等方法，使用帶通信號(hào)的復(fù)包絡(luò)作為輸入信號(hào)。設(shè)B為原始信號(hào)帶寬，基帶仿真要求仿真抽樣率大于或等于2B ，而一般的有 B<

24、分別是載波信號(hào)的頻率和相位。利用z(t)的估值可以恢復(fù)信號(hào)u(t), 相干解調(diào) 接收信號(hào)z(t)的同相和正交分量為：, 非相干解調(diào) 非相干解調(diào)可以應(yīng)用于 DSB-SC AM 、 DSB-TC AM 、 FM 和 PM 。對(duì)于AM調(diào)制， 非相干解調(diào)可以使用包絡(luò)檢測(cè)法。,,圖6.23 基帶調(diào)制/解調(diào),,,1基帶模擬調(diào)制函數(shù)amodce( ) 格式：y=amodce(x,Fs,method,) 功能：對(duì)輸入信號(hào)x進(jìn)行調(diào)制，輸出復(fù)包絡(luò)信號(hào)。輸入輸出的采樣頻率為Fs(Hz)。輸出y為一個(gè)復(fù)矩陣。Fs可以是標(biāo)量也可以為二維的矢量。二維矢量中第一個(gè)值為采樣頻率，第二個(gè)值為載波信號(hào)的初相，初相以弧度表示，默

25、認(rèn)值為0。字符串變量method指定所用的調(diào)制方式，見表6.3。,2基帶模擬解調(diào)函數(shù)ademodce( ) 格式：z =ademodce(y,Fs,method) 功能：對(duì)接收的復(fù)包絡(luò)信號(hào)y進(jìn)行解調(diào)，y的采樣頻率為Fs(Hz)。Fs可為標(biāo)量也可以為二維矢量。矢量中第一個(gè)值為采樣頻率，第二個(gè)值為調(diào)制載波的初相，初相為弧度表示，且默認(rèn)值為 0。采樣頻率必須與調(diào)制中所用的采樣頻率一致，但初相可以不一致。 函數(shù)在解調(diào)中可使用低通濾波器，低通濾波器傳輸函數(shù)的分子、分母分別由輸入?yún)?shù)num和den指定,低通濾波器的采樣時(shí)間為1/Fs 秒。當(dāng)num=0或缺省時(shí)，該函數(shù)將不使用低通濾波器。字符串變量meth

26、od指定所用的調(diào)制方式， 見表6.3。 。,例6-15 利用MATLAB對(duì)一信號(hào)進(jìn)行基帶調(diào)制解調(diào)。 MATLAB程序如下： Fs=100; %信號(hào)采樣頻率 t=0:1/Fs:5; %信號(hào)采樣時(shí)間 x=sin(2*pi*t),.5*cos(5*pi*t),sawtooth(4*t); %輸入信號(hào)原 y=amodce(x,Fs,fm); %調(diào)制 z=ademodce(y,Fs,fm); %解調(diào) subplot(2,1,1);plot(x); %繪制源信號(hào) subplot(2,1,2);plot(z); %繪制調(diào)制解調(diào)

27、后的信號(hào) 程序運(yùn)行得到的信號(hào)源和解調(diào)信號(hào)的波形如圖6.24所示。,,6.5 數(shù)字調(diào)制與解調(diào),1M元幅度鍵控調(diào)制(M-ASK) M元幅度鍵控調(diào)制包含兩部分，M-ASK映射和模擬幅度調(diào)制。M-ASK映射將輸入的 數(shù)字碼符映射到區(qū)間-x, x，數(shù)字碼符取值范圍是 0, M-1區(qū)間內(nèi)的整數(shù)。輸出信號(hào) 的幅值分別為-x, x的M-1等分點(diǎn)。,按數(shù)字調(diào)制的方法分類可以分為多進(jìn)制幅度鍵控 (M-ASK)、正交幅度鍵控(QASK)、多進(jìn)制頻率鍵控(M-FSK)以及多進(jìn)制相位鍵控(M-PSK)。數(shù)字調(diào)制包括數(shù)模轉(zhuǎn)換和模擬調(diào)制兩部分，如圖6.25所示。,,圖6.25數(shù)字調(diào)制過(guò)程,,,3M 元頻率鍵控調(diào)制(M-FS

28、K) M 元頻率鍵控調(diào)制是通過(guò)使用輸入信號(hào)控制輸出信號(hào)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的調(diào)制。M-FSK調(diào)制過(guò)程分成兩部分，即映射和模擬調(diào)制。映射過(guò)程將輸入信號(hào)反映成載波頻率變化，模擬調(diào)制即FM。M-FSK的解調(diào)有兩種方法，即相干法和非相干法。相干方法要求事先知道已調(diào)信號(hào)的相位，而非相干方法則不要求相位信息 , 它可以在解調(diào)過(guò)程中恢復(fù)已調(diào)信號(hào)的相位信息。,2M元正交鍵控調(diào)制(M-QASK) M-QASK是數(shù)字調(diào)制使用得最多的一種方法。它一般將輸入的數(shù)字碼符映射成為同相和正交的兩個(gè)獨(dú)立分量，然后用模擬QAM法對(duì)它們進(jìn)行調(diào)制；在接收方，接收的信號(hào)被解調(diào)為同相和正交信號(hào)，從它們映射過(guò)程中恢復(fù)原始信號(hào)。有許

29、多種方法可將輸入信號(hào)映射成同相和正交分量。通信工具箱為M-QASK提供三種方案，即平面直角點(diǎn)集、圓點(diǎn)集和用戶定義任意點(diǎn)集。,4M-元相位鍵控調(diào)制(M-PSK) M-PSK通過(guò)改變已調(diào)信號(hào)的相位信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的調(diào)制。M-PSK設(shè)置不同的初 相移位以區(qū)別不同的數(shù)字碼符。M-PSK調(diào)制器輸入信號(hào)的取值區(qū)間0, M-1，數(shù)字 i對(duì)應(yīng)的相位位移為,,6.5.1 帶通數(shù)字調(diào)制/解調(diào),1. 數(shù)字帶通調(diào)制函數(shù)dmod( ) 格式：y=dmod(x, Fc, Fd, Fs, method ) 功能：用頻率為Fc(Hz)的載波去調(diào)制數(shù)字信號(hào)，然后再輸出采樣頻率為Fs(Hz)的仿真已調(diào)信號(hào)，F(xiàn)s/Fd 必須是

30、一個(gè)正整數(shù)。當(dāng)輸入x是一個(gè)矩陣時(shí)，x中每列做不相關(guān)處理，輸出矩陣y的行數(shù)是Fs/Fd(x的行數(shù))。若變量Fs是一個(gè)兩維矢量。當(dāng)它為矢量時(shí)，第一個(gè)元素是采樣頻率，第二個(gè)元素是調(diào)制載波信號(hào)的初相(弧度)，且默認(rèn)值為0。要求FsFcFd。method 為調(diào)制方法，見表6.6。,2數(shù)字帶通解調(diào)函數(shù)ddemod( ) 格式：z=ddemod(y, Fc, Fd, Fs, method ) 功能：解調(diào)載波為Fc(Hz)的數(shù)字調(diào)制信號(hào)y，其抽樣頻率為Fd(Hz)，計(jì)算抽樣頻率為Fs(Hz)。該函數(shù)為dmod的逆過(guò)程，對(duì)頻率與函數(shù)為dmod 中求要相同。當(dāng)Fd為一個(gè)二維矢量時(shí)，F(xiàn)d中的第二個(gè)值即為輸出抽樣點(diǎn)的

31、時(shí)間偏移量(必須是整數(shù)，默認(rèn)為0)。該函數(shù)測(cè)出接收碼到編碼中所有可能的碼的距離，然后以離接收碼最近的碼作為輸出數(shù)字碼。除method =msk和method =fsk解調(diào)外，該函數(shù)可使用一個(gè)指定的低通濾波器，該濾波器的傳輸函數(shù)由分子num和分母den指定，濾波器的抽樣時(shí)間為1/Fs，缺省濾波器時(shí)，在解調(diào)時(shí)無(wú)積分器。,,,(a) 調(diào)制解調(diào)前后的信號(hào),(b)星座圖,圖6.2716-QASK調(diào)制,例6-16 利用MATLAB進(jìn)行帶通數(shù)字調(diào)制解調(diào)M元正交幅度鍵控調(diào)制。,6.5.2 基帶數(shù)字調(diào)制/解調(diào) 1基帶數(shù)字調(diào)制函數(shù)dmodce( ) 格式：y=dmodce(x, Fd, Fs, method, )

32、 功能：調(diào)制一個(gè)帶復(fù)包絡(luò)的數(shù)字信號(hào)，主要用于基帶數(shù)字調(diào)制。輸出y為復(fù)數(shù)，其采樣頻率為Fs，輸入x的采樣頻率為Fd，F(xiàn)s/Fd必須是一個(gè)正整數(shù)。當(dāng)輸入x是一個(gè)矩陣時(shí)，x中每列是相互獨(dú)立的，輸出矩陣y的行數(shù)是Fs/Fd*x的行數(shù)。當(dāng)變量Fs為兩維矢量，矢量中第一個(gè)值是抽樣頻率，第二個(gè)值是調(diào)制載波的初始相位(弧度)，默認(rèn)值為0。method 為調(diào)制方法，見表6.6。,2數(shù)字基帶解調(diào)函數(shù)ddemodce( ) 格式：z=ddemodce(y,Fd,Fs,method) 功能：解調(diào)數(shù)字基帶調(diào)制信號(hào)y，其抽樣頻率為Fd (Hz), 計(jì)算抽樣頻率為Fs(Hz)。Fs/Fd必須為正整數(shù)，變量Fd可以是一個(gè)標(biāo)量

33、或兩維矢量，矢量中第一個(gè)值是抽樣頻，第二個(gè)值為抽樣時(shí)間偏移量(必須為整數(shù))，默認(rèn)值為0。,3AWGN信道函數(shù)awgn 格式：y=awgn(x,snr) 功能：向功率為0dB的信號(hào)x添加高斯白噪聲，輸出信號(hào)y的信噪比SNR為參數(shù)snr (單位dB)。如果信號(hào)x為復(fù)信號(hào)，該函數(shù)添加復(fù)高斯白噪聲。,,例6-17 利用MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行基帶數(shù)字調(diào)制解調(diào)。 MATLAB程序如下： M=4; %設(shè)置M的數(shù)目 Fd=1; %信號(hào)采樣速率 Fs=32; %采樣頻率 SNRperBit=5; %信噪比 adjSNR=SNRperBit-10*log

34、10(Fs/Fd)+10*log10(log2(M)); x=randint(5000,1,M); %源信號(hào) %正交FSK調(diào)制 tone=0.5; %頻隙間隙f=Fd/2 randn(state,1945724); %設(shè)置RANDN產(chǎn)生器的狀態(tài) w1=dmodce(x,Fd,Fs,fsk,M,tone); %調(diào)制 y1=awgn(w1,adjSNR,measured,,dB); % 對(duì)調(diào)制信號(hào)添加噪聲 z1=ddemodce(y1,Fd,Fs,fsk,M,tone);%調(diào)制 ser1=symerr(x,z1) %輸出符號(hào)誤差率 %非正交FSK調(diào)制 tone=0.25;

35、randn(state,1945724); %設(shè)置RANDN產(chǎn)生器的狀態(tài) w2=dmodce(x,Fd,Fs,fsk,M,tone); %調(diào)制 y2=awgn(w2,adjSNR,measured,,dB); % 對(duì)調(diào)制信號(hào)添加噪聲 z2=ddemodce(y2,Fd,Fs,fsk,M,tone); %解調(diào) ser2=symerr(x,z2) %輸出符號(hào)誤差率,6.6 通信系統(tǒng)的性能仿真,6.6.1通信系統(tǒng)的誤碼率仿真 通信系統(tǒng)誤碼率的大小是衡量通信系統(tǒng)性能的好壞。無(wú)論是仿真帶通系統(tǒng)還是基帶通信系統(tǒng)，通信系統(tǒng)模型的誤碼率的計(jì)算過(guò)程主要由設(shè)置相關(guān)參數(shù)、創(chuàng)建

36、信號(hào)及信源編碼、調(diào)制、對(duì)調(diào)制信號(hào)添加高斯噪聲、解調(diào)、計(jì)算系統(tǒng)的誤碼率等步驟組成。,6.6.2 誤碼率仿真界面 MATLAB提供了一種有效的分析誤碼率的工具誤碼率仿真界面，它可用來(lái)計(jì)算和比較不同調(diào)制方式、不同差錯(cuò)控制編碼方式和不同信道噪聲模型條件下的通信系統(tǒng)的誤碼率。 在MATLAB命令窗中輸入命令： commgui 即可打開一個(gè)圖形用戶界面窗口誤碼率仿真界面。誤碼率仿真界面包含了通信系統(tǒng)中信號(hào)處理的全部過(guò)程：信號(hào)源信號(hào)的生成；信號(hào)經(jīng)過(guò)差錯(cuò)控制編碼和調(diào)制后發(fā)送；疊加在信道噪聲后送到接收設(shè)備；經(jīng)過(guò)解調(diào)和解碼恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)、進(jìn)行誤碼率的計(jì)算過(guò)程等。,圖6.29 誤碼率仿真窗口,誤碼率仿真窗

37、口上半部分功能區(qū)域，分為以下四個(gè)部分： Source（信號(hào)源）； Err-Ctr-Code（差錯(cuò)控制編碼）； Modulation（信號(hào)調(diào)制編碼）； Channel（信道）。,6.6.3 眼圖/散射圖 1眼圖 在研究數(shù)字傳輸碼間干擾及其它信道噪聲的時(shí)候，眼圖是一個(gè)很方便的工具。眼圖是一個(gè)接收信號(hào)相對(duì)于時(shí)間的關(guān)系曲線。當(dāng)?shù)竭_(dá)x軸的時(shí)間上限時(shí)，信號(hào)回到時(shí)間初始點(diǎn)，這樣便產(chǎn)生了一幅重疊畫。產(chǎn)生眼圖的常用方法是使用示波器，將示波器的掃描頻率設(shè)為1/T，其中T是信號(hào)周期。 格式：eyediagram(x, N) 功能：繪制信號(hào)x的眼圖，該信號(hào)在一個(gè)掃描周期中有N個(gè)抽樣點(diǎn)。N必須大于1。,,圖6

38、.31 眼圖(無(wú)偏移),例6-22 試?yán)L制QASK調(diào)制信號(hào)的眼圖。,2散射圖 散射圖與眼圖密切相關(guān)。散射圖記錄了在給定判決點(diǎn)處信號(hào)的值。在MATLAB通信工具箱中也提供了一條專用函數(shù)命令scatterplot來(lái)繪制散射圖。 格式：scatterplot(x, N) 功能：根據(jù)指定的參數(shù)N繪制信號(hào)x的散射圖。x可為實(shí)向量，也可為復(fù)數(shù)向量，或只有兩列的矩陣，第一為信號(hào)的實(shí)部，第二列為信號(hào)的虛部。繪制x中的第N點(diǎn)時(shí)從第一個(gè)值開始，默認(rèn)值N=1。,圖6.32 散步圖,例6-23 試制散QASK調(diào)制信號(hào)的繪射圖。,6.7擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能仿真,圖6.33 數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)基本框圖,為了正確進(jìn)行信號(hào)的擴(kuò)頻

39、解擴(kuò)處理，必須使接收機(jī)的本地 PN 序列與接收信號(hào)中所包含的PN 序列建立時(shí)間同步。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)按其工作方式的不同可分為下列幾種：直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)、跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)、混合式。只討論兩種基本的擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真：直接擴(kuò)頻(DS)和跳頻(FH)系統(tǒng)。,6.7.1直接序列擴(kuò)頻(DS-SS)系統(tǒng),如果假設(shè)采用BPSK 方式發(fā)送二進(jìn)制信息序列的擴(kuò)頻通信。設(shè)信息速率為 R bit/s，碼元間隔為Tb=1/Rs傳輸信道的有效帶寬為Bc (Hz)(BcR )，在調(diào)制器中, 信息序列的帶寬擴(kuò)展為W= Bc ， 載波相位以每秒W次的速率按偽隨機(jī)序列發(fā)生器序列改變載波相位，即是直接序列擴(kuò)頻。,,,,,,,

40、,,,,,,,,,,,,,圖6.34 二進(jìn)制信息序列的擴(kuò)頻通信,圖6.36 直擴(kuò)信號(hào)抑制正弦干擾效果圖,例6-24 利用MATALB仿真演示直擴(kuò)信號(hào)抑制正弦干擾的效果。,6.7.2 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)(FH-SS) 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)將傳輸?shù)膸扺分為很多互不重疊的頻率點(diǎn)，按照信號(hào)時(shí)間間隔在一個(gè)或多個(gè)頻率點(diǎn)上發(fā)送信號(hào)，根據(jù)偽隨機(jī)發(fā)生器的輸出，傳輸?shù)男盘?hào)選擇相應(yīng)的頻率點(diǎn)。即載波的頻率在“跳變”，“跳變”的規(guī)則由偽隨機(jī)序列決定。跳頻系統(tǒng)發(fā)射和接收部分框圖如圖6.38所示，跳頻系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方式可選擇BFSK或MFSK。,,,,,,圖6.38 跳頻系統(tǒng)發(fā)射和接收部分框圖,圖6.39 BFSK/FH系統(tǒng)仿真框圖,例6-25 采用非相干解調(diào)，平方律判決器(即包絡(luò)判決器)，利用MATLAB仿真FSK/FH系統(tǒng)在最嚴(yán)重的部分邊帶干擾下的性能。,