[作者简介]丁新(1983-),男,2007年大学毕业,硕士生,现主要从事信号传输与处理方面的研究工作。

基于MAT LAB 的数字调制信号仿真系统设计

　　丁　新,高丙坤　(大庆石油学院电气信息工程学院,黑龙江大庆163318)

[摘要]在设计通信系统数字信号仿真平台的基础上,应用MA TL AB 软件对二进制数字调制信号进行仿

真,具体包括对二进制数字调制信号中的二进制幅度键控信号、二进制频移键控信号和二进制相移键控

信号的仿真,并应用GU I 的相应控件搭建通信系统数字信号的仿真平台。

[关键词]MA TL AB ;GU I ;二进制数字调制信号

[中图分类号]TN91117[文献标识码]B 　　[文章编号]1673-1409(2009)01-N238-03

在大多数数字通信系统中,都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单,便于产生和接收。数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息,在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。笔者设计了数字调制系统的工作流程图,并利用Matlab 软件[1]对该系统的动态进行了模拟仿真。1　二进制振幅键控信号的仿真

设信息源发出的是由二进制符号0、1组成的序列,且假定0符号出现的概率为P ,1符号出现的概率为1-P ,它们彼此。一个二进制的振幅键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘,即:

　　e 0(t )=6n a

n g (t -nT s

)co s ωc t

(1)这里,g (t )是持续时间为T s 的矩形脉冲,a n =0,概率为p

1,概率为(1-p )。令s (t )=6n a

n g (t -nT s ),则e 0(t )=s (t )co s ωc t 。

通常,二进制振幅键控信号的调制方法有2种,如图1所示。图1(a )就是一般的模拟幅度调制方法;图1(b )就是一种键控方法;图1(c )即为s (t )和e 0(t )的波形示例。二进制振幅键控信号,若一个信号状态始终为零,相当于处在断开状态,此时常称为通断键控信号(OO K 信号)。对二元序列10110010,仿真出2AS K (二进制振幅键控

)的波形,其中载频为码元速率的2倍,即表明在一个符号的时间里载波刚好一个周期。运行仿真程序结果如图2。

　图1　二进制振幅键控信号的产生及波形示例　　　　　　　　　图2　2ASK 波形图　　

2　二进制移频键控信号的仿真

如果信息源的假设同上一小节的假设,那么,2FS K (二进制平移键控)信号便是0符号对应于载・832・长江大学学报(自然科学版)　

2009年3月第6卷第1期:理工Journal of Yangtze U niversity (N at Sci Edit)　Mar 12009,Vol 16No 11:Sci &Eng

频ω1,而符号1对应于载频ω2的已调波形。

容易想到,2FS K 信号可利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。这正是频率键控通信方式早期采用的实现方法,也是利用模拟调频法实现数字调频的方法。2FS K 信号的另一产生方法是采用键控法,即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对2个不同的频率源进行选通[2]。以上2种产生方法及波形示例如图3所示,图中,s (t )代表信息的二进制矩形脉冲序列,e 0(t )的即是2FS K 信号。根据以上2FS K 信号的产生原理,有:

　　e 0(t )=6n a

n g (t -nT s )co s (ω1t +φn )+6n a n g (t -nT s )co s (ω2t -φn )(2)

式中,g (t )为单个矩形脉冲

;T s 为脉宽;φn 、θn 分别是第n 个信号码元的初始相位; a n =0,概率为(1-p )

1,概率为(p )。

　　现对二元序列10110010仿真出2FSK 的波形,其中载频为码元速率的2倍,运行仿真程序结果如图4。

图3　二进制移频键控信号的产生及波形示例　　　　　　　　　　图4　2FSK 波形　　

从仿真图可以看出,载频有所改变,调频也必然带来了相位的改变。

3　二进制移相键控信号的仿真

数字相位调制又称相移键控,记作PS K (Phase Shift Keying )。二进制相移键控记作2PS K ,多进制相移键控记作MPS K 。它们是利用载波振荡相位的变化来传送数字信息的。通常又把它们分为绝对相移(PS K )和相对相移(DPS K )2种。

311　绝对相移和相对相移

1)绝对码和相对码　绝对码和相对码是相移键控的基础。绝对码是以基带信号码元的电平直接表示数字信息。相对码(差分码)是用基带信号码元的电平相对前一码元的电平有无变化来表示数字信息的。

2)绝对相移　绝对相移是利用载波的相位偏移(指某一码元所对应的已调波与参考载波的初相差)直接表示数据信号的相移方式[3]。

　　　图5　2PSK 信号的矢量表示

在相移键控中往往用矢(向)量偏移(一码元初相与前一码元的

末相差)表示相位信号,调相信号的矢量表示如图5所示。在2PSK

中,若假定未调载波cos ωc t 为参考相位,则矢量OA 表示所有己调信号中具有0相(与载波同相)的码元波形,它代表码元“0”;矢量O B 表示所有

已调信号具有π相(与载波反相)的码元波形,可用数字式cos (ωc t +π

)来表示,它代表码元“1”。当码元宽度不等于载波周期的整数倍时,已调载波的初相(0或π)不直接表示数字信息(“0”或“1”

),必须与未调载波比较才能看见它所表示的数字信息。3)相对相移　相对相移是利用载波的相对相位变化表示数字信号的相移方式。所谓相对相位是指本码元初相与前一码元末相的相位差(即向量偏移)。也可用相位偏移来描述。相位偏移指的是本码元的初相与前一码元(参考码元)的初相相位差。当载波频率是码元速率的整数倍时,向量偏移与相位偏移是等效的,否则是不等效的。

312　2PSK 信号的产生

1)直接调相法　用双极性数字基带信号s (t )与载波直接相乘。

2)相位选择法　用数字基带信号s (t )控制门电路,选择不同相位的载波输出。其方框图如图6所示。此时s (t )通常是单极性的。s (t )=0时,门1通,门2闭,输出e (t )=cos ωc t ;s (t )=1时,门2通,门1

・932・第6卷第1期:理工丁新等:基于MA TL AB 的数字调制信号仿真系统设计　

闭,输出e (t )=-cos ωc t 。

仿真实现二进制相移键控(2PS K ),要求绘制出调制信号、载波和已调信号。这里以二进制相移键控为例,假设数字调制信号为10110010,载波频率为1Hz 。运行仿真程序结果如图7所示

。

图6　相位选择法产生2PSK 信号原理方框图　　　　　　　　　　图7　2PSK 波形

4　调制系统仿真界面的设计

在基于图形用户界面(G UI )的可视化界面的搭建实现这一部分中,结合系统的组成及功能,共制作了1个G UI 界面。在制作中,用这些界面中的适当的控件来调用仿真元件连接图界面,查看运行结果。这样就使图形用户界面(G UI )与MATLAB 仿真紧密的结合在一起[4],达到了动态仿真显示的预期设计效果。

　　　图8　数字调制系统的仿真界面1)静态文本框的设置。在空白界面中拖入一个静态文

本框(static text ),置于空白界面中上方,做显示界面标题

之用。在“st ring ”属性中输入“数字调制系统的仿真”。

2)命令按钮设置。在空白界面中分别拖入4个命令按

钮,纵向置于界面中间,放在界面标题正下方并整齐排列。

在每个命令按钮的“st ring ”属性中分别输入“2AS K 信号

的仿真程序”,“2FS K 信号的仿真程序”,“2PS K 信号的仿

真程序”。分别双击每个命令按钮,然后在其中的“call 2

back ”中分别输入“2AS K ”,“2FS K ”,“2PS K ”。而这4个

文件名分别代表MA TL AB 的4个M 文件。在整个界面右下脚拖入一个命令按钮实现退出功能,为它的“string ”属

性输入“退出”。右键单击该命令按钮,在其中的“view callbacks ”选项中选择“callback ”进行代码编程实现退出功能:

　　f uction p ushbutton5_Callback (hObject ,event data ,handles )

这样,数字调制系统的仿真界面的整个设计就完成了,如图8所示。

5　结　　语

基于MATLAB 的数字调制信号仿真系统设计具有许多仿真系统无法比拟的优点。以上就是设计的整个可视化动态仿真系统的全部设计与实现过程。如果想使用此系统,只需进入系统登陆界面,就可以进行各种链接,链接到所有的窗体中。该系统使用起来便利、简单、直观,达到了系统仿真和动态显示的设计效果。

[参考文献]

[1]Stanley W D 1Digital Signal Processing [M ]1Washington :Reston Publishing Company ,Inc ,19751135～2051

[2]钟麟,王峰1MA TL AB 仿真技术与应用教程[M ]1北京:国防工业出版社,200411～351

[3]孙亮1MA TLAB 语言与控制系统仿真[M ]1北京:北京工业大学出版社,2002133～981

[4]薛定宇,陈阳泉1基于MA TLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用[M ]1北京:清华大学出版社,20021

[编辑]　洪云飞・042・　长江大学学报(自然科学版)2009年3月下载本文