幾種數字調制方式的仿真與分析

摘要：提出了一種數字調制系統仿真平臺的設計方法。針對數字調制系統中五種常見的調制方式，基于Matlab將各個環節對調制性能的影響及仿真模型的可靠性進行了跟蹤分析；最后利用圖形用戶界面(GUI)功能設計了一個仿真系統，比較了各種調制方式的性能，仿真結果與理論值比較接近。
關鍵詞：通信系統；數字調制；仿真與分析；可視化圖形界面

0 引言
數字調制是指用數字基帶信號對載波的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。根據控制的載波參量的不同，數字調制有調幅、調相和調頻三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸，所以必須對數字信號進行載波調制。通過對調制系統的仿真，更加直觀地了解數字調制系統的性能及影響性能的因素，從而便于改進系統，獲得更佳的傳輸性能。
Matlab是一種交互式的、以矩陣為基礎的軟件開發環境。Matlab的編程功能簡單，并且很容易擴展和創造新的命令與函數，是用于實現通信仿真的通信工具包(Communication Toolbox)，提供了通信領域中計算、系統設計和分析的功能。Matlab的圖形界面功能GUI(Graphical User Interface)能為仿真系統生成一個人機交互界面，便于仿真系統的操作。
本文針對數字調制系統中五種常見的調制方式，基于Matiab將各個環節對調制性能的影響及仿真模型的可靠性進行了跟蹤分析；最后利用圖形用戶界面(GUI)功能設計了一個仿真系統，比較了各種調制方式的性能，仿真結果與理論值比較接近。

1 數字調制系統的仿真設計
典型的數字通信系統由信源、編碼解碼、凋制解調、信道及信宿等環節構成，如圖1所示。數字調制系統是數字通信系統中的關鍵步驟。

1．1 數字調制系統各個環節分析
根據Simulink提供的仿真模塊，數字調制系統的仿真可以簡化成如圖2所示的模型。

1．2 仿真模型的設計及結果分析
1．2．1 2ASK的仿真和分析
2ASK的產生方法有兩種，如圖3所示。

2ASK解調的方法也有兩種相應的接收系統組成，如圖4所示。
根據圖3(a)所示方法產生2ASK信號，并用圖4(b)所示的相干解調法來解調，設計2ASK仿真模型如圖5所示。

(1)仿真結果時域分析
將圖5中各示波器的值輸出到Work space中，各環節波形如圖6所示。

從圖6可以看出，經調制后的波形在符號1持續時間內是載波波形，在符號0持續時間內無波形。最后經解調和抽樣判決出來的信號與源信號波形基本一致，只是有兩個碼元的延遲，這說明若將Error Rate Calculation的Receive delay參數設置為2，則此模型最后的誤碼率為0。這個值與理論值有些出入，原因是仿真時為便于觀察信號波形，將信號源發送碼元數設定為20(碼元速率為1，仿真時間20 s)，這遠低于現實中的傳碼率，所以在只傳送20個碼元的情況下，誤碼率為0是可能的。
(2)仿真結果頻域分析
2ASK信號的中心頻譜被搬移到了載波頻率fc上。對圖6中數據做1 024點FFT可得頻域波形，如圖7所示。從圖中可以看到，源信號中心頻率經調制后搬移到了載波頻率上。最后經過抽樣判決后的頻譜與源信號頻譜也大體一致，說明該2ASK仿真模型是成功的、符合理論的。

1．2．2 2FSK的仿真和分析
如果信號源同2ASK一樣的假設，那么2FSK信號便是0符號對應于載波ω1，而1符號則對應于ω2的已調波形，而且ω1與ω2之間的改變是瞬間完成的。2FSK信號的產生如圖8所示。

2FSK信號最常用的解調方法是采用的相干檢測法，如圖9所示。