几种数字调制方式的仿真与分析

摘要：提出了一种数字调制系统仿真平台的设计方法。针对数字调制系统中五种常见的调制方式，基于Matlab将各个环节对调制性能的影响及仿真模型的可靠性进行了跟踪分析；最后利用图形用户界面(GUI)功能设计了一个仿真系统，比较了各种调制方式的性能，仿真结果与理论值比较接近。
关键词：通信系统；数字调制；仿真与分析；可视化图形界面

0 引言
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，所以必须对数字信号进行载波调制。通过对调制系统的仿真，更加直观地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。
Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境。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，是用于实现通信仿真的通信工具包(Communication Toolbox)，提供了通信领域中计算、系统设计和分析的功能。Matlab的图形界面功能GUI(Graphical User Interface)能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。
本文针对数字调制系统中五种常见的调制方式，基于Matiab将各个环节对调制性能的影响及仿真模型的可靠性进行了跟踪分析；最后利用图形用户界面(GUI)功能设计了一个仿真系统，比较了各种调制方式的性能，仿真结果与理论值比较接近。

1 数字调制系统的仿真设计
典型的数字通信系统由信源、编码解码、凋制解调、信道及信宿等环节构成，如图1所示。数字调制系统是数字通信系统中的关键步骤。

1．1 数字调制系统各个环节分析
根据Simulink提供的仿真模块，数字调制系统的仿真可以简化成如图2所示的模型。

1．2 仿真模型的设计及结果分析
1．2．1 2ASK的仿真和分析
2ASK的产生方法有两种，如图3所示。

2ASK解调的方法也有两种相应的接收系统组成，如图4所示。
根据图3(a)所示方法产生2ASK信号，并用图4(b)所示的相干解调法来解调，设计2ASK仿真模型如图5所示。

(1)仿真结果时域分析
将图5中各示波器的值输出到Work space中，各环节波形如图6所示。

从图6可以看出，经调制后的波形在符号1持续时间内是载波波形，在符号0持续时间内无波形。最后经解调和抽样判决出来的信号与源信号波形基本一致，只是有两个码元的延迟，这说明若将Error Rate Calculation的Receive delay参数设置为2，则此模型最后的误码率为0。这个值与理论值有些出入，原因是仿真时为便于观察信号波形，将信号源发送码元数设定为20(码元速率为1，仿真时间20 s)，这远低于现实中的传码率，所以在只传送20个码元的情况下，误码率为0是可能的。
(2)仿真结果频域分析
2ASK信号的中心频谱被搬移到了载波频率fc上。对图6中数据做1 024点FFT可得频域波形，如图7所示。从图中可以看到，源信号中心频率经调制后搬移到了载波频率上。最后经过抽样判决后的频谱与源信号频谱也大体一致，说明该2ASK仿真模型是成功的、符合理论的。

1．2．2 2FSK的仿真和分析
如果信号源同2ASK一样的假设，那么2FSK信号便是0符号对应于载波ω1，而1符号则对应于ω2的已调波形，而且ω1与ω2之间的改变是瞬间完成的。2FSK信号的产生如图8所示。

2FSK信号最常用的解调方法是采用的相干检测法，如图9所示。

设计的2FSK仿真模型如图10所示。

模型中运用了Simulink工具箱中的现成调制解调模块和信道模块，然后用示波器观察各环节波形，最后由误码计算仪计算误码。
(1)仿真结果时域分析
将图10中各示波器的值输出到Work space中，各信号波形如图11所示。

由图11可知，调制后信号波形由两种频率不同的波形组成，且两种频率分别对应解调后信号的符号0和符号。源信号波形与解调后信号波形只是在时间上有3个单位的延迟，如果将Error Rate Calculation的Receive delay参数设置为3，则此模型最后的误码率为0。原因同2ASK相同。
(2)仿真结果频域分析
改变Frequency separation和Carrier frequency两个参数的值单独观察调制后的频谱，如图12所示。

对比图12可知，当两个载波差值很小时，已调信号的频谱呈现单峰如图12(a)；当两个载波差值较大时，已调信号的频谱呈现双峰如图12(b)。仿真结果的分析说明该2FSK仿真模型是可行的。
1．2．3 2DPSK的仿真和分析
和2FSK一样也用Simulink通信工具箱提供的现成DPSK调制解调模块来构建仿真模型，并由M文件编制程序对仿真结果进行统一处理。2D PSK仿真模型如图13所示。