数字调制解调（精选7篇）
数字调制解调 篇1
摘要：通过分析PWM基带数字信号的调制与解调原理, 提出了利用555定时器实现PWM调制, 并利用巴特沃斯滤波器来实现解调功能。先利用Multisim10对电路进行仿真设计, 确定其实际可行性。然后利用Protel99SE对电路进行PCB设计, 再利用刻板机进行PCB刻制, 焊上元器件并调试, 最后的电路测试结果表明, 该电路较好实现了PWM信号的调制与解调。
关键词：PWM,555定时器,调制,解调
0 引言
随着现代通信中, 数字电路的大量应用, PWM基带信号作为信息处理的中间信号或辅助信号, 在实际数字通信终端中是很常见的。由于PWM信号的抗噪声性强, 经济, 节约空间等优点, 目前被很多领域广泛使用。PWM的一个优点就是从处理器到被控系统, 信号都是数字形式的, 不需要进行数模转换, 信号以数字的形式进行传递可以将噪声的影响降到最低, 因此实际的模拟信号在传输时大多是先转化为数字信号。
传统的模拟信号调制成PWM信号的过程比较复杂, 其大致设计方法将输入的模拟信号经过瞬时抽样, 再通过比较器输出[1]。
此电路相对比较繁琐, 因此我们尝试通过555定时器的运用寻找一种简便的方法用来实现PWM信号的调制。
1 555定时器调制PWM信号的原理
1.1 电路结构与原理
PWM基带信号调制的电路, 由一个555定时器、三个电阻和一个电容构成的, 主要功能是将输入的模拟信号转变成数字信号输出。只要将施密特触发器的反相输出端经RC积分电路再接回到它的输入端, 便构成了单稳态振荡器。图1为PWM信号调制的原理图, 在555定时器的控制端加上一个变化电压Vk进行一系列的调节后, 两个比较器的参考电压就发生了变化。当两个参考电压变大或减小后, 555电路的阈值电压和触发电压就跟着发生了增大或减小, 振荡电路的振荡频率就随之发生了相应的变化, 矩形波的宽度就随着控制端输入模拟信号Vk的电压变大而变大, 随着输入模拟电压变小而变小, 就可以实现PWM—脉冲宽度调制。图1中555定时器的5号脚输入模拟信号, 经过PWM信号产生电路, 在定时器的3号脚上便可产生PWM信号。
1.2 PWM电路性能分析
1.2.1 PWM的脉宽与调制信号Vk的关系
由RC电路的分析可知:在电容上的电压UC从充、放电开始到变化至某一数值UTH所经过的时间可以用公式 (1) 计算:
其中, UC (0) 是电容电压的起始值, UC (∞) 是电容电压充、放电的终了值。
PWM电路的输出脉宽随Vk瞬时值变化。由于555定时器控制端加入不同的电压值, 将会有不同的阈值电压和触发电压, 每次电容充放电所对应的Uc (0) 和UTH将会有所不同, 所以才会产生不同的电压幅值对应不同的脉冲宽度。
1.2.2 周期T0与调制信号频率的关系
对产生的PWM信号要实现理想的解调, PWM的输出脉冲应反映调制信号的特征。设调制信号的最高频率为fcmax, 根据抽样定理, 触发信号的频率f0=1/T0>2fcmax, 即触发信号周期
2 PWM电路特性参数分析
PWM电路对输入信号参数值有一定的范围要求, 当激励源的电压值在Y轴负半轴时, 电路不能正常进行调制与解调, 无法正确输出波形。当其振幅超过了直流电压源的幅值UCC, 将会出现了类似情况, 因此要选择合适的信号频率和幅值对电路的特性进行研究。在本次研究中Vk采用正弦波和三角波两种信号, 当输入模拟信号选择周期为20ms, 幅值选为2V, 能够实现较理想的结果。
3 PWM信号的解调原理
调制的信号方便在信道上传输, 在通信终端还需要将已调信号进行还原。PWM信号的解调电路是由巴特沃斯低通滤波器组成的, 将已调信号通过用由一个三极管加上一个非门和两个电阻、一个电容组成的反应中间态信号的电路。中间态信号波形将电容C1的充放电过程反应出来, 再将信号通过一个巴特沃斯低通滤波器电路即可将信号解调出来, 输出原来的模拟输入信号。解调电路的原理如图2所示。
4 PCB设计
4.1 PCB板图设计
PCB合理布局很关键, 如果布局不合理, 有时会出现电磁干扰, 虚焊等问题。图3为设计的PCB布线图, 电路的线宽均为50mil, 地线和电源线的线宽略加粗, 板图大小为3820mil×2420mil。
4.2 PCB实现
根据PCB线路文件, 利用线路板刻制机制作PCB, 并进行元器件组装, 得到的硬件设计实物图如图4所示。
5 电路仿真设计与硬件测试结果对比
5.1 PWM信号产生电路性能测试
下面从仿真设计的结果和硬件实现结果两方面比较PWM调制电路的性能。
图5和图6为PWM调制电路的仿真设计结果, 以上两图中通道A为模拟信号波形, 分别为输入的正弦波和三角波信号, 其周期均为20ms, 幅值均为2V, 通道B为数字信号脉冲, 即为PWM基带信号的波形, 从图中可以看出在输入模拟信号幅值越大的位置, 相应的PWM调制信号的脉宽就越大, 幅值越小的位置, 响应的PWM调制信号的脉宽就越小。这样PWM产生电路就实现从正弦模拟波形和三角模拟波形转变到数字信号波形的功能, PWM基带信号呈现周期性变化, 实现了脉宽调制的目的。
图7和图8为PWM调制电路硬件测试结果, 通过将幅度为2V, 周期为20ms的原模拟信号和产生的PWM基带信号波形的比较, 可以看出在原模拟信号幅度增大的地方, 基带信号的脉宽也随之增大;在原模拟信号幅度减小的地方, 基带信号的脉宽也随之变小。实现了输出波形的脉宽均随输入幅度的增大而增大, 减小而减小, 实现了PWM基带信号的调制。
5.2 PWM信号解调电路的性能测试
将PWM信号进行解调是本次研究中关键的一步, 因此需要比较输入信号与解调信号来检测解调电路的性能。下面先比较利用Multisim10软件仿真输入为三角波信号时解调结果。
图中波形1为输入模拟信号, 波形2为解调输出信号。通过比较软件仿真结果, 可以看出解调电路能够较好的将原正弦波信号解调出来。它们的幅度均为2V, 周期均为20ms, 只是发生了一些相移。相移的主要原因是抖动等。
图10和图11为实物PCB的示波器测试结果。其中波形1为输入的原模拟信号, 波形2为解调出的模拟信号。从中可以看出通过滤波器后出来的波形基本体现原模拟信号波形特征, 比较理想的完成了滤波功能, 由于电磁干扰等原因造成了解调信号的较小失真。
6 结论
使用555定时器实现PWM的方法比较简单, 在实际应用中具有可实现性, 只要设定合适的触发信号的周期, 可以获得对不同类型、不同频率信号的理想调制效果。在实验过程中, 由信号发生器产生的信号必须加以电平将其全部转化成正值, 才能进行调制, 最终得到解调的效果。通过比较仿真设计结果和硬件实现结果, 可以看出硬件实现较好地达到了仿真设计的效果。实现了利用PWM多谐振荡器完成从模拟信号向数字信号的转换的功能。
实际解调效果与仿真效果在幅值和频率上相同, 但是从波形中可以看出解调信号下部还是有些毛刺, 主要原因可能是电磁干扰等外部不可避免的影响, 但是总体效果还是不错的。
参考文献
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[2]阎石.数字电子技术基础 (第四版) [M].北京.高等教育出版社, 1998, 12:340-352.
[3]路而红.虚拟电子实验室-Multisim7&Ultiboard7[M].北京.人民邮电出版社, 2005, 5:1-21.
[4]陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术[M].北京.机械工业出版社, 2001:143-147.
[5]昌盛, 巫秋明.Protel99电路设计[M].北京.人民交通出版社,
QAM调制解调技术分析仿真 篇2
关键词：正交幅度调制,MATLAB,误码率
0 引言
随着现代化步伐的加快,社会信息化的普及,移动用户数量不断的增加,传统的通信系统已经不能够满足现代通信的要求。在可用频带资源非常有限的情况下,不能够靠无限增加频道数目来解决系统的容量问题,因此,寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一[1,2]。QAM(Quadrature Amplitude Modulation)是一种频谱利用率较高的调制方式,它用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制,并利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。
1 QAM调制与解调的基本原理
QAM是多进制振幅、相位联合调制的一种形式。当进制数M>4时,MQAM信号的最小欧式距离大于MPSK、MASK等其他形式多进制已调信号。距离大的信号易于识别,所以M>4时MQAM信号的抗噪声能力优于MPSK,常被用于在频带受限的信道中传输信息。
MQAM信号的时域表达式如式(1)。
式(1)中,I(t)、Q(t)为双极性多进制信号。当M=16时,I(t)、Q(t)为双极性四电平信号。16QAM信号的产生有两种基本方法:一种是正交调幅法,它是用两路正交的四电平振幅键控信号叠加而成;另一种是复合相移法,它是用两路独立的四相移相键控信号叠加而成。通常采用正交振幅调制方法产生MQAM信号。用正交振幅调制方法产生16QAM信号的调制器和解调器原理方框图[3]如图一所示。
由图一可见,串/并变换器将四个二进制代码abcd中的ac转换为上支路信号,将bd转换为下支路信号,这两路信号的码速率都为Rb/2,Rb为二进制代码abcd的码速率,两路信号仍为二电平信号。2-4电平转换器将二电平信号转换为四电平信号。I(t)和Q(t)都是四进制格雷码,它们的码速率都为Rb/4。两个乘法器的输出信号为I(t)cosωct和Q(t)sinωct,它们都是四进制双极性振幅调制信号,其载波是正交的,这两路信号的带宽都等于I(t)及Q(t)信号码速率的2倍,即Rb/2,故16QAM信号的带宽都等于Rb/2。由此可见,MQAM信号的带宽如式(2)。
MQAM信号的功率谱密度曲线与2PSK、4PSK类似,只不过载频两边的第一个零点频率分别为fc-Rb/lb M和fc+Rb/lbm,fc为载波频率。当二进制信码中“1”和“0”等概率时,MQAM中无离散谱。
应当特别说明的是,虽然MPSK信号与MQAM信号都可以用式(1)表示,但它们的I(t)和Q(t)是不相同的。比如16QAM信号中的I(t)、Q(t)都是双极性四电平信号,且相邻电平的距离相等;而16PSK信号中的都是双极性八电平信号,且相邻电平距离不相等。
2 QAM信号的调制解调性能仿真与分析
在用计算机进行模拟时,使用MATLAB软件作为工具,并使用一些典型的参数,目的是为了在实现调制解调的同时而不使系统过分复杂。通过编写.m文件实现16PSK、16QAM、64QAM信号的调制与解调,信源是由MATLAB的随机函数产生的0、1序列,信道为加性高斯白噪声(AWGN)信道。
不同调制方式在不同信噪比情况下的误码性能如图二所示。可以看出,在进制数都为16的情况下,即信息传输速率相同的情况下,相同信噪比下QAM信号的误码率要小于PSK信号,即QAM的抗噪声性能要优于PSK。在QAM调制方式下,相同信噪比情况下进制数越高,误码率越大,即性能越差,但是信息传输效率越高。
图三到图五为QAM及PSK信号的星座图。在进制数相同的条件下,比较PSK和QAM两种调制方式的功率利用率,及收信功率相同时,不同星座图的误码率。星座图的误码率由星座点间的最小距离决定,由图四和图五可以看出在进制数相同的条件下(都等于16),QAM信号的星座点的最小距离要大于PSK信号,即QAM信号的功率利用率高。由图三和图四可以看出,进制数越高,星座点间的最小距离越小,信号越不容易识别,所以相同信噪比下误码率越高。
3 结束语
从前面的基本原理与仿真分析可以看出,QAM正是一种频谱利用率较高的调制方式,在调制的进制数较高时,信号星座图的分布比较合理,故QAM是一种很有前途的调制方式。其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用[4]。目前我国的PDH4次群一般选用16QAM,SDHSTM-1传输常用64QAM或128QAM方式,SDHSTM-4的传输选用512QAM方式。将QAM调制与OFDM相结合,具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰的能力,因此QAM调制方式广泛用于各种通信方式中。
参考文献
[1]于风云,张平.QAM调制与解调的全数字实现[J].现代电子技术,2005,(3):53-55.
[2]陶为戈,张娟,朱日失华.基于FPGA的QAM调制器的设计[J].江苏技术师范学院学报,2007,13(2):35-39.
[3]李白萍.现代通信理论[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006:143-144.
数字调制解调 篇3
一、高速相干光纤维通信不同方法的对比分析
1.1高速相干光纤维通信的相位调制解调技术分析
在进行相位调制解调的时候, 需要确保载波的频率是恒定的, 而且载波的幅度要保持在固定的数值内, 然后进行光波相位的调制, 相位调制的过程中实现了对信号光的调制, 在光强被输出时仍然能够保持数值的恒定, 在通信技术的应用中, 接收机在接收信号的时候, 其功率可以保持较大范围的容限。在相位调制的过程中, 最重要的设备是调制器, 调制器的种类有很多种, 要根据相位的范围选择合适的调制器, 在晶体上作用电压的时候, 会使晶体的折射信号发生变化。
1.2高速相干光纤维通信的频率调制分析
频率的调制是在高速相干光纤维通信调制的过程中, 将载波的频率进行改变而实现调制的一种方法, 在通信的操作中, 可以应用波导调制器, 频率的改变可以通过运用波导解调器使载波产生相移, 使调制器上可以形成波浪形的电压脉冲, 在调制器上收集频率调制的载波信号, 在高速相干光纤维通信技术的应用过程中, 采用这种方法来控制通信的频率还是不容易实现的, 所以, 在进行频率调制的时候可以采用激光和声音的调制解调器, 使三者可以相互配合使用。
二、高速相干光纤维通信调制的内部构造对比分析
1、高速相干光纤维通信的相位调制方案分析。
对相位进行调制的时候, 可以在宽带信号进行传递的过程中实现, 运用调制器实现对载波信号频率的控制, 然后实现对相位频率的检测, 在检测的过程中, 还是存在一定的难度的, 不能够进行直接的检测, 一般采用的是相干检测的方法, 选择具有高度灵敏度的解调器, 在范围比较大的区域内, 会产生比较低的功率, 在实际的调制过程中, 运用相干探测的方法, 光纤维的两个端口的方向是截然不同的, 导致了电平值过小, 甚至会使电平值为零, 这就会导致输入的光功率的容限数值过大, 使调制的信号不能显现出来。
在应用相位调制的时候, 要运用载波对相位进行调制, 不会对其他的载波产生较大的干扰, 也能够使光的功率能够在调制的范围能均匀地呈现, 实现较高的容限数值, 这种方法在高速相干光纤维调制解调中使用可以提高通信的速度, 效果比较显著。
2、在通信技术中可以采用相位与幅度统一的调制解调方法。
在通信的调制中可以采用正相交调制的方法, 运用载波的方法, 控制两边带条幅的方式, 对不同方向的载波进行调制, 运用这种调制的方法可能使带宽的范围扩大, 通过对光纤维调制的方法来分析, 在对正交幅值进行调制的时候, 只要是运用几个不同的正交载波, 对正交载波上的脉冲进行调节, 运用反复相加的方法, 对正交幅值进行调制, 这种调制方法具有一定的非线性的特点, 而且能够实现较大的容限数值, 系统也不复杂, 结构简单, 但是缺点是这种调制方法要耗费大量的资金。
三、高速相干光纤维外差相干检测的方法分析
1、零差与外差相干的检测方法分析。
这两种方法具有一定的差别, 主要表现在频率的不同上, 本阵激光和光信号传输频率的不同, 在对相干进行检测的时候, 光信号主要是通过光的过滤系统进行传播的, 通过电路, 对相位的频率进行控制, 在零差相干检测的过程中, 能够将信号中产生干扰的部分过滤出去, 实现信号的高灵敏度。
2、自相干解调的方法分析。
由于外相干和零相干的解调方法都会耗费大量的资金, 所以, 在进行高速相干光纤维通信信号的调制解调的过程中一般可以采用自相干的方法, 对相位和频率信息进行调制, 得到相邻的数值, 然后能够计算出频率之间的数值差, 对编码信号进行自行地调节, 对于那些没有差别的编码信号, 可以对其后端的电路进行分解, 在实际的操作过程中, 如果运用了自相干的解调技术, 首先要对编码之间的数值结构把握清楚。
结语:高速相干光纤维通信信号的调制解调技术可以在一定程度上提高我国通信技术的效率, 使我国的通信技术更加发达, 使通信技术覆盖的面积更加地广阔, 因此, 在运用调制解调技术的时候, 应该具体问题具体分析, 选择合适的方法, 充分考虑到效率和成本问题, 实现利益的最大化。在通信的操作中, 可以应用波导调制器, 频率的改变可以通过运用波导解调器使载波产生相移, 使调制器上可以形成波浪形的电压脉冲, 这种方法经济实惠, 且效率高。
参考文献
[1]王庆恺.高速相干光纤通信调制解调技术研究[J].电子科技大学学报, 2013, 10:12-14.
频率调制与解调电路常见问题分析 篇4
调制与解调是通信系统及其重要的组成部分, 调制解调部分的功能好坏直接影响通信质量。所谓调制, 就是在传送信号的一方 (发送端) 将所要传送的信号 (它的频率一般是较低的) "附加"在高频振荡上, 再由天线发射出去。调制的目的就是要解决诸如:信号频率低, 不利于远距离传送 (如:音频信号) 、信号频带宽使得在有效的发射功率条件下天线和谐振回路参数难于做到 (如:电视图像信号) 、频谱使用需求日益增大而频谱资源有限等问题。调制的过程也就是频谱变换的过程, 必须用非线性元件才能完成。非线性器件的神奇之处在于它能获得常规器件所达不到的功效、功能。然而, 正因为它的非线性使得在某些方面存在无法用常规原理来分析的问题, 出现按正常逻辑解释不了的现象。因此, 经验的积累与不断的学习和探求就尤为重要了。
2 实例
实例一:用变容二极管直接调频, 其直流反偏电压为零。
变容二极管调频电路中, 首先要进行变容二极管的静态调试, 当变容二极管上未加低频调制信号时, 调整控制变容二极管直流电压的电位器, 使变容二极管的直流反偏电压Ed在0~5.5V范围内变化, 但实际电压不符合要求, 应如何分析与解决?
现象:用万用表测量变容二极管负极对地电压Ed, 无论怎样调节电位器, 电压始终为零。
分析与解决:从现象看问题可能是控制变容二极管直流电压的电位器或相关元件出问题所致, 如变容二极管有问题或万用表有问题。
首先用万用表从故障点向供电电源进行寻源检查, 发现电位器的三端中有两端无电压, 一端有电压, 说明电位器有问题或电位器后面的变容二极管有问题。关断电源后用万用表电阻挡检查电位器正常, 进而再用万用表电阻挡检查变容二极管, 发现正反向电阻均为零 (正常的二极管正、反向电阻差别越大越好) , 说明二极管已被击穿。更换变容二极管后电路恢复正常。
结论:在变容二极管直接调频实验中, 变容二极管静态工作点的正确设置是调制电路正常工作的保证。静态工作点不正确时, 采用基本的电压法和电阻法来分析、检查和解决, 使变容二极管静态工作点恢复正常。
实例二:变容二极管调频输出端无信号。
现象:在输出端用示波器观察, 变容二极管调频电路输出端无波形。
分析与解决:调频电路除振荡器外, 后面还加了一级放大和射随缓冲级。在实验过程中, 经常发现系统联调的协调性不够, 虽然不是硬件故障, 但局部的失调也会影响整体电路输出不正常。当某一系统电路失调, 输出信号不理想时, 问题不外乎直流系统或交流系统的调整。
首先检查直流电路, 使静态工作点正常。该电路需要设置静态工作点的元件包括变容二极管和振荡器及后面两级放大的三只晶体管。不加调制信号 (或将输入交流短路) , 通过调整对应的偏置电阻使变容二极管对地偏置电压、振荡器及后面两级放大的三只晶体管的偏置电压均达到正常参考值。
其次, 借助示波器从前向后逐级将交流电路调整正确:先调振荡管偏置电阻和振荡器谐振电感线圈的磁芯位置, 使振荡器输出端波形形状与频率均正确;再调整后面两级放大电路的输出幅度控制电位器及偏置电阻, 使系统终端输出波形正常。
实例三:变容二极管调频电路中载频频率稳定度不高的分析与解决。
现象:变容二极管调频电路中载频频率稳定度不够, 使设计出的调频电路的关键指标达不到要求。
分析与解决:在变容二极管调频电路中, 载频频率的不稳定性主要由温度变化、电源电压变化、负载阻抗变化、外界电磁场干扰等因素所引起, 在实验中可通过试验法来分析与解决问题。用邻组的电源调换试验发现载频频率的稳定度没有变化, 说明问题不在电源而是其他原因。检查金属屏蔽罩接地良好, 说明外界电磁场干扰不大。
检查温度补偿电路 (如图l所示) 是否发挥了正常功能, 该电路的功能是:当温度升高, 热敏电阻R7阻值变大, 串、并联电路 (R5+R7) 并联&的阻值变大, 分压后加在变容二极管上的电压减小。当温度降低, (R5+R7) 并联&的阻值变小, 分压后加在变容二极管上的电压增大, 从而达到温度补偿效果。为查明该电路是否发挥了正常功能, 用含酒精棉球擦拭热敏电阻使其降温后, 发现变容二极管上的电压并无明显变化, 说明热敏电阻或相关元件有问题, 切断电源, 用万用表电阻档检查发现Rs脱焊, 重新焊牢后问题得到解决。
结论:在多重因素均会导致载频频率不稳定的情况下, 需要由简到繁逐一用试验法排除故障原因, 使问题尽快得到解决。
3 分析解决问题的一般方法
通过多年实践积累, 以较为严谨的逻辑思维、较为灵活的操作方式, 逐步形成了一套分析解决实验、实践中遇到各种问题、故障的行之有效的方法, 归纳出如下模式:
提出问题:实际遇到的问题与故障
罗列现象:直接观察到的表面现象及通过仪器观测到的波形、数据等。
分析解决:审视实验或测试的方式方法是否有误, 及时调整;仪器设备按说明书正确使用, 避免因误操作造成错误判断;外接的各种电源、信号等均设置正确, 连接可靠;全面检查电路, 排除电气故障, 保障电路构成正确、畅通;检查主要元器件的完好性, 及时更换损坏的器件;分析达成正确结果所需的条件, 如:振荡的相位、振幅条件, 静态工作点的设置等:逐级分析、逐级排查, 并用仪器进行监视;对各种参数进行调整, 直至得到满意的结果。
结论:在分析解决问题的过程中得到的规律、经验教训以及常见问题的归纳与注意、警示等。
4 结束语
通过对高频实验中典型的调制电路设计调试问题的分析、倡导严谨、科学的思想方法;培养学以致用、理论联系实际、客观踏实的工作作风。指导生产按照实验五环管理过程, 踏踏实实做好每一步, 在实践中, 当我们遇到问题时, 要综合考虑多方面因素, 无论是设计或调试都不会一次就达到设计要求, 需要对各个参数进行协调, 要考虑相互间的影响, 才能找。出真正的故障原因。
参考文献
[1]王斌, 王颢雄.随机调制技术与频率抖动技术抑制传导EMI的比较[J];三峡大学学报 (自然科学版) , 2005年04期.
[2]朱国军.具有自动重启功能的DC-DC变换器控制电路的设计[D].电子科技大学;2006年
数字调制解调 篇5
GMSK调制是矩阵信号脉冲先通过高斯型低通滤波器, 再进行MSK键控得到的调制方式, GMSK不仅继承了MSK包络恒定、相位连续、带外功率谱下降快、带宽最小且严格正交的特点, 并且信号功率谱密度更加集中, 对邻道信号的干扰进一步减小, 进一步提高了通信质量, 因此应用广泛。
本文首先介绍GMSK的调制解调原理, 然后利用Mat Lab/Simulink对系统进行模拟仿真设计, 并对实验结果进行分析。
GMSK的基本原理
为了提高基本数字调制体制的性能, 人们不断地对调制体制进行改进, 涌现了多种适应不同信道或传输场合的新型调制技术。如MQAM (多进制正交振幅) 调制由于频带利用率高、调制方式灵活, 特别适合应用于频带资源有限的场合, 例如微波通信、卫星通信等。OFDM (正交频分复用) 作为一种有效的多载波并行传输方案, 具有抗多径衰落的能力, 适应于衰落严重的无线信道传输系统中, 例如第四代移动通信系统。MSK (Minimum Frequency Shift Keying, 最小频移键控) 调制和GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying, 高斯最小频移键控) 调制也属于新型调制技术, 都是改进的FSK (Frequency Shift Keying) 调制技术。
GMSK的调制方法
FSK调制的最简单形式是二进制频移键控2FSK (2 - ary Frequency Shift Keying) 。2FSK调制是利用两个不同频率的载波信号来传输一个二进制的信息序列。2FSK调制抗干扰能力强, 特别适合应用于信道参数变化的衰落信道, 并且易于电路实现, 缺点是占用的频带较宽, 即频带利用率较低;若用数字键控法得到2FSK信号, 频率跳变的码元对应的信号之间相位可能不连续, 这就使得在解调时通过带通滤波器后的信号包络不连续, 影响解调性能。为解决这一问题, 对2FSK调制进行改进, 提出了MSK调制。MSK信号时域振幅连续, 且相位连续。MSK中的“M”表示“Minimum, 最小”, 这个“最小”指的是2FSK两种码元容许的频率间隔最小, 而2FSK带宽为B2FSK=|f2-f1|+2fs, 若频率间隔最小, 则占用的带宽最小, 因此MSK功率谱更加紧凑, 适合于窄带信道传输。此外, 两个频率的相关函数为0, 满足严格正交条件, 使其误码率性能更好。MSK信号可以用两个正交的分量表示:
根据上式构成的方框图如图1 所示。
MSK虽然带外功率谱下降快, 但仍满足不了一些实际场合对限制带外辐射功率的要求。为了进一步使信号功率谱更加紧凑, 减小信号带宽, 基带脉冲信号首先通过高斯型低通滤波器, 变为高斯型脉冲基带信号, 再对其进行MSK调制, 得到的信号就为GMSK信号, 其功率谱密度的旁瓣偏离中心频率时衰减就会变快, 如图2 所示。
为满足要求, 高斯型低通滤波器应具有以下特性:带宽窄且归一化值小, 便于抑制高频分量;过脉冲响应低, 防止瞬时频偏过大;能够保持滤波器输出的脉冲面积 (对应π/2相移) 不变, 以利于采用相干检测。此高斯滤波器的频率特性表示式为:
其中B为高斯滤波器的3dB带宽。将上式做傅里叶反变换, 得到滤波器的时域特性为, 式中参数, 与3dB基带宽带B有关。
设BNRZ序列为d= (t) ∑akb (t-nb) , ak= ±1 , 则GMSK表达式可记作:
其中, 分别为两个支路上的正交载波信号cosωst及sinωst的系数。
GMSK的解调方法
GMSK可以采用相干解调和非相干解调两种解调方法。两者的区别就在于收发两端需不需要有同步载波。非相干解调方法硬件结构简单稳定, 误码门限低。相干解调的性能较好, 且技术成熟, 但是若存在多径传输引起的衰落则相干解调的性能比理想的性能要差。以相干解调为例说明GMSK的解调方法。
分别对两个支路进行相干解调, 接收机输入信号分别为相干载波cosωst及sinωst相乘, 经低通滤波器后得到基带信号I (t) 和Q (t) , 然后做相位计算。GMSK信号通过上下支路分别与相干载波相乘并进行积分判决, 两个积分判决器并不是同时工作, 而是相差一个脉冲周期Ts, 积分时间都为2Ts。其框图如图3 所示。
系统仿真设计
Mat Lab/Simulink是一种常用的科学计算、工程设计的软件工具。在能够构造出系统的数学模型的前提下, 就可以用Mat Lab/Simulink对系统进行仿真, 具有仿真精度高、通用性强、编程简易的优点。特别是对于通信系统的仿真, Simulink包括了许多专业仿真模块库, 如CDMA参考数据库、数字信号处理 (DSP) 模块库、通信系统模块库等。通过这些库, 用户可以快速建立系统模块进行仿真, 而不需要了解模块内部的具体实现环节, 方便复杂系统的建模。Mat Lab提供三种编程方法: (1) M文件编程实现:基于数据流的仿真方法, 用编程语句实现数学关系的表达, 主要用于方程表示和数值求解。编程灵活, 但直观性差。 (2) Simulink方法:基于时间流的仿真方法, 用数学模型建立的系统方框图基础上, 用连接模块的方法实现输入输出关系的表达, 更加直观。 (3) M文件编程与Simulink结合的方法:集合两者的优点, 避免各自的不足。实际较为复杂的通信系统仿真采用此种方法。
一般仿真的步骤是:仿真问题提出—仿真系统分析—建立系统的数学模型—收集数据—根据数学模型建立系统的仿真模型—仿真模型验证—仿真模型的确认—仿真试验设计—计算机仿真模型的运行—计算机仿真结果分析。以下简要说明GMSK仿真的主要步骤。
建立系统数学模型
仿真的目的是为了验证GMSK的性能质量, 主要是可靠性和有效性。其中, 数字通信系统的有效性通过传输速率和传输带宽来衡量, 可靠性即抗噪声性能可由误码率和误信率 (误比特率) 衡量, 通过改变信道的参数SNR改变解调器的输入信噪比计算误码率。首先根据目的进行仿真分析, 明确系统由信号发生器、信号变换器、调制器、信道、解调器及信号反变换器组成。为了统计系统误码率和观察调制器输出信号波形, 还应增加误码率计算模块和示波器, 如图4 所示。
建立仿真模型
根据系统方框图, 在Simulink模块库中找到相应模块进行连接, 即可得到如图5 所示的GMSK系统仿真模型。信号发生器选用Bernoulli Binary Generator (贝努利二进制序列发生器) 模块, 通过Differential Encoder (差分编码器) 模块对输出信号进行预编码, 得到差分信号, 输入到Unipolar to Bipolar Converter变换器将单极性信号变换为双极性信号以便通过GMSK Modulator Baseband (基带GMSK调制器) 进行GMSK调制。选用通信系统常用的AWGN Channel (加性高斯白噪声信道) 模块作为系统传输信道。在接收端, GMSK信号经过GMSK Demodulator Baseband (基带GMSK解调器) 进行信号恢复, 在经过由Bipolar to Unipolar Converter和Differential Decoder组成的信号反变换器恢复二进制序列。
需要注意的是, GMSK信号为复合信号, 需要在示波器之前加入Complex to Real - Imag模块将信号拆为实部和虚部两部分分别进行观察。信号在传输过程中会出现一定的延迟, 可以通过Find Delay (得到延迟) 模块计算信号的延迟量, 然后再将信号发生器产生的初始信号通过Delay (延迟) 模块进行相应的延迟。将经过延迟处理的初始信号和恢复出的二进制序列分别接入Error Rate Calculation (误码率统计) 模块的Tx和Rx端口, 这样就能得出系统的误码率。
系统参数设置
在仿真中, 模块的参数设置直接影响仿真结果和仿真数据的可靠性, 将主要模块的参数设置进行说明。
(1) 贝努利二进制序列发生器:Initial seed (初始种子) :61;Sample time (采样周期) :1/10000;Output data type (输出数据类型) :Boolean (布尔类型) 。
(2) 单极性变换为双极性信号模块:M - ary number (输入信号的阶次数) :2;Output data type (输出类型) :Inherit via internal rule (继承内部规则) 。
(3) 基带GMSK调制器:BT product (BT乘积) :0.3;Pulse length ( 脉冲长度) :4;Samples per symbol (每个符号的抽样数) :8;Output data type (输出数据类型) :double (双精度类型) 。
在整个参数设置中, 主要注意的是Unipolar to Bipolar Converter模块和Bipolar to Unipolar Converter模块里的M - ary number (输入信号的阶次数) 设置, 参数默认值为4, 而仿真中信号发生器输出二进制信号, 因此需要把M - ary number值设置为2, 这样才能保证信号在单极性和双极性之间正常转换, 使整个实验顺利进行。
仿真结果分析
仿真波形
运行GMSK系统仿真模型, 通过示波器可以观察到GMSK信号输出的实部和虚部信号波形。如图6 所示, 上图为实部pk仿真波形, 下图为虚部qk仿真波形。横坐标表示仿真时间, 纵坐标表示信号幅度。理论上, 虽然每个码元的持续时间相等且都为码元周期Ts, pk和qk每经过一个码元周期就改变一次符号, 但不同时改变。通过实验得出的图形可以看出pk和qk确实没有同时改变, 由此就可以验证仿真得出的GMSK波形是正确的, 该仿真模型可靠性强。
系统误码率曲线
误码率是衡量数字通信系统可靠性一个重要性能指标, 表示码元在传输系统中被错传的概率, 误码率= 传输中的误码/ 所传输的总码数 ×100%。仿真中通过Error Rate Calculation (误码率统计模块) 计算误码率, 并输出到工作区。利用M文件中编写的程序, 设置信噪比的不同取值, 通过多次调用利用Simulink编写的gmsk.mdl仿真模型, 得到不同信噪比条件下的误码率, 从而绘制系统误码率与信噪比的关系曲线。
GMSK调制模块中的BT值决定高斯低通滤波器的频域特性, 从而影响GMSK系统有效性和可靠性。BT值越小, 则带外功率谱密度下降越快, 对邻道的干扰就越小, 占用带宽窄;反之, 占用带宽较宽。当BT值趋于无穷大时, 就成为了MSK调制。随着BT值的变化对系统误码率也产生影响。减小BT值在提高有效性的同时, 却使系统的误码率性能变差。由此可见通信系统的有效性和可靠性是一对矛盾, 提高可靠性是以降低有效性为代价的, 在实际中还应考虑两者的平衡性。利用编程设置不同BT值, 得到不同BT值条件下系统误码率随信噪比变化的曲线, 如图7 所示。图中横轴代表信噪比SNR, 纵轴代表误码率, 三条线曲线颜色默认次序为蓝、绿、红, 分别对应BT值为0.1、0.3 和0.9。从图上看出BT值越小, 系统抗噪声性能越差, 由此验证理论。当BT=0.1 时, 误码率最高。而当误码率为0.3 和0.9 时, 误码率差别不大。GSM制的蜂窝网中采用BT=0.3, 达到有效性和可靠性的平衡。
相应的M文件代码为:
semilogy (x, y1, ’ - +’, x, y2, ’ - +’, x, y3, ’- +’) ;% 绘制不同B T值下信噪比与误码率的关系曲线
总结 (150)
GMSK是一种性能优良的数字调制技术, 包络恒定且功率谱密度集中。首先分析其基本原理及调制解调方法, 在建立系统数学模型基础上, 基于Mat Lab/Simulink软件建立具体的仿真模型, 给出主要的参数设置方法, 通过仿真波形验证仿真系统的可靠性。对仿真结果进行分析的结果表明, 系统误码率随输入信噪比增大而减小, 不同高斯型低通滤波器的参数BT取值影响系统误码率与带宽, 根据不同场合需要将有效性和可靠性进行权衡, 通常取BT为0.3 以达到优良的性能。因此GMSK调制技术在GSM系统、军用超短波电台及其他民用领域中受到广泛应用。
数字调制解调 篇6
为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。因此，必须用数字基带信号改变正弦载波的幅度、频率或相位中的某个参数，产生相应的数字振幅调制、数字频率调制或数字相位调制，也可以用数字基带信号同时改变正弦型载波的幅度、频率或相位中的某几个参数，产生新型数字调制。数字调制系统的基本结构如图一所示：
传统的调制方式有数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。通过分析和实验，发现这三种调制方式都有不足之处，如频谱利用率低、功率谱衰减慢、抗多径衰落能力弱、带外辐射严重。为了克服这些不足，人们不断地提出一些新的数字调制技术，以满足各种通信系统的要求。正交振幅调制(QAM)即为现代数字调制解调技术之一，它是目前大中容量数字微波通信、有线电视网高速数据传输、卫星通信等系统中广泛使用的一种先进的数字调制技术，其最大特点是频谱利用率很高。
QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波幅度和相位来传递信息比特。因此在最小距离相同的条件下，即可实现更高的频带利用率。
1 16QAM(4电平正交调幅）调制原理
单独使用振幅或相位携带信息时，不能最充分地利用信号平面，这可以由矢量图中信号矢量端点的分布直接观察到。多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布;多进制相位调制时，矢量端点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减小。但如果我们充分地利用整个平面，将矢量端点重新合理地分布，则有可能在不减小最小距离的情况下，增加信号矢量的端点数目。基于上述概念，我们可以引出振幅与相位相结合的调制方式，这种方式常称为数字复合调制方式。一般的复合调制称为幅相键控(APK)，两个正交载波幅相键控称为正交振幅调制(QAM)。
在图二中，设输入为速率为Rb的二进制码元信号，经过串/并变换电路，把二进制信息分成两个速率为Rb/2的两电平序列;再经2/L电平转换器将每路速率为Rb/2的两电平序列变成速率为Rb/log2M的L电平信号。图中L取4，即为16QAM。
2 16QAM信号的解调原理
MQAM信号的解调器是一个正交相干解调器，其解调器原理如图三所示。解调器输入的已调信号与本地恢复的两个正交载波相乘，经过低通滤波输出两路多电平基带信号X(t)和Y(t)，用有(L-1)门限电平的判决器判决后，分别恢复出两路速率为Rb/2的二进制序列，最后经并/串变换器将两路二进制序列组合为一个速率为Rb的二进制数据。图中L取4，即为16QAM。
3 系统设计方案
3.1 设计要求
(1)输出码元速率为4kbps的随即序列作为系统的信号源;
(2)输出频率为100kHz的正弦波信号做作为系统的调制解调信号;
(3)输出2kbps的方波信号及其正交信号，作为抽样判决的时钟信号;
(4)保证串/并变换与并/串变换以及2-4电平转换与4-2电平转换的正确性。
3.2 Systemview方案总体实现
在实际设计中，根据原理框图将各模块分解实现后再进行总体合并，其总体仿真图如图四所示。
总体仿真电路各图符参数如表一所示：
在此设计的系统中,每一个步骤都可以用软件对其进行仿真,可以得到对应的波形图,直观的看到信号在传输过程中的变化。图五为系统的最终输出，恢复出信号源产生的随机0/1序列。
参考文献
[1]张辉,曹丽娜.现代通信原理与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.
[2]吕海军,陈前斌,吴小平.基于SystemView的16QAM调制解调系统仿真设计[M].重庆:重庆邮电大学出版社,2000,12.
[3]樊昌信等.通信原理[M].北京:国防工业出版社,1994.
数字调制解调 篇7
Matlab以其强大的矩阵处理能力和丰富的图形渲染能力在工程计算和教育科研领域有着广泛的应用。其中基于Web的应用也越来越受到重视。但是, Matlab 2006b之后的版本却不再支持Matlab Web Server功能[5]。官方推荐使用Matlab Builder NE/JA来取代Web Server的功能[8]。
Matlab Builder JA用来将M函数文件创建成一个Java组件, 它支持Matlab的所有功能。将生成的Java组件作为Servlet或其他Java程序的外部添加库, 通过访问这些库中类的方法来调用MCR产生处理结果[1]。
1 系统构架
Matlab的Java Web应用, 包括J2EE服务器, Matlab Builder JA产生的Java组件和Matlab Compiler Runtime (MCR) 。MCR是一套运行经编译过的Matlab代码的库, 它允许在服务器端集成。终端用户通过Web浏览器发送请求到服务器, 服务器端程序调用Matlab Builder JA创建的Java组件, 调用MCR, 执行Matlab程序, 得到所需的结果并返回。图1显示了基于Java的Matlab Web应用的框架。
2 QPSK调制解调技术
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying, 正交频移键控) 广泛应用于无线通信中, 是一种重要的调制解调方式。它利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息, 分别有/4, 3/4, 5/4, 7/4四种载波相位, 调制时输入的是二进制数字序列, 为了配合四进制的载波相位, 则需把二进制数据变换为四进制数据, 也就是将二进制数字序列中每两个比特分成一组, 共有四种组合, 即00, 01, 10, 11, 其中每一组合称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成, 它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特, 这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调时则根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特[7]。
在QPSK调制中, 串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两个并行序列, 经电平变换后成双极性序列, 然后分别对cos t和sin t调制, 两路信号相加后得到QPSK调制信号。QPSK同相支路和正交支路可分别采用相干解调方式解调, 得到I (t) 和Q (t) 。经抽样判决和并/串变换器, 将上、下支路得到的并行数据恢复成串行数据。
3 实现方法
服务器端软件包括J2EE Server (Apache Tomcat) 、MCR (Matlab Compiler Runtime) 以及Java Web工程开发调试的IDE工具Eclipse Java EE。
3.1 开发环境
下载安装Java Developer’s Kit (JDK) , 配置相应的系统环境变量, 使服务器能运行在Java开发环境。安装新版本的Matlab, 执行Matlab安装文件夹中的MCRInstaller.exe来安装MCR, 下载Apache Tomcat作为Web服务器。本文使用JDK1.6, Matlab2010b, Tomcat 7.0, Eclipse4.2版本。
3.2 编译jar包文件
编写具有QPSK功能的M函数文件, Web中所需的结果都是通过函数的返回值得到, 这样便于在Java程序中使用并写回客户端, 其中显示Matlab仿真图形需要调用webfigure函数[3]。
在Matlab工作区输入命令deploytool, 打开Deployment Tool, 建立Matlab Builder JA工程项目, 输入包名, 类名, 添加已写好的M文件, 编译成所需的扩展名为jar的java组件[6]。
创建方法如图2所示。
3.3 设计index.html
客户端通过浏览器打开页面, 设置参数实现对信号的QPSK调制解调, 输入的参数提交服务器到Servlet进行处理, 待Servlet处理后, 将结果传回给客户端。
页面中交互部分用于输入设计需调制的二进制序列, 载波频率。结果显示部分, 它采用Javascript (包括ajax) 技术, 使页面不经过跳转, 将结果直接显示在当前页面[2]。另外通过设置多个按钮来逐步展示QPSK调制解调的整个过程, 再配以解释说明, 使整个过程更清晰。
3.4 Servlet的设计
Servlet是服务器的控制端, 它接受浏览器的请求, 提取参数, 通过自身的功能传递给jar包文件生成的类中, 调用MCR完成所需的计算, 得到处理结果, Servlet接收结果并将其返回给客户端浏览器[4]。
在Eclipse中创建动态Web工程, 添加index.html, 新建一个Servlet, 将Matlab Builder JA生成的Java组件作为外部添加库, 编写程序提取浏览器的参数, 执行操作并返回结果, 最后加载Tomcat服务器进行修改调试。
3.5 服务器的部署
在系统中新建文件夹Matlab Ja Web, 将Eclipse工程文件夹Web Content子文件内容拷贝入文件夹Matlab Ja Web中, 并确保WEB-INF中有web.xml配置文件以及lib子文件夹。将Eclipse工程文件夹中build下的classes文件夹拷入WEB-INF文件夹中, classes文件夹中有一个扩展名为.class的文件, 此文件也可由Servlet文件经javac编译而得。然后将Matlab安装文件夹中的javabuilder.jar和Matlab Builder JA生成的jar文件拷入文件夹lib中, 最后将整个Matlab Ja Web文件夹拷贝到Tomcat的webapps文件下, 重启Tomcat。用户在浏览器中输入http://ip:8080/Matlab Ja Web, 其中ip为服务器端IP地址, 就能打开index.html界面进行QPSK教学或仿真实验。图3为调制后的QPSK信号。
4 结语
随着Internet使用的深入, 基于Web的软件使用越来受欢迎。Matlab和Java Web功能的结合, 使得Matlab强大计算处理能力得以移植到Web上。它不受地理位置和时间的限制, 读者可以在Web环境中自由使用其特定功能, 这样为教学和学生实验提供了一个自主平台。同时页面提供了良好的交互环境和可视化界面, 简化了操作, 便于理解。本文提供了一个QPSK调制和解调的实例, 读者如果有兴趣还可以对其它信号处理和通信实验进行制作。
摘要：阐述了基于JavaWeb和Matlab BuilderJA开发的一般模式, 将Matlab强大的仿真计算能力应用到Web环境中。在浏览器中输入Matlab程序参数并提交给服务器, 服务器结合WebFigure图形方式的使用, 将实验结果直观地返回, 实现了交互式操作。通过这种B/S方式, 完成了二进制数字信号的QPSK调制与解调的模拟仿真。
关键词：Matlab,Builder,JA,Java,Web,QPSK,调制,解调
参考文献
[1]李宏, 宾宁.基于Matlab Web服务器的信号与系统远程教学课件[J].计算机工程, 2003
[2]Thomas A.Powell, 闫锋欣, 陈泽峰.Ajax完全手册[M].北京:电子工业出版社, 2009
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[4]孙鑫.Servlet/JSP深入讲解[M].北京:电子工业出版社, 2008
[5]蔡云鹜.基于Java Web和Matlab Bui lder JA的远程数学实验教学系统设计[J].实验技术与管理, 2012
[6]Yunlu Cai, Guodong He, Yuguang Chen.MATLAB Web Application andMethod Discussion[J].Journal of Conver-gence Information Technology (JCIT) , 2012
[7]高博, 杨燕, 胡建军.基于Matlab的QPSK系统设计仿真[J].科学技术与工程, 2010