基于Matlab的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制仿真

程 鈴

摘 要:分析當(dāng)前通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題,提出采用Matlab仿真彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備等的不足。給出利用Matlab函數(shù)實(shí)現(xiàn)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制(包括4ASK,4FSK和4PSK)的仿真實(shí)例,將抽象的原理形象化。給出部分仿真程序,并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和討論,仿真結(jié)果與理論結(jié)果一致。這里將Matlab仿真用于多進(jìn)制數(shù)字通信,解決了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能做此類實(shí)驗(yàn)的尷尬境地,為相關(guān)領(lǐng)域的研究指出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方法,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)程中的有益嘗試。

關(guān)鍵詞:Matlab;通信原理;仿真實(shí)例;多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制

中圖分類號:TN914.3

Matlab與其他計(jì)算機(jī)語言相比,其特點(diǎn)是簡潔和智能化,適應(yīng)科技專業(yè)人員的思維方式和書寫習(xí)慣,使得編程和調(diào)試效率大大提高,已成為全世界科學(xué)工作者共同的學(xué)術(shù)交流工具以及系統(tǒng)仿真界事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

Matlab仿真具有如下優(yōu)點(diǎn):可以仿真各種通信系統(tǒng),通過改變某些參數(shù),比較系統(tǒng)性能的變化,而且可以以圖形方式展現(xiàn),生動(dòng)、形象;與硬件實(shí)驗(yàn)相比,Matlab軟件實(shí)驗(yàn)開發(fā)周期短,成本低,可以彌補(bǔ)由于實(shí)驗(yàn)場地、儀器設(shè)備和經(jīng)費(fèi)缺乏等因素帶來的不足,避免因誤操作而對儀器造成的損壞,而且對于某些不易做的硬件實(shí)驗(yàn)也可以進(jìn)行仿真。Matlab仿真有兩種途徑: 一是基于數(shù)據(jù)流的仿真,通過Matlab 函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn),即編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真; ┒是基于時(shí)間流的仿真,運(yùn)用Matlab提供的一種可視化仿真模型庫——Simulink來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的仿真。

我國教育科研部門對Matlab的地位和重要作用也逐漸達(dá)成了共識,尤其是在硬件設(shè)施有限,科研經(jīng)費(fèi)不足的情況下,Matlab的廣泛應(yīng)用必將大大提升我國科教事業(yè)的基礎(chǔ)研究水平。目前,許多理工科院校的電子信息類專業(yè)都開設(shè)了通信原理課程,并安排了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。但一般的通信原理實(shí)驗(yàn)箱(或?qū)嶒?yàn)柜)只能提供模擬調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字基帶傳輸實(shí)驗(yàn)以及二進(jìn)制的數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)等,不能做多進(jìn)制數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)及新型的數(shù)字調(diào)制實(shí)驗(yàn),如MSK,QAM等。單純的課堂講解,讓學(xué)生很難理解這些抽象的原理,實(shí)際上這類實(shí)驗(yàn)完全可以用Matlab進(jìn)行仿真,通過仿真能直觀、形象地展現(xiàn)它們的原理,使學(xué)生易于掌握。在此以Matlab 函數(shù)的形式對多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號進(jìn)行仿真、分析,充分展現(xiàn)了Matlab在多進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用,為相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)、研究指出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方法,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)程中的有益嘗試。

1 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的仿真

多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制是利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號去調(diào)制載波的振幅、頻率或相位。由于多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號的被調(diào)參數(shù)在一個(gè)碼元寬度內(nèi)有多個(gè)可能的取值,因此與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制相比,具有以下兩個(gè)特點(diǎn):

(1) 在相同的信道碼元傳輸速率下,獿進(jìn)制系統(tǒng)的信息傳輸速率是二進(jìn)制系統(tǒng)的log2 獿倍;

(2) 在相同的系統(tǒng)傳信率下,多進(jìn)制信道的符號速率可以低于二進(jìn)制的符號速率,因而所需信道帶寬減小。因此,多進(jìn)制調(diào)制方式獲得了廣泛的應(yīng)用,成為提高通信效率的主要手段[3]。

[BT3]1.1 四進(jìn)制振幅鍵控(4ASK)

多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)又稱為多電平調(diào)制,它可以看成是時(shí)間上互不相容的多個(gè)不同振幅值的通斷鍵控信號的疊加。與2ASK信號相比,這種體制的優(yōu)點(diǎn)在于頻帶利用率高。四進(jìn)制振幅鍵控(4ASK)是載波幅度受到多進(jìn)制數(shù)字基帶信號的調(diào)制,每個(gè)多進(jìn)制碼元含有2 b的信息,用雙比特元(ab)代表這兩個(gè)比特。發(fā)送碼元序列編碼時(shí)需要先形成雙比特元,然后用四種幅度之一的載波去表示它。

等概率并統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的二進(jìn)制“0”,“1”序列由函數(shù)rand產(chǎn)生,它會產(chǎn)生(0,1)范圍內(nèi)的均勻隨機(jī)數(shù),再將這個(gè)范圍分成4個(gè)相等的區(qū)間[4](0,0.25),(0.25,0.5)(0.5,0.75)和(0.75,1.0),這些子區(qū)間分別對應(yīng)于00,01,11和10的雙比特元,從而形成二進(jìn)制碼元序列。該部分程序如下:

其中:玁為二進(jìn)制碼元數(shù);input為隨機(jī)的二進(jìn)制碼元序列。

主要仿真參數(shù):載波為cos(2π玣璫玹),頻率玣璫=2 000 Hz(即周期500 μs),由函數(shù)[5]猚os(2*pi*fc*t)產(chǎn)生;二進(jìn)制碼元序列由上面程序產(chǎn)生,取玁=20,產(chǎn)生的序列為01110001000011101000,碼元傳輸速率為2 000 B,即碼元寬度為500 μs,二進(jìn)制碼元形成矩形的數(shù)字基帶多電平單極性不歸零信號,雙比特元00,01,10,11形成的基帶信號幅度分別為獳 V,2獳 V,3獳 V,4獳 V。獳可以調(diào)整,設(shè)獳=1。

執(zhí)行結(jié)果如圖1所示。圖1中第一個(gè)波形為數(shù)字基帶多電平單極性不歸零信號波形[6],第二個(gè)波形為載波波形,第三個(gè)波形為4ASK波形。

由仿真結(jié)果圖可以看出,載波幅度受到數(shù)字基帶信號的調(diào)制,載波幅度由雙比特元決定,當(dāng)雙比特元為00,01,10,11時(shí),載波信號的幅度分別調(diào)制為獳 V,2獳 V,3

[BT3]1.2 四進(jìn)制頻移鍵控(4FSK)

多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)是載波的頻率受到多進(jìn)制數(shù)字基帶信號的調(diào)制。四進(jìn)制頻移鍵控(4FSK)采用4個(gè)具有不同頻率的載波信號分別表示四進(jìn)制碼元,┟扛霆碼元含有2 b信息,用雙比特元(ab)表示。

主要仿真參數(shù):載波振幅為1,二進(jìn)制碼元傳輸速率為1 000 B,共有20個(gè)二進(jìn)制碼元,為11010001000011111000,由rand函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生。四種載波頻率分別為1 000 Hz,2 000 Hz,3 000 Hz,4 000 Hz,由函數(shù)cos(2π玣璫玹)產(chǎn)生。

執(zhí)行結(jié)果如圖2所示。第一個(gè)波形為數(shù)字基帶信號的波形,第二個(gè)波形為4FSK波形。

由仿真結(jié)果圖可以看出,載波頻率受到數(shù)字基帶信號的調(diào)制,當(dāng)雙比特元為00,01,10,11時(shí),載波信號頻率調(diào)制為1 000 Hz,2 000 Hz,3 000 Hz,4 000 Hz。

[BT3+*3]1.3 正交相移鍵控(QPSK)

多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制又稱多相制,它利用載波的多種不同相位或相位差來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。┧慕制相位鍵控,是目前微波和衛(wèi)星數(shù)字通信中最常見的一種數(shù)字調(diào)制方式,它具有較高的頻譜利用率,較強(qiáng)的抗干擾能力,同時(shí)在電路上也易于實(shí)現(xiàn),已成為一些通信系統(tǒng)中的主要調(diào)制方式。

4PSK常稱為正交相移鍵控(QPSK),它的每個(gè)碼元含有2 b的信息,用雙比特元(ab)表示。發(fā)送碼元序列編碼時(shí)需要先形成雙比特元,然后用四種相位之一θ璳去表示它。它們與相位θ璳之間的關(guān)系通常按格雷碼的規(guī)律安排,

主要仿真參數(shù):載波為cos(2π玣璫玹),頻率玣璫=2 000 Hz,由函數(shù)cos(2*pi*玣璫)產(chǎn)生;二進(jìn)制碼元共有20個(gè),為00011100111001100001,由rand函數(shù)產(chǎn)生,碼元傳輸速率為2 000 B。

執(zhí)行結(jié)果見圖3。第一個(gè)波形為數(shù)字基帶信號的波形,第二個(gè)波形為載波波形,第三個(gè)波形為QPSK波形[8]。

由仿真結(jié)果圖可以看出,載波相位受到數(shù)字基帶信號的調(diào)制,當(dāng)雙比特元為00,01,11,10時(shí),QPSK信號的相位分別與載波相位相差90°,0°,270°,180°。

2 結(jié) 語

[JP2]利用Matlab仿真通信系統(tǒng),具有廣泛的適應(yīng)性和極高的靈活性。在硬件實(shí)驗(yàn)中改變系統(tǒng)參數(shù)也許意味著重做硬件,而在軟件中只需對特定參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置[9],節(jié)[LL][JP]省了時(shí)間和費(fèi)用。實(shí)踐證明,Matlab可以進(jìn)行多進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)的有效仿真,在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值[10],能幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)該課程,提高學(xué)習(xí)興趣。在此利用Matlab對多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制進(jìn)行了可視化仿真,給出了仿真結(jié)果并進(jìn)行了分析,仿真結(jié)果與理論結(jié)果一致。程序中的二進(jìn)制碼元也可以通過輸入產(chǎn)生,只需稍稍修改程序即可。通過改變某些參數(shù),可以擴(kuò)展到更高的進(jìn)制,如十六進(jìn)制,因此所編寫的程序具有通用性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳懷琛,吳大正,高西全.Matlab及在電子信息課程中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]關(guān)學(xué)梅,陳純鎧.基于Matlab的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(5):99[CD*2]101.

[3]徐家愷,沈慶宏,阮雅端.通信原理教程[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2007.

[4]John G Proakis,Masoud Salehi,Gerhard Bauch.現(xiàn)代通信系統(tǒng)(Matlab版)[M]. 劉樹棠,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[5]張志勇,徐彥琴.Matlab教程[CD2]基于6.x版本[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[6]吳資玉,甘育裕,彭剛.數(shù)字通信原理[M].北京:中國物資出版社,2002.

[7]樊昌信,張甫翊.通信原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[8]趙靜,張瑾,高新科.基于Matlab的通信系統(tǒng)仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[9]卓秀欽.基于Matlab/Simulink的PSK的傳輸系統(tǒng)仿真[J].福建信息技術(shù)教育,2006(3):6[CD*2]8.

[10]毛紅艷,蘇葦,王蓉.基于Matlab計(jì)算機(jī)仿真在通信教學(xué)中的應(yīng)用[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007(3):286[CD*2]288.

作者簡介 程 鈴 女,1974年出生,四川隆昌人,講師,碩士研究生。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)。