二进制数字调制系统的性能比较
应用物理07-1班 03 安迎波
1.引言
数字信号的传输方式可以分为基带传输和带通传输。为了使信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特性相匹配。在这个过程中就要用到数字调制。
一般说来，数字调制技术可分为两种类型：(1) 利用模拟方法去实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；(2) 利用数字信号的离散取值特点键控载波， 从而实现数字调制。第(2)种技术通常称为键控法， 比如对载波的振幅、频率及相位进行键控，便可获得振幅键控(ASK)、 频移键控(FSK)及相移键控(PSK)调制方式。键控法一般由数字电路来实现， 它具有调制变换速率快，调整测试方便，体积小和设备可靠性高等特点。
本篇的目的在学习以上三种调制的基础上，通过Systemview仿真软件，实现对2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK等数字调制系统的仿真，同时对以上系统进行性能比较。
2 二进制振幅键控 2ASK
调制系统：
实验原理：2ASK的实现
开关电路二进制不归零信号s(t)乘法器cosct(a)模拟调制法（相乘器法）e2ASK(t)coscte2ASK(t)s(t)(b)通-断键控(OOK,On-Off Keying) 在幅移键控中，载波幅度是随着调制信号而变化的。一种是最简单的形式是载波在 二进制调制信号1或0控制下通或断，这种二进制幅度键控方式称为通断键控（OOK）。二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的，也是最简单的。这种方法最初用于电报系统，但由于它在抗噪声的能力上较差，故在数字通信中用的不多。但二进制振幅键控常作为研究其他数字调制方式的基础。
二进制振幅键控信号的基本解调方法有两种：相干解调和非相干解调，即包络检波和同步检测。非相干解调系统设备简单，但信噪比小市，相干解调系统的性能优于相干解调系统。
2ASK解调器原理框图：
调制解调系统： 系统相关参数：
e2ASK(t)BPFa全波整流器bLPFc抽样判决器d输出(a)非相干解调（包络检波法）定时脉冲e2ASK(t)输出BPF相乘器CosωctLPF抽样判决器定时脉冲(b)相干解调(同步检测法） 基带信号频率=50HZ，电平=2，偏移=1，载波频率=1000HZ模拟低通频率=225HZ,极点数为3.系统运行时间为，采样频率=20000HZ。
2ASK系统调制解调图对比
系统仿真结果分析:
如图所示调制信号Sink3的图形与解调后的信号Sink8图形基本一致，在每段的起始因为信号不稳定，所以出现了微小的波动。这与滤波器滤波误差也相关。
相干解调需要插入相干载波，而非相干解调不需要载波，因此包络检波时设备较简单。 对于2ASK系统，大信噪比条件下使用包络检波，而小信噪比条件下使用相干解调。
3 二进制频移键控 2FSK
3. 1调制系统： 实验原理：
数字键控法实现二进制移频键 控信号的原理图：
基带信号振荡器1f1cs(t)b门电路1es(t)a反相器+fe2FSK(t)g振荡器2d门电路2f2采用键控法产生的二进制频移键控信号，即利用矩形脉冲序列控制的开关电力对两个不同的频率源进行选通。频移键控FSK是用数字基带信号去调制载波的频率。因为数字信号的电平是离散的，所以载波频率的变化也是离散的。在实验中，二进制基带信号是用正负电平表示的，载波频率随着调制信号为1或-1而变化，其中1对应于载波频率f1，-1对应于载波频率f2.
调制解调系统：
2FSK信号的解调—非相干解调：
2FSK信号的解调—相干解调：
e2FSK(t)BPF1e2FSK(t)包络检波器抽样脉冲抽样判决器输出BPF2包络检波器(a)BPF11相乘器cos1tcos2tLPF抽样脉冲抽样判决器输出BPF2相乘器(b)LPF系统基本参数：基带信号频率=50HZ，电平=2，偏移=0，半波整流器门限为0，sink8、sink14频率=500HZ，sink9、sink15频率=1000HZ。模拟低通滤波器频率=225HZ，极点个数为7，运行时间=，采样频率=10000HZ。
2FSK系统调制解调图对比：
仿真结果分析：
如图sink7、sink19分别为系统的输入和输出，输入为调制信号，输出为解调后信号，两信号基本一致，但解调信号每段的起始点有波动，主要是滤波器滤波误差造成的，这无碍仿真结果的准确性。由于载波频率相当大，已调信号的波形观察不是很清楚，这就不如低频处理清楚，直观。
相干解调需要插入两个相干载波，而非相干解调不需要载波，因此包络检波时设备较简单。 对于2FSK系统，大信噪比条件下使用包络检波，而小信噪比条件下使用相干解调。
4 二进制移相键控 2PSK
调制系统：
2PSK信号的产生（数字键控法） 实验原理
cosct180°相移0°开关电路e2PSK(t)s(t)(b)二进制相移键控中，载波的振幅和频率都是不变的，只有载波的相位随基带脉冲的变化而取相应的离散值。通常用相位0°和180°来分别表示1或0.这种PSK波形在抗噪声性能方面比ASK和FSK都好，而且频带利用率也高，所以在中高速数传中得到广泛的应用。 这种以载波的不同相位去直接表示相应的数字信息的相位键控通常被称为绝对移相方式。 调制部分：将信号源产生的双极性不归零信号直接同正弦载波相乘便可以得到2PSK调制信号。
调制解调系统： 2PSK信号解调：
系统基本参数： 点个数为3。
coscte2PSK(t)acd抽样判决器定时脉冲e输出BPF相乘器bLPF基带信号频率=30HZ，电平=2，偏移=0，载波频率=600HZ，模拟低通滤波器频率=225，极
2PSK系统调制解调图对比：
仿真结果分析：
Sink1、sink10分别为调制信号、解调信号。它们波形整体一致，但是每段的起点处存在一定的波动误差，造成的主要原因是调制系统的误差。仿真结果准确。同样已调信号不是很清楚，因为载波频率太高的缘故。
相干解调错一位，码变换错两位；相干解调错连续两位，码变换也错两位；相干解调错连续n位，码变换也错两位。
5 二进制差分移相键控 2DPSK
实验原理
前一个实验讲述了绝对调相2PSK的仿真系统，但在2PSK系统中，由于本地参考载波有0，180°模糊度，因而解调得到的数字信号可能极性完全相反，从而造成1和0倒置。这对于数字传输来说当然是不能允许的。克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的办法是在调制器输入的数字基带信号中采用差分编码，即相对调相，也称为二进制差分相移键控。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对相位变化传递数字信息。 2DPSK信号的产生：
2DPSK信号解调：
e2DPSK(t)acd抽样判决器定时脉冲e180°相移cosct0°s(t)开关电路e2DPSK(t)s(t)基带信号绝对码－相对码变换PSK调制DPSK信号码变换
BPF相乘器bLPF(a)码变换器f数据输出cosct2DPSK系统调制解调图对比：
系统仿真结果分析：
Sink5、sink16分别为调制解调信号，两个图像完全一致，说明该调制解调系统的准确。Sink9为滤波后的信号，存在一定的波动误差，而sink6为转换后的相对码波形。 相干解调错一位，码变换错两位；相干解调错连续两位，码变换也错两位；相干解调错连续n位，码变换也错两位。
6实验总结
以上内容主要是实现：2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK四个通信调制解调系统的仿真：
2ASK调制模拟调制法用乘法器来实现，解调为非相干解调信号经过带通滤波器，相乘器，低通滤波器，抽样判决器，然后输出。
2FSK是使得载波频率在二进制基带信号f1和f2两个频率点间变化，可以看成是两个不同载波频率的2ASK信号的叠加。此处是通过键控法来实现的。解调是通过两个带通滤波器与相乘器相乘，在经过低通滤波器，然后抽样判决输出。
2PSK是利用载波相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变，用绝对相移方式即以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号，此处通过模拟调制的方法调制。解调则是让信号经过带通滤波器，然后相乘器与载波相乘，最后是带通滤波器和抽样判决输出。 2DPSK是避免0°和180°相位模糊性产生的调制系统。通过相对相移键控实现0干扰。相干解调器原理为信号相对变换，经过带通滤波器相乘器低通滤波器，抽样判决器，码反变换器。
对同一调制方式，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率。若采用相同的解调方式，在误码率相同的情况下，所需要的信噪比2ASK比2FSK高3DB，2FSK比2PSK高3DB,由此，在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。
对调制和调制方式的选择要作全面考虑，如果抗噪声性能是最主要的，则应考虑相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可取；如果要求较高的频带利用率，则应选择相干2PSK、2DPSK、2ASK，而2FSK最不可取；如果要求较高的功率利用率，则应选择相干2PSK、2DPSK、2ASK最不可取；若传输信道是随参信道，则2FSK具有更好的适应能力。目前用得最多的数字调制方式是相干2DPSK和非相干2FSK。相干2DPSK主要用于高速数据传输，而非相干2FSK
则用于中、低速数据传输中，特别是在衰落信道中传输数据时，它证明了自己的广泛的应用。
7 参考文献
[1] 樊昌信，曹丽娜编着，《通信原理》，国防工业出版社，2006。 [2]王新，陈学青，陈蕾，张轮，李颖洁编着《通信原理简明教程》 [3] 李东生.《SystemView系统设计及仿真入门与应用》 电子工业出版社 [4] 陈萍.《现代通信实验系统的计算机仿真》 国防工业出版社 [5]陈少平，朱翠涛，陈亚光.《通信系统的Systemview仿真》
