基于matlab的数字信号调制仿真

基于matlab的数字信号调制仿真内容摘要：

 c o s( ) sin ( )ccS n I n n Q n n （ 34） 上式中，      c osI n a n n    si nQ a n n （ 35） 分别称为信号的同相分量和正 交分量。 由于载频 c 不含信息，所以用同相、正交分量即可完全描述给定信号的特性，而对信号进行接收解调的目的实际上就是提取这两个正交分量。 图 数字正交解调通用模型 已调信号 Sn经过正交混频和抽取滤波后得到正交基带信号 In和 Qn，再经过卡尔迪变换求出信 号的瞬时包络 an、瞬时相位 n 和瞬时频率 fn等特征参数，连同正交基带分量 In和 Qn一起送到后续的解调分析模块完成信号的识别、解调等处理。 卡尔迪变换如下列式所示： I(n) NCO LPF LPF 解 调 算 法 Q(n) S(n)  cos   sin  解调输出 10      22a n I n Q n （ 36）     Qnn arctg In  （ 37）          111f n n nQ n Q na rc tg a rc tgI n I n   （ 38） 在利用相位差分计算瞬时频率，即      1f n n n  时，由于计算 n 要进行除法和反正切运算，这对于非专用数字处理器来说比较复杂，在用软件实现时也可以用下面的方法来计算瞬时频率 fn：             39。 39。 22I n Q n I n Q nfn I n Q n  （ 39）               2211I n Q n Q n I n I n Q nI n Q n            （ 310）           2211I n Q n I n Q nI n Q n    （ 311） 软件无线电接收机的数学模型，主要完成了一般调制样式识别过程中的信号预处理（主要是数字下变频）和瞬时特征提取。 软件无线电中的载波同步 在电台相互通信时，要正确地接收对方的信息，接收方必须从接收信号中恢复出载波信号，使双方载波频率、相位一致，这就是载波同 步。 载波同步的方法分为两类，一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率上发送导频信号，导频信号的功率较小，这种方法很少采用。 另一类方法是从接收到的信号中直接提取，这种载波同步可以用平方 变换法、同相正交锁相环法或用 DSP 通过软件方法来实现。 平方变换法就是对输入信号进行平方后，获取所需的载波，原理框图如图 所示。 图 平方法载波同步 平方率部件 2 cf 窄 带 滤 波 器 二分频器 输出 输入 第三章 自动调制 识别基础 11 以 2PSK 信号为例，来讨论用正交锁相环获取载波频率，这个锁相环又叫科斯塔斯锁相环（ Costas），其原理如图 所示。 环路中的压控震荡器分别和两个互相正交的环路构成锁相环。 压控震荡器分别向两个环路提供互相正交的载波，这两个载波与输入信 号在各自的环路中进行鉴相，经过低通滤波后，两个基带信号相乘，相乘后就消除了误差信号中的数字信息，误差信号控制 VCO 稳定在输入载波频率上。 2PSK 信号的表达式为：      c os cS t m t t （ 312） 式中， 0 或。 这样，输入 VCO 的两路正交信号分别为     c o sIcS t m t t （ 313）     s inQcS t m t t （ 314） 经过鉴相器、低通滤波器后，同相、正交两个环路的误差信号分别为：     c o s2IdI Ke t m t  （ 315）     s i n2QdQ Ke t m t  （ 316） 式中 IdK 为鉴相因子。 两个误差信号相乘后，输出为 ：        2 s in 28I d Q dd I Q KKU t e t e t m t     （ 317） 压控震荡器将受误差信号的控制，锁定在误差电压最小处，即0或  处。 因此科斯塔斯环的输出为相干载波，但是存在相位模糊问题，相差可能为 0，也可能为 。 对于 QPSK 信号仍然可以采用科斯塔斯环，只是 VCO 的输出有四个，一个是同相分量， 另外几个分量分别移相 4 ， 2 ， 34 ，然后把四个鉴相器的输出相乘，消除误差信号中的数字信息。 12 图 科斯塔斯环原理框图 决策树 决策树，或称多级分类器，是模式识别中进行分类的一种有效方法，对于多类或多峰分布问题，这种方法尤为方便。 利用树分类器可以把一个复杂的多类别分类问题转化为若干个简单的分类问题来解决。 它不是企图用一种算法、一个决策规则去把 多个类别 一次分开，而是采用分级的形式，使分类问题逐步得到解决。 图 所示的就是一个决策树的例子。 一般讲，一个决策树由一个根节点 1n 、一组非终止节点 in 和一些终止节点 jt 组成，可对 jt 标以各种类别标签，有时不同的终止节点上可以出现相同的类别标签。 如果用 T 表 示决策树，那么，一个决策树 T 对应于特征空间的一种划分，它把特征空间分成若干个区域，在每个区域中，某个类别的样本占优势，因此可标以该类样本的类别标签。 VCO 2 环路滤波 LPF LPF 信号 输入 Q 支路 I 支路 第三章 自动调制 识别基础 13 图 决策树示意图 决策树的一种简单形式是二叉树。 所谓二叉树，是指除叶节点外，树的每个节点仅分为两个分支，也就是说，每个节点 in 都有且只有两个子节点 iln 和 irn。 二叉树结构分类器可以把一个复杂的多类别分类问题化为多级多个两类问题来解决，在每个节点 in ， 都把样本集分为左右两个子集。 分成的每一部分可能仍然包含多个类别的样本，可以把每一部分再分成两个子集„„直至分成的每一部分只包含同一类别的样本，或某一类样本占优势为止。 在设计一个决策树时，主要应解决下面几个问题： (1) 选择一个合适的树结构，即合理安排树的节点和分支； (2) 确定在每个非终止节点上要使用的特征； (3) 在每个非终止节点上选择合适的决策规则。 这三个问题解决了，就完成了决策树的设计。 二叉树的设计也不例外。 把一个多类别分类问题转化为两类问题的形式是多种多样的，因此，对应的二叉树的结构也将各不相同。 目的是要找一个最优的决策树。 显然，一个性能良好的决策树结构应该有小的错误率和低的决策代价。 但是由于很难把错误率的解析表达式和树的结构联系起来，在每个节点上所采用的决策规则也仅仅是在该节点上所采用的特征观察值的函数，因此，即使每个节点上的性能都达到最优，也不能说整个决策树的性能达到最优。 所以在实际问题中，人们往往提出其它一些 14 优化准则，例如极小化整个树 的节点数目，或极小化从根节点到叶节点的最大路程长度，或极小化从根节点到叶节点的平均路程长度等等，然后采用动态规划方法，力争设计出能 最好地满足某种准则的“最优”决策树。 第四章 基于决策理论的调制样式识别 15 第四章 基于决策理论的调制样式识别 数字调制信号的模型 如第三章所述，在现代通信中，通信信号的种类很多，但从理论上来说，各种通信信号都可以用正交调制的方法来实现。 实现方式如下： 幅度键控调制 (ASK) 用数字基带信号控制正弦波的幅度。 (1) 2ASK 信号 在这类调制中，载波的幅 度随二进制被调制信号序列而变，化状态。 具体可以表示为 : 2 ( ) ( ) c o sA S K n s e t a g t n T t (41) 可以令 ( ) ( )nsnm t a g t n T那么 2ASK 信号可表示为 2 ( ) cosASK ce m t t (42) 其中， ()gt为基带码元波形， na 为信源给出的二进制符号 0 或 1, c为载波角频率，且有 2ccf ， T 为码元周期。 因此，要实现正交调制，只要令     0ItQ t m t (43) 就可以实现 2ASK 调制。 2ASK 信号由于一个信号状态始终为 0，此时相当于处于断开状态，所以也称为通断键控信号 ( OOK 信号 )。 若二进制序列  ()mt 的功率谱密度为 ()mPf，则 2ASK 的功率谱密度表达式可以写为 :    1() 4 m c m cP f P f f P f f    (44) 可知，信号的带宽是基带脉冲波形带宽的 2 倍。 (2) MASK 信号 16 M 进制幅度键控使用 M 种可能的取值对载波幅度进行键控，在每个码元间隔 T 内发送一种幅度的载波信号。 M 进制数字幅度调制信号比 OOK 信号传输效率更高。 在相同的码元传输速率下， MASK 信号和OOK 的带宽相同， OOK 的信道利用率最高为  2/bit s Hz , MASK 的信道利用率可超  2/bit s Hz。 M 进制幅度调制信号可表示为：     c o snS t a g t n T t (45) 式中： g(t)式持续时间为 T 的矩形脉冲， na 为幅度值，有 M 种可能的 取值 ，  1,nma A A … ， 与 2ASK 信号 类 似， 由式 (43)就可 以实 现MASK 调制。 相移键控调制 (PSK) 用数字基带信号控制正弦波的相位。 (1) 2PSK 信号 2PSK 方式是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式，信号形式一般表示为：    2 c o s( )P S K n s e t a g t n T t (46) 式中： gt为基带码元波形， na 为信源取值 1 或 +1,即发送二进制符号 0 时 na 取 1，发送二进制符号 1 时 na 取 1， c 是载波角频率。 这种调制方式的正交实现与 2ASK 信号十分相似。 具体的实现见式 (43)。 (2) M 进制数字相位调制信号 在多进制相位调制中， MPSK 信号的表示式：      c o sM P S K n s c nne t a g t n T t   (47) 式中： n 为受信息控制的相位参数，   2 1 / | 1 , 2 , , 1n m M m M     频移键控调制 (FSK) 2FSK 信号是符号 0 对应载波角频率 1 ，符号 1 对应载波角频率为2 的已调波形。 它可以用一个矩形脉冲对一个载波进行调频实现，其表达式为：      12c o s ( ) c o s ( )nnnnf t a g t n T t a g t n T t    (48) 第四章 基于决策理论的调制样式识别 17 式中 na 的取值为 0， 1， g(t)为矩形脉冲， na 为 na 的反码， T 为码元周期。 因此，只要把调制数据序列形成矩形脉冲，并把 2FSK 看成两个 ASK 信号相加就可以了，并令 1122cc       (49) 利用式 (42)、式 (43)就可以实现正交调制。 正交振幅调制信号 (QAM) 正交振幅调制是一种多进制混合调幅调相的调制方式， 4QAM 就是 QPSK , 8QAM 和 16QAM 的信号分布如图 所示，这种分布图称为星座图。 图 QAM 信号的星座图 从图 可以看出， 8QAM 用 8 个点的星座的位置来代表八进制的 8 种数据信号， 这 8 个点的相位各不相同，而振幅只有两种。 16QAM 用 16个点的星座的位置来代。