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、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)在一個碼元寬度內(nèi)有多個可能的取值,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,它可以看成是時間上互不相容的多個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,每個多進(jìn)制碼元含有2 b的信息,用雙比特元(ab)代表這兩個比特。發(fā)送碼元序列編碼時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),再將這個范圍分成4個相等的區(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],第二個波形為載波波形,第三個波形為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,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。第一個波形為數(shù)字基帶信號的波形,第二個波形為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,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,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。第一個波形為數(shù)字基帶信號的波形,第二個波形為載波波形,第三個波形為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,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)

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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)橛嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)。