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1、电子科技大学通信学院电子科技大学通信学院电子科技大学通信学院电子科技大学通信学院 数字信号载波调制实验数字信号载波调制实验指导书指导书 数字信号载波调制实验数字信号载波调制实验 一、实验目的一、实验目的一、实验目的一、实验目的 1、运用 MATLAB 软件工具仿真数字信号的载波传输研究数字信号载波 调制 ASK、FSK、PSK 在不同调制参数下的信号变化及频谱。 2，研究频移键控的两种解调方式；相干解调与非相干解调。 3、了解高斯白噪声方差对系统的影响。 4、了解伪随机序列的产生，扰码及解扰工作原理。 二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、实验原理 数字信号载波调制有三种基本的调制方式：幅度
2、键控（ASK） ，频移键控 （FSK）和相移键控（PSK） 。它们分别是用数字基带信号控制高频载波的参数 如振幅、 频率和相位， 得到数字带通信号。 在接收端运用相干或非相干解调方式， 进行解调，还原为原数字基带信号。 在幅度键控中， 载波幅度是随着调制信号而变化的。最简单的形式是载波在 二进制调制信号 1 或 0 的控制下通或断， 这种二进制幅度键控方式称为通 断键控（00K） 。二进制幅度键控信号的频谱宽度是二进制基带信号的两倍。 在二进制频移键控中，载波频率随着调制信号 1 或 0 而变，1 对应于载波频 率f1，0 对应于载波频率f2，二进制频移键控己调信号可以看作是两个不同载频 的幅
3、度键控已调信号之和。它的频带宽度是两倍基带信号带宽（B）与 21 |ff之 和。 在二进制相移键控中，载波的相位随调制信号 1 或 0 而改变，通常用相位 0 和 180来分别表示 1 或 0，二进制相移键控的功率谱与通一断键控的相同， 只是少了一个离散的载频分量。 m 序列是最常用的一种伪随机序列， 是由带线性反馈的移位寄存器所产生的 序列。它具有最长周期。由 n 级移位寄存器产生的 m 序列，其周期为21, n m序 列有很强的规律性及其伪随机性。因此，在通信工程上得到广泛应用，在本实验 中用于扰码和解扰。 扰码原理是以线性反馈移位寄存器理论作为基础的。在数字基带信号传输 中，将二进制数字
4、信息先作“随机化”处理，变为伪随机序列，从而限制连“0” 或连“l”码的长度，以保证位定时信息恢复的质量，这种“随机化”处理称为 “扰码” 。在接收端解除这种“扰乱”的过程称为“解扰” 。当输入二进信息码为 全 0 码时，扰码器实际上就是一个 m 序列伪随机码发生器。 三、实验内容及步骤三、实验内容及步骤三、实验内容及步骤三、实验内容及步骤 1、开机进入 Windows 桌面。 2、双击桌面上的 MATLAB 快捷图标，进入命令窗。 3、键入：C102，进入仿真实验界面。 4、选择 Digital Signal System 实验类型，这时在具体实验项目栏中列出该实 验所包含的具体七项实验。
5、5、选择 2ASK 实验，再按下 RUN按钮，即进入该实验框图界面。选择 Simulation 菜单下的 Start 即可开始该实验的仿真运行。 a. 从 Scope1 观察调制信号与已调信号的对比波形。 b. 从 Scope2 和 Scope3 分别观察 2ASK 解词信号通过包络检波和低通滤波 器的波形。 c. 从 Scope4 观察 2ASK 调制信号与解调信号的对比波形。 d. 从 FFT Scope 观察 2ASK 频谱。 e. 改变载波频率参数，使其不为基带信号的整倍数，然后再进行仿真运行， 观察 Scope1，与未改变参数前有什么不同。 载波频率由载波频率由载波频率由载波频率由
6、8000Hz(8000Hz(8000Hz(8000Hz(上图上图上图上图) ) ) )变为变为变为变为 8100Hz8100Hz8100Hz8100Hz（下图下图下图下图） ，改变之后改变之后改变之后改变之后，每个每个每个每个“1 1 1 1”的波形频率相同的波形频率相同的波形频率相同的波形频率相同， ， ， ， 但相位不同。但相位不同。但相位不同。但相位不同。 操作：双击载波模块，获得载波参数对话框图，将频率参数进行更改后， 再 单击“Apply”按钮，确认后，再单击“Close”退出对话框，修改参数完毕。 *f. 双击低通滤波器模块， 获得参数对话框。 试改变晒滤波器的截止频率参 数，使截
7、止频率比原来的参数增大或减小，然后再进行仿真运行。看看解调波形 有什么变化? 500Hz 2000Hz 1000Hz 原截止频率为原截止频率为原截止频率为原截止频率为 1000Hz1000Hz1000Hz1000Hz，当截止频率比它大时当截止频率比它大时当截止频率比它大时当截止频率比它大时，解调出来的波形基本没有变化解调出来的波形基本没有变化解调出来的波形基本没有变化解调出来的波形基本没有变化，但和原但和原但和原但和原 调制信号相比调制信号相比调制信号相比调制信号相比，相位差更小相位差更小相位差更小相位差更小；当截止频率比它小时当截止频率比它小时当截止频率比它小时当截止频率比它小时，解调信号与
8、调制信号相比相位差很大解调信号与调制信号相比相位差很大解调信号与调制信号相比相位差很大解调信号与调制信号相比相位差很大， ， ， ， 当截止频率小到一定程度，解调出来的波形就会失真。当截止频率小到一定程度，解调出来的波形就会失真。当截止频率小到一定程度，解调出来的波形就会失真。当截止频率小到一定程度，解调出来的波形就会失真。 四、实验记录： 1，回答 ASK 实验系统由哪些模块所组成。采用哪种类型的解调器 答：组成答：组成答：组成答：组成 ASKASKASKASK 实验系统的模块：序列发生器、本地载波、包络检波器、低通滤波器、实验系统的模块：序列发生器、本地载波、包络检波器、低通滤波器、实验系
9、统的模块：序列发生器、本地载波、包络检波器、低通滤波器、实验系统的模块：序列发生器、本地载波、包络检波器、低通滤波器、 复用器、判决器、示波器、快速傅里叶变换器。采用包络检波方式解调。复用器、判决器、示波器、快速傅里叶变换器。采用包络检波方式解调。复用器、判决器、示波器、快速傅里叶变换器。采用包络检波方式解调。复用器、判决器、示波器、快速傅里叶变换器。采用包络检波方式解调。 记录 2ASK 已调信号的时域波形图 6、选择 2PSK 实验，再按下 RUN 2PSK按钮，进入该实验框图界面。 选择 Simulation 菜单下的 Start 即可开始该实验的仿真运行。 a. 从 Scopel 观察
10、调制信号与己调信号的对比波形。 b. 从 Scope2 观察调制信号与解调信号的对比波形。 c. 从 FFT Scopel、FFTScope2、FFTScope3 可分别观察调制信号、PSK 已调 信号、PSK 解调信号的频谱。 d. 将手动开关打向 m sequence,Bp 改变调制信号，再观察各 Scope 波形及 FFTScope 频谱与 10 序列作为调制号有什么不同。 操作：单击开关位置，出现四方黑点后，再单击菜单上的 Edit。选择 Look Under Mask。再双击开关所要打向的位置。 实验记录： 在时域上在时域上在时域上在时域上，各状态独立各状态独立各状态独立各状态独立，
11、即即即即“1 1 1 1”的波形固定的波形固定的波形固定的波形固定， “0 0 0 0”的波形固定的波形固定的波形固定的波形固定，不会因为序列的不同不会因为序列的不同不会因为序列的不同不会因为序列的不同 而不同。解调后波形和调制信号基本相同。而不同。解调后波形和调制信号基本相同。而不同。解调后波形和调制信号基本相同。而不同。解调后波形和调制信号基本相同。 在频域上，在频域上，在频域上，在频域上，m m m m 序列的频谱和序列的频谱和序列的频谱和序列的频谱和 1 1 1 1、0 0 0 0 序列的频率相比，杂乱无章，但都在序列的频率相比，杂乱无章，但都在序列的频率相比，杂乱无章，但都在序列的频
12、率相比，杂乱无章，但都在 0 0 0 0 频率处有最高频率处有最高频率处有最高频率处有最高 的频率。解调以后，的频率。解调以后，的频率。解调以后，的频率。解调以后，0 0 0 0 频率处的幅度都变得很低。频率处的幅度都变得很低。频率处的幅度都变得很低。频率处的幅度都变得很低。 1)回答 2PSK 实验系统由哪些模块所组成 答：组成答：组成答：组成答：组成 2PSK2PSK2PSK2PSK 实验系统的模块：序列发生器、本地载波、快速傅里叶变换器、复用器实验系统的模块：序列发生器、本地载波、快速傅里叶变换器、复用器实验系统的模块：序列发生器、本地载波、快速傅里叶变换器、复用器实验系统的模块：序列发
13、生器、本地载波、快速傅里叶变换器、复用器、滤滤滤滤 波器、示波器、波器、示波器、波器、示波器、波器、示波器、m m m m 序列发生器、分频器。序列发生器、分频器。序列发生器、分频器。序列发生器、分频器。 7、选择 2FSK 调制与相干解调实验，再按下 RUN 2FSK按钮，进入该实 验框图界面，并进行仿真运行。 a. 从 Scope1 观察调制信号与已调信号的对比波形。 调制信号看不清，但其实就是调制信号看不清，但其实就是调制信号看不清，但其实就是调制信号看不清，但其实就是 1 1 1 1、0 0 0 0 序列，线密的地方是序列，线密的地方是序列，线密的地方是序列，线密的地方是 1 1 1
14、1，稀疏的地方是，稀疏的地方是，稀疏的地方是，稀疏的地方是 0 0 0 0 b. 从 Scope2 观察调制信号与解调信号的对比波形。 c. 从 Scope3 观察载波波形。 d. 从 FFTScopel 观察已调信号的频谱图 e. 双击载波模块，获得参数设置对话框，了解f1和f2的频率参数后，试改 变f1和f2的频率参数值，再进行仿真运行。观察 FFTScopel 频谱，与原频谱进行 比较，有何不同? 这是设置这是设置这是设置这是设置f f f f1 1 1 1= = = = 2000Hz2000Hz2000Hz2000Hz , , , ,f f f f2 2 2 2=1000Hz=1000
15、Hz=1000Hz=1000Hz 后的频谱图，和之前的频谱图特征相似，都是有两后的频谱图，和之前的频谱图特征相似，都是有两后的频谱图，和之前的频谱图特征相似，都是有两后的频谱图，和之前的频谱图特征相似，都是有两 个峰值，只不过峰值对应的频率变为个峰值，只不过峰值对应的频率变为个峰值，只不过峰值对应的频率变为个峰值，只不过峰值对应的频率变为 1000Hz1000Hz1000Hz1000Hz 和和和和 2000Hz2000Hz2000Hz2000Hz。 *f. 将手动开关打向 m sequence，即改变调制信号，再观察各 Scope 波形及 FFTScope 频谱。 时域上时域上时域上时域上 m
16、 m m m 序列和序列和序列和序列和 1 1 1 1、0 0 0 0 基本是一样的，只不过基本是一样的，只不过基本是一样的，只不过基本是一样的，只不过 1 1 1 1 和和和和 0 0 0 0 的分布不同而已的分布不同而已的分布不同而已的分布不同而已 频域上频域上频域上频域上，基本特征和基本特征和基本特征和基本特征和 1 1 1 1、0 0 0 0 序列的的相同序列的的相同序列的的相同序列的的相同，都有两个峰值都有两个峰值都有两个峰值都有两个峰值，所对应的频率也相同所对应的频率也相同所对应的频率也相同所对应的频率也相同，但这但这但这但这 个频谱图更加规整或者光滑，可能是恰好产生了一个很有规律
17、的序列个频谱图更加规整或者光滑，可能是恰好产生了一个很有规律的序列个频谱图更加规整或者光滑，可能是恰好产生了一个很有规律的序列个频谱图更加规整或者光滑，可能是恰好产生了一个很有规律的序列 实验记录： 2）回答 FSK 实验系统由哪些模块所组成。 答答答答：组成组成组成组成 FSKFSKFSKFSK 实验系统的模块实验系统的模块实验系统的模块实验系统的模块：序列发生器序列发生器序列发生器序列发生器、m m m m 序列发生器序列发生器序列发生器序列发生器、本地载波本地载波本地载波本地载波 1 1 1 1 和和和和 2 2 2 2、乘法器乘法器乘法器乘法器、 、 、 、 加法器、快速傅里叶变换器、
18、反相器、滤波器、判决器、示波器。加法器、快速傅里叶变换器、反相器、滤波器、判决器、示波器。加法器、快速傅里叶变换器、反相器、滤波器、判决器、示波器。加法器、快速傅里叶变换器、反相器、滤波器、判决器、示波器。 8、选择 2FSK 调制与非相干解调实验，再按下 RUN 按钮，进入该实验框图 界面，并进行仿真运行。 a. 从 Scopel 观察调制信号与已调信号的对比波形。 b. 从 Scope2 观察调信号与解调信号的对比波形。 c. 从 FFTScope 观察已调波频谱。 d. 了解实验系统各主要模块的参数设置情况，试改变带通滤波器 BPF1 和 BPF2 的高低截止频率参数，再进行仿真运行，看
19、看解调情况有何不同。 BPF1(8000-45000)BPF2(31000-45000) 这样的参数设置，使得这样的参数设置，使得这样的参数设置，使得这样的参数设置，使得 BPF1BPF1BPF1BPF1 取出来的频率包括高频载波频率取出来的频率包括高频载波频率取出来的频率包括高频载波频率取出来的频率包括高频载波频率 3840384038403840，这样使得，这样使得，这样使得，这样使得“1 1 1 1”基基基基 本能正确解调，而本能正确解调，而本能正确解调，而本能正确解调，而“0 0 0 0”有很多抖动，失真严重。有很多抖动，失真严重。有很多抖动，失真严重。有很多抖动，失真严重。 BPF1
20、(8000-22000)BPF2(31000-45000) 这样的参数设置这样的参数设置这样的参数设置这样的参数设置，使得使得使得使得 BPF1BPF1BPF1BPF1 的通带减小的通带减小的通带减小的通带减小，滤出来的波丢失了很多有效成分滤出来的波丢失了很多有效成分滤出来的波丢失了很多有效成分滤出来的波丢失了很多有效成分，使得使得使得使得“0 0 0 0” ” ” ” 的解调失真严重。的解调失真严重。的解调失真严重。的解调失真严重。 BPF1(12000-26000)BPF2(6000-41000) 这样的参数设置这样的参数设置这样的参数设置这样的参数设置，使得使得使得使得 BPF2BPF2
21、BPF2BPF2 取出来的频率包括低频载波频率取出来的频率包括低频载波频率取出来的频率包括低频载波频率取出来的频率包括低频载波频率 1920192019201920，波形还行波形还行波形还行波形还行，不过仍不过仍不过仍不过仍 有很多抖动。有很多抖动。有很多抖动。有很多抖动。 实验记录： 注意该实验系统组成，及其特性参数的设置情况。 BPF1BPF1BPF1BPF1lower12000lower12000lower12000lower12000Upper26000Upper26000Upper26000Upper26000 BPF2BPF2BPF2BPF2lower31000lower31000
22、lower31000lower31000Upper45000Upper45000Upper45000Upper45000 9、选择 2FSK through channel 实验，再按下 RUN按钮，进入该实验界面， 并进行仿真运行。 a. 从 Scopel 观察调制信号与已调信号的对比波形。 b. 从 Scope2 观察已调信号与已调信号通过信道后的对比波形。 3. 从 Scope3 观察调制信号与相干解调波。 d. 从 Scope4 观察调制信号与非相干解调波。 e. 双击高斯信道模块，获得参数设置对话框，试改变信道方差，由来的 0.1 改变为 l 或 0.01 再进行仿真运行，观察各 S
23、cope 波形情况。 高斯信道模块信道方差 1 放大后 高斯信道模块信道方差 0.01 当方差改变为当方差改变为当方差改变为当方差改变为 0.010.010.010.01 后，从后，从后，从后，从 scope2scope2scope2scope2 可以看出已调信号通过信道后波形相对干净清晰，可以看出已调信号通过信道后波形相对干净清晰，可以看出已调信号通过信道后波形相对干净清晰，可以看出已调信号通过信道后波形相对干净清晰， 也能正确解调。也能正确解调。也能正确解调。也能正确解调。 当方差改变为当方差改变为当方差改变为当方差改变为 0.010.010.010.01 后，从后，从后，从后，从 sco
24、pe2scope2scope2scope2 可以看出已调信号通过信道后波形很杂乱。可以看出已调信号通过信道后波形很杂乱。可以看出已调信号通过信道后波形很杂乱。可以看出已调信号通过信道后波形很杂乱。 左图是相干解调后的波形，解调正确，而右图是非相干解调后的波形，解调失真。左图是相干解调后的波形，解调正确，而右图是非相干解调后的波形，解调失真。左图是相干解调后的波形，解调正确，而右图是非相干解调后的波形，解调失真。左图是相干解调后的波形，解调正确，而右图是非相干解调后的波形，解调失真。 六、思考题六、思考题六、思考题六、思考题 1、从你所观察到的以 10 序列作为调制信号的 ASK、PSK、FSK
25、 频谱图，在理论上你 能得到什么结论? ASKASKASKASK 调制是将频谱做一个搬移，解调时做相同的搬移，并滤波调制是将频谱做一个搬移，解调时做相同的搬移，并滤波调制是将频谱做一个搬移，解调时做相同的搬移，并滤波调制是将频谱做一个搬移，解调时做相同的搬移，并滤波 PSKPSKPSKPSK 和和和和 ASKASKASKASK 很相似，不同点在于，很相似，不同点在于，很相似，不同点在于，很相似，不同点在于，PSKPSKPSKPSK 需要将调制信号变为双极性需要将调制信号变为双极性需要将调制信号变为双极性需要将调制信号变为双极性 NRZNRZNRZNRZ 信号。信号。信号。信号。 FSKFSKF
26、SKFSK 调制是将频谱做两次搬移，搬移到不同的频带上，解调时分别截取两个频率成分调制是将频谱做两次搬移，搬移到不同的频带上，解调时分别截取两个频率成分调制是将频谱做两次搬移，搬移到不同的频带上，解调时分别截取两个频率成分调制是将频谱做两次搬移，搬移到不同的频带上，解调时分别截取两个频率成分， ， ， ， 再做搬移和判决再做搬移和判决再做搬移和判决再做搬移和判决 2、试回答在 FSK 调制解调实验中，改变信道高斯噪声方差对调制解调的影响。 当噪声的方差为当噪声的方差为当噪声的方差为当噪声的方差为 0.10.10.10.1 和和和和 0.010.010.010.01 时时时时，相干解调和非相干解
27、调都能正确解调相干解调和非相干解调都能正确解调相干解调和非相干解调都能正确解调相干解调和非相干解调都能正确解调。而当噪声的方而当噪声的方而当噪声的方而当噪声的方 差为差为差为差为 1 1 1 1 时，相干解调正确，而非相干解调出现失真。时，相干解调正确，而非相干解调出现失真。时，相干解调正确，而非相干解调出现失真。时，相干解调正确，而非相干解调出现失真。 这说明这说明这说明这说明：1 1 1 1、当高斯噪声的方差越小时当高斯噪声的方差越小时当高斯噪声的方差越小时当高斯噪声的方差越小时，信号越容易被解调正确信号越容易被解调正确信号越容易被解调正确信号越容易被解调正确；当方差越大时当方差越大时当方
28、差越大时当方差越大时，越可越可越可越可 能出现失真能出现失真能出现失真能出现失真。2 2 2 2、相干解调性能好于非相干解调相干解调性能好于非相干解调相干解调性能好于非相干解调相干解调性能好于非相干解调，它能在噪声相对严重时仍能正确地解它能在噪声相对严重时仍能正确地解它能在噪声相对严重时仍能正确地解它能在噪声相对严重时仍能正确地解 调。调。调。调。 3、在 PSK 调制解调实验中。是否观察到用 10 序列作为调制信号时，调制信号频谱与 解调信号频谱有何不同?为什么? 最大的不同在于最大的不同在于最大的不同在于最大的不同在于，0 0 0 0 频率频率频率频率（即直流分量即直流分量即直流分量即直流
29、分量）处处处处，调制信号的频谱有很高的幅值调制信号的频谱有很高的幅值调制信号的频谱有很高的幅值调制信号的频谱有很高的幅值，而解调信而解调信而解调信而解调信 号没有。这是因为这个实验中的号没有。这是因为这个实验中的号没有。这是因为这个实验中的号没有。这是因为这个实验中的 PSKPSKPSKPSK 调制相位差为调制相位差为调制相位差为调制相位差为 pipipipi，在做，在做，在做，在做 PSKPSKPSKPSK 调制的时候，过程可简化调制的时候，过程可简化调制的时候，过程可简化调制的时候，过程可简化 为将解调信号下调为将解调信号下调为将解调信号下调为将解调信号下调 0.50.50.50.5，再乘以载波，就是说在调制前，再乘以载波，就是说在调制前，再乘以载波，就是说在调制前，再乘以载波，就是说在调制前，0 0 0 0 频率处幅度几乎为频率处幅度几乎为频率处幅度几乎为频率处幅度几乎为 0 0 0 0，解调只能，解调只能，解调只能，解调只能 算做个逆过程，所以解调出来的信号的频谱图上，不会看到算做个逆过程，所以解调出来的信号的频谱图上，不会看到算做个逆过程，所以解调出来的信号的频谱图上，不会看到算做个逆过程，所以解调出来的信号的频谱图上，不会看到 0 0 0 0 频率处有峰。频率处有峰。频率处有峰。频率处有峰。