【数字信号调制】基于matlab GUI数字频带(ASK+PSK+QAM)调制仿真【含Matlab源码 483期】

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二、数字频带调制简介

1 绪论
调制：把消息信号寄托到载波的某个参数上，形成已调信号。
解调：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。

2 调制的目的
无线通信中，匹配信道特性，提高发射信号的频率，减小天线尺寸；频谱搬移，一条信道中同时传输多路信号，多路复用，提高信道利用率；扩展信号带宽，提高系统抗干扰能力；实现带宽与信噪比的互换（有效性和可靠性）；利用电话线将PC机接入Internet，需要翻译模/数信号。

3 调制的分类
3.1 涉及的信号
消息信号，又称调制信号、基带信号；
载波：运载工具，常用的是正弦波、脉冲序列；
已调信号：受调载波，载有消息信号的信息，具有多种形式。
3.2 可以从不同角度分类
按调制信号的类型：模拟调制/数字调制
按已调信号的频谱结构：线性调制/非线性调制
按正弦载波的受调参量：幅度调制/频率调制/相位调制
按载波信号的类型：连续波调制/脉冲调制

4 幅度调制
4.1 一般模型
（1）理论基础：傅里叶变换
（2）一般模型
幅度调制：消息信号控制正弦载波的幅度。
方法：用消息信号通过相乘器乘上载波信号，再通过带通滤波器（时域卷积滤波器特性）。
举例：AM、DSB、SSB、VSB。

4.2 常规双边带调幅AM
t 域：已调信号的波形，调制/解调方法
f 域：已调信号的频谱，带宽B
AM信号的包络正比于消息信号的规律，因此可以采用简单的**包络检波方法（非相干解调）**解调；
频谱由载波、上边带USB、下边带LSB组成。带宽BAM=2fH；
幅度调制又称为线性调制；
应用：中短波调幅广播。
缺点：功率利用率低，最多达到50%

4.3 抑制载波双边带DSB
频谱由上边带USB、下边带LSB组成，没有了载波分量。带宽BDSB=BAM=2fH；
调制效率可达100%。
采用相干解调：
方法：用消息信号通过想乘器乘上相干载波信号，再通过低通滤波器（时域卷积滤波器特性）。
要求：载波同步（相干载波和载波信号同频同相）

4.4 单边带调制SSB
只传输一个边带，频带利用率高。带宽BSSB=BAM/2=fH；在频谱拥挤的通信场合，如短波通信、多路载波电话系统。低功耗特性。使用于移动通信系统。
缺点：设备复杂，存在技术难点，需要相干解调。

4.5 残留边带调制VSB
残留边带滤波器特性：在载频处具有互补对称特性；介于单边带与双边带之间的方案。

5 角度调制
正弦载波有三个参量：幅度、频率、相位。都可以携带消息信号。
其中，频率（FM）和相位（PM）都称为角度调制。
频率调制（FM）
幅度恒定，对瞬时相位对t求微分，得到瞬时角频率。
调频的频谱由载频分量wc两侧的无数多对边频wc±nwm组成，其幅度取决于mf；
理论上，调频的带宽无穷大；
实际中，用卡森公式计算FM带宽：BFM=2(mf+1)fm。fm为调制信号的最高频率
FM调制为非线性调制。FM解调也称鉴频，采用微分电路+包络检波实现。
FM的特点和应用
特点：幅度不变，包络恒定。
优势：抗噪能力强；
代价：占用较大信道带宽，频谱利用率低；
应用：高质量或信道噪声大的场合。如卫星通信、移动通信、微波通信等。

6 抗噪声性能
性能指标：输出信噪比、制度增益
输入信噪比：Ni=n0B。n0是噪声的单边功率谱密度，B=2fH是带宽，是基带带宽的2倍。

AM DSB SSB VSB（幅度调制）
相干解调器：线性解调，信号和噪声可以分开处理。
双边带和单边带调制的抗噪声性能相同。
小信噪比时，信号被干扰为噪声，产生门限效应。原因是包络检波的非线性解调作用。
信噪比固定。
FM（角度调制）
FM系统可以通过增加传输带宽来改善抗噪声性能（信噪比）。

总结
频谱利用率 SSB>VSB>DSB/AM>FM
抗噪声性能：FM>DSB/SSB>VSB>AM
设备复杂度：AM最简，DSB/FM次之，SSB最复杂

三、部分源代码

function varargout = digital_modulation(varargin)
%DIGITAL_MODULATION
%Author: leslieyao
%leslieyao2000@yahoo.com.cn
%Loja (Ecuador)
%For more information, visit: www.miniyao.cn
%Last Modified by GUIDE v2.5 25-Jan-2019 22:07:45% Begin initialization code - DO NOT EDIT
gui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name',       mfilename, ...'gui_Singleton',  gui_Singleton, ...'gui_OpeningFcn', @digital_modulation_OpeningFcn, ...'gui_OutputFcn',  @digital_modulation_OutputFcn, ...'gui_LayoutFcn',  [] , ...'gui_Callback',   []);
if nargin && ischar(varargin{1})gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});
endif nargout[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
elsegui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
end
% End initialization code - DO NOT EDIT% --- Executes just before digital_modulation is made visible.
function digital_modulation_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)
% This function has no output args, see OutputFcn.
% hObject    handle to figure
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
% varargin   command line arguments to digital_modulation (see VARARGIN)hold off;axes(handles.axes1);h=[1 1 0 1 0 0 1 1 1 0];hold off;bit=[];for n=1:2:length(h)-1;if h(n)==0 & h(n+1)==1se=[zeros(1,50) ones(1,50)];elseif h(n)==0 & h(n+1)==0se=[zeros(1,50) zeros(1,50)];elseif h(n)==1 & h(n+1)==0se=[ones(1,50) zeros(1,50)];elseif h(n)==1 & h(n+1)==1se=[ones(1,50) ones(1,50)];endbit=[bit se];endplot(bit,'LineWidth',1.5);grid on;axis([0 500 -1.5 1.5]);
%*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-axes(handles.axes3)hold off;fc=30;g=[1 1 0 1 0 0 1 1 1 0]; %modulanten=1;while n<=length(g)if g(n)==0tx=(n-1)*0.1:0.1/100:n*0.1;p=(1)*sin(2*pi*fc*tx);plot(tx,p,'LineWidth',1.5);grid on;hold on;else tx=(n-1)*0.1:0.1/100:n*0.1;p=(2)*sin(2*pi*fc*tx);plot(tx,p,'LineWidth',1.5);grid on;hold on;endn=n+1;end% Choose default command line output for digital_modulation
handles.output = hObject;% Update handles structure
guidata(hObject, handles);% UIWAIT makes digital_modulation wait for user response (see UIRESUME)
% uiwait(handles.figure1);% --- Outputs from this function are returned to the command line.
function varargout = digital_modulation_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)
% varargout  cell array for returning output args (see VARARGOUT);
% hObject    handle to figure
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)% Get default command line output from handles structure
varargout{1} = handles.output;% --- Executes on button press in random.
function random_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to random (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
a=round(rand(1,10)); %genarar bits aleatorios
ran=[a(1),a(2),a(3),a(4),a(5),a(6),a(7),a(8),a(9),a(10)];
set(handles.bit1,'String',ran(1));
set(handles.bit2,'String',ran(2));
set(handles.bit3,'String',ran(3));
set(handles.bit4,'String',ran(4));
set(handles.bit5,'String',ran(5));
set(handles.bit6,'String',ran(6));
set(handles.bit7,'String',ran(7));
set(handles.bit8,'String',ran(8));
set(handles.bit9,'String',ran(9));
set(handles.bit10,'String',ran(10));%*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*
handles.bits=ran;h=handles.bits;
axes(handles.axes1)
hold off;
bit=[];
for n=1:2:length(h)-1;if h(n)==0 & h(n+1)==1se=[zeros(1,50) ones(1,50)];elseif h(n)==0 & h(n+1)==0se=[zeros(1,50) zeros(1,50)];elseif h(n)==1 & h(n+1)==0se=[ones(1,50) zeros(1,50)];elseif h(n)==1 & h(n+1)==1se=[ones(1,50) ones(1,50)];endbit=[bit se];
end
plot(bit,'LineWidth',1.5);grid on;
axis([0 500 -1.5 1.5]);%*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-
hold off;
axes(handles.axes3);
cod=get(handles.select_mod,'Value');
switch cod
%*-*-*-*Modulation ASK*-*-*-*-*-*-*-*-*case 1hold off;axes(handles.axes3)fc=30;g=handles.bits; %modulanten=1;while n<=length(g)if g(n)==0tx=(n-1)*0.1:0.1/100:n*0.1;p=(1)*sin(2*pi*fc*tx);plot(tx,p,'LineWidth',1.5);grid on;hold on;
%    axis([0 n*2/fc -3 3]);else tx=(n-1)*0.1:0.1/100:n*0.1;p=(2)*sin(2*pi*fc*tx);plot(tx,p,'LineWidth',1.5);grid on;hold on;endn=n+1;end%*-*-*-*-*-*-*-Modulation OOK*-*-*-*-*-*-*-*-*-case 2hold off;axes(handles.axes3);t=0:0.001:1;m=1;fc=30;g=handles.bits; %modulanten=1;while n<=length(g)tx=(n-1)*1/length(g):0.001:n*1/length(g);p=(g(n))*sin(2*pi*fc*tx);plot(tx,p,'LineWidth',1.5);hold on;axis([0 (n)*1/length(g) -1.5 1.5]);grid on;n=n+1;end
%*-*-*-*-*-*-*-Modulation BPSK*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-case 3axes(handles.axes3)hold off;g=handles.bits;fc=10;n=1;while n<=length(g)if g(n)==0 %0 is -1tx=(n-1)*0.1:0.1/100:n*0.1;p=(-1)*sin(2*pi*fc*tx);plot(tx,p,'LineWidth',1.5);grid on;hold on;elsetx=(n-1)*0.1:0.1/100:n*0.1;p=(1)*sin(2*pi*fc*tx);plot(tx,p,'LineWidth',1.5);grid on;hold on;endn=n+1;end%*-*-*-*-*-Modulation QPSK-*-*-*-*-*case 4axes(handles.axes3)hold off;g=handles.bits;t=0:2*pi/99:2*pi;cp=[];sp=[];mod=[];mod1=[];for n=1:2:9;if g(n)==0 & g(n+1)==1;die=sqrt(2)/2*ones(1,100);die1=-sqrt(2)/2*ones(1,100);elseif g(n)==0 & g(n+1)==0;die=-sqrt(2)/2*ones(1,100);die1=-sqrt(2)/2*ones(1,100);elseif g(n)==1 & g(n+1)==0;die=-sqrt(2)/2*ones(1,100);die1=sqrt(2)/2*ones(1,100);elseif g(n)==1 & g(n+1)==1;die=sqrt(2)/2*ones(1,100);die1=sqrt(2)/2*ones(1,100);endc=cos(t);s=sin(t);cp=[cp die];    %Amplitude cosinosp=[sp die1];   %Amplitude sinomod=[mod c];    %cosino carrier (Q)mod1=[mod1 s];  %sino carrier   (I)endbpsk=cp.*mod+sp.*mod1;plot(bpsk,'LineWidth',1.5);grid on;title('QPSK modulation')axis([0 500 -1.5 1.5]); %-*-*-*-*Modulation 8PSK*-*-*-*-*-*-*-case    5axes(handles.axes3)hold off;g=[handles.bits 0 0];t=0:2*pi/149:2*pi;cp=[];sp=[];mod=[];mod1=[];bit=[];
for n=1:3:length(g);if g(n)==0 & g(n+1)==1 & g(n+2)==1die=cos(pi/8)*ones(1,150);die1=sin(pi/8)*ones(1,150);se=[zeros(1,50) ones(1,50) ones(1,50)];elseif g(n)==0 & g(n+1)==1 & g(n+2)==0die=cos(3*pi/8)*ones(1,150);die1=sin(3*pi/8)*ones(1,150);se=[zeros(1,50) ones(1,50) zeros(1,50)];elseif g(n)==0 & g(n+1)==0  & g(n+2)==0die=cos(5*pi/8)*ones(1,150);die1=sin(5*pi/8)*ones(1,150);se=[zeros(1,50) zeros(1,50) zeros(1,50)];elseif g(n)==0 & g(n+1)==0  & g(n+2)==1die=cos(7*pi/8)*ones(1,150);die1=sin(7*pi/8)*ones(1,150);se=[zeros(1,50) zeros(1,50) ones(1,50)];elseif g(n)==1 & g(n+1)==0  & g(n+2)==1die=cos(-7*pi/8)*ones(1,150);die1=sin(-7*pi/8)*ones(1,150);se=[ones(1,50) zeros(1,50) ones(1,50)];elseif g(n)==1 & g(n+1)==0  & g(n+2)==0die=cos(-5*pi/8)*ones(1,150);die1=sin(-5*pi/8)*ones(1,150);se=[ones(1,50) zeros(1,50) zeros(1,50)];elseif g(n)==1 & g(n+1)==1  & g(n+2)==0die=cos(-3*pi/8)*ones(1,150);die1=sin(-3*pi/8)*ones(1,150);se=[ones(1,50) ones(1,50) zeros(1,50)];elseif g(n)==1 & g(n+1)==1  & g(n+2)==1die=cos(-pi/8)*ones(1,150);die1=sin(-pi/8)*ones(1,150);se=[ones(1,50) ones(1,50) ones(1,50)];endc=cos(t);s=sin(t);cp=[cp die];    %Amplitude cosinosp=[sp -die1];   %Amplitude sinomod=[mod c];    %cosino carrier (Q)mod1=[mod1 s];  %sino carrier   (I)
end

四、运行结果

五、matlab版本及参考文献

1 matlab版本
2014a

2 参考文献
[1] 沈再阳.精通MATLAB信号处理[M].清华大学出版社，2015.
[2]高宝建,彭进业,王琳,潘建寿.信号与系统——使用MATLAB分析与实现[M].清华大学出版社，2020.
[3]王文光,魏少明,任欣.信号处理与系统分析的MATLAB实现[M].电子工业出版社，2018.