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1、摘要摘要在这次综合训练中，主要运用 MATLAB 集成环境下的 SIMULINK 仿真平台进行 ASK 频带传输系统仿真，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示器结果分析设计的系统性能。在设计中，目的主要是仿真通信系统中频带传输技术中的 ASK 调制。产生一段随机的二进制非归零码的频带信号，对其进行 ASK 调制后再加入加性高斯白噪声传输，在接收端对其进行ASK 解调以恢复原信号，观察复原是否成功。通过 Simulink 的仿真功能摸拟到了实际中的2ASK 调制与解调情况。关键词关键词：Simulink；高斯白噪声；调制与解调0前言前言数字信号的传输方式按其在传输中对应的信号的不同可分为数字基
2、带传输系统和数字频带传输系统。不使用调制和解调而直接传输数字基带信号的系统称为数字基带传输系统。而数字频带传输系统或带通信号传输是现代通信系统的非常重要部分，通过调制来使信号与信道特性相匹配从而到达有效的、可靠的传输为目标。数字频带传输系统既可以用于低速数据传输,而且还可用于中、高速数据传输，其应用很广泛，因此研究数字频带传输系统具有非常重要的意义。1目目录录第一章数字频带传输系统的基本原理.01.1 数字调制概述.01.2 二进制振幅键控2ASK的基本原理.0第二章 基于 SIMULINK 的 2ASK 的系统仿真实现.22.1 ASK 调制与解调.22.2 加入高斯白噪声后的 ASK 调制
3、与解调.62.3 误码率的计算.10总结.12参考文献.12致 谢.14附录.152第一章第一章数字频带传输系统的基本原理数字频带传输系统的基本原理数字调制就是将数字符号变成适合于信道传输的波形。所用载波一般是余弦信号，调制信号为数字基带信号。利用基带信号去控制载波的某个参数，就完成了调制。调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数中的一个上，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制或相位调制。数字信号只有几个离散值，因此调制后的载波参数也只有有限个值，类似于用数字信息控制开关，从几个具有不同参量的独立振荡源中选择参量，为此把数字信号
4、的调制方式称为“键控”。数字调制分为调幅、调相和调频三类，分别对应“移幅键控”ASK、“移相键控”PSK和“移频键控”FSK三种数字调制方式。“移幅键控”又称为“振幅键控”Amplitude Shift Keying，记为 ASK，是调制技术的一种常用方式。如果数字调制信号的可能状态与二进制信息符号或它的相应基带信号状态一一对应，则称其已调信号为二进制数字调制信号。用二进制信息符号进行键控，称为二进制振幅键控，用 2ASK 表示。11.2 二进制振幅键控2ASK的基本原理在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。将原始的数字基带信号，经过频谱搬移，变换为适合在频带上传输的频带信号，传输
5、这个信号的系统就称为频带传输系统。在频带传输系统中，根据数字信号对载波不同参数的控制，形成不同的频带调制方法。幅移键控法(ASK)的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波数字形式的调制信号在控制下通断，此时又可称作开关键控法(OOK)。本设计中选择正弦波作为载波，用一个二进制基带信号对载波信号的振幅进行调制，载波在数字信号 1 或 0 的控制下通或断，在信号为 l 的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为 0 的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送，调制后的信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍，此调制称为二进制振幅键控信号(2ASK，Binary Ampl
6、itude Shift Keying)。数字幅度调制又称幅度键控ASK，二进制幅度键控记作 2ASK。2ASK 是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。2ASK 信号可用表达式1-1表示如下：e0(t)s(t)coswct1-10式中，wc为载波角频率，s(t)为单极性 NRZ 矩形脉冲序列如式(1-2)如下：s(t)ang(t nTb)1-2nTa其中，g(t)是持续时间b、高度为 1 的矩形脉冲，常称为门函数；n为二进制数字，则an如下式(1-3)所示：0,概率为，为空号Pna1，概率
7、为1-P,为传号1-32ASK/OOK 信号的产生方法通常有两种：1模拟相乘法：通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号，这种直接利用二进制数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟相乘法。2数字键控法：用开关电路控制输出调制信号，当开关接载波就有信号输出，当开关接地就没信号输出。AM 信号的解调一样，2ASK/OOK 信号也有两种基本的解调方法非相干解调 包络检波波法和相干解调同步检测法，本次通信训练采用的是相干解调。1第二章第二章 基于基于 SIMULINKSIMULINK 的的 2ASK2ASK 的系统仿真实现的系统仿真实现2.1 ASK 调制与解调整个 ASK 的仿真系统的调制与
8、解调过程为：首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。在 MATLAB下 Simulink 仿真平台构建了 ASK 调制与解调仿真电路图如图 2.1 所示：2图 2.1 ASK 调制与解调仿真电路图设信号源的码数率为 1B/S,即频率为 1 Hz。参数设置如图 2.2 所示：图 2.2 信号源参数设置在调制解调 系统中，载波信号的频率一般要大于信号源的频率。信号源频率为 1 Hz，所以将载波频率设置为6 Hz，由于在载波参数设置里，频率的单位是rad/sec，所以即
9、为12*pi。载波信号参数如图 2-3 所示：234图 2-3 载波信号参数设置低通滤波器的频带边缘频率与信号源的频率相同，前面设置信号源频率为 1 Hz，所以对话框中“Passband edge frequency(rads/sec)：”应填“2*pi”。参数设置如图 2.4 所示：图 2-4 低通滤波器参数设置对于 2ASK 系统，判决器的最正确判决门限为 a/2(当 P(1)=P(0)时)，它与接受机输入信号的幅度有关。当接收机输入的信号幅度发生变化，最正确判决门限也将随之改变。3抽样判决器参数设置如图 2-5 所示：图 2-5 抽样判决器的参数设置量化器抽样频率等于信号源频率。前面已经
10、设置信号源频率为 1Hz，即抽样频率为 1Hz，所以对话框中“Sample time(-1 for inherited):”应填“1”。量化器参数设置如图 2.6 所示：图 2.6 量化器参数设置设置好参数之后，进行仿真，由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在 1比特的时延用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率。因而，误码器的可接纳时延为1比特。其参数设置如图 2.7 所示：4图 2.7 误码器的参数设置经过误码器的 1 比特时延后，其误码率为 0，结果正确。如图 2-8 所示：图 2.8 误码率的查看输入信号经过 ASK 调制解调系统后，输出的各个波形(从上到下分别是输入信号、载
11、波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号)第一路为信号源模块波形图，第二路为 ASK 调制后波形图，第三路为调制信号与载波相乘后波形图，第四路为经过低通滤波器后波形图，第五路为 ASK 解调波形图。由各波形可看出该 ASK 调制解调系统符合设计要求。如图 2.9 所示：5图 2.9 各点信号的波形2.2 加入高斯白噪声后的 ASK 调制与解调整个加入高斯白噪声后的 ASK 仿真系统的调制与解调过程为：首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，送入加性高斯白噪声AWGN信道中传输。在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后
12、由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。如图 2.10 所示：6图 2.10 ASK 调制与解调中加入高斯白噪声仿真图高斯白噪声的抽样时间设置为 0.01，如图 2.11 所示：图 2.11高斯白噪声的参数设置带通滤波器的下频应该等于载波频率与调制信号频率之差，上频应该等于载波频率与调制信号频率之和。前面已设置信号源频率为 1Hz，载波频率为 6Hz,计算得上、下截止频率分别为 7Hz、5Hz，转换成以 rads/sec 为单位即为 14*pi、10*pi。所以“Lower passband edgefrequency(rads/sec)Upper passband edge freq
13、uency(rads/sec)”应填“10*pi、14*pi”。7参数设置如图 2.12 所示：图 2.12带通滤波器的参数设置设置好参数之后，进行仿真，由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在0.01 秒的时延，即信号时延了 2 比特用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率。因而，5误码器 的可接纳时延为 2 比特。其参数设置如图 2.13 所示：8图 2.13误码器的参数设置经过误码器的 2 比特时延后，其误码率如图 2.14 所示：图 2.14 误码率的查看输入信号经过 ASK 调制解调系统后，输出的各个波形(从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过
14、低通滤波器的解调信号，输出信号)第一路为信号源模块 波形图，第二路为 ASK 调制后的波形图，第三路为加入高斯白噪声后的波形图，第四路为经过带通滤波器后的波形图，第五路为经过带通滤波器后与载波相乘后的波形图，第六路为经过低通滤波器后的波形图，第七路为 ASK 解调后的波形图。在 ASK 调制与解调 中加入高斯白噪声后，波形出现了失真，解调也有误码存在，系统基本符合设计要求。如图 2.15 所示：76图 2.15各点信号的波形92.3 误码率的计算误码率是衡量一个数字通信系统 性能的重要指标。在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达示的形式则取
15、决于解调方式。二进制数字频带传输系统,误码率与信号形式(调制方式),与噪声的统计特性,解调及译码判决方式有关。对于二进制数字频带传输系统,无论采用何种方式,何种检测方法,其共同点都是随着输入信噪比增大时,系统的误码率就降低;反之,当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。低通滤波滤波器输出如式(2-1)所示：81”anc(t),发“2-1x(t)n(t)，发“0”c当发送“0”时，概率密度函数如式(2-2)所示：x2exp22-2f0(x)22n2n1当发送“1”时，概率密度函数如下式(2-3)示：f1(x)(xa)2exp2-3222n2n1发送 1 码元，接收为 0 码元的错误概率则如下式(
16、2-4)示：Pe1 Px bf1(x)dx2-4b发送 0 码元，接收为 1 码元的错误概率如式(2-5)示：Pe0 Px bf0(x)dxb1baerfc()2-522n其中erfc(x)2xeduu2总的误码率则如下式(2-6)所示：Pe P(0)Pe0 P(1)Pe12-6当 P(0)=P(1)时，总的误码率由式(2-7)所示：1a11a221)erfc()Peerfc(erfc(r 2)2-7222n22 2n210 1 0根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率理论关系曲线图。如图 3.22和图 3.23 所示：图 3.22 信噪比-误码率的理论曲线图图 3.22 信噪比
17、-误码率的实际曲线图与信噪比-误码率理论关系曲线图相比较类似，由上图可以看出：随着输入信噪比增大，系统的误码率降低；反之，当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。符合理论要求，所以此图绘制正确，到达预想结果。11 1 1总结总结数字调制用基带数字信号控制高频载波,把基带数字信号变换为频带数字信号的过程。已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号复原成基带数字信号，这种数字信号的反变换称为数字解调，把包含调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输系统。在这次综合训练中，我采用单极性 NRZ 作为信号源的原始信号，载波信号采用 6Hz 的正弦波。在仿真过程中，低通滤波器的参
18、数难以设置，仿真图有点失真，通过几次不断的调制才使仿真图和原始信号相符。在 2ASK 信号的解调过程中，我对量化器和抽样判决器的参数设置有点不理解，所以经过查看资料不断完善，才解调出正确的原始信号。在加入高斯白噪声时，信号失真，信噪比越大，系统的误码率越小；信噪比越大，系统的误码率越小。通过这次综合训练中，我对通信系统的仿真有了很大的了解，掌握的设计的方法和思路，提高了对系统的分析能力和解决能力。在这次综合训练汇总，我也遇到了许多的困难，如参数的设置，如何将不同的功能框图整合一起以实现更强大的功能等。12 1 2参考文献参考文献1 张圣勤.MATLAB7.0 实用教程.北京：机械工程出版社,2
19、0062 桑林，郝建军，刘丹谱.数字通信.北京：北京邮电大学出版社,20073 樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社,20094 徐远明.MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用.西安：西安电子科技大学出版社,20055 m.北京：清华大学出版社，2008.6 贾秋玲，袁冬莉，栾云凤.MA 系统仿真、分析及设计m.西安：西北工业大学出版社,2006.8 达新宇，陈树新，王瑜，林家薇。通信原理教程m.北京：北京邮电大学出版社，200513 1 3致致 谢谢在整个仿真过程中我遇到了很多现实而且棘手的问题，比方许多模块参数难以正确设置，而由此导致的波形失真等问题，但是通过上网查找资料和咨
20、询同学能够让我更好的完成此次课设。我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够成功地完成，要特别感谢指导老师的关心和教导。本次课程设计的过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。非常感谢各位老师的指导，在老师的身上我们学到的不仅仅是知识的层面，更重要的是老师追求知识的热情，以及对本身工作严谨的态度，让我受益匪浅。虽然我在设计中碰到的很多个人困难，但在这些困难面前，我却越来越有耐心地去解决。完成一个设计会让我们自己获益匪浅，理论用于指导实践，也必须应用于实践。必须自己动脑动手，这样加深了
21、对知识的理解，也能使自己对知识的运用更加娴熟。同时，也多亏了众多同学和老师的帮助。特别是在陈老师的耐心指导下，我解决了很多问题。同时，我也在陈老师的身上学到了许多有用的知识和设计的思路，在此我表示十分感谢！由衷地感谢各位给我帮助的同学和老师！14 1 4附录附录rs=1e3;%时间轴频率步进fc=1e2;%载波频率100HZtzd=1e2;%1个码元用100个点模拟t=0:1/rs:(tzd-1/rs);for snrb=0:1:10%不同信噪比 ratio=0;%初始误码数设为0，累计十次得到总误码数 for k=1:10%十次循环产生10000码元n=1e3;%一次产生码元数g=randi
22、nt(1,n);%产生1000个码元tz=g(ceil(10*t+(1/rs).*cos(2*pi*fc*t);%得到调制信号tz，100个点表示1个码元signal=awgn(tz,snrb);%信号通过白噪声信道Fs=1e3;%采样频率b,a=butter(2,80,120*2/Fs);%设计巴特沃斯带通滤波器，2阶，系数为a,bsg1=filter(b,a,signal);%信号通过该BPFsg2=2*sg1.*cos(2*pi*fc*t);%信号通过相乘器Fs=1e3;%采样频率b,a=butter(2,10*2/Fs)%设计巴特沃斯低通滤波器sg3=filter(b,a,sg2);%
23、信号通过该LPFb=0.4;%判决门限LL=tzd/2;for i=1:n if sg3(i-1)*tzd+LL)b;%取sg2的中间的点作为判决点 sg4(i)=1;else sg4(i)=0;endend%得到判决后信号sg4numbers,pe=symerr(g,sg4);%利用函数得到误码率和误码数15 1 5ratio=ratio+numbers;endr1=ratio/(n*10);%误码数除以总点数为误码率pel(1,snrb+1)=r1;%11个信噪比对应的11个误码率存入数组pelendfigure;%画图x=0:1:10;x1=10.(x+7)./10);%分贝值转化为真值y=0.5*(erfc(sqrt(x1/4);%2ASK信号相干解调理论误码率计算semilogy(x,pel,-r,x,y,-b);legend(simulation,theoritical case);xlabel(信噪比)ylabel(误码率);grid on;title(2ASK信号相干解调时信噪比与误码率的关系);16 1 6