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1、 通信系列试验 基于System View的ASK调制解调系统设计 基于System View的ASK调制解调系统设计试验目的1、 掌握SystemView仿真软件的使用 2、实现ASK、2ASK的调制方法（键控法、乘法器实现法）与解调方法（包络 解调法、相干解调法）的仿真。试验器材 System View仿真软件试验原理 一、2ASK的定义 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。有载波输出时表示送“1”，无载波输出时表示发送“0”。 （1）2ASK信号可表示为： （2）式中为
2、载波角频率，为单极性NRZ矩形脉冲序列 （3）其中，是持续时间为、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；为二进制数字。二进制振幅键控信号时域波形如图1所示，可以看出2ASK信号的时间波形 随二进制基带信号 通断变化，所以又称为通断键控信号(OOK信号)。图1 2ASK信号时域波二、 2ASK的调制2ASK信号的调制方法有两种，一种是键控法，另一种是乘法器实现法。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”和“1”。一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通-断键控（On Off Keying）。所以2ASK又称为通断控制（OOK）。最典型的实现方法是用一个电键来控制载波
3、振荡器的输出而获得。如图3-2所示 ，其中的开关电路受S(t)控制。图3-2 数字键控法另一种方法是乘法器模拟法，其输入是随机信息序号，经过基带信号形成器，产生波形序列，乘法器用来进行频谱搬移，相乘后额信号通过带通滤波器滤除高频谐波和低频干扰。带通滤波器的输出是振幅键控信号。乘法器长采用环形调制器。如图3所示。图3 乘法器模拟法三、 2ASK的解调2ASK信号的解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检波法。包络检波法的原理如图4所示。带通滤波器恰好使2ASK信号完整的通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器
4、。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通过位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK信号，即,包络检波器输出为。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。图4 包络检波法相干检波法原理方框图如图5所示。相干检测就是同步调解，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。利用此载波与收到的已调信号相乘，输出为 （3-4）经低通滤波器滤除第二项高频分量后，即可输出信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。
5、图5 相干检波法四、 2ASK功率谱密度由于二进制序列一般为随机序列，其频域分析的对象应为信号功率谱密度。设为归一化矩形脉冲，若的傅氏变换为，则为二进制随机单极性矩形脉冲序列，且任意码元为0的概率为P，则的功率谱密度表达式为： （3-5）式中，；Hz，并与二进制序列的码元速率Rs在数值上相等。可以看出，单极性矩形脉冲随机序列含有直流分量。2ASK信号的双边功率谱密度表达式为： （3-6）表明，2ASK信号的功率谱密度由两个部分组成：（1）由经线性幅度调制所形成的双边带连续谱；（2）由被调载波分量确定的载频离散谱。图6为2ASK信号的单边功率谱示意图。图6 二进制振幅键控信号的功率谱密度对信号进
6、行频域分析的主要目的之一就是确定信号的带宽。在不同应用场合，信号带宽有多种度量定义，但最常用和最简单的带宽定义是以功率谱主瓣宽度为度量的“谱零点带宽”，这种带宽定义特别适用于功率谱主瓣包含信号大部分功率的信号。显然，2ASK信号的谱零点带宽为： （Hz） （3-7）式中，Rs为二进制序列的码元速率，它与二进制序列的信息率（比特率）Rb（bit/s）在数值上相等。五、 System View的系统定时窗口System View系统是一个离散时间系统，也就是说，在每次系统运行之前，首先需要设定一个系统频率。各种系统在仿真时，首先对各信号以系统频率进行采样，然后按照系统对信号的处理计算各个采样点的值
7、，最后输出时，在观察窗内按要求画出各个点的位置或拟合曲线。一般为了获得较好的仿真波形，系统的采样频率应设为系统中的最高信号频率的5-7倍。当采样频率为系统信号最高频率的10倍以上时，仿真波形就几乎没有失真了。图7 系统定时对话框采样点数=（终止时间-起始时间）*采样频率+1试验步骤 1、设置系统的时间为：采样频率1000Hz，采样点数为512. 2、由试验原理中调制框图可以得出，对于2ASK调制有两种方法：键控法和乘法实现法。如图1，图2所示，波形图由图3、图4所示。图1 键控法 图2 乘法实现法 图3 键控调制波形图图4 乘法调制波形图三、 2ASK的调制解调信号的解调也有两种方法，所以可以
8、有两种2ASK调制解调器。经过优化后的处理，可以得到2ASK调制解调器的总体电路图。1、包络检波解调法 (1)调制部分：采用乘法模拟法调制，包含的元件序号是：1、9、10、11、14； (2)解调部分：采用包络检波解调法（也即非相干解调法）解调，包含的元件 序号是：13、15、16、17，如图5所示；图5 包络检波解调(3) 模块说明：1为正弦载波，11为随机NRZ信号（即为二进制基带信号），13和16是滤波器，14是乘法器，15是半波整流器，17是判决器。(4) 参数设置： Token 11是产生二进制的随机基带信号，选用的是Source Library里的PN Seg，其参数为：Amp=0
9、.5V，Offset=0.5V，Rate=10Hz，Levels=2，Phase=0 deg。 Token 14是乘法器，将载波和基带信号相乘，产生调制信号。选用的是Multiplier，默认没有参数可以设置。 Token 9、10 是时间延时器，是将信号延迟一段时间再传送出去。选用的是选用的是Operator Library里的Delays里的Delay。其参数如图6所示； 图6 Token 9、10参数设置 Token 1 是正弦载波产生器，选用的是Source Library里的Sinusoid，其参数为：Amp=1V，Freq=50 Hz，Phase=0 deg，output 0=Si
10、ne t14。 Token 13 是带通滤波器，滤除有效信号以外的噪声，选用的是Operator Library里的Liner Sys Filters。Cutoff frequency 为200Hz，极点数为3。 Token 15 是半波整流器，作用是将2ASK信号的下半部分载波翻转到正半轴，选用的是Function Library里的Half Rctfy，参数为Zero Point =0V，Max Rate=500Hz。 Token 16 是低通滤波器，滤除有效信号以外的噪声，选用的是Operator Library里的Liner Sys Filters。Cutoff frequency 为
11、10Hz，极点数为6。Token 17 是缓冲器，起到的作用是抽样判决器。选用的是Logic Library子目录Gates/Buffer里的Buffer。Threshold设置为0.2，True Output设置为1v，其余均设置为02、相干解调法（1）调制部分：采用乘法模拟法调制，包含的元件序号是：20、21、22、23、24；（2）解调部分：采用相干解调法解调，包含的元件序号是：26、27、28、29、30；如图7所示；图7 相干检波解调 （3）模块说明：22和30是正弦载波，23是随机NRZ信号（也即是二进制基带信号），13和14是滤波器，21和29是乘法器，28是判决器。经滤波滤除第
12、二项高频分量后，即可输出s(t)信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。虽然2ASK信号中确实存在着载波分量，原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给接收设备增加复杂性。因此，实际中很少采用相干解调法来解调2ASK信号。所以，本次设计我所采用的是包络解调的方法。（4） 参数设置 Token 23是产生二进制的随机基带信号，选用的是Source Library里的PN Seg，其参数为：Amp=0.5V，Offset=0.5V，Rate=10Hz，Levels=2，Pha
13、se=0 deg。Token 21和Token 29是乘法器，将载波和基带信号相乘，产生调制信号。选用的是Multiplier，默认没有参数可以设置。Token 22和Token 30是正弦载波产生器，选用的是Source Library里的Sinusoid，其参数为：Amp=1V，Freq=50Hz，Phase=0 deg，output 0=Sine t21。 Token 26滤波器，滤除有效信号以外的噪声，选用的是Operator Library里的Liner Sys Filters，Cutoff frequency 为200Hz，极点数为3。Token 27是滤波器，滤除有效信号以外的噪
14、声，选用的是Operator Library里的Liner Sys Filters，Cutoff frequency 为10Hz，设置极点数为6。Token 7是缓冲器，起到的作用是抽样判决器。选用的是Logic Library的子目录Gates/Buffer里的Buffer。仿真结果在包络检波解调中的NRZ信号波形，如下图所示； 在包络检波解调中的2ASK信号波形 在包络检波解调中经带通滤波器后信号波形 在包络检波解调中经半波整流器后信号波形在包络检波解调中经包络检波器后输出波形经包络检波器后的输出波形在包络检波解调中经抽样判决器后输出波形综合上述，包络检波解调法对2ASK调制信号与解调信号
15、进行比较,其中a为调制信号，b为解调信号(a)调制信号(b)解调信号 2ASK调制信号与解调信号波形比较ASK信号频谱图二进制的基带信号和正弦载波经过乘法模拟器得到调制信号，即为2ASK信号。已调信号经过信道时，受到不同噪声的干扰，导致在解调接收端出现的已调信号中混入了噪声，该已调信号经过半波整流器和抽样判决器后会输出二进制基带信号。最后的接收端的解调输出波形和原始NRZ信号相比，虽然有着部分的不吻合，但其参量是相同的。表明该系统可以实现2ASK数字调制系统的调制和解调功能，符合设计要求。试验收获在本学期通信系列实验中，从最开始对这个仿真软件一无所知到现在的熟练使用，我进步了很多。在之前有上过
16、通信原理、信号与系统等一系列的理论课，但从未将这些在理论课上的学到的知识运用到实践中。在通信原理课程中，学习了AM、FM等模拟调制，也学习了二进制振幅键控（2ASK)，二进制频移键控（2FSK），二进制相移键控（2PSK），二进制差分相移键控等数字调制方法。之前只是在理论上学习了这些调制方法的实现以及包络解调与非相干解调的实现，也在理论上学习了这些信号的频谱图像。但是，仅仅理论上的学习，我并没有锻炼出一眼就能看出波形图与频谱图之间的联系，大脑中也没有构建出一个时域与频域之间的联系。System View在仿真软件中也是具有非常重要的地位，它的操作非常的简便，功能也比较齐全，基本上可以满足本科所
17、学实验的仿真。作为一名通信工程学生来说，熟悉使用一款以上的电路仿真软件是非常重要的。电路仿真时通信系统在检测我们的设计的一个重要工具，当我们设计的电路能够在电路上实现时，才有可能能够在实际中实现，或许在实际中更难实现，因为在实际中会有很多外界环境因素是我们在仿真时很难考虑到的。正好借助这次实验课，对于同学们和自己来说都是一个学习这个软件的好机会。通过学习System View软件，然后自己独自做一系列的试验，自己设计电路并且实现达到想要的效果，不论是在仿真能力、动手能力、思维能力以及独自学习的能力方面，我都有了很大的提高，也对以后进一步去完全掌握这款软件打下了基础。在这次的实验课中，杨老师所采
18、用的这种考核方式被大家广为接受。不用在固定的时间去坐在实验室进行仿真，可以不用这种死板的方式，用一种更灵活的考核方式，只要自己有时间，就可以随时在自己的电脑上做，做好之后去和杨老师交流，通过老师的悉心指导，改善自己设计的电路，以便得到更好的仿真效果，做到了真正意义上的学以致用。这样既节省了时间，也锻炼了自己独立学习的能力。我觉得这才是大学实验课应该有的教学方式，开放自由。不过这样的话，杨老师的压力可能会很大，因为要对每个同学的仿真结果都进行点评，提出建议。可在大半学期的试验过程中，杨老师始终不厌其烦，兢兢业业的为同学们讲解，这很令人钦佩。在此，我要感谢每次杨老师对自己试验情况的点评以及建议，谢谢老师。本学期的这门实验课，更使我明白了学习和实践之间的密切关系，同时也为我在以后的工作岗位上能够更好的发挥自己的能力，累积了不少的经验。 2014年5月22日