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1、*实践教学*兰州理工大学 计算机与通信学院 2013 年春季学期 通信系统仿真课程设计 题 目：2ASK 的数字调制与解调 专业班级：通信工程 2 班 姓 名：李晗 学 号：10250228 指导教师：李英堂 成 绩：1 摘要 现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式，也是各种数字调制的基础。本课程设计主要是利用 MATLAB集成环境下的 Simulink仿真平台,设计一个 2ASK调制与
2、解调系统。用示波器观察调制前后的信号波形；用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化；加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。文中还介绍了基于 MATLAB 如何实现 2ASK 调制解调的系统仿真。仿真主要采用 MATLAB 脚本文件编写程序。结果表明了该设计的正确性。本文研究了基于 MATLAB 的 2ASK(幅度键控)调制解调的系统仿真，并给出了 M 文件环境下的仿真结果。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：2ASK；Matlab；调制；解调 2 目录 摘 要.错误！未定义书签。一、前 言.3 二、2AS
3、K调制与解调原理.4 2.1 2ASK调制原理.4 2.2 2ASK解调原理.6 三、程序设计.8 3.1 数字信号的 ASK调制.8 3.2 数字信号的 ASK相干解调.9 四、系统仿真及结果分析.11 总结.12 参考文献.13 致谢.14 3 一、前言 本课程设计主要是深入理解和掌握振幅通信系统的各个关键环节，包括调制、解调、滤波、传输、噪声对通信质量的影响等。在数字信号处理实验课的基础上更加深入的掌握数字滤波器的设计原理及实现方法。使我对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。通过课程设计加深理解和巩固理论课上所学的有关 2ASK调制与解调系统的基本概念、基本理论和基本方法，锻炼我们
4、分析问题和解决问题的能力；同时培养我们进行独立工作习惯和科学素质的培养，为今后学习工作打下良好的基础。掌握 2ASK 解调原理及其实现方法，了解线性调制时信号的频谱变化。理解 2ASK 的调制和解调原理并用 Simulink 软件仿真其实现过程，用 Simulink 分析二进制振幅键控信号频谱的变化。利用 MATLAB集成环境下的 Simulink仿真平台，设计一个 2ASK调制与解调系统。用示波器观察调制前后的信号波形；用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化；加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。4 二、2ASK调制与解调原理 2.1 2ASK调
5、制原理 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。设发送的二进制符号序列由 0、1 序列组成，发送 0 符号的概率为 P，发送 1 符号的概率为 1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为 其中 典型波形如图所示 图 2-1 典型 2ASK波形 2ASK信号的功率谱密度 由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程，所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。2ASK 信号功率谱密度的特点如下：(1)由连续谱和离散谱两部分构成，连续谱由信号 g(t)经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；5(2)已调信
6、号波形的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。2ASK 信号功率谱密度推导：已 知tnTtgatecSnncos)()(0ttscc o s)(，设)(0te的 功 率 谱为)(fPe，s(t)的功率谱为)(fPs。则 )()(41)(fcfPsfcfPsfPe 2)()1()(fGPPffPss2)1(Pfs msmfG)()(smff，sfTjsssefTfTTfGsin)(。22)()(sin)()(sin16)(scscscscseTffTffTffTffTfP)()(161ccffff 图 2-2 2ASK信号的功率谱密度示意图 在二进制数字振幅调制中，载波的幅度随着调制信号的变化而变化，实
7、现这种调制的方式有两种：（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，其电路如图 2-3 所示。在该电路中载波信号和二进制数字信号同时输入到相乘器中完成调制。（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，其电路如图 2-4 所示。6 图 2-3 模拟相乘法 图 2-4 数字键控法 2.2 2ASK解调原理 2ASK/OOK 信号有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），相应的接收系统如图 2-5、图 2-6 所示。图 2-5 非
8、相干解调方式 图 2-6 相干解调方式 抽样判决器的作用是：信号经过抽样判决器，即可确定接收码元是“1”还是“0”。假设抽样判决门限为 b，当信号抽样值大于 b时，判为“1”码；信号抽样值小于 b 时，判为“0”码。当本实验为简化设计电路，在调制的输出端没有加带通滤波器，并且假设信道时理想的，所以在解调部分也没有加带通滤波器。7 图 2-7 2ASK信号非相干过程的时间波形 11100000101abcd 8 三、程序设计 3.1 数字信号的 ASK 调制%数字信号的 ASK 调制与解调%PartI数字信号的 ASK调制 clear;%清除空间变量 m=1 1 1 0 0 0 1 0 1 1
9、0 1;%数字信号序列 Lm=length(m);%序列的长度 F=200;%数字信号的带宽 f=800;%正弦载波信号的频率 A=1;%载波的幅度 Q=f/F;%频率比，即一个码元宽度中的正弦周期个数,为适配下面滤波器参数选%取，推荐将Q 设为 Q=1/3 M=500;%一个正弦周期内的采样点数 t=(0:M-1)/M/f;%一个正弦信号周期内的时间 carry1=repmat(A*sin(2*pi*f*t),1,Q);%一个码元宽度内的正弦载波信号 Lcarry1=length(carry1);%一个码元宽度内的信号长度 carry2=kron(ones(size(m),carry1);%
10、载波信号 ask=kron(m,carry1);%调制后的信号 N=length(ask);%长度 tau=(0:N-1)/(M-1)/f;%时间 Tmin=min(tau);%最小时刻 Tmax=max(tau);%最大时刻 T=ones(size(carry1);%一个数字信号1 dsig=kron(m,T);%数字信号波形 subplot(7,1,1)%子图分割 plot(tau,dsig)%画出数字信号的波形图 title(数字信号);grid on%添加网 axis(Tmin Tmax-0.2 1.2)%设置坐标范围 9 subplot(7,1,2)%子图分割 plot(tau,ca
11、rry2)%画出载波波形 title(载波波形);grid on%添加网格 axis(Tmin Tmax-1.2*A 1.2*A)%设置坐标范围 subplot(7,1,3)%子图分割 plot(tau,ask)%画出调制后的波形 title(调制后的波形);grid on%添加网格 axis(Tmin Tmax-1.2*A 1.2*A)%设置坐标范围 3.2 数字信号的 ASK 相干解调%PartII数字信号的 ASK相干解调 sig_mul=ask.*carry2;%已调信号与载波信号相乘 subplot(7,1,4)%子图分割 plot(tau,sig_mul)%画出信号相乘后的波形 T
12、itle(信号相乘后的波形);grid on%添加网格 axis(Tmin Tmax-0.2 1.2)Ord,omega_c=buttord(4*pi*f*0.6,4*pi*f*0.8,2,30,s);%获得Butterworth 模拟低通原型滤波器的阶数及3dB 截止频率 num,den=butter(Ord,omega_c,s);%由原型滤波器向实际滤波器转换，获得滤波器的分子，分母系数 h=tf(num,den);%获得滤波器传递函数%滤波 x=lsim(h,sig_mul,tau);%运用模拟滤波器对信号进行滤波 subplot(7,1,5)%子图分割 plot(tau,x)%画出滤波
13、后的滤形 title(滤波后的波形);grid on%添加网格 axis(Tmin Tmax-0.3 0.8)%设置坐标范围 10 th=0.25;%抽样判决的阈值设置 t_judge=(0:Lm-1)*Lcarry1+Lcarry1/2;%抽样判决点的选取 y=(x(t_judge);%抽样判决时刻时的信号值 y_judge=1*(y=th)+0*(y=th);%抽样判决信号值的0 阶保持 y_value=kron(y_judge,ones(size(carry1);%抽样判决后的数字信号波形 n_tau=tau+0.5/F;%抽样判决后的信号对应的时间 subplot(7,1,6)%子图分
14、割 plot(n_tau,y_value)%画出抽样判决后的数字信号波形 title(抽样判决后的数字信号波形);axis(min(n_tau)max(n_tau)-0.2 1.2)%设置坐标范围 grid on%添加网格 subplot(7,1,7)%子图分割 plot(tau,dsig)%画出原始信号波形与解调后的信号作对比 title(原始信号波形与解调后的信号作对比);axis(Tmin Tmax-0.2 1.2)%设置坐标范围 grid on%添加网格 11 四、系统仿真及结果分析 图 4-1 系统仿真结果 结果分析：第一行为数字信号；第二行为载波信号；第三行为调制后的波形；第四行为
15、相干波与经带通滤波器滤波后的信号相乘的结果，即高频部分产生倍频信号z(t)；第五行为 z(t)经过低通滤波器滤波后，取出的低频包络信号，可知幅度降为原来的 0.5 倍；第六行波形为抽样判决并恢复出的原数字序列；第七行为原始数字序列，与恢复后的数字序列作比较，两列波相比，恢复后的信号与原始信号在波形上没有差异，只是恢复后的信号有一定的延时，这是由信号在信道中传播耗时和在解调系统中的延时等相叠加而成。在本仿真设计中，为使仿真过程清晰，忽略了信道的传输延时等，仅考虑了抽样判决点选取时的延时 0.5Tb，因码元波特率 RB=1000Band，码元宽度 Tb=1/Rb=0.001s 故 0.5Tb=0.
16、0005s，从图中标注可以看出，信号的起始点为0.0005s。12 总结 这次通信系统仿真课程设计，给我留下了深刻的印象。通过这次课程设计的训练，让自己受益匪浅。通过这次课程设计，使我对通信原理这门课程有了更深入和直观的理解，对于如何利用理论知识进行实践有了明确的认识。这次课程设计也让我更加熟悉了仿真工具-MATLAB，使我能够熟练应用这款软件。通过这次练习使我进一步了解了数字信号调制解调技术，及其实践方法。以及其中产生信号和绘制信号的基本命令和一些基础编程语言。这次设计使我了解了 MATLAB的使用方法，提高了分析和动手实践能力。同时我相信，进一步加强对 MATLAB的学习与研究对我今后的学
17、习将会起到很大的帮助。13 参考文献 1 薛定宇,陈阳泉.基于 Matlab/Simulink 的系统仿真技术与应用M.北京:清华大学 出版社,2002:155-157.2 王兴亮.通信系统原理教程M.西安:西安电子科技大学出版社,2009:135-143.3 Mokhtari Mohand,Marie Michel.MATLAB 与 SIMULINK 工程应用M.赵彦玲,吴淑红,译.北京:电子工业出版社,2002:123-132.4 李白萍，吴冬梅.通信原理与技术M.北京：人民邮电出版社,2003(8)：99-136.5 樊昌信，曹丽娜.通信原理M.北京：国防工业出版社，2001（5）:13
18、2-212.6 曹志刚，钱亚生.现代通信原理M.北京：清华大学出版社，1992（2）：80-120.7 李明明，李白萍.电子信息类专业 MATLAB实验教程M.北京：北京大学出版社，2011 （1）：102-208.8 刘学勇.详解 MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真M.北京：电子工业出版社，2011（1）：160-173.14 致谢 在本次通信系统仿真课程设计中，我们对于该通信原理这门课程的理论部分有了更客观、更直接的认识，课程设计给了我们将理论应用在真实的系统设计上的机会，对数字信号二进制调制解调技术有了深刻的印象，对今后进一步深入研究学习和研究数字信号处理有重要的指导意义。同时，在课程设计的过程中，我们发现了以下 3 点我们自身的不足：1.在理论学习当中，我们仍有知识盲区，对于易混淆知识点认识模糊；2.在 MATLAB软件中在编程时，对于某些指令的含义仍不是很清楚，需要通过查询资料才能获得，降低了编程效率；在今后的学习中，我们要努力通过学习来改掉这些不足。最后，感谢课程设计指导老师李英堂对我们的指导，还要感谢和我们一起进行讨论和研究的各位同学，这次课程设计的顺利完成离不开你们的帮助。