2ASK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)及性能分析

1、MATLAB第二次實(shí)驗(yàn)2ASK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)及性能分析指導(dǎo)老師：湯建龍作 者：余穎智學(xué) 號(hào)：摘要：現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求通信距離遠(yuǎn)、通信容量大、傳輸質(zhì)量好。作為其關(guān)鍵技術(shù)之一的調(diào)制解調(diào)技術(shù)一直是人們研究的一個(gè)重要方向。從最早的模擬調(diào)幅調(diào)頻技術(shù)的日臻完善，到現(xiàn)在數(shù)字調(diào)制技術(shù)的廣泛運(yùn)用，使得信息的傳輸更為有效和可靠。二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控是一種古老的調(diào)制方式，也是各種數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。本課程設(shè)計(jì)主要是利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái),設(shè)計(jì)一個(gè)2ASK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng).用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形;用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變化;加上各種噪聲源,用誤碼測(cè)試模塊測(cè)量

2、誤碼率;最后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來(lái)分析該系統(tǒng)性能。通過(guò)Simulink的仿真功能摸擬到了實(shí)際中的2ASK調(diào)制與解調(diào)情況。1 引 言本課程設(shè)計(jì)主要是深入理解和掌握振幅通信系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括調(diào)制、解調(diào)、濾波、傳輸、噪聲對(duì)通信質(zhì)量的影響等。在數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)上更加深入的掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法。使我對(duì)系統(tǒng)各關(guān)鍵點(diǎn)的信號(hào)波形及頻譜有深刻的認(rèn)識(shí)。1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)本次設(shè)計(jì)，鞏固并擴(kuò)展通信課程的基本概念、基本理論、分析方法和仿真實(shí)現(xiàn)方法，掌握 2ASK 解調(diào)原理及其實(shí)現(xiàn)方法，了解線性調(diào)制時(shí)信號(hào)的頻譜變化。理解 2ASK 的調(diào)制和解調(diào)原理并用 Simulink軟件仿真其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，用

3、Simulink 分析二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)頻譜的變化。認(rèn)識(shí)和理解通信系統(tǒng)，掌握信號(hào)是如何經(jīng)過(guò)發(fā)端處理被送入信道然后在接收端還原。會(huì)畫(huà)出數(shù)字通信過(guò)程的基本框圖，掌握數(shù)字通信的2ASK調(diào)制方式，學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB來(lái)進(jìn)行通信系統(tǒng)的仿真；實(shí)現(xiàn)將理論只是和軟件設(shè)計(jì)緊密結(jié)合。學(xué)會(huì)2ASK傳輸系統(tǒng)的二級(jí)調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)，測(cè)試2ASK傳輸信號(hào)加入噪聲后的誤碼率，分析2ASK傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能。1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái),設(shè)計(jì)一個(gè)2ASK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng).用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形;用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變化;加上各種噪聲源,用誤碼測(cè)試模塊測(cè)量誤碼率;最

4、后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來(lái)分析該系統(tǒng)性能。1.3實(shí)驗(yàn)要求（1）熟悉MATLAB環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，熟悉2ASK/2ASK系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)原理，構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路圖.（2）用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)的頻譜的變化。并觀察解調(diào)前后頻譜有何變化以加深對(duì)該信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理的理解。（3）在調(diào)制與解調(diào)電路間加上各種噪聲源，用誤碼測(cè)試模塊測(cè)量誤碼率,并給出仿真波形，改變信噪比并比較解調(diào)后波形，分析噪聲對(duì)系統(tǒng)造成的影響。（4）在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，并按要求編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2 2ASK調(diào)制與解調(diào)原理2.1 2

5、ASK調(diào)制原理振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，則為二進(jìn)制振幅鍵控。 設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由0、1序列組成，發(fā)送0符號(hào)的概率為P，發(fā)送1符號(hào)的概率為1-P，且相互獨(dú)立。該二進(jìn)制符號(hào)序列可表示為 其中: 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)時(shí)間波型如圖1 所示。 由圖1 可以看出，2ASK信號(hào)的時(shí)間波形e2ASK(t)隨二進(jìn)制基帶信號(hào)s(t)通斷變化，所以又稱(chēng)為通斷鍵控信號(hào)（OOK信號(hào)）。 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的產(chǎn)生方法如圖2 所示，圖(a)是采用模擬相乘的方法實(shí)現(xiàn)， 圖(b)是采用數(shù)字鍵控的方法實(shí)現(xiàn)。 由圖1 可以看出，2ASK信號(hào)與模擬調(diào)制中的AM信號(hào)類(lèi)似。所以

6、，對(duì)2ASK信號(hào)也能夠采用非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測(cè)法)，其相應(yīng)原理方框圖如圖3 所示。2ASK信號(hào)非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形如圖4 所示。 圖2-1 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)時(shí)間波型2ASK信號(hào)的功率譜密度 由于二進(jìn)制的隨機(jī)脈沖序列是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,所以調(diào)制后的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)也是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，因此在頻率域中只能用功率譜密度表示。2ASK 信號(hào)功率譜密度的特點(diǎn)如下：(1)由連續(xù)譜和離散譜兩部分構(gòu)成，連續(xù)譜由信號(hào)g(t)經(jīng)線性調(diào)制后決定，離散譜由載波分量決定；(2)已調(diào)信號(hào)波形的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。2ASK 信號(hào)功率譜密度推導(dǎo)：已知，設(shè)的功率譜為，s(t)的功率譜為。則 ， ，

7、。圖2-2 2ASK信號(hào)的功率譜密度示意圖在二進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制中，載波的幅度隨著調(diào)制信號(hào)的變化而變化，實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制的方式有兩種：（1）模擬相乘法：通過(guò)相乘器直接將載波和數(shù)字信號(hào)相乘得到輸出信號(hào)，這種直接利用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的振幅來(lái)調(diào)制正弦載波的方式稱(chēng)為模擬相乘法，其電路如圖2-3所示。在該電路中載波信號(hào)和二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)同時(shí)輸入到相乘器中完成調(diào)制。（2）數(shù)字鍵控法：用開(kāi)關(guān)電路控制輸出調(diào)制信號(hào)，當(dāng)開(kāi)關(guān)接載波就有信號(hào)輸出，當(dāng)開(kāi)關(guān)接地就沒(méi)信號(hào)輸出，其電路如圖2-4所示。 圖2-3模擬相乘法 圖2-4數(shù)字鍵控法2.2 2ASK解調(diào)原理2ASK/OOK信號(hào)有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干

8、解調(diào)（同步檢測(cè)法），相應(yīng)的接收系統(tǒng)如圖2-5、圖2-6所示。圖2-5非相干解調(diào)方式圖2-6 相干解調(diào)方式抽樣判決器的作用是：信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣判決器，即可確定接收碼元是“1”還是“0”。假設(shè)抽樣判決門(mén)限為b，當(dāng)信號(hào)抽樣值大于b時(shí)，判為“1”碼；信號(hào)抽樣值小于b時(shí)，判為“0”碼。當(dāng)本實(shí)驗(yàn)為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路，在調(diào)制的輸出端沒(méi)有加帶通濾波器，并且假設(shè)信道時(shí)理想的，所以在解調(diào)部分也沒(méi)有加帶通濾波器。 圖2-72ASK信號(hào)非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形3設(shè)計(jì)步驟3.1 simulink的工作環(huán)境熟悉建立一個(gè)很小的系統(tǒng)，用示波器觀察正弦信號(hào)的平方的波形，如圖3-1系統(tǒng)中所需的模塊：正弦波模塊，示波器模塊，乘法器；圖3-1

9、正弦仿真電路圖正弦波參數(shù)設(shè)置如圖3-2所示：圖3-2 正弦參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)的示波器顯示的波形如圖。圖3-3 單正弦波與平方波的對(duì)比結(jié)論：兩正弦波疊加之后的周期是原周期的1/2,頻度是原頻度的2倍。3.2 ASK調(diào)制電路分析（1）通過(guò)Simulink的工作模塊建立2ASK二級(jí)調(diào)制系統(tǒng)，用頻譜分析儀觀察調(diào)制前后的頻譜，用示波器觀察調(diào)制信號(hào)前后的波形（？用什么儀器）二級(jí)2ASK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的仿真電路圖如圖8 圖3-4 二級(jí)2ASK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的仿真電路圖此系統(tǒng)所用仿真電路模塊有: 伯努利二進(jìn)制發(fā)生器模塊，正弦波發(fā)生器模塊，功率譜密度模塊，高斯噪聲發(fā)生器Gaussian Noise Generato

10、r模塊，模擬濾波器模塊，誤碼率計(jì)算模塊，采樣量化編碼模塊，示波器模塊。伯努利二進(jìn)制發(fā)生器模塊用于發(fā)出源信號(hào)，示波器用于觀察波形。（2）系統(tǒng)所用模塊的參數(shù)設(shè)置伯努利二進(jìn)制發(fā)生器模塊ernoulli Binary Generator的參數(shù)設(shè)置為：Probability of a zero 0概率設(shè)為0.5，initial seed設(shè)為62， Sample time抽樣時(shí)間為1S，Sample per frame是輸入信息碼為1。圖3-5 伯努利二進(jìn)制發(fā)生器模塊參數(shù)設(shè)置Power Spectral Density的參數(shù)設(shè)置為：Sample time抽樣時(shí)間為0.01s圖3-6 Power Spect

11、ral Density的參數(shù)設(shè)置正弦波Sine Wave的參數(shù)設(shè)置為：頻率設(shè)為60rad/sec，Phase設(shè)置為2rad圖3-7 正弦載波的參數(shù)設(shè)置Product模塊的參數(shù)設(shè)置為：輸入端數(shù)量設(shè)為2圖3-8 Product模塊的參數(shù)設(shè)置Sum模塊的參數(shù)設(shè)置為：sample time 設(shè)為-1圖3-9 Sum模塊的參數(shù)設(shè)置Analog Filter Design模塊的參數(shù)設(shè)置為：圖3-10 Analog Filter Desin模塊的參數(shù)設(shè)置Power Spectral Density1模塊的參數(shù)設(shè)置為：Sample time抽樣時(shí)間為0.01s圖3-11 Power Spectral Dens

12、ity模塊的參數(shù)設(shè)置Product1模塊的參數(shù)設(shè)置為：輸入端數(shù)量設(shè)為2圖3-12 Product1模塊的參數(shù)設(shè)置Analog Filter Design1模塊的參數(shù)設(shè)置為：圖3-13 Analog Filter Design1模塊的參數(shù)設(shè)置Error Rate Calculation模塊的參數(shù)設(shè)置為：延時(shí)Receive delay設(shè)為2圖3-14 Error Rate Calculation模塊的參數(shù)設(shè)置 Quantizing Encoder模塊的參數(shù)設(shè)置為：量化分割quantization partition設(shè)為0.2，量化碼quantization codebook設(shè)為0 1。圖3-15

13、Quantizing Encoder模塊的參數(shù)設(shè)置Display的參數(shù)設(shè)定為：圖3-16 Display的參數(shù)設(shè)定Scope的參數(shù)設(shè)定為：示波器的接口有6個(gè)，時(shí)間范圍是自動(dòng)調(diào)整圖3-17 Scope的參數(shù)設(shè)定2） 系統(tǒng)運(yùn)行示波器的顯示為：不加噪聲示波器顯示為如圖23，由上到下波形所表示為：1.發(fā)出源信號(hào)波形。2.加入正弦波信號(hào)后的信號(hào)波形。3.經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的信號(hào)波形。4.經(jīng)過(guò)低通濾波器后的信號(hào)波形。5.采樣量化編碼后的輸出源信號(hào)波形。 圖3-18 不加噪聲示波器的顯示不加噪聲 Display的顯示為：圖3-19 不加噪聲 Display的顯示加入高斯發(fā)生器 Gaussian Noise G

14、enerator模塊，設(shè)置為：Sample time抽樣時(shí)間為0.03s圖3-20 Gaussian Noise Generator模塊設(shè)置加入高斯噪聲后，示波器顯示如圖26，由上到下波形所表示為：1.發(fā)出源信號(hào)。2.加入正弦波信號(hào)后的信號(hào)波形。3.加入高斯噪聲后的波形。4.經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的信號(hào)波形。5.經(jīng)過(guò)低通濾波器后的信號(hào)波形。6.采樣量化編碼后的輸出源信號(hào)波形。 圖3-21 加入高斯噪聲后示波器的顯示加入高斯噪聲后Display的顯示為：圖3-23 加入高斯噪聲后Display的顯示結(jié)論：在編碼器和解碼器模塊間加上高斯噪聲模塊模擬信號(hào)在信道中的傳輸有干涉，所以就有了誤碼率，并且隨著錯(cuò)誤

15、率的增大誤碼率增大。4 結(jié)束語(yǔ)本次課程設(shè)計(jì)，我的任務(wù)是用Simulink來(lái)實(shí)現(xiàn)2ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。開(kāi)始我對(duì)2ASK和Simulink了解特別少，通過(guò)上網(wǎng)搜尋查閱相關(guān)資料，我逐漸認(rèn)知了2ASK調(diào)制解調(diào)原理，弄懂了2ASK與Simulink的關(guān)系，加深了對(duì)通信原理的認(rèn)識(shí)。首先，我知道自己要學(xué)習(xí)的知識(shí)還很多，做這次設(shè)計(jì)的時(shí)候有遇到了很多困難，但是有什么問(wèn)題解決什么問(wèn)題，慢慢地把它完成。其次，我認(rèn)識(shí)到理論運(yùn)用到實(shí)踐的重要性，正所謂“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行”。學(xué)習(xí)任何知識(shí)，僅從理論上去求知，而不去實(shí)踐、探索是不夠的。所以在本學(xué)期學(xué)完通信原理之際，緊接著來(lái)一次通信原理的課程設(shè)計(jì)事很有必要的。這樣不僅加深我們對(duì)通信原理的認(rèn)識(shí)，而且還及時(shí)真正做到了學(xué)以致用。最后，我明白了在學(xué)習(xí)中一定要多想、多問(wèn)、多思考，遇到問(wèn)題首先要自己解決，解決不了的找