通信原理二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)課程設計說明書2ASK系統(tǒng)

1、目 錄1 技術要求12 基本原理12.1 頻帶傳輸?shù)囊饬x12.2 2ask調制12.2.1 基本原理12.2.2 兩種調制法22.2.3 功率譜密度32.3 2ask解調33 建立模型描述43.1 使用systemview實現(xiàn)2ask模型仿真43.2 使用simulink實現(xiàn)2ask模型仿真53.3 使用matlab編程實現(xiàn)2ask模型仿真64 模型組成模塊功能描述或程序注釋74.1 使用systemview實現(xiàn)2ask模型仿真74.1.1 調制模塊74.1.2 信道模塊84.1.3 解調模塊84.2 使用simulink實現(xiàn)2ask模型仿真94.2.1 調制及信道模塊94.2.2 解調模塊1

2、04.3 使用matlab編程實現(xiàn)2ask模型仿真115 調試過程及結論135.1 使用systemview編程實現(xiàn)2ask模型仿真135.1.1 采用模擬相乘法調制，及信道加噪后各點輸出波形135.1.2 采用非相干解調各點輸出波形135.1.3 采用相干解調各點輸出波形145.1.4 模擬調制法與鍵控法比較155.1.5 波形分析155.2 使用simulink編程實現(xiàn)2ask模型仿真165.2.1 模擬調制，相干解調各點輸出波形165.2.2 模擬調制，非相干解調各點輸出波形175.3 使用matlab編程實現(xiàn)2ask模型仿真186 心得體會187 參考文獻19二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設計

3、2ask系統(tǒng)1 技術要求設計一個2ask數(shù)字調制系統(tǒng)，要求：（1）設計出規(guī)定的數(shù)字通信系統(tǒng)的結構； （2）根據(jù)通信原理，設計出各個模塊的參數(shù)（例如碼速率，濾波器的截止頻率等）； （3）用matlab或systemview 實現(xiàn)該數(shù)字通信系統(tǒng)； （4）觀察仿真并進行波形分析； （5）系統(tǒng)的性能評價。2 基本原理2.1 頻帶傳輸?shù)囊饬x實際生活中，大多數(shù)信道因具有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號，因為基帶信號往往含有豐富的低頻分量。因此必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調制，即完成頻譜搬移，以使信號與信道的特性相匹配。常用的調制方法有振幅鍵控（2ask），頻移鍵控（2fsk），相移鍵控(2psk)。這里使用

4、二進制振幅鍵控（2ask）。2.2 2ask調制2.2.1 基本原理2ask是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。其信號表達式為： ，s (t)為單極性數(shù)字基帶信號。其調制過程如圖1所示：圖1 2ask調制過程2.2.2 兩種調制法2ask信號的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調制法和鍵控法。模擬調制法使用乘法器實現(xiàn)，如圖2所示。鍵控法使用開關電路實現(xiàn)，如圖3所示。乘法器s( t ) e0( t ) 濾波器cosc t圖2 模擬調制法也稱 ook 信號 開關 k 的動作由s( t ) 決定，當s( t ) = 10e0( t ) cosc tk0 k 接01 k 接1圖3 鍵

5、控法2.2.3 功率譜密度若設s(t)的功率譜密度為ps（f），2ask信號的功率譜密度為，則由圖4可見，2ask信號的功率譜是基帶信號功率譜的線性搬移，由連續(xù)譜和離散譜組成。fc - fsfcfc + fsfc - fsfc + fsfc圖4 2ask功率譜密度2.3 2ask解調2ask有兩種基本解調方法：相干解調法（同步檢測法）和非相干解調法（包絡檢波法）。相干解調需要將載頻位置的已調信號頻譜重新搬回原始基帶位置，因此用相乘器與載波相乘來實現(xiàn)。為確保無失真還原信號，必須在接收端提供一個與調制載波嚴格同步的本地載波，這是整個解調過程能否順利完好進行的關鍵。解調過程如圖5所示。fcs( t

6、)定時脈沖 帶通 相乘 低通 抽樣判決eo( t )cosc t2fs圖5 相干解調包絡檢波器通常由整流器和低通濾波器組成，可以直接從已調波中提取原始基帶信號，結構簡單，如圖6所示。經(jīng)過各個模塊后波形變化如圖7所示。帶通 整流 低通 抽樣判決判決定時脈沖 s( t ) eo( t ) abcd圖6 非相干解調圖7 非相干解調過程的時間波形3 建立模型描述3.1 使用systemview實現(xiàn)2ask模型仿真systemview是美國elanix公司推出的，基于windows環(huán)境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(token)去描述程序，無需與復雜的程序語言打交道，不用寫一句

7、代碼即可完成各種系統(tǒng)的設計與仿真，快速地建立和修改系統(tǒng)、訪問與調整參數(shù)，方便地加入注釋。利用systemview，可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真。用戶在進行系統(tǒng)設計時，只需從systemview配置的圖標庫中調出有關圖標并進行參數(shù)設置，完成圖標間的連線，然后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結果。在此次設計中，使用systemview實現(xiàn)兩種調制方法和兩種解調方法（相干解調和非相干解調），同時在信道傳輸中加入高斯噪聲。在結果分析中，對使用模擬相乘法調制的信號所進行的兩種不同解調方式的

8、誤碼率，眼圖，功率譜密度做了比較。原理圖如圖8所示。圖8 systemview仿真原理圖3.2 使用simulink實現(xiàn)2ask模型仿真simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，豐富的可擴充的預定義模塊庫。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。simulink被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，si

9、mulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。在此次設計中，使用simulink實現(xiàn)模擬調制法和兩種解調方法（相干解調和非相干解調），同時在信道傳輸中加入高斯噪聲。原理圖如圖9所示。圖9 simulink仿真原理圖3.3 使用matlab編程實現(xiàn)2ask模型仿真在此次設計中，由于對matlab編程不是特別熟練，僅實現(xiàn)了模擬調制，信道加噪，相干解調（僅使用低通濾波）。這里用到的主要函數(shù)有：rand隨機數(shù)產(chǎn)生函數(shù)，ellipord橢圓濾波器階數(shù)選擇函數(shù)，ellip橢

10、圓濾波器產(chǎn)生函數(shù)，filter濾波函數(shù)。使用編程主要是信號的產(chǎn)生和濾波器的編寫，而重中之重是濾波器的設計，如果能設計出較好的濾波器，基本上編程不存在難度。4 模型組成模塊功能描述或程序注釋4.1 使用systemview實現(xiàn)2ask模型仿真4.1.1 調制模塊模擬調制法和鍵控法在systemview上使用的元件如圖10所示。各元器件編號，圖符，名稱，功能及參數(shù)如表1所示。通過參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，1000hz的基帶信號由2000hz的載波進行調制。模擬調制法中，直接將載波與基帶信號相乘，這里載波輸出為cos波形。鍵控法中，設門限為0.5v，由基帶信號控制鍵的方向。當基帶信號值大于0.5v，則輸出載波；

11、否則輸出0（階躍信號值設為0）。圖10 systemview調制模塊表1 systemview調制模塊元件參數(shù)表編號圖符名稱功能參數(shù)21偽隨機序列(pn seq)產(chǎn)生一個按設定速率、由不同電平幅度脈沖組成的偽隨機序列(pn)信號amp=0.5，off=0.5，rate=1000，no=21正弦波(sinusoid)產(chǎn)生一個正弦波：y(t)=asin(2*pi*f+*)amp=1，fre=2000續(xù)表1 systemview調制模塊元件參數(shù)表編號圖符名稱功能參數(shù)2乘法器39階躍函數(shù)（stepfct）產(chǎn)生一個階躍信號amp=0，sta=0，off=05，40，41系統(tǒng)觀察systemviewsys

12、temview的標準觀察窗口，可在系統(tǒng)運行結束后于系統(tǒng)窗口中顯示輸出波形4.1.2 信道模塊 在信道中加入高斯噪聲，如圖11所示。其中編號7為加法器，編號8為高斯噪聲，參數(shù)為con=std，std=0.3v圖11 信道模塊4.1.3 解調模塊解調使用了相干解調和非相干解調兩種方式，如圖12所示。相干解調經(jīng)過帶通相乘低通抽樣判決后輸出。非相干解調經(jīng)過帶通全波整流低通抽樣判決后輸出。圖12 systemview解調模塊各元件具體情況見表2。表2 systemview解調元件參數(shù)表編號圖符名稱功能參數(shù)10帶通濾波器bp=3,low=1000,hi=30001正弦波(sinusoid)提供同步載波am

13、p=1，fre=200023乘法器22緩沖器 buffer判決gate=0，thr=0，true=1，false=012，24低通濾波器bp=3,low=300018，25采樣器sample按設定的采樣率采樣，輸出的結果是輸入信號在采樣寬度內的線性組合sam=100000020，27分析 analysis systemview的基本信號接收器。該接收器平時無顯示，必須進入系統(tǒng)分析窗口才能觀察和分析輸出結果。32，34系統(tǒng)觀察systemviewsystemview的標準觀察窗口，可在系統(tǒng)運行結束后于系統(tǒng)窗口中顯示輸出波形4.2 使用simulink實現(xiàn)2ask模型仿真4.2.1 調制及信道模塊

14、仿真模塊實現(xiàn)模擬調制法：基帶信號與載波相乘，以及信道加高斯噪聲，模塊圖如圖13所示。各元件參數(shù)如表3所示。圖13 simulink調制及信道模塊表3 simulink調制元件參數(shù)表元件名參數(shù)脈沖發(fā)生器（pulse generator1）pul=time，amp=1，per=1，pulse=50正弦波（sine wave）type=time，amp=2，fre=100，pha=pi/2，sam=0.01乘法器（product）高斯噪聲發(fā)生器（gaussian noise generator）var=0.1，ini=41，sam=0.005，out=double4.2.2 解調模塊解調模塊中，相干

15、解調法經(jīng)過相乘器低通抽樣判決后輸出；非相干解調經(jīng)過整流低通抽樣判決后輸出。這里調制信號省略了經(jīng)過帶通濾波器這一環(huán)節(jié)，影響不大。低通濾波器后面整個部分是抽樣判決器。其中，抽樣由同步?jīng)_激信號與解調信號相乘實現(xiàn)，信號值與開關門限值進行比較后，若信號值較大，則輸出1，否則輸出0，這樣就實現(xiàn)了判決功能。原理圖如圖14所示，參數(shù)表如表4所示。圖14 simulink解調模塊表4 simulink解調元件參數(shù)表元件名參數(shù)乘法器（product1,product2,procuct3）整流器（abs1）默認續(xù)表4 simulink解調元件參數(shù)表元件名參數(shù)數(shù)字低通濾波器（digital filter design

16、）type=low，des=fir(win)，spec=10，win=kaiser，units=nor，wc=0.167開關（switch1，switch2）threshold=0.34.3 使用matlab編程實現(xiàn)2ask模型仿真clear;close all;%隨機生成原始信號t=0:0.0001:1-0.0001; %取10000個采樣點f=100; %載波參數(shù)設置carrier=cos(2*pi*f*t);m=500;p=length(t)/m; %每500個點分成一份，共20份randnum=rand(1,p); %產(chǎn)生20個隨機數(shù)signal=zeros(1,length(t);

17、%產(chǎn)生10000個全0序列for i=1:p %將隨機數(shù)判為1或0 if randnum(i)=0.5 randnum(i)=1; else randnum(i)=0; endendfor j=0:p-1; %產(chǎn)生原始信號，共20個碼元 for n=1:m; signal(j*m+n)=randnum(j+1); endend%調制過程ask_signal=carrier.*signal; % 調制信號%信道noise=randn(1,10000)/5; %噪聲生成ask1=ask_signal+noise; %加噪處理%解調過程ask2=ask_signal.*carrier; %與本地載波

18、相乘%低通橢圓濾波器fp=20;fs=80;fs=8000; %通帶截止頻率，阻帶截止頻率rp=1;rs=40; %通帶波動，阻帶衰減wp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fs/fs;n,wn=ellipord(wp,ws,rp,rs); %橢圓濾波器階數(shù)選擇函數(shù)b,a=ellip(n,rp,rs,wn); %橢圓模擬濾波器原型ask_out=filter(b,a,ask2); %濾波%判決器panjue=max(ask_out)/2;for i=0:p-1 if ask_out(i*m+m/2)panjue ask_out1(i*m+1:i*m+m)=1; %判決輸出1 else as

19、k_out1(i*m+1:i*m+m)=0; %判決輸出0 endend%繪圖figure(1)subplot(5,1,1);plot(t,signal);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel(時間/s);ylabel(幅值);title(原始信號);subplot(5,1,2);plot(t,ask_signal);grid on;xlabel( 時間/s);ylabel(幅值);title(調制信號);subplot(5,1,3);plot(t,ask1);grid on;xlabel(時間/s);ylabel(幅值);title(加噪信號);subplot(

20、5,1,4);plot(t,ask_out);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel(時間/s);ylabel(幅值);title(濾波器輸出);subplot(5,1,5);plot(t,ask_out1);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel(時間/s);ylabel(幅值);title(解調信號);5 調試過程及結論5.1 使用systemview編程實現(xiàn)2ask模型仿真5.1.1 采用模擬相乘法調制，及信道加噪后各點輸出波形圖15中顯示的是調制及信道模塊，三個波形分別為基帶信號，模擬調制信號，加噪信號?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過調制后，以載波

21、的“有”和“無”分別表示基帶信號的“1“和“0”。經(jīng)過信道后，出現(xiàn)雜波。為了看清楚，這里對波形圖進行了放大，只截取了部分。圖15 模擬調制及信道模塊各點輸出波形5.1.2 采用非相干解調各點輸出波形圖16中顯示的是非相干解調模塊的輸出，5個波形分別為基帶信號，解調信號，帶通濾波輸出，整流輸出，低通濾波輸出?？梢园l(fā)現(xiàn)解調各點波形與原理中敘述的完全一致，當然具有一定的延遲。從基帶信號與最后解調輸出對比中可以明顯看出，具有延時，但根據(jù)坐標軸顯示為這是0.01秒內的波形，因此經(jīng)過估計延時絕對不大于0.5毫秒。圖16 非相干解調模塊各點輸出波形5.1.3 采用相干解調各點輸出波形圖17顯示的是相干解調模

22、塊輸出，5個波形分別為基帶信號，解調輸出信號，帶通濾波輸出，乘法器輸出，低通濾波輸出。與非相干解調不同的是，相干解調經(jīng)過乘法器，和低通濾波器后，仍存在幅值小于0的點；而非相干解調經(jīng)過整流后，波形幅值全部為正。同樣，解調輸出波形存在延時，但延時不會大于0.5毫秒。圖17 相干解調模塊各點輸出波形5.1.4 模擬調制法與鍵控法比較圖18顯示的是對相同的基帶信號進行模擬調制和鍵控法的對比圖，3個波形分別為基帶信號，模擬調制輸出，鍵控法調制輸出?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，兩種調制方法輸出完全一致，說明使用這兩種調制方法就效果而言沒有差別。圖18 模擬調制和鍵控法輸出波形5.1.5 波形分析圖19是兩種解調方式四次

23、不同基帶輸入的誤碼率比較，這里設置了測試比特數(shù)為2500bit。從中可以發(fā)現(xiàn)，采用相干解調誤碼率較非相干解調要小許多，而這種情況實現(xiàn)的前提是相干解調在接收端能提供一個與調制載波嚴格同步的本地載波。圖19 兩種解調方式的四組誤碼率比較圖20是兩種解調方式各自通過低通濾波器的眼圖，上面的是非相干解調的，下面的是相干解調的。 “眼睛”張開程度基本一致，且都比較端正，可見碼間串擾比較小。圖20 兩種解調方式的眼圖 圖21是分別為非相干解調和相干解調的經(jīng)過低通濾波后的功率譜密度。圖21 兩種解調方式的功率譜密度5.2 使用simulink編程實現(xiàn)2ask模型仿真5.2.1 模擬調制，相干解調各點輸出波形

24、 圖22所示為使用相干解調仿真波形，從上到下依次為基帶信號，調制信號，加噪信號，相乘器輸出，低通濾波輸出，抽樣判決輸出?；旧喜淮嬖阱e判和延時，可見整個系統(tǒng)設計的比較完美。圖22 模擬調制，相干解調波形5.2.2 模擬調制，非相干解調各點輸出波形圖23所示為非相干解調波形，從上到下依次為基帶信號，整流輸出，低通濾波輸出，抽樣判決輸出?；緹o延時，仿真效果較好。圖23 模擬調制，非相干解調波形5.3 使用matlab編程實現(xiàn)2ask模型仿真 圖24是使用matlab編程仿真圖，波形依次為原始信號，調制信號，加噪信號，低通濾波輸出，判決輸出。由于使用的系統(tǒng)和信號都比較簡單，故整個過程不存在額外的干擾。可以看出，除了低通濾波后波形存在衰減，系統(tǒng)仿真結果比較不錯。這也有編程實現(xiàn)本身的特點在里面。圖24 matlab編程仿真圖6 心得體會這是我們第三次做課程設計了，這次我們要在兩個星期內完成兩個課程設計和一個能力拓展訓練，即三份報告，而且要使用基本不會操作的matlab，systemview，labview三種不同的軟件，壓力還是不小的。但是俗話說得好，有壓力就有動力。盡管時間匆忙，但在同學幫助，圖書館借閱相關書籍，網(wǎng)上查閱資料和自己努力下，就2ask設計而言，我成功實現(xiàn)了使用matlab編程，simulink仿真，systemview仿真三種不同的方法，也可以說有些小小的成就感