數(shù)字信號(hào)基帶傳輸系統(tǒng)ask的仿真實(shí)現(xiàn)56

1、摘要在這次綜合訓(xùn)練中，主要運(yùn)用MATLAB集成環(huán)境下的SIMULINK仿真平臺(tái)進(jìn)行ASK頻帶傳輸系統(tǒng)仿真，并把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入到顯示器，根據(jù)顯示器結(jié)果分析設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。在設(shè)計(jì)中，目的主要是仿真通信系統(tǒng)中頻帶傳輸技術(shù)中的ASK調(diào)制。產(chǎn)生一段隨機(jī)的二進(jìn)制非歸零碼的頻帶信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行ASK調(diào)制后再加入加性高斯白噪聲傳輸，在接收端對(duì)其進(jìn)行ASK解調(diào)以恢復(fù)原信號(hào)，觀察還原是否成功。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。關(guān)鍵詞：Simulink；高斯白噪聲；調(diào)制與解調(diào)前言數(shù)字信號(hào)的傳輸方式按其在傳輸中對(duì)應(yīng)的信號(hào)的不同可分為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)和數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)。不使用調(diào)制和解

2、調(diào)而直接傳輸數(shù)字基帶信號(hào)的系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。而數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)或帶通信號(hào)傳輸是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的非常重要部分，通過(guò)調(diào)制來(lái)使信號(hào)與信道特性相匹配從而達(dá)到有效的、可靠的傳輸為目標(biāo)。數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)既可以用于低速數(shù)據(jù)傳輸,而且還可用于中、高速數(shù)據(jù)傳輸，其應(yīng)用很廣泛，因此研究數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)具有非常重要的意義。目 錄第一章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的基本原理11.1數(shù)字調(diào)制概述11.2二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）的基本原理1第二章 基于SIMULINK的2ASK的系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)32.1 ASK調(diào)制與解調(diào)32.2加入高斯白噪聲后的ASK調(diào)制與解調(diào)72.3 誤碼率的計(jì)算11總結(jié)13參考文獻(xiàn)14致 謝15附錄161

3、717 第一章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的基本原理1.1數(shù)字調(diào)制概述數(shù)字調(diào)制就是將數(shù)字符號(hào)變成適合于信道傳輸?shù)牟ㄐ巍Ｋ幂d波一般是余弦信號(hào)，調(diào)制信號(hào)為數(shù)字基帶信號(hào)。利用基帶信號(hào)去控制載波的某個(gè)參數(shù)，就完成了調(diào)制。 調(diào)制的方法主要是通過(guò)改變余弦波的幅度、相位或頻率來(lái)傳送信息。其基本原理是把數(shù)據(jù)信號(hào)寄生在載波的上述三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)上，即用數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)進(jìn)行幅度調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制。數(shù)字信號(hào)只有幾個(gè)離散值，因此調(diào)制后的載波參數(shù)也只有有限個(gè)值，類(lèi)似于用數(shù)字信息控制開(kāi)關(guān)，從幾個(gè)具有不同參量的獨(dú)立振蕩源中選擇參量，為此把數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式稱(chēng)為“鍵控”。數(shù)字調(diào)制分為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻三類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)“移幅鍵控”（ASK

4、）、“移相鍵控”（PSK）和“移頻鍵控”（FSK）三種數(shù)字調(diào)制方式。 “移幅鍵控”又稱(chēng)為“振幅鍵控”（Amplitude Shift Keying），記為ASK，是調(diào)制技術(shù)的一種常用方式。 如果數(shù)字調(diào)制信號(hào)的可能狀態(tài)與二進(jìn)制信息符號(hào)或它的相應(yīng)基帶信號(hào)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，則稱(chēng)其已調(diào)信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)。用二進(jìn)制信息符號(hào)進(jìn)行鍵控，稱(chēng)為二進(jìn)制振幅鍵控，用2ASK 表示。1.2二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）的基本原理在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中，頻帶傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用最為突出。將原始的數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)頻譜搬移，變換為適合在頻帶上傳輸?shù)念l帶信號(hào)，傳輸這個(gè)信號(hào)的系統(tǒng)就稱(chēng)為頻帶傳輸系統(tǒng)。在頻帶傳輸系統(tǒng)中，根據(jù)數(shù)字信號(hào)對(duì)載波

5、不同參數(shù)的控制，形成不同的頻帶調(diào)制方法。幅移鍵控法(ASK)的載波幅度是隨著調(diào)制信號(hào)而變化的，其最簡(jiǎn)單的形式是，載波數(shù)字形式的調(diào)制信號(hào)在控制下通斷，此時(shí)又可稱(chēng)作開(kāi)關(guān)鍵控法(OOK)。本設(shè)計(jì)中選擇正弦波作為載波，用一個(gè)二進(jìn)制基帶信號(hào)對(duì)載波信號(hào)的振幅進(jìn)行調(diào)制，載波在數(shù)字信號(hào)1或0的控制下通或斷，在信號(hào)為l的狀態(tài)載波接通，此時(shí)傳輸信道上有載波出現(xiàn)；在信號(hào)為0的狀態(tài)下，載波被關(guān)斷，此時(shí)傳輸信道上無(wú)載波傳送，調(diào)制后的信號(hào)的頻帶寬度為二進(jìn)制基帶信號(hào)寬度的兩倍，此調(diào)制稱(chēng)為二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)(2ASK，Binary Amplitude Shift Keying)。 數(shù)字幅度調(diào)制又稱(chēng)幅度鍵控（ASK），二進(jìn)制幅

6、度鍵控記作2ASK。2ASK是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波，使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)地輸出。有載波輸出時(shí)表示發(fā)送“1”，無(wú)載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0”。2ASK信號(hào)可用表達(dá)式（1-1）表示如下： （1-1）式中，為載波角頻率，s(t)為單極性NRZ矩形脈沖序列如式(1-2)如下： （1-2）其中，g(t)是持續(xù)時(shí)間、高度為1的矩形脈沖，常稱(chēng)為門(mén)函數(shù)；為二進(jìn)制數(shù)字，則 如下式(1-3)所示： （1-3） 2ASK/OOK信號(hào)的產(chǎn)生方法通常有兩種：（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

7、法。（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。AM信號(hào)的解調(diào)一樣，2ASK/OOK信號(hào)也有兩種基本的解調(diào)方法非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波波法）和相干解調(diào)（同步檢測(cè)法），本次通信訓(xùn)練采用的是相干解調(diào)。 第二章 基于SIMULINK的2ASK的系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)2.1 ASK調(diào)制與解調(diào)整個(gè)ASK的仿真系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)過(guò)程為：首先將信號(hào)源的輸出信號(hào)與載波通過(guò)相乘器進(jìn)行相乘，在接收端通過(guò)帶通濾波器后再次與載波相乘，接著通過(guò)低通濾波器、抽樣判決器，最后由示波器顯示出各階段波形，并用誤碼器觀察誤碼率。在MATLAB下Simulink仿真平臺(tái)構(gòu)建了ASK調(diào)制與解調(diào)仿真

8、電路圖如圖2.1所示：圖2.1 ASK調(diào)制與解調(diào)仿真電路圖 設(shè)信號(hào)源的碼數(shù)率為1B/S,即頻率為1 Hz。參數(shù)設(shè)置如圖2.2所示：圖2.2 信號(hào)源參數(shù)設(shè)置在調(diào)制解調(diào) 系統(tǒng)中，載波信號(hào)的頻率一般要大于信號(hào)源的頻率。信號(hào)源頻率 為1 Hz，所以將載波頻率設(shè)置為6 Hz，由于在載波參數(shù)設(shè)置里，頻率的單位是rad/sec，所以即為12*pi。載波信號(hào)參數(shù)如圖2-3所示：圖2-3 載波信號(hào)參數(shù)設(shè)置低通濾波器的頻帶邊緣頻率與信號(hào)源的頻率相同，前面設(shè)置信號(hào)源頻率為1 Hz，所以對(duì)話框中“Passband edge frequency (rads/sec)：”應(yīng)填“2*pi”。參數(shù)設(shè)置如圖2.4所示： 圖2-

9、4低通濾波器參數(shù)設(shè)置對(duì)于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門(mén)限為a/2(當(dāng)P(1)=P(0)時(shí))，它與接受機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)。當(dāng)接收機(jī)輸入的信號(hào)幅度發(fā)生變化，最佳判決門(mén)限也將隨之改變。抽樣判決器參數(shù)設(shè)置如圖2-5所示：圖2-5抽樣判決器的參數(shù)設(shè)置量化器抽樣頻率等于信號(hào)源頻率。前面已經(jīng)設(shè)置信號(hào)源頻率為1Hz，即抽樣頻率為1Hz，所以對(duì)話框中“Sample time (-1 for inherited):”應(yīng)填“1”。量化器參數(shù)設(shè)置如圖2.6所示：圖2.6量化器參數(shù)設(shè)置設(shè)置好參數(shù)之后，進(jìn)行仿真，由示波器的輸出波形可知，信號(hào)的調(diào)制解調(diào)成功，但存在 1比特的時(shí)延（用時(shí)延時(shí)間乘以采樣量化編碼器的采樣頻率）

10、。因而，誤碼器的可接納時(shí)延為1比特。其參數(shù)設(shè)置如圖2.7所示：圖2.7 誤碼器的參數(shù)設(shè)置經(jīng)過(guò)誤碼器的1比特時(shí)延后，其誤碼率為0，結(jié)果正確。如圖2-8所示： 圖2.8誤碼率的查看輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)后，輸出的各個(gè)波形(從上到下分別是輸入信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)、經(jīng)過(guò)乘法器的解調(diào)信號(hào)、經(jīng)過(guò)低通濾波器的解調(diào)信號(hào)，輸出信號(hào)) 第一路為信號(hào)源模塊波形圖，第二路為ASK調(diào)制后波形圖，第三路為調(diào)制信號(hào)與載波相乘后波形圖，第四路為經(jīng)過(guò)低通濾波器后波形圖，第五路為ASK解調(diào)波形圖。由各波形可看出該ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。如圖2.9所示：圖2.9 各點(diǎn)信號(hào)的波形2.2加入高斯白噪聲后的ASK調(diào)制

11、與解調(diào)整個(gè)加入高斯白噪聲后的ASK仿真系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)過(guò)程為：首先將信號(hào)源的輸出信號(hào)與載波通過(guò)相乘器進(jìn)行相乘，送入加性高斯白噪聲（AWGN）信道中傳輸。在接收端通過(guò)帶通濾波器后再次與載波相乘，接著通過(guò)低通濾波器、抽樣判決器，最后由示波器顯示出各階段波形，并用誤碼器觀察誤碼率。如圖2.10所示：圖2.10 ASK調(diào)制與解調(diào)中加入高斯白噪聲仿真圖高斯白噪聲的抽樣時(shí)間設(shè)置為0.01，如圖2.11所示：圖2.11 高斯白噪聲的參數(shù)設(shè)置帶通濾波器的下頻應(yīng)該等于載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率之差，上頻應(yīng)該等于載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率之和。前面已設(shè)置信號(hào)源頻率為1Hz，載波頻率為6Hz,計(jì)算得上、下截止頻率分別為7H

12、z、5Hz，轉(zhuǎn)換成以rads/sec為單位即為14*pi 、10*pi。所以“Lower passband edge frequency (rads/sec) Upper passband edge frequency (rads/sec)”應(yīng)填“10*pi 、14*pi”。參數(shù)設(shè)置如圖2.12所示：圖2.12 帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置設(shè)置好參數(shù)之后，進(jìn)行仿真，由示波器的輸出波形可知，信號(hào)的調(diào)制解調(diào)成功，但存在0.01秒的時(shí)延，即信號(hào)時(shí)延了2比特（用時(shí)延時(shí)間乘以采樣量化編碼器的采樣頻率）。因而，誤碼器 的可接納時(shí)延為2比特。其參數(shù)設(shè)置如圖2.13所示：圖2.13 誤碼器的參數(shù)設(shè)置 經(jīng)過(guò)誤碼器的2比

13、特時(shí)延后，其誤碼率如圖2.14所示：圖2.14 誤碼率的查看輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)后，輸出的各個(gè)波形(從上到下分別是輸入信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)、經(jīng)過(guò)乘法器的解調(diào)信號(hào)、經(jīng)過(guò)低通濾波器的解調(diào)信號(hào)，輸出信號(hào)) 第一路為信號(hào)源模塊 波形圖，第二路為ASK調(diào)制后的波形圖，第三路為加入高斯白噪聲后的波形圖，第四路為經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的波形圖，第五路為經(jīng)過(guò)帶通濾波器后與載波相乘后的波形圖，第六路為經(jīng)過(guò)低通濾波器后的波形圖，第七路為ASK解調(diào)后的波形圖。在ASK調(diào)制與解調(diào) 中加入高斯白噪聲后，波形出現(xiàn)了失真，解調(diào)也有誤碼存在，系統(tǒng)基本符合設(shè)計(jì)要求。如圖2.15所示：圖2.15 各點(diǎn)信號(hào)的波形2.3 誤

14、碼率的計(jì)算誤碼率是衡量一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng) 性能的重要指標(biāo)。在信道高斯白噪聲的干擾下，各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率取決于解調(diào)器輸入信噪比，而誤碼率表達(dá)示的形式則取決于解調(diào)方式。二進(jìn)制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng),誤碼率與信號(hào)形式(調(diào)制方式),與噪聲的統(tǒng)計(jì)特性,解調(diào)及譯碼判決方式有關(guān)。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng),無(wú)論采用何種方式,何種檢測(cè)方法,其共同點(diǎn)都是隨著輸入信噪比增大時(shí),系統(tǒng)的誤碼率就降低;反之,當(dāng)輸入信噪比減小時(shí),系統(tǒng)的誤碼率就增加。低通濾波濾波器輸出如式(2-1)所示： （2-1）當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)，概率密度函數(shù)如式(2-2)所示： （2-2）當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)，概率密度函數(shù)如下式(2-3)示： （2-3）

15、發(fā)送1碼元，接收為0碼元的錯(cuò)誤概率則如下式(2-4)示： （2-4）發(fā)送0碼元，接收為1碼元的錯(cuò)誤概率如式(2-5)示： （2-5）其中 總的誤碼率則如下式(2-6)所示： （2-6）當(dāng)P(0)=P(1)時(shí)，總的誤碼率由式(2-7)所示： （2-7）根據(jù)信噪比與誤碼率的關(guān)系式，可以繪制出信噪比-誤碼率理論關(guān)系曲線圖。如圖3.22和圖3.23所示：圖3.22信噪比-誤碼率的理論曲線圖圖3.22信噪比-誤碼率的實(shí)際曲線圖與信噪比-誤碼率理論關(guān)系曲線圖相比較類(lèi)似，由上圖可以看出：隨著輸入信噪比增大，系統(tǒng)的誤碼率降低；反之，當(dāng)輸入信噪比減小時(shí),系統(tǒng)的誤碼率就增加。符合理論要求，所以此圖繪制正確，達(dá)到預(yù)

16、想結(jié)果?？偨Y(jié)數(shù)字調(diào)制用基帶數(shù)字信號(hào)控制高頻載波,把基帶數(shù)字信號(hào)變換為頻帶數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。已調(diào)信號(hào)通過(guò)信道傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端通過(guò)解調(diào)器把頻帶數(shù)字信號(hào)還原成基帶數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)的反變換稱(chēng)為數(shù)字解調(diào)，把包含調(diào)制和解調(diào)過(guò)程的傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸系統(tǒng)。在這次綜合訓(xùn)練中，我采用單極性NRZ作為信號(hào)源的原始信號(hào)，載波信號(hào)采用6Hz的正弦波。在仿真過(guò)程中，低通濾波器的參數(shù)難以設(shè)置，仿真圖有點(diǎn)失真，通過(guò)幾次不斷的調(diào)制才使仿真圖和原始信號(hào)相符。在2ASK信號(hào)的解調(diào)過(guò)程中，我對(duì)量化器和抽樣判決器的參數(shù)設(shè)置有點(diǎn)不理解，所以經(jīng)過(guò)查看資料不斷完善，才解調(diào)出正確的原始信號(hào)。在加入高斯白噪聲時(shí)，信號(hào)失真，

17、信噪比越大，系統(tǒng)的誤碼率越?。恍旁氡仍酱?，系統(tǒng)的誤碼率越小。通過(guò)這次綜合訓(xùn)練中，我對(duì)通信系統(tǒng)的仿真有了很大的了解，掌握的設(shè)計(jì)的方法和思路，提高了對(duì)系統(tǒng)的分析能力和解決能力。在這次綜合訓(xùn)練匯總，我也遇到了許多的困難，如參數(shù)的設(shè)置，如何將不同的功能框圖整合一起以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能等。參考文獻(xiàn)1張圣勤.MATLAB7.0實(shí)用教程. 北京：機(jī)械工程出版社,20062 桑林，郝建軍，劉丹譜.數(shù)字通信.北京：北京郵電大學(xué)出版社,20073 樊昌信，曹麗娜.通信原理.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,20094 徐遠(yuǎn)明. MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社,20055 邵玉斌.Mat

18、lab/Simulink通信原理建模與仿真實(shí)例分析m.北京：清華大學(xué)出版社，2008.6 賈秋玲，袁冬莉，欒云鳳. MATLAB7.X/Simulik/Stateflow系統(tǒng)仿真、分析及設(shè)計(jì)m.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006.7 JohnG.Proakis.通信系統(tǒng)工程（第二版）m.北京：電子工業(yè)出版社.20078 達(dá)新宇，陳樹(shù)新，王瑜，林家薇。通信原理教程m.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005致 謝 在整個(gè)仿真過(guò)程中我遇到了很多現(xiàn)實(shí)而且棘手的問(wèn)題，比如許多模塊參數(shù)難以正確設(shè)置，而由此導(dǎo)致的波形失真等問(wèn)題，但是通過(guò)上網(wǎng)查找資料和咨詢同學(xué)能夠讓我更好的完成此次課設(shè)。我要感謝所有曾經(jīng)教導(dǎo)過(guò)我的

19、老師和關(guān)心過(guò)我的同學(xué)，他們?cè)谖页砷L(zhǎng)過(guò)程中給予了我很大的幫助。本文能夠成功地完成，要特別感謝指導(dǎo)老師的關(guān)懷和教導(dǎo)。 本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程曲折可謂一語(yǔ)難盡。在此期間我也失落過(guò)，也曾一度熱情高漲。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見(jiàn)證著收獲。非常感謝各位老師的指導(dǎo)，在老師的身上我們學(xué)到的不僅僅是知識(shí)的層面，更重要的是老師追求知識(shí)的熱情，以及對(duì)本身工作嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，讓我受益匪淺。 雖然我在設(shè)計(jì)中碰到的很多個(gè)人困難，但在這些困難面前，我卻越來(lái)越有耐心地去解決。完成一個(gè)設(shè)計(jì)會(huì)讓我們自己獲益匪淺，理論用于指導(dǎo)實(shí)踐，也必須應(yīng)用于實(shí)踐。必須自己動(dòng)腦動(dòng)手，這樣加深了對(duì)知識(shí)的理解，也能使自己對(duì)知識(shí)的運(yùn)用更加?jì)故臁Ｍ瑫r(shí)，也多

20、虧了眾多同學(xué)和老師的幫助。特別是在陳老師的耐心指導(dǎo)下，我解決了很多問(wèn)題。同時(shí)，我也在陳老師的身上學(xué)到了許多有用的知識(shí)和設(shè)計(jì)的思路，在此我表示十分感謝！由衷地感謝各位給我?guī)椭耐瑢W(xué)和老師！附錄rs=1e3;%時(shí)間軸頻率步進(jìn)fc=1e2;%載波頻率100HZtzd=1e2;%1個(gè)碼元用100個(gè)點(diǎn)模擬t=0:1/rs:(tzd-1/rs);for snrb=0:1:10 %不同信噪比 ratio=0;%初始誤碼數(shù)設(shè)為0，累計(jì)十次得到總誤碼數(shù) for k=1:10 %十次循環(huán)產(chǎn)生10000碼元n=1e3;%一次產(chǎn)生碼元數(shù)g=randint(1,n);%產(chǎn)生1000個(gè)碼元tz=g(ceil(10*t+(1/rs).*cos(2*pi*fc*t);%得到調(diào)制信號(hào)tz，100個(gè)點(diǎn)表示1個(gè)碼元 signal=awgn(tz,snrb);%信號(hào)通過(guò)白噪聲信道 Fs=1e3;%采樣頻率 b,a=butter(2,80,120*2/Fs);%設(shè)計(jì)巴特沃斯帶通濾波