基于MATLAB的2ASK頻帶傳輸系統(tǒng)仿真與性能分析匯總

基于MATLAB的ASK頻帶傳輸統(tǒng)仿真與性能分析學(xué)生姓名：xxx指導(dǎo)老師：xx摘要本課程設(shè)計(jì)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。設(shè)計(jì)中，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)制非歸零碼的基帶信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行ASK調(diào)制后再送入加性高斯白噪聲（AWGN）信道傳輸，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，改變AWGN信道的信噪比，計(jì)算傳輸前后的誤碼率，繪制信噪比-誤碼率曲線，并與理論曲線比較進(jìn)行說明。關(guān)鍵詞Simulink；ASK調(diào)制；高斯白噪聲（AWGN）；信噪比-誤碼率1引言這個(gè)課程設(shè)計(jì)主要的主要目的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)。通信原理是通信工程專業(yè)的一門骨干的專業(yè)課，是通信工程專業(yè)后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)。隨著國(guó)際社會(huì)和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，通信對(duì)人們的生活方式和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生更加重大和深遠(yuǎn)影響，對(duì)于本專業(yè)學(xué)生來說掌握通信原理課程的知識(shí)可使學(xué)生打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，可提高處理通信系統(tǒng)問題能力和素質(zhì)。設(shè)計(jì)或分析一個(gè)簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)，有助于加深對(duì)通信系統(tǒng)原理及組成的理解，便于應(yīng)用于以后再工作中。1.1設(shè)計(jì)目的通過設(shè)計(jì)基于MATLAB/Simulink的ASK頻帶傳輸系統(tǒng)仿真與性能分析，讓我深入理解和掌握二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制通信系統(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。是學(xué)習(xí)者對(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)。設(shè)計(jì)或分析一個(gè)簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)，可以進(jìn)一步理解通信系統(tǒng)的基本組成、模擬通信和數(shù)字通信的基礎(chǔ)理論、通信系統(tǒng)發(fā)射端信號(hào)的形成及接收端信號(hào)解調(diào)的原理、通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸質(zhì)量的檢測(cè)等方面的相關(guān)知識(shí)。1.2設(shè)計(jì)平臺(tái)MATLAB是美國(guó)MathWorks公司生產(chǎn)的一個(gè)為科學(xué)和工程計(jì)算專門設(shè)計(jì)的交互式大型軟件，是一個(gè)可以完成各種精確計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強(qiáng)大的計(jì)算工具。它集圖示和精確計(jì)算于一身，在應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化工、機(jī)電工程、醫(yī)藥、金融和其他需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)值計(jì)算的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它不僅是一個(gè)在各類工程設(shè)計(jì)中便于使用的計(jì)算工具，而且也是一個(gè)在數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和工程計(jì)算等課程教學(xué)中的優(yōu)秀的教學(xué)工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各類工業(yè)應(yīng)用中更有不俗的表現(xiàn)。MATLAB可以在幾乎所有的PC機(jī)和大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，適用于Windows、UNIX等各種系統(tǒng)平臺(tái)[1]。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink[2]。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。2.2二進(jìn)制振幅鍵控原理（2ASK）數(shù)字幅度調(diào)制又稱幅度鍵控（ASK），二進(jìn)制幅度鍵控記作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”，無載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0”。2ASK信號(hào)可表示為（2-1）式中，為載波角頻率，s(t)為單極性NRZ矩形脈沖序列（2-2）其中，g(t)是持續(xù)時(shí)間、高度為1的矩形脈沖，常稱為門函數(shù)；為二進(jìn)制數(shù)字（2-3）2ASK/OOK信號(hào)的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制（相乘器法）和鍵控法。本課程設(shè)計(jì)運(yùn)用模擬幅度調(diào)制的方法，用乘法器實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)制如圖2-3：乘法器乘法器圖2-3模擬相乘法 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)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）。本課程設(shè)計(jì)要求的是相干解調(diào)，如圖2-4：抽樣判決器低通濾波器相乘器帶通濾波器輸出抽樣判決器低通濾波器相乘器帶通濾波器定時(shí)脈沖圖2-4相干解調(diào)方式3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1ASK調(diào)制整個(gè)ASK的仿真系統(tǒng)的調(diào)制首先將信號(hào)源的輸出信號(hào)與載波通過相乘器進(jìn)行相乘，由示波器顯示出各階段波形。在MATLAB下Simulink仿真平臺(tái)構(gòu)建了ASK調(diào)制原理圖如圖3-1所示：圖3-1ASK調(diào)制電路圖數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)據(jù)設(shè)置：基帶碼元傳碼率設(shè)為4Baud，基帶信號(hào)設(shè)置為二進(jìn)制單極性信號(hào)數(shù)據(jù)設(shè)置如圖3-2。圖3-2基帶信號(hào)數(shù)據(jù)設(shè)置由于信號(hào)經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳送時(shí)，信號(hào)頻率越高，信號(hào)傳送的更遠(yuǎn)，因此在信號(hào)調(diào)制過程中，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4Hz，所以將載波頻率設(shè)置為8Hz，參數(shù)設(shè)置如圖3-3。由于在載波參數(shù)設(shè)置里，頻率的單位是rad/sec，所以即為16*pi。實(shí)際上載波頻率遠(yuǎn)大于信號(hào)院頻率，這樣設(shè)置只是為了更清晰的觀察調(diào)制信號(hào)波形，了解產(chǎn)生原理。圖3-3載波信號(hào)參數(shù)設(shè)置對(duì)信號(hào)源和載波參數(shù)設(shè)置好后，進(jìn)行仿真，得到仿真波形圖如圖3-4所示。圖3-4調(diào)制產(chǎn)生2ASK波形3.2ASK調(diào)制與解調(diào)未加噪聲的ASK信號(hào)產(chǎn)生和解調(diào)原理總圖如圖3-5所示。圖3-5ASK調(diào)制與解調(diào)仿真電路圖低通濾波器（Filtertype為L(zhǎng)owpass）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4Hz，所以對(duì)話框中“Passbandedgefrequency(rads/sec)：”應(yīng)填“8*pi”。參數(shù)設(shè)置如圖3-6所示。圖3-6低通濾波器數(shù)據(jù)設(shè)置 抽樣保持器的抽樣保持時(shí)間應(yīng)該設(shè)為0.25，與基帶信號(hào)周期時(shí)間一致如圖3-7。圖3-7抽樣保持器參數(shù)設(shè)置對(duì)于2ASK系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送“0”和“1”概率相等時(shí)，判決器的最佳判決門限為a/2，它與接受機(jī)輸信號(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，最佳判決門限也將隨之改變。抽樣判決器參數(shù)設(shè)置如圖3-8所示：圖3-8抽樣判決器的參數(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）。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3-9所示：圖3-9誤碼器的參數(shù)設(shè)置經(jīng)過誤碼器的1比特時(shí)延后，其誤碼率為0，結(jié)果正確。如圖3-10所示：圖3-10查看誤碼率未加噪聲的ASK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)過程中各過程的波形如圖3-11所示。圖3-11信號(hào)調(diào)制與解調(diào)過程各波形3.3加入高斯白噪聲后的ASK調(diào)制與解調(diào)加性高斯白噪聲（AWGN）在信道中傳輸。故在加載在接收端之前，然后通過帶通濾波器后再次與載波相乘，接著通過低通濾波器、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3-12所示。圖3-12ASK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3-13所示圖3-13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4Hz，載波頻率為8Hz,計(jì)算得上、下截止頻率分別為4Hz、12Hz，轉(zhuǎn)換成以rads/sec為單位即為8*pi、24*pi。參數(shù)設(shè)置如圖3-14所示：圖3-14帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置在ASK調(diào)制與解調(diào)中加入高斯白噪聲后各波形圖，如圖3-15。由圖可知在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（原理圖中Display顯示40各碼元里出現(xiàn)了4各誤碼），系統(tǒng)基本符合設(shè)計(jì)要求。圖3-15各點(diǎn)信號(hào)的波形3.4誤碼率的計(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)。數(shù)字通信系統(tǒng)中信道噪聲有可能是碼元產(chǎn)生錯(cuò)誤，因此分析數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能也就是求系統(tǒng)在信道噪聲的干擾下的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[4]。ASK調(diào)制與解調(diào)中計(jì)算誤碼率仿真圖如圖3-12所示：在繪制信噪比-誤碼率關(guān)系曲線圖之前，先將源程序創(chuàng)建M文件，將仿真圖及M文件放入MATLAB軟件的work文件夾下，并重新設(shè)置高斯噪聲和誤碼器模型參數(shù)。高斯白噪聲的“Variance（vectorormatrix）”應(yīng)該設(shè)置為“var”。如圖3-16所示。圖3-16高斯白噪聲的參數(shù)設(shè)置誤碼器“Outputdata”應(yīng)該設(shè)置為“workspace”。如圖3-17所示。圖3-17誤碼器的參數(shù)設(shè)置2ASK信號(hào)采用相干解調(diào)時(shí)系統(tǒng)誤碼率Pb為Pb=（3-1）式中：r=，為解調(diào)器的信噪比。根據(jù)信噪比與誤碼率的關(guān)系式，在Matlab編輯運(yùn)行代碼如圖3-18所示，由此可以繪制出信噪比-誤碼率理論關(guān)系曲線圖3-19。圖3-18信噪比-誤碼率的計(jì)算代碼圖3-19信噪比-誤碼率的理論關(guān)系曲線圖根據(jù)信噪比與誤碼率的關(guān)系式，用Matlab中命令行窗口執(zhí)行Sim（‘chenjunjie.mld’）,執(zhí)行仿真可以繪制出信噪比-誤碼率理論和實(shí)際的關(guān)系曲線圖如圖3-21。源程序見附錄Ⅰ，所需M文件如圖3-20。圖3-20理論和實(shí)際信噪比-誤碼率的代碼圖3-21信噪比-誤碼率的理論和實(shí)際關(guān)系曲線圖與信噪比-誤碼率理論關(guān)系曲線圖相比較類似，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。4出現(xiàn)的問題及解決方法在本次課程設(shè)計(jì)過程出現(xiàn)的主要問題是運(yùn)用Matlab工具進(jìn)行仿真和建模，雖然存在問題，但好在同學(xué)們都積極討論，及向老師請(qǐng)教老師，查找資料等，產(chǎn)生的問題順利解決，大致產(chǎn)生的問題如下：剛開始作圖是，載波波形不平滑、不規(guī)則。解決辦法：在菜單欄里打開Simulation里的ConfigurationParameters欄，對(duì)Select里面的DataImport/Export的Refinefactor數(shù)據(jù)設(shè)置改大即可完善示波器里現(xiàn)實(shí)的波形。用放大器觀察示波器波形后，原理圖有的連線會(huì)顯示虛紅現(xiàn)象。解決方法：雙擊示波器，將General中的FloatingScope框里的‘√’去除掉，再重新運(yùn)行Simulink觀察示波器即可看到準(zhǔn)確圖形。3、用誤碼器觀察誤碼情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)誤碼率很大，而在同時(shí)觀察示波器波形時(shí)發(fā)現(xiàn)解碼時(shí)正確的，只是有一個(gè)碼元時(shí)間的延遲。解決方法：鼠標(biāo)雙擊誤碼器圖標(biāo)，對(duì)其延時(shí)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間可通過波形圖調(diào)節(jié)。在誤碼率計(jì)算理論值與實(shí)際值的過程中，M文件的放置、實(shí)際誤碼率運(yùn)行、代碼編寫等方面經(jīng)常出新運(yùn)行錯(cuò)誤等現(xiàn)象。解決辦法：查找資料，詢問老師，不斷地調(diào)試。5結(jié)束語(yǔ)為期十幾天的課程設(shè)計(jì)將要結(jié)束了。在這兩周的學(xué)習(xí)中，我學(xué)到了很多，也找到了自己身上的不足。感受良多，獲益匪淺。在課程設(shè)計(jì)的過程中，經(jīng)歷了奮斗的酸甜苦辣和成功的喜悅。這次的課程設(shè)計(jì)對(duì)個(gè)人來說都是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谝郧笆菑奈醋鲞^課程設(shè)計(jì)的。本次課程設(shè)計(jì)然我更加我了解到了通信的原理。對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生與傳輸過程理解更加透徹，這次課程設(shè)計(jì)中運(yùn)用仿真設(shè)計(jì)，建立通信模塊，熟練掌握仿真設(shè)計(jì)這對(duì)于我們專業(yè)的學(xué)生來說是非常重要。仿真設(shè)計(jì)為我們方便研究通信過程提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，我們可以很快建模，并快速發(fā)現(xiàn)和解決問題，這樣就可以提高效率，節(jié)約投資，縮短開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間。所以，了解和掌握通信系統(tǒng)仿真對(duì)于通信專業(yè)學(xué)生而言非常的重要。另外這次課程設(shè)計(jì)同時(shí)讓我更加熟練了World文檔的運(yùn)用！在做課程設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作的時(shí)候，收集好課程設(shè)計(jì)相關(guān)的資料，由于是將理論知識(shí)實(shí)際化，然而我對(duì)Matlab軟件里的仿真工具不是很熟，初次接觸，由于對(duì)新知識(shí)的渴望，還是滿懷信心，當(dāng)實(shí)際操作起來，問題好多，幸好有老師的指點(diǎn)，讓我對(duì)仿真平臺(tái)運(yùn)用的更加熟練。在做波形仿真的過程中，對(duì)各元器件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候，自己心里想的，會(huì)在波形圖上得到表現(xiàn)，讓自己對(duì)本學(xué)期所學(xué)的知識(shí)更加的感興趣了，對(duì)信號(hào)的調(diào)制過程中，得到正確的波形圖時(shí)就會(huì)產(chǎn)生以前在做計(jì)算機(jī)編程運(yùn)行成功后的那種成就感！由于自己的課題和幾個(gè)同學(xué)相似，因此，和同學(xué)交流是促成課程設(shè)計(jì)完成的一個(gè)很好條件，同學(xué)都對(duì)課題很用心，吃飯、走路時(shí)也聽得到他們談?wù)撜n程設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。雖然是個(gè)體課程設(shè)計(jì)，但我卻深深地感受到了團(tuán)體合作的快樂。兩周左右的時(shí)間，對(duì)這次課程設(shè)計(jì)，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。這次課程設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多在課堂上學(xué)不到的東西，比如獨(dú)立思考問題的能力、差錯(cuò)分析能力、與人合作的能力，我受益匪淺，我相信這對(duì)我未來工作學(xué)習(xí)會(huì)有很大幫。雖然做這次課程設(shè)計(jì)中常常出現(xiàn)錯(cuò)誤，受過挫折，但有句話不是說挫折是一種財(cái)富，經(jīng)歷是一種擁有么！總的來說，課程設(shè)計(jì)完成了，或多或少有些地方仍存在問題，但經(jīng)歷了，挫敗過，高興過，我相信，這次課程設(shè)計(jì)一定會(huì)是我人生路途上非常美好的會(huì)回憶。參考文獻(xiàn)[1] 鄧華.MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解北京