4ASK载波调制信号的调制解调与性能分析.docx
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4ASK载波调制信号的调制解调与性能分析
题目：
4ASK载波调制信号的调制解调与性能分析
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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。
本次课程设计四进制振幅键控（4ASK）载波调制信号的调制解调与性能分析。
通过对二进制数字信源进行四进制振幅键控（4ASK）数字调制，并画出信号波形及功率谱，分析其性能。
课程设计是在MATLAB上完成软件的设计与仿真的，运用MATLAB语言实现了数字基带信号的4ASK调制的模拟，并得到二进制基带信号和相应得四进制基带信号以及4ASK调制信号的波形显示，给出了整体调制和解调的模块图和仿真波形，通过调试代码，观察2ASK与4ASK的不同，最后根据二进制振幅键控的原理来设计四进制振幅键控的调制与解调两个过程，从而对其性能进行进一步的分析总结。
关键字：
4ASK调制解调MATLAB基带信号
目录
一、前言1
二、工作原理2
2.1MASK调制解调原理分析2
2.24ASK原理分析3
2.2.14ASK信号的表示式3
2.2.24ASK调制解调原理4
2.3运行环境4
三、MATLAB简介5
3.1MATLAB的概况5
3.2MATLAB的语言特点5
四、设计步骤6
4.1载波信号的产生和调制6
4.2调制信号的解调6
4.3调试分析7
五、测试结果及分析8
总结9
附录10
参考文献12
致谢13
一、前言
在二进制数字调制中每个符号只能表示0和1（+1或-1）。
在二进制键控系统中，每个码元知传输1bit信息，其频带利用率不高，而频带资源是极其宝贵和紧缺的。
为了提高频带利用率，最有效的办法是使没一个码元传输多个比特的信息。
在许多实际的数字传输系统中却往往采用多进制的数字调制方式。
第一：
在相同的信道码源调制中，每个符号可以携带
比特信息，因此，当信道频带受限时可以使信息传输率增加，提高了频带利用率。
但由此付出的代价是增加信号功率和实现上的复杂性。
第二，在相同的信息速率下，由于多进制方式的信道传输速率可以比二进制的低，因而多进制信号码源的持续时间要比二进制的宽。
加宽码元宽度，就会增加信号码元的能量，也能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。
本次课程设计的任务是四进制振幅键控（4ASK）数字调制系统仿真和分析。
主要内容是对二进制数字信源进行四进制振幅键控（4ASK）数字调制，画出信号波形及功率谱，并分析其性能。
二、工作原理
2.1MASK调制解调原理分析
多进制数字振幅调制又称多电平振幅调制，它用高频载波的多种振幅去代表数字信息，其信号图如下图1所示：
（b）MASK信号
图1MASK信号图
图2多进制调制与解调
由上图可见，M进制ASK信号是M个二进制ASK信号的叠加。
那么，MASK信号的功率谱便是M个二进制ASK信号功率谱之和。
因此，叠加后的MASK信号的功率谱将与每一个二进制ASK信号的功率谱具有相同的带宽。
实现多电平调制的方框原理如上图所示，它与二进制振幅调制的方框原理非常相似。
不同之处是在发信输入端增加了2－M电平变换，相应在接收端应有M－2电平变换。
另外该电路的取样判决器有多个判决电平，因此多电平调制的取样判决电路比较复杂。
实际系统中，取样判决电路可与M－2电平变换合成一个部件，它的原理类似于A／D变换器。
多电平解调与二进制解调相似，可采用包络解调或同步解调。
多进制数字振幅调制与二进制振幅调制相比有如下特点：
（1）在码元速率相同的条件下，信息速率是二进制的log2M倍。
（2）当码元速率相同时，多进制振幅调制带宽与二进制相同。
（3）多进制振幅调制的误码率通常远大于二进制误码率。
当功率受限时，M越大，误码增加越严重。
（4）多进制振幅调制不能充分利用发信机功率
2.24ASK原理分析
2.2.14ASK信号的表示式
多进制数字幅度调制（4ASK）又称为四电平调制，它是二进制数字幅度调制方式的推广。
四进制幅度调制信号的载波振幅有四种取值，在一个码元期间内发
送其中的一种幅度的载波信号。
MASK已调信号的表示式为：
这里，为M进制数字基带信号；
式中，是高度为1、宽度为的门函数；
有4种取值0,1,2,3，出现的概率分别为P0,P1,P2,P3,且P0+P1+P2+P3=1.
2.2.24ASK调制解调原理
4ASK的基带信号只有“0”、“1”、“2”、“3”四个电平值，它与载波相乘的结果相当于将载波关断，或者接通放大。
它的实际意义是当调制的数字信号为“3”时，假设传输振幅为126个量化单位的载波，则当调制的数字信号分别为“2”、“1”、“0”时，传输振幅分别为84、42、0个量化单位的载波。
其典型波形如图3所示。
图34ASK波形图
对于4ASK的解调，我们采用最高幅值判别的方法，在调制信号中检测出最大幅值，随后根据最大幅值与基带信号的对应关系就可以解调出来。
2.3运行环境
本次课程设计是在MATLAB上完成软件的设计与仿真的，运用MATLAB语言实现了数字基带信号的4ASK调制的模拟，并得到二进制基带信号和相应得四进制基带信号以及4ASK调制信号的波形显示，最后给出了整体调制和解调的模块图和仿真波形。
三、MATLAB简介
3.1MATLAB的概况
MATLAB是一种集成度很高的语言，由于其功能强，使用便捷和使用范围广等特点而被广大科技工作者所接受，已经在教学、科研和工程实际中广泛应用，被一些学者称为是第四代计算机语言。
他用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C语言和Fortran语言的冗长代码，给用户呈现的是最直观、最简洁的程序开发环境。
它提供的各种功能很强的工具箱更是为我们的学习和研究节省了大量的时间和精力。
在Matlab6．1中开发组对通信系统工具箱进行了扩充，这将使人们在进行通信系统方面的实验和研究更加快捷。
3.2MATLAB的语言特点
一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机。
四、设计步骤
4.1载波信号的产生和调制
利用100进制的计算器循环计数，随后将计数的结果作为载波的采样信号的存储地址。
每当计数达到99时，就会产生一个周期的载波，再根据基带信号确定对载波的乘法系数，从而产生所有基带信号所对应的正弦载波。
另外，因为利用可编程逻辑器件，不能产生负电平，且设计系统硬件平台上含有8位的模数转换器，所以设计时产生的载波信号和调制信号都是在127个量化单位的基础上累加的，即在程序中的载波信号y（n）的幅度与0基准电平载波x（n）的幅度有如下关系：
（1）
而调制信号的幅度与载波信号之间的幅度有如下关系：
（2）
式中N＝0，1，2，3，它与基带信号的“0”、“1”、“2”、“3”相对应。
4.2调制信号的解调
利用对调制信号幅值的大小持续检测，可以从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号的最大振幅。
在设计过程中对连续的9个调制信号流进行采样，随后比较是否中间的比两端的大，如果大，说明挑选到了最大振幅。
理论上基带信号“3”、“2”、“1”所对应的最大幅度分别为253（127＋126）、211（127＋84）、169（127＋42）。
在实际设计中，考虑到一定的阈值，当最大幅值大于250时，解调出基带信号“3”，否则当最大幅值大于208时，解调出基带信号“2”，上述条件不满足的时候，解调出基带信号“1”。
当连续检测的9个调制信号流等大的时候，说明此时该调制信号对应的是基带信号的“0”。
载波信号产生器（carry_wave）：
产生对应于基带信号“1”的载波，后续的调制可以方便地利用它进行幅度变换。
调制模块（modulation）：
输入信号为基带信号和载波信号，根据基带信号的变化改变载波信号的幅度，产生4ASK的调制信号。
解调模块（demodulation）：
根据输入的4ASK信号的局部最大幅度，判断对应的基带信号，最终解调出4ASK对应的基带信号。
4.3调试分析
在载波产生和调制方面如果利用级数计算来产生正弦载波，则所耗费的计算量较大。
此处设计时采用了查表法来产生正弦载波，即将一个周期的正弦波通过100点采样得到时域离散信号，随后将采样得到的数据进行存储，若要产生一个周期的正弦波时，就将存的数据依次读出。
如果除了基带信号“0”以外，其它的基带信号所对应的载波都利用查表法来实现，则需求的硬件资源较大，所以设计时采用只产生一个基带信号所对应的正弦波，而其它的基带信号是在该正弦波的基础上进行幅度改变产生的。
因为载波振幅之间的关系存在着3倍关系，而VHDL不能直接计算除以3的运算，所以设计时采用先产生代表基带信号“1”的正弦载波，随后代表基带信号“2”和“3”的载波幅度可以在已产生的载波的前提下分别乘以2和3来产生。
在解调方面利用对调制信号幅值的大小持续检测，可以从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号的最大振幅。
在设计过程中对连续的9个调制信号流进行采样，随后比较是否中间的比两端的大，如果大，说明挑选到了最大振幅。
理论上基带信号“3”、“2”、“1”所对应的最大幅度分别为253（127＋126）、211（127＋84）、169（127＋42）。
在实际设计中，考虑到一定的阈值，当最大幅值大于250时，解调出基带信号“3”，否则当最大幅值大于208时，解调出基带信号“2”，上述条件不满足的时候，解调出基带信号“1”。
当连续检测的9个调制信号流等大的时候，说明此时该调制信号对应的是基带信号的“0”。
五、测试结果及分析
仿真如图5.1所示：
图5.1仿真结果
从图5.1的仿真图形可以看出，4ASK调制解调采用的设计方案是正确的，且解调信号相对基带信号有31个全局时钟信号（clock）周期的延迟。
总结
在为期三周的通信系统综合训练当中我们系统的学习了通信原理相关的知识，通过本次综合训练让我了解了各种4ASK的知识，这次综合训练对将来从事这一工作的同学尤为重要，这等于让我们提前对这方面的知识有了进一步的认识。
在这次综合训练过程中也当遇到了很多实际问题，比如说对有些关于通信知识的缺乏，不过在老师的进一步讲解之后，我们逐步认识和理解了其中的关键，而且又对所学的理论知识有了升华。
同时通过本次训练，加深了我对所学过的各种理论数据的认识和理解，并在一定程度上掌握并会运用。
我还学会了把学到的知识用于解决实际问题，培养、加强锻炼了我的动手实践能力。
更为难得的是，在这次训练过程中，屡屡碰见一些问题，在解决这些问题的过程中，不断加强了我对的理解。
通信原理对于一些自己不清楚，不明白但平时又很难发现的知识点有了一次全面的巩固与复习。
在大学阶段，理论的学习和实践是密不可分的。
离开了实践的理论是没有任何意义可言的。
与此同时，理论是需要伴随着实践才能完善。
同时，在与同学共同在解决一些问题的过程中，提高了我们的团队协作精神。
附录
MATLAB语言
M=4;
>>d=1;
>>t=0:
1/1e3:
0.999;
>>a=randint（1,20,2）;
>>forn=0:
9
>>sym（n+1）=a（2*n+1）*2+a（2*n+2）;
end
>>s=sym（ceil（10*t+0.01））.*cos（2*pi*100*t）;
>>subplot（3,1,1）;
>>plot（t,a（ceil（（100*t+0.1）/5）））;
>>axis（[0,1,-0.2,1.2]）;
>>subplot（3,1,2）;
>>plot（t,sym（ceil（10*t+0.01）））;
>>subplot（3,1,3）;
>>plot（t,s）
%M-ary
M=4;
%Amplitudegap
>>d=1;
%Duration
>>t=0:
1/1e3:
0.999;
>>a=randint（1,20,2）;
>>forn=0:
9
sym（n+1）=a（2*n+1）*2+a（2*n+2）;
end
%MASK
>>s=sym（ceil（10*t+0.01））.*cos（2*pi*100*t）;
%Drawing
>>subplot（3,1,1）;
>>plot（t,a（ceil（（100*t+0.1）/5）））;
>>axis（[0,1,-0.2,1.2]）;
>>subplot（3,1,2）;
>>plot（t,sym（ceil（10*t+0.01）））;
>>subplot（3,1,3）;
>>plot（t,s）;
参考文献
[1]刘学勇.通信系统建模与仿真．电子工业出版社.2011.
[2]孙祥.MATLAB7.0基础教程.清华大学出版社.2005.
[3]上海贝尔阿尔卡特股份有限公司．聚焦3G应用[J]．电信技术，2003，（11）．
[4]陈致樑．中国传统移动运营商3G发展策略研究[J]．当代通信，2004，（15）．
[5]钱国良，蒋纯波．建设有竞争力的3G网络[J]．移动通信，2003，（10）.
[6]樊昌信，曹丽娜。
通信原理.国防工业出版社.2006
致谢
在本次课程设计的过程中，感谢老师和同学们在课程设计上给予我的指导，提供给我的支持和帮助，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。
在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力，体会到了从书本学习与实际应用中的不同，这种感同身受必将对我们今后的学习与生活带来很大的帮助，同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。
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