通信原理综合实验数字频带传输系统的仿真报告解析.docx

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通信原理综合实验数字频带传输系统的仿真报告解析

课程名称数字通信综合实验

题目数字频带传输系统的仿真

专业电子信息工程

班级

学号

姓名

指导教师

地点

时间：

2015年7月04日至2015年7月08日

摘要

此次课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台对2ASK频带传输系统仿真，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示器结果分析设计的系统性能。

在设计中，目的主要是仿真通信系统中频带传输技术中的ASK调制。

产生一段随机的二进制非归零码的频带信号，对其进行ASK调制后再加入加性高斯白噪声传输，在接收端对其进行ASK解调以恢复原信号，观察还原是否成功。

通过Simulink的仿真功能摸拟到了实际中的2ASK调制与解调情况。

关键词：

Simulink；高斯白噪声；调制与解调

第1章前言4

1.设计平台4

2. Simulink5

第2章 通信技术的历史和发展 7

2.1通信的概念 7

2.2 通信的发展史简介 9

2.3通信技术的发展现状和趋势 9

 第3章 2ASK的基本原理 10

3.1 2ASK定义 10

3.2 2ASK的调制 11

3.3 2ASK的解调 11

第4章2ASK频带系统设计方案 12

4.1仿真系统的调制与解调过程 12

4.2 SIMULINK下2ASK系统的设计12

第5章仿真结果分析17

第6章出现的问题及解决方法 23

第7章总结24

参考文献25

第1章前言

在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。

将原始的数字基带信号，经过频谱搬移，变换为适合在频带上传输的频带信号，传输这个信号的系统就称为频带传输系统。

在频带传输系统中，根据数字信号对载波不同参数的控制，形成不同的频带调制方法。

幅移键控法（ASK）的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波数字形式的调制信号在控制下通断，此时又可称作开关键控法（OOK）。

本设计中选择正弦波作为载波，用一个二进制基带信号对载波信号的振幅进行调制，载波数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送，调制后的信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍，此制称为二进制振幅键控信号。

数字调制就是对基带数据信号进行变换，实现信号频谱的“搬移”数据的发送端进行搬移的过程称作“调制”，在称作调制器的设备中完成。

在数据的接收端，有一个相反的变换被称作“解调”的过程，解调过程在称作解调器的设备中完成。

经过调制的后的信号在一个很高的频段上占有一定的带宽，由于所处频段很高，使得其最高频率和最低频率的相对偏差变小（最高频率和最低频率的比值略大于1），这样的信号称为频带信号或射频信号，相应的传输系统称作频带传输系统。

 数字频带传输系统或带通信号是现代通信系统的非常重要部分，通过调制来时信号与信道特新相匹配从而达到效果、传输为目的。

数字频带传输系统既可用于低速数据信道，而可以用于中、高速数字信道，其应用很广泛，因此研究数字频带传输系统具有非常重要的义。

理解和掌握二进制数字调制通信系统的各个关键环节，包括调制、解调、滤波、传输、噪声对通信质量的影响等。

在数字信号处理实验课的基础上更加深入的掌握数字滤波器的设计原理及实现方法。

是学习者对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。

设计或分析一个简单的通信系统，可以进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识。

1.设计平台 

MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。

它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到广泛应用。

它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的计算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。

MATLAB可以在几乎所有的PC机和大型计算机上运行，适用于Windows、UNIX等各种系统平台[1]。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink[2]。

  Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI） ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

模型化图形输入是指Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析[3]。

2. Simulink

2.1 Simulink工作环境 

（1）模型库 

在MATLAB命令窗口输入“Simulink”并回车，就可进入Simulink模型库单击或工具栏上的

按钮也可进入。

Simulik模块库按功能进行分为以下8类子库：

Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。

Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构Simulink子模型库中包含了

Continous、Discontinus等下一级模型库Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。

图2-1 Simulink工具箱 

（2）设计仿真模型 

在MATLAB子窗口或Simulink模型库的菜单栏依次选择“File” | “New” | “Model”，即可生成空白仿真模型窗口 

图2-2 新建仿真模型窗口 

 （3）运行仿真 

两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：

在菜单栏中依次选择"Simulation" | "Start" 或在工具栏上单击

。

命令行方式：

输入“sim”启动仿真进程 。

比较这两种不同的运行方式：

菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。

命令行方式启动模型后，不能观察仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式。

第2章 通信技术的历史和发展 

2.1通信的概念 

    通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。

消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息（Message）。

消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。

所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。

所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。

相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。

数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。

通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息（Information） 。

消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。

通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。

通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。

当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。

通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿（受信者） ，它的一般模型如图1.1所示。

               信息源→发送设备→信道→接收设备→收信者                                 ↑                              噪声源                       

                      图1.1通信系统一般模型  

通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。

数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1.2所示， 

信息源→调制器→信道→解调器→受信者

                                     ↑ 

  噪声源 

                        图1.2 模拟通信系统模型  

    数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。

因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。

近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。

2.2 通信的发展史简介 

远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。

为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。

1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。

1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。

1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。

1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。

20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。

在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。

数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。

2.3通信技术的发展现状和趋势 

进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。

特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。

（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。

移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。

（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。

（4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。

（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。

例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。

根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。

随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。

随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。

到那时人们的生活将越来越离不开通信。

 第3章 2ASK的基本原理 

3.1 2ASK定义 

     振幅键控是正弦载波的幅度随着数字基带信号而变化的数字调制，当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控.。

设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。

该二进制符号序列可表示

其中：

 

î

                                             （2-1）

Ts是二进制基带信号时间间隔，g（t）是持续时间为Ts的矩形脉冲：

则二进制振幅键控信号可表示为：

  

 （2-2）

二进制振幅键控信号时间波型如图2.1所示，可以看出2ASK信号的时间波形S2ASK（t）随二进制基带信号s（t）通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。

图3.1 2ASK信号时域波形

3.2 2ASK的调制 

二进制振幅键控信号的产生方法有两种。

第一种，2ASK信号可视为S（t）与载波的乘积，故用模拟乘法器实现其调制，成为“乘积法”。

第二种，2ASK信号的特征是对载波的“通—断键控”，用一个模拟开关作为调制载波的输出通/断控制门，由二进制序列S（t）控制门的通断：

S（t）=1时开关导通，S（t）=0时开关截止，这种调制方法成为“通—断键控法”。

2ASK“乘积法”调制的原理框图如图2.2所示， “通—断键控法”调制的原理框图如图2.3所示。

        图3.2  2ASK调制乘积法 

图3.3  2ASK调制通断键控法 

3.3 2ASK的解调 

由图2.1可以看出2ASK信号与模拟调制中的AM信号类似，所以对2ASK信号也能够采用非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。

2ASK非相干解调原理框图与相干解调原理框图分别如下图2.4、图2.5所示：

图3.4 2ASK信号非相干解调原理框

图3.5 2ASK信号相干解调原理框图

第4章2ASK频带系统设计方案 

4.1仿真系统的调制与解调过程 

首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，在接收端通过带通滤波器后再通过product相乘器，接着通过抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。

信源采用的是Bernoulli Binary Generator产生频率为4Hz的随机二进制单极性不归零码，调制的目的一是将信号频谱搬移到适合信道传输的区域，二是实现信道频分复用。

在本设计中，振荡电路是由Sine Wave产生8Hz的正弦信号作为载波，并用模拟调制方法。

信道采用加性高斯白噪声信道，加性高斯白噪声（AWGN）从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。

解调方式采用包络检波，优点是易于物理实现。

抽样判决采用Relay模块。

4.2 SIMULINK下2ASK系统的设计 

分别说明信源、调制过程、解调过程、信道、抽样判决器的建模方法，及选用的simulink模块及相应的参数设置情况，最后给出总的模型图将信号源的码数率设为0.25B/S,即频率为4Hz。

参数设置如图4.1所示：

图4.1 信号源参数设置

在调制系统中，载波信号的频率一般要大于信号源的频率。

信号源频率为

4 Hz，所以将载波频率设置为8Hz，波形为sine，幅值为2。

载波信号参数如图4.2所示：

图4.2 载波信号参数设置

调制选择模拟调制法，将信号与载波通过Product相乘器。

如下图所示：

图4.3Product相乘器

信道采用加性高斯白噪声，信道如图4.4所示：

图4.4 高斯白噪声信道参数设置

解调采用相干解调法，先通过带通滤波器，经过调试其参数设置如图4.5所示：

         图4.5带通滤波器参数设置

 在通过product相乘器，其中低通滤波器的参数设置如图4.6所示：

图4.6 低通滤波器参数设置

由于信号功率在经过一系列传送之后变小，所以在抽样判决器前加一个增益，抽样判决采用Relay模块，参数设置如图4.7所示：

图4.7抽样判决器参数设置

在MATLAB下Simulink仿真平台构建了ASK调制与解调仿真电路图如图4.8所示：

图4.8 ASK调制与解调反正电路

第5章仿真结果分析

 给出模型图中各点输出时域波形，对结果进行分析；分别对发送信号和接收信号的功率谱进行估计，对比其结果；统计传输过程的误码率并分析造成误码的原因

图5.1  调制后的波形

 上图从上到下依次是原始信号波形、载波信号的波形、经信道发送后的波形、经过带通滤波器滤波后的波形、经过product相乘器的波形、经过低通滤波器后的波形、经过抽样判决器的波形，其中经信道发送后有毛刺，这些毛刺说明有噪声。

图5.2  调制后的信号

从上到下依次是原始信号的波形、调制后的信号波形。

通过观察可知解调后的信号与信源波形基本相同但有一定的延时，时延是差不多是1个比特。

图5.3  调制解调后的频谱

上述频谱依次是原始信号波形、载波信号波形、经过调制后的波形、经过调制解调后的波形所对应的功率谱。

由图可知，原信号经过调制将频谱搬移到2Hz，经过解调后搬到原来的频谱，经过调制解调后有失真产生。

误码产生原因有：

信道噪声，滤波器不理想，判决门限设置不合适。

眼图，是由于示波器的余辉作用，将扫描所得的每一个码元波形重叠在一起，从而形成眼图。

其是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。

观察眼图的方法是：

用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼图”。

眼图中包含了丰富的信息，从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响，体现了数字信号整体的特征，从而可以估计系统优劣程度，因而眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。

另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰，改善系统的传输性能。

眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱。

“眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。

当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。

若同时存在码间串扰，“眼睛”将张开得更小。

与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。

噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。

眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：

可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。

（1）最佳抽样时刻应在“眼睛”张开最大的时刻。

（2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。

斜率越大，对定时误差就越灵敏。

（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。

（4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。

（5）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。

（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。

该ASK调制与解调的系统的眼图如图5.4所示，由该眼图可知该系统是一个无码间串扰，且噪声也是在其噪声容限之内，传输性能也较好的系统。

图5.4ASK调制与解调系统眼图

误码率是衡量一个数字通信系统性能的重要指标。

在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达示的形式则取决于解调方式。

ASK调制与解调中计算误码率仿真图如图5.4所示：

图5.4 ASK调制与解调中计算误码率仿真图

在绘制信噪比-误码率关系曲线图之前，先将源程序创建M文件，将仿真图及M文件放入MATLAB软件的work文件夹下，并重新设置高斯噪声和误码器模型参数。

误码器“Output data”应该设置为“workspace”，因为原信号与解调信号有1个比特的时延，所以把delay改为1。

如图5.5所示：

图5.5 误码器的参数设置

二进制数字频带传输系统,误码率与信号形式（调制方式）,与噪声的统计特性,解调及译码判决方式有关。

对于二进制数字频带传输系统,无论采用何种方式,何种检测方法,其共同点都是随着输入信噪比增大时,系统的误码率就降低;反之,当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。

第6章出现的问题及解决方法 

在本次课程设计过程出现的主要问题是运用Matlab工具进行仿真和建模，虽然存在问题，但好在同学们都积极讨论，及向老师请教老师，查找资料等，产生的问题顺利解决，大致产生的问题如下：

1、刚开始作图是，载波波形不平滑、不规则。

解决办法：

在菜单栏里打开Simulation里的Configuration Parameters栏，对Select里面的Data Import/Export的Refine factor数据设置改大即可完善示波器里现实的波形。

2、用放大器观察示波器波形后，原理图有的连线会显示虚红现象。

解决方法：

双击示波器，将General中的Floating Scope框里的‘√’去除掉，再重新运行Simulink观察示波器即可看到准确图形。

解调后的时域波形为一条直线？

判决前应加上增益模块，或降低判决门限 

延时时间较大，且误码率较大？

调节低通和带通滤波器，和增益大小；添加延时器，并测试延时长短 

5、频谱不正确？

调整Zero Order Hold的大小，调整频率谱的显示范围到正确的频率范围。

6、频谱图看着像折线，不圆滑 

采样点太少，增加采样点即提高0阶保持器抽样频率；观看位局部图太小，调大坐标轴数值范围。

第7章总结

参考文献

[1] 张圣勤.MATLAB7.0实用教程. 北京：

机械工程出版社，2006 

[2] 徐远明.  MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用. 西安：

西安电子科技大学出版社， 2005 

[3]邵玉斌，Matlab/Simulink通信原理建模与仿真实例分析，清华大学出版社，2008 

[4]张玉辉.现代通信原理与技术（第三版）.西安.西安电子科技大学出版.2013