数字信号频带传输系统444.docx
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数字信号频带传输系统444
摘要
现代通信过程中的电信号可以分为两大类：
模拟信号和数字信号，以数字信号（由二进制“0”和“1”组成的数字码流）携带并传输信息的通信方式就是数字通信。
而数字信号的传输方式又分为基带传输和频带传输。
此次数字信号的频带传输系统主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台进行ASK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。
在综合训练中，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。
关键词：
MATLAB/Simulink；ASK频带传输；二进制非归零码；频带传输
前言
目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。
但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。
与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：
抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。
数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。
另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。
但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。
同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。
因此，数字通信的应用必将越来越广泛。
本课程设计主要是设计一个ASK频带传输系统并对其进行仿真与性能分析。
在设计此频带传输系统时，首先对输入信号利用相关的模块进行ASK调制，再通过加入高斯白噪声传输信道，接着在接收端对信号进行ASK解调，最后把输出的信号和输入的信号进行比较。
数字信号的传输方式按其在传输中对应的信号的不同可分为数字基带传输系统和数字频带传输系统。
不使用调制和解调而直接传输数字基带信号的系统称为数字基带传输系统。
而数字频带传输系统或带通信号传输是现代通信系统的非常重要部分，通过调制来使信号与信道特性相匹配从而达到有效的、可靠的传输为目标。
数字频带传输系统既可以用于低速数据传输,而且还可用于中、高速数据传输，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意义。
目录
第一部分数字信号频带传输系统原理---------------------------------------------------------------------4
1-1数字信号频带传输系统----------------------------------------------------------------------4
1-22ASK调制与解调原理------------------------------------------------------------------------5
第二部分2ASK的传输系统的仿真实现------------------------------------------------------------------7
2-12ASK调制解调系统-----------------------------------------------------------------------------7
2-2数字信号频带传输系统所用模块的参数设置----------------------------------------------8
2-3加入高斯白噪声后的2ASK的调制解调--------------------------------------------------12
第三部分2ASK误码率的计算机问题解决-------------------------------------------------------------13
3-12ASK的误码率---------------------------------------------------------------------------------13
3-2仿真时遇到的问题和解决方法--------------------------------------------------------------14
3-3误码率的程序-----------------------------------------------------------------------------------14
总结---------------------------------------------------------------------------------------------------------------16
参考文献---------------------------------------------------------------------------------------------------------17
致谢---------------------------------------------------------------------------------------------------------------18
第一部分数字信号频带传输系统的原理
1-1数字信号频带传输系统
数字频带传输系统是发端含有调制，收端含有解调的数字通信系统。
数字调制是用数字基带信号改变高频载波的参数，实现基带信号变换为频带信号的过程，此过程中信号频谱由原来的低频信号搬移到高频段。
数字解调是把数字频带信号恢复成原来数字基带信号的过程，此信号中的频谱由高频段恢复到原来的基带信号的低频段。
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。
数字调制的概念
用二进制（多进制）数字信号作为调制信号去控制载波某些参量的变化，这种把基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。
二进制数字调制分为：
2ASK（振幅键控）2PSK（相移键控）2FSK（频移键控）。
振幅键控是正弦载波的幅度随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为
（1-1）
其中：
二进制振幅键控信号时间波形如图1.1所示。
由图1可以看出，2ASK信号的时间波形e2ASK（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1.1二进制振幅键控信号时间波形
在二进制数字振幅调制中，载波的幅度随着调制信号的变化而变化，实现这种调制的方式有两种：
（1）模拟相乘法：
通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号，这种直接利用二进制数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟相乘法，其电路如图1.2所示。
在该电路中载波信号和二进制数字信号同时输入到相乘器中完成调制。
（2）数字键控法：
用开关电路控制输出调制信号，当开关接载波就有信号输出，当开关接地就没信号输出，其电路如图1.2所示。
图1.2振幅键控的调制方式
1-22ASK解调与解调原理
2ASK/OOK信号有两种基本的解调方法：
非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），相应的接收系统如图1.3、图1.4所示。
图1.3非相干解调方式
图1.4相干解调方式
相干解调是一种常见的解调方法，它是在接收端利用本地载波与接收信号进行相乘，得到包含基带信号频率分量的输出信号，然后通过低通滤波器滤除无用频率分量让基带信号通过，并将其送至抽样电路进行判决。
抽样判决器的作用是：
信号经过抽样判决器，即可确定接收码元是“1”还是“0”。
假设抽样判决门限为b，当信号抽样值大于b时，判为“1”码；信号抽样值小于b时，判为“0”码。
当本实验为简化设计电路，在调制的输出端没有加带通滤波器，并且假设信道时理想的，所以在解调部分也没有加带通滤波器。
图1.52ASK信号非相干解调过程的时间波形
第二部分2ASK传输系统的仿真实现
2-12ASK调制解调系统
通过Simulink的工作模块建立2ASK调制解调系统，用示波器观察调制及解调过程中信号的波形。
二级2ASK调制与解调系统的仿真电路图如图2.1所示。
图2.12ASK调制与解调系统的仿真电路图
将基带信号（Bernoulli信号）与载波信号（正弦信号）相乘，经过带通滤波器，就完成了调制过程；经过信道传输后，经过带通滤波器，与本地载波（正弦信号）相乘，再经过低通滤波器，最后经过抽样判决起转换成数字信号，就完成了解调过程。
此系统所用仿真电路模块有:
伯努利二进制发生器模块，正弦波发生器模块，功率谱密度模块，高斯噪声发生器GaussianNoiseGenerator模块，模拟滤波器模块，误码率计算模块，采样量化编码模块，示波器模块。
伯努利二进制发生器模块用于发出源信号，示波器用于观察波形。
第一路波形为基带信号（Bernoulli信号），第二路波形为载波（正弦信号），第三波形路为调制后的信号，第四路波形为已调信号经过带通滤波器和低通滤波器后所得信号，第五路波形为经过抽样判决器过得到的解调波形。
2-2系统所用模块的参数设置
在2ASK调制与解调中，将基带信号（Brenoulli信号）零出现的概率设为0.5，抽样时间设为1，其参数设定如图2.2所示。
载波频率应比基带信号的频率大，故将载波的频率参数设置为12*pi，抽样时间为0，其参数图如图2.3所示。
图2.22ASK基带信号参数设定
图2.32ASK载波信号参数设定
图2.42ASK带通滤波器参数设定
图2.52ASK低滤通波器参数设定
图2.62ASK抽样判决器参数设定
输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形（从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号）第一路为信号源模块波形图，第二路为ASK调制后波形图，第三路为调制信号与载波相乘后波形图，第四路为经过低通滤波器后波形图，第五路为ASK解调波形图。
由各波形可看出该ASK调制解调系统符合设计要求。
图2.7各点信号的波形
2-3加入高斯白噪声后的ASK调制与解调
整个加入高斯白噪声后的ASK仿真系统的调制与解调过程为：
首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，送入加性高斯白噪声（AWGN）信道中传输。
在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、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。
图2.8ASK调制与解调中加入高斯白噪声仿真图
图2.9高斯白噪声的参数设置
带通滤波器的下频应该等于载波频率与调制信号频率之差，上频应该等于载波频率与调制信号频率之和。
前面已设置信号源频率为1Hz，载波频率为6Hz,计算得上、下截止频率分别为7Hz、5Hz，转换成以rads/sec为单位即为14*pi、10*pi。
所以“Lowerpassbandedgefrequency（rads/sec）Upperpassbandedgefrequency（rads/sec）”应填“10*pi、14*pi”。
图2.10带通滤波器的参数设置
输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形（从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号）第一路为信号源模块波形图，第二路为ASK调制后的波形图，第三路为加入高斯白噪声后的波形图，第四路为经过带通滤波器后的波形图，第五路为经过带通滤波器后与载波相乘后的波形图，第六路为经过低通滤波器后的波形图，第七路为ASK解调后的波形图。
在ASK调制与解调中加入高斯白噪声后，波形出现了失真，解调也有误码存在，系统基本符合设计要求。
设置好参数之后，进行仿真，由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在0.01秒的时延，即信号时延了2比特（用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率）。
因而，误码器的可接纳时延为2比特。
经过误码器的2比特时延后，其误码率如图2.11所示：
图2.11误码率
图2.12各点信号的波形
第三部分2ASK误码率的计算及问题解决
3-12ASK的误码率计算
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
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。
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。
低通滤波滤波器输出
当发送“0”时，概率密度函数为
（3-1）
当发送“1”时，概率密度函数为
（3-2）
发送1码元，接收为0码元的错误概率为
（3-3）
发送0码元，接收为1码元的错误概率为
（3-4）
其中
总的误码率为
（3-5）
当P（0）=P
（1）时，总的误码率为
（3-6）
当r>>1时，近似地
3-2仿真时遇到的问题及解决的方法
（1）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
（2）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
（3）功率谱不正确？
调整ZeroOrderHold的大小，调整频率谱的显示范围到正确的频率范围。
（4）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。
（5）无论如何改变信道比及带宽，误码率都较大。
准确计算解调信号的延时时间，改变延时模块的延时时隙。
3-3误码率的程序
rs=1e3;%时间轴频率步进
fc=1e2;%载波频率100HZ
tzd=1e2;%1个码元用100个点模拟
t=0:
1/rs:
（tzd-1/rs）;
forsnrb=0:
1:
10%不同信噪比
ratio=0;%初始误码数设为0，累计十次得到总误码数
fork=1:
10%十次循环产生10000码元
n=1e3;%一次产生码元数
g=randint（1,n）;%产生1000个码元
tz=g（ceil（10*t+（1/rs）））.*cos（2*pi*fc*t）;%得到调制信号tz，100个点表示1个码元
signal=awgn（tz,snrb）;%信号通过白噪声信道
Fs=1e3;%采样频率
[b,a]=butter（2,[80,120]*2/Fs）;%设计巴特沃斯带通滤波器，2阶，系数为a,b
sg1=filter（b,a,signal）;%信号通过该BPF
sg2=2*sg1.*cos（2*pi*fc*t）;%信号通过相乘器
Fs=1e3;%采样频率
[b,a]=butter（2,10*2/Fs）%设计巴特沃斯低通滤波器
sg3=filter（b,a,sg2）;%信号通过该LPF
b=0.4;%判决门限
LL=tzd/2;
fori=1:
n
ifsg3（（i-1）*tzd+LL）>b;%取sg2的中间的点作为判决点
sg4（i）=1;
else
sg4（i）=0;
end
end%得到判决后信号sg4
[numbers,pe]=symerr（g,sg4）;%利用函数得到误码率和误码数
ratio=ratio+numbers;
end
r1=ratio/（n*10）;%误码数除以总点数为误码率
pel（1,snrb+1）=r1;%11个信噪比对应的11个误码率存入数组pel
end
figure;%画图
x=0:
1:
10;
x1=10.^（（x+7）./10）;%分贝值转化为真值
y=0.5*（erfc（sqrt（x1/4）））;%2ASK信号相干解调理论误码率计算
semilogy（x,pel,'-r',x,y,'-b'）;
legend（'simulation','theoriticalcase'）;
xlabel（'信噪比'）
ylabel（'误码率'）;gridon;
title（'2ASK信号相干解调时信噪比与误码率的关系'）;
总结
为期三周的通信系统综合训练到现在已经快要完成了，在此次的综合训练中收获颇多。
了解到了通信系统仿真的重要性和simlink功能的强大。
它可以很好地让我们理解通信原理以及其中的过程，能够对系统进行仿真，这对于我们专业的学生来说是非常重要。
我们以后会经常用到系统仿真来设计我们所需的通信系统，需要从仿真结果检验出我们所设计的系统是否达到目标，从中及时发现并解决问题，不断地改进和优化方案，这样可以提高效率，节约投资，缩短开发设计时间。
在这次综合训练中，我也遇到了许多的困难，如参数的设置，如何将不同的功能框图整合一起以实现更强大的功能，怎么降低误码率等等。
此外，我对matlab有了更深一步的认识，真正把理论与实践联系起来，是我所学的专业知识得到了运用，更深刻的理解了理论知识，理论联系实际的实践操作能力也进一步提高。
并且强化自己分析问题、解决问题和团队合作的能力，加深了对软件的掌握和应用，为下一次课程设计打好基础。
在这次的过程中，不断的尝试，不断的遇到困难，不断的想办法克服困难，以前碰到困难就找别人帮忙，这次独立完成这个综合训练，使我感受颇多，也只有这样不断的向前，才能真正学到、掌握知识。
在整个仿真过程中我遇到了很多现实而且棘手的问题，比如许多模块参数难以正确设置，而由此导致的波形失真等问题，但是通过上网查找资料和咨询同学能够让我更好的完成此次课设。
我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。
参考文献
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北京邮电大学出版社，2007
[2]樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：
国防工业出版社，2009
[3]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
[4]邵玉斌.Matlab/Simulink通信原理建模与仿真实例分析[m].北京：
清华大学出版社，2008..
[5]达新宇，陈树新，王瑜，林家薇。
通信原理教程[m].北京：
北京邮电大学出版社，2005
[6]康华光，邹寿彬.电子技术基础（数字部分）.北京：
高等教育出版社，2004
致谢
虽然我在此次综合训练中碰到的很多个人困难，但在这些困难面前，我却越来越有耐心地去解决。
完成一个题目会让我们自己获益匪浅，理论用于指导实践，也必须应用于实践。
必须自己动脑动手，这样加深了对知识的理解，也能使自己对知识的运用更加娴熟。
同时，也多亏了众多同学和老师的帮助。
特别是在指导老师的耐心指导下，我解决了很多问题。
通过这次的综合训练，我了解到了做任何事都要有耐心、更是要细心做事。
这次的课程设计让意识到自己的原理知识还是不够好，在今后的学习中我们需要更努力的学习课本的专业知识，才能更好的服务于实践中。
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
最后,在这里，我要感谢老师悉心指导和无私地帮助，感谢我们的陈老师，同时也感谢同学们对我的耐心指导，在今后的学习中我也一定倍加努力。
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