通信系统仿真2ASK调试与解调Word格式文档下载.docx
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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：
MATLAB，2ASK，误码率；
前言
用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化;
一引言
本课程设计主要是深入理解和掌握振幅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。
使我对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。
1.1课程设计目的
（1）学习使用计算机建立通信系统仿真模型的基本方法及基本技能，学会利用仿真的手段对于实用通信系统的基本理论，基本算法进行实际验证。
（2）学习通信系统仿真软件MATLAB的基本使用方法，学会使用这些软件解决实际系统出现的问题。
（3）用MATLAB设计一种2ASK调制解调系统。
1.2课程设计内容
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个2ASK调制与解调系统.用示波器观察调制前后的信号波形;
1.3课程设计要求
（1）掌握2ASK调制和解调的原理及实现方法；
（2）根据2ASK调制系统的原理给出调制和解调的框图；
（3）利用MATLAB软件仿真2ASK调制系统，实现2ASK调制和解调，要求信道为高斯白噪声，给出调制信号，载波信号及已调信号的波形和频谱图。
改变基带信号，对产生的波形进行分析；
（4）在不同信噪比情况下，求2ASK系统的误码率，并画出误码率和信噪比的关系图。
二2ASK调制与解调原理
2.12ASK调制原理
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）
其中：
二进制振幅键控信号时间波形如图2-1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2-1二进制振幅键控信号时间波形
由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。
2ASK信号功率谱密度的特点如下：
（1）由连续谱和离散谱两部分构成，连续谱由信号g（t）经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；
（2）已调信号波形的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。
2ASK信号功率谱密度推导：
图2-22ASK信号的功率谱密度示意图
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2-3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2-4所示。
图2-3模拟相乘法图2-4数字键控法
2.22ASK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2-5、图2-6所示。
图2-5非相干解调方式
图2-6相干解调方式
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。
简化设计电路时，在调制的输出端没有加带通滤波器，并且假设信道是理想的，所以在解调部分也没有加带通滤波器。
图2-72ASK信号非相干解调过程的时间波形
三
MATLAB
软件
3.1
MATLAB简介
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
主要应用于工程计算、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析、控制系统设计以及计算生物学等众多应用领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连MATLAB开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB特点：
（1）高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；
（2）具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；
（3）友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；
（4）功能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱、通信工具箱等），为用户提供了大量方便实用的处理工具。
MATLAB具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来。
高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。
可用于科学计算和工程绘图。
MATLAB不仅具有高层绘图能力，而且还具有底层绘图能力-句柄绘图方法。
使用户可以用来开发各专业的专业图形。
图形用户界面（GUI）是一种提供人机交互的工具和方法。
3.2
MATLAB基本语法
（1）语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数及其丰富。
程序书写形式自由，利用丰富的库函数避开繁杂的子程序编写任务，压缩了一切不必要的编程工作。
（2）运算符丰富，由于MATLAB使用C语言编写的，它提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。
（3）程序限制不严格，程序设计自由度大。
例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。
（4）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。
（5）MATLAB的图形功能强大，在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。
它还具有较强的编辑图形界面的能力。
（6）MATLAB的缺点是：
它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。
由于MATLAB的程序不用编辑等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。
（7）功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色，它包含两个部分：
核心部分和各种可选的工具箱。
核心部分中有数百个核心内部函数。
其工具箱又分为两类：
功能性工具箱和学科性工具箱。
3.3Simulink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4-1Simulink工具箱
（2）设计仿真模型
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。
图4-2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。
例如正弦仿真电路如下
图4-3正弦仿真电路图
四设计步骤
4.12ASK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。
2ASK调制与解调系统的仿真电路图如图4-1所示。
图4-12ASK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），第三路波形为调制后的信号，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。
4.2系统所用模块的参数设置
在2ASK调制与解调中，将基带信号（Bernoulli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4-2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10*pi，抽样时间为0，其参数图如图4-3所示。
图4-22ASK基带信号参数设定
图4-32ASK载波信号参数设定
带通滤波器和低通滤波器的参数设定如图4-4，4-5所示。
图4-42ASK带通滤波器参数设定
图4-52ASK低滤通波器参数设定
抽样判决器参数设定如图4-6所示。
图4-62ASK抽样判决器参数设定
计算误码率模块参数设定如图4-7所示。
图4-72ASK误码率计算模块参数设定
五仿真结果分析
5.1系统仿真结果
（1）不加噪声时，示波器显示的5路信号波形如图5-1所示。
图5-1不加噪声示波器显示的波形
图中由上到下波形所表示为：
1.信号源产生的信号波形
根据3.2中参数的设置，信号源产生的信号是二进制基带信号，信号的幅度为0和1时分别代表二进制信息“0”和“1”，且0、1出现的概率相等。
时间轴上单位长度表示码元的持续时间，即为1秒，图中显示了前10秒内信号源产生的信号波形。
2.加入的正弦载波的信号波形
正弦信号的幅度设置为1，频率为10*pi，即周期为0.2秒，从图中可以看到，1个码元持续时间内，正弦信号重复5个周期。
3.已调信号经过带通滤波器后的信号波形
这就是2ASK信号的时域波形，2ASK信号是基带信号和正弦载波相乘得到的，
其实质是幅度受到基带信号控制的载波，载波幅度的变化即代表了二进制信息。
4.相干解调后的信号波形
相干解调是将已调信号和载波相乘，然后通过低通滤波器，得到如图所示的信号波形。
5.采样量化编码后的输出源信号波形
量化编码器对相干解调后的信号进行抽样判决，恢复出原基带信号，从图中可以看出，在无噪声的情况下，可以无差错的恢复出原基带信号，只是产生了一定的延时。
（2）加高斯噪声时示波器显示为如图5-2。
图5-2加高斯噪声时示波器显示
示波器显示波形的顺序与图5-1相同。
比较图5-1和图5-2可以看到，加入噪声以后，已调信号的幅度变化范围扩大，不再是在0、1之间变化。
经过相干解调及抽样判决以后，恢复出的基带信号已经和原基带信号产生了差别，即出现了误码。
5.2调制前后信号频谱的变化
构建好调制电路，加入频谱分析模块，用频谱分析模块观察调制前后的信号频谱变换。
基带信号和调制信号的频谱分别如图5-3，图5-4所示。
图5-3基带信号频谱
图5-42ASK调制后信号频谱
由图16和图17可以看出，基带信号的功率谱密度集中在低频，已调信号（2ASK信号）的功率谱密度集中在30Hz附近，并且可以看到2ASK信号的带宽是二进制基带信号带宽的两倍。
5.32ASK相干解调系统误码率性能分析
解调器的框图如图5所示，低通滤波滤波器输出
当发送“0”时，概率密度函数为
（2）
当发送“1”时，概率密度函数为
（3）
发送1码元，接收为0码元的错误概率为
（4）
发送0码元，接收为1码元的错误概率为
（5）
其中
总的误码率为
（6）
当P（0）=P
（1）时，总的误码率为
（7）
当r>
>
1时，近似地
蒙特卡洛仿真的关系曲线如图5-5所示：
图5-5蒙特卡洛仿真曲线
由上图可以看出：
随着输入信噪比增大，系统的误码率降低；
反之，当输入信噪比减小时，
系统的误码率就增加。
在本次课程设计中我遇到了以下问题：
1、在调制解调电路部分采用了统一的载波频率，成了调制——解调——调制——解调
电路，没有符合二级调制的要求。
2、载波为模拟信号时，用频谱仪去测试2ASK二级调制信号频谱时会出错。
3、当载波数字抽样为0.1时，在无噪声情况下整个信号出现极大的失真。
4、在无噪声情况下，抽样判决门限为0.8，误码率达到0.5，解调波形严重失真。
针对以上问题，相应的解决方案如下：
（1）、使用两个载波，并且设置不同的频率，构建成调制——调制——解调——解调电路，达到二级调制的要求。
（2）、将载波的Sampletime改为0.1，变成离散信号。
（3）、因为载波信号的抽样值太大，导致载波信号本身的失真，之后导致调制信号的完全失真，把载波的Sampletime改为0.001。
（4）、将抽样判决门限改为0.2，由于抽样判决门限过高导致正确的解调结果丢失。
致谢
本次课程设计，我的任务是用matlan来实现2ASK调制解调系统。
开始我对2ASK和matlab了解特别少，通过查阅相关资料，我熟悉了2ASK调制解调原理，弄懂了2ASK与matlab的关系，加深了对通信原理的认识。
经过几天忙碌的课程设计我体会到了很多。
首先，我意识到自己的知识还很欠缺，做设计的时候有遇到了很多困难，通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
另外课程设计提高了自己快速学习的能力，在如今信息化的社会，快速学习的能力显的越来越重要其次，我认识到理论运用到实践的重要性，正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。
学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的。
所以在本学期学完通信原理之际，紧接着来一次通信原理的课程设计事很有必要的。
这样不仅加深我们对通信原理的认识，而且还及时真正做到了学以致用。
最后，我明白了在学习中一定要多想、多问、多思考，遇到问题首先要自己解决，解决不了的找老师和同学帮忙，想想老师或者同学为什么要这么做，有没有更好的解决办法，只有这样我们才会不断进步。
在此要感谢我们的指导老师对我们悉心的指导，感谢贾老师给我们的帮助。
它使我认识到做课程设计是培养我们综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识运用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力，也让我掌握simulink仿真平台的使用方法以及一些基本通信电路的结构原理，应该说是收益良多。
然而，在这次课程设计中，我也发现了很多自身的不足，比如基础知识不扎实，容易烦躁，不细心等等，这些必须在将来的学习生活中慢慢改进，加以克服，从中我懂得真理需要在一次又一次不断的耐心实践中才能获得，不但在知识上，更在人生道路上给我上了重要的一课。
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