基于MATLABSimulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析文档格式.doc
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（3）产生一段随机的二进制非归零码的基带信号，对其进行ASK调制后再送入加性高斯白噪声（AWGN）信道传输，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。
（4）改变AWGN信道的信噪比，计算传输前后的误码率，绘制信噪比-误码率曲线，并与理论曲线比较进行说明。
（5）按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计和实验结果。
1.3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基本原理
2.1Simulink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2-1Simulink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[4]。
2.2二进制振幅键控原理（2ASK）
数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。
2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。
有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。
2ASK信号可表示为
（2-1）
式中，为载波角频率，s（t）为单极性NRZ矩形脉冲序列
（2-2）
其中，g（t）是持续时间、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；
为二进制数字
（2-3）
2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种：
模拟调制（相乘器法）和键控法。
本课程设计运用模拟幅度调制的方法，用乘法器实现。
相应的调制如图2-3：
乘法器
图2-3模拟相乘法
AM信号的解调一样，2ASK/OOK信号也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）。
本课程设计要求的是相干解调，如图2-4：
带通滤波器
相乘器
低通滤波器
抽样判决器
定时脉冲
输出
图2-4相干解调方式
3系统设计
3.1ASK调制与解调
整个ASK的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，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。
在MATLAB下Simulink仿真平台构建了ASK调制与解调仿真电路图如图3-1所示：
图3-1ASK调制与解调仿真电路图
将信号源的码数率设为1B/S,即频率为1Hz。
参数设置如图3-2所示：
图3-2信号源参数设置
在调制解调系统中，载波信号的频率一般要大于信号源的频率。
信号源频率为1Hz，所以将载波频率设置为6Hz，由于在载波参数设置里，频率的单位是rad/sec，所以即为12*pi。
载波信号参数如图3-3所示：
图3-3载波信号参数设置：
低通滤波器的频带边缘频率与信号源的频率相同，前面设置信号源频率为1Hz，所以对话框中“Passbandedgefrequency（rads/sec）：
”应填“2*pi”。
参数设置如图3-4所示：
图3-4低通滤波器参数设置
对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2（当P
（1）=P（0）时），它与接受机输入信号的幅度有关。
当接收机输入的信号幅度发生变化，最佳判决门限也将随之改变。
抽样判决器参数设置如图3-5所示：
图3-5抽样判决器的参数设置
量化器抽样频率等于信号源频率。
前面已经设置信号源频率为1Hz，即抽样频率为1Hz，所以对话框中“Sampletime（-1forinherited）:
”应填“1”。
量化器参数设置如图3-6所示：
图3-6量化器参数设置
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1比特的时延（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1比特。
其参数设置如图3-7所示：
图3-7误码器的参数设置
经过误码器的1比特时延后，其误码率为0，结果正确。
如图3-8所示：
图3-8误码率的查看
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。
如图3-9所示：
图3-9各点信号的波形
3.2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。
如图3-10所示：
图3-10ASK调制与解调中加入高斯白噪声仿真图
高斯白噪声的抽样时间设置为0.01，如图3-11所示：
图3-11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”。
参数设置如图3-12所示：
图3-12带通滤波器的参数设置
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。
其参数设置如图3-13所示：
图3-13误码器的参数设置
经过误码器的2比特时延后，其误码率为0。
如图3-14所示：
图3-14误码率的查看
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。
如图3-15所示：
图3-15各点信号的波形
3.3误码率的计算
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。
ASK调制与解调中计算误码率仿真图如图3-16所示：
图3-16ASK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。
高斯白噪声的“Variance（vectorormatrix）”应该设置为“var”。
如图3-17所示：
图3-17高斯白噪声的参数设置
误码器“Outputdata”应该设置为“workspace”。
如图3-18所示：
图3-18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。
根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率理论关系曲线图。
源程序见附录Ⅰ，所需M文件如图3-19所示：
图3-19M文件1
信噪比-误码率的理论关系曲线如图3-20所示：
图3-20信噪比-误码率的理论关系曲线图
根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率实际关系曲线图。
源程序见附录Ⅱ，所需M文件如图3-21所示：
图3-21M文件2
信噪比-误码率的实际关系曲线如图3-22所示：
图3-22信噪比-误码率的实际关系曲线图
与信噪比-误码率理论关系曲线图相比较类似，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。
符合理论要求，所以此图绘制正确，达到预想结果。
4出现的问题及解决方法
在本次课程设计运用了MATLAB软件建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和老师同学的帮助都一一解决，总结分析分析如下：
1、在解调时没有加噪声出现误码率。
解答办法：
出现误码数据时，可以根据示波器的输出波形，合理修改误码器中的receivedelay的数据就可以使误码数据为零。
2、示波器中的波形只出现一部分。
解决办法：
双击示波器，修改datahistory中的limitdatapointstolast的数据，再重新运行Simulink观察示波器即可看到准确图形。
3、解调波形时无失真，但解码后波形严重失真。
这是由于信号经过低通滤波器后会产生时延，而本次课程设计中信号是以帧的形式进行传输，因而在解调输出端若直接使用解调信号，将会产生严重失真。
因而，要在解调输出端加入延时模块，使其延时的比特数恰好等于一帧所含的比特数。
系统的时延可从解调信号的波形图中看出，加入的模块数等于一帧所含的比特数减去系统时延的比特数。
5结束语
在本次课程设计中，我了解到了通信系统仿真的重要性。
它可以很好地让我们理解通信原理，能够对原理进行仿真，这对于我们专业的学生来说是非常重要的。
因为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设计问题，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。
因此，了解和掌握通信系统仿真对于通信专业学生而言尤其重要。
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
在做课程设计准备工作的时候，我们应该明确以下几点：
首先，应该明确设计的要求，到底让我们做什么，要达到什么样的效果，目的要明确。
其次，将设计问题分解，分成几个模块，画出方框图并说明各个模块间的联系，有针对性的分别去设计各个模块，分块检错，消除模块内的问题。
然后，将各个模块联系起来，整体来调试，发现模块间的问题，不断的修改调试，已达到最终的要求。
通过这次课程设计，我对于设计有了一个具体的了解，知道了设计的具体流程。
我认为这对于我们来说是非常重要的，因为有了这样的设计思路和设计流程，我们才能设计其他不同的课题，才能达到举一反三的地步。
通过这次课程设计，我对通信系统的仿真有了很大的了解，掌握的设计的方法和思路，提高了对系统的分析能力和解决能力。
在这次课程设计汇总，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等等。
经过两周的设计制作，该设计终于如期开发完毕，其功能基本上可以满足处理的需要。
由于时间有限，本系统还有许多不尽人意的地方，需要将来做进一步的改善。
这次课程设计，以方便实际操作为基础，以理论联系实际为准则，不断完善，不断创新。
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]桑林，郝建军，刘丹谱.数字通信.北京：
北京邮电大学出版社，2007
[3]樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：
国防工业出版社，2009
[4]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
致谢
为期两周的课程设计，我顺利完成了基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析，过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。
生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。
在这次课程设计中，非常感谢各位老师的指导，在老师的身上我们学到的不仅仅是知识的层面，更重要的是老师追求知识的热情，以及对本身工作严谨的态度，不禁让我们受益匪浅。
虽然我在课程设计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。
完成一个课程设计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。
课设必须自己动脑动手，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。
特别是在胡老师的耐心指导下，我解决了很多问题。
同时，我也在胡老师的身上学到了许多有用的知识和设计的思路，在此我表示十分感谢！
由衷地感谢各位给我帮助的同学和老师！
附录Ⅰ：
误码率计算（理论曲线）
%程序名称：
t.m
%程序功能：
绘制信噪比-误码率的理论关系曲线
%程序作者：
唐丽莎
%最后修改日期：
2011-1-12
x=-6:
18;
%定义信噪比范围
fori=1:
length（x）;
snr=x（i）;
%每次运行信噪比增加1dB
var=0.5/（10.^（0.1*snr））;
%计算对应的噪声功率
sim（'
tls.mdl'
）;
%运行模型文件
ebr（i）=ErrorVec
（1）;
%保存当次运行误码率
i
end
ebr_th=erfc（sqrt（（-1/3）.^10））;
semilogy（x,ebr,x,ebr_th）%绘制信噪比-误码率曲线，纵坐标为对数标
xlabel（'
信噪比r/dB'
ylabel（'
误码率Pe'
title（'
误码率与信噪比关系曲线'
gridon;
附录Ⅱ：
误码率计算（实际曲线）
绘制信噪比-误码率的实际关系曲线
snr=x（i）;
var=0.5/（10.^（0.1*snr））;
sim（'
%运行模型文件
ebr（i）=ErrorVec
（1）;
end
i
semilogy（x,ebr）%绘制信噪比-误码率曲线，纵坐标为对数坐标
升级会员 