二进制数字频带传输系统设计2ASK数字调制系统.docx

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1、武汉理工大学专业课程设计4（通信原理）课程设计说明书目录1 技术要求- 1 -2 基本原理- 1 -2.1 数字通信系统- 1 -2.2 2ASK基本调制原理- 2 -2.2.1 基本调制原理- 2 -2.2.2 两种基本调制法-模拟调制法和键控法- 3 -2.2.3 两种基本调制方法的比较- 3 -2.2.4 2ASK功率谱密度- 3 -2.3 2ASK基本解调方法-相干解调法和非相干解调法- 4 -3 建立模型描述- 6 -3.1 使用Matlab软件来完成仿真设计- 6 -3.2 使用SystemView软件来完成仿真设计- 6 -3.3 使用Simulink软件来完成仿真设计- 7 -

2、4 模块功能分析或源程序代码- 8 -4.1 Matlab软件来实现2ASK模型仿真设计- 8 -4.1.1 MATLAB编程程序代码- 8 -4.1.2 程序运行结果及结论- 12 -4.2 SystemView软件实现2ASK模型仿真设计- 13 -4.2.1 2ASK调制模块- 13 -4.2.2 信道模块与加噪模块- 15 -4.2.3 相干与非相干解调模块- 15 -4.2.4 运行结果及结论- 17 -4.3 Simulink软件实现2ASK模型仿真设计- 22 -4.3.1 调制及信道模块- 22 -4.3.2 解调模块- 24 -4.3.4 运行结果及结论- 25 -5 调试过

3、程及结论- 27 -6 心得体会- 27 -7 参考文献- 28 -二进制数字频带传输系统设计 2ASK系统1 技术要求设计一个2ASK数字调制系统，要求：（1）设计出规定的数字通信系统的结构； （2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）； （3）用Matlab或SystemView 实现该数字通信系统； （4）观察仿真并进行波形分析； （5）系统的性能评价。2 基本原理2.1 数字通信系统对于数字通信系统，其中的大多数信道（如无线信道）因具有带通特性而不能直接传输基带信号，因为基带信号往往含有丰富的低频分量。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对

4、载波进行调制，即完成频谱搬移，以使信号与信道的特性相匹配，达到能够在通道中顺利传输的目的。数字通信系统模型如下图1所示：信息源信源编码加密信道编码数字调制信道数字解调信道译码解密信源译码受信者噪声源 图1 数字通信系统模型这种数字基带信号控制载波信号，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程成为数字调制。常用的调制方法有振幅键控（2ASK），频移键控（2FSK），相移键控(2PSK)，其中包括差分相移键控（2DPSK）。这里我们研究的是二进制振幅键控（2ASK）。2.2 2ASK基本调制原理2.2.1 基本调制原理2ASK在四种数字调制方法中是比较基础，也是比较简单的一种调制方法。对于振幅键控（

5、ASK）这样的线性调制来说，在二进制里，2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲（即二进制数据）去键控一个连续的载波，这个载波的频率一般比较大，使载波时断时续的输出，有载波输出时表示基带信号发送“1”，无载波表示基带信号输出时表示发送“0”。根据线性调制的原理，一个二进制的振幅调制信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的乘积，这也是2ASK调制的基本原理。2ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。其信号表达式为： ，S (t)为单极性数字基带信号。其具体调制过程如图2所示：图2 2ASK调制过程中的各种波形2.2.2 两种基本调制法-模

6、拟调制法和键控法2ASK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法。模拟调制法使用乘法器实现，使用乘法器将基带信号S( t )与载波信号cosc t相乘再输出。模拟调制法示意图如图3所示。S( t ) 乘法器e0( t ) 滤波器cosc t二进制不归零信号图3 模拟调制法示意图键控法使用开关电路实现，由基带信号来控制开关的闭合方向，以此来决定是否让基带信号通过。键控调制法示意图如图4所示。 开关 S 的动作由S( t ) 决定，当S( t ) = 10e0( t ) cosc tS0 K 接01 K 接1图4 键控调制法示意图2.2.3 两种基本调制方法的比较 两种方法在应用中

7、均可实现，他们的各项性能相当，可以根据个人喜好加以选择。2.2.4 2ASK功率谱密度由分析可知若设基带信号S(t) 的功率谱密度为Ps（f），2ASK信号的功率谱密度为，则由图5可知，2ASK信号的功率谱是将基带信号功率谱按照一定的规律进行线性搬移的结果，由连续谱和离散谱组成。这对于我们了解2ASK的特性十分重要。基带信号频谱调制以后信号频谱fc - fsfcfc + fsfc - fsfc + fsfc图5 2ASK功率谱密度分布根据上面的功率谱密度分布我们可以知道：第一点，2ASK信号的功率谱由连续和离散谱两部分组成；连续谱取决于线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定；第三点，对于

8、一般的信号连续谱一定存在，而离散谱不一定存在。第三点，2ASK的信号的带宽是基带信号带宽的两倍，即Fs=2Fc。2.3 2ASK基本解调方法-相干解调法和非相干解调法2ASK有两种基本解调方法：相干解调法（同步检测法）和非相干解调法（包络检波法）。相干解调方法要求将载频位置的已调信号频谱重新搬回原始基带位置，因此用相乘器与载波相乘来实现。为确保无失真还原原始信号，必须在接收端提供一个与调制载波严格同步的本地载波信号，这是整个解调过程能否顺利完好进行的关键。在仿真的过程中，一定要设置好相关参数，否则得不到相关的结果。2ASK信号解调方式原理图如图6所示。输入S( t )定时脉冲 带通滤波器 相乘

9、器低通滤波器 抽样判决器eo( t )cosc t输出图6 相干解调方式原理图 非相干解调的过程与相干解调有所不同，它是将调制信号通过一个整流器来处理，然后再经过抽样判决器来获得基带信号。非相干解调即包络检波器通常由整流器和低通滤波器组成，可以直接从已调波中提取原始基带信号，结构简单。非相干解调的原理图如图7所示。带通滤波器 全波整流器 低通滤波器抽样判决判决定时脉冲 S( t ) abcdeo( t ) 输入输出图7 非相干解调原理图经过各个模块后波形变化如图8所示。基带信号调制信号整流后滤波后判决后图8 非相干解调过程的波形3 建立模型描述3.1 使用Matlab软件来完成仿真设计MATL

10、AB由于其强大的功能在各个领域都有广泛的应用。MATLAB可将数值分析、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，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB是一个功能强大的仿真软件，它强大的仿真功能能够完成大部分科学实验模拟。并且，它具有以下功能：(1) 具有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

11、) 拥有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) 具有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。这些优点使得它的应用十分广泛。3.2 使用SystemView软件来完成仿真设计SystemView软件虽然应用范围没有Matlab那么广，但是它在通信领域的的仿真却有显而易见的优势，其直观的设计和简单的操作十分受欢迎，越来越受重视。SystemView软件是基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用其特有的功能模块去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设

12、计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用SystemView软件可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，摆好元器件位置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果，其独特的功能使得它被广泛使用。在此次设计中，使用SystemView实现两种调制方法和两种解调方法相干解调和非相干解调，同时在信道传输中加入高斯噪声。SystemView仿真原理图如图9所示。图9

13、 SystemView仿真原理图3.3 使用Simulink软件来完成仿真设计目前Simulink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，也可以放大后在进行观察。鉴于Simulink有如此强大的功能，在此次设计中，使用Simul

14、ink实现模拟调制法和两种解调方法相干解调和非相干解调，同时在信道传输中加入高斯噪声，观察噪声对波形的影响。Simulink仿真原理图如图10所示。图10 Simulink仿真原理图4 模块功能分析或源程序代码4.1 Matlab软件来实现2ASK模型仿真设计4.1.1 MATLAB编程程序代码首先，使用系统提供的随机函数生成原始的二进制信号carrySignal，然后进行2ASK调制ASK_Signal，调制的波形中再加入噪声信号noise，在将产生的信号通过椭圆滤波器进行滤波处理，处理完后的信号由判决器panjue判决还原出原始信，最后使用相关函数将各个时间段的波形显示出来。二进制数字频带

15、传输系统设计2ASK系统程序代码如下:clear all;close all;clc;%随机生成原始信号t=0:0.0001:1-0.0001; %取10000个采样点f=100; %载波参数设置carrySignal=cos(2*pi*f*t);M=500;p=length(t)/500; %每500个点分成一份，共20份randNum=rand(1,p); %产生20个随机数Signal=zeros(1,length(t); %产生10000个全0序列for a=1:p %将随机数判为1或0 if randNum(a)=0.5 randNum(a)=1; else randNum(a)=0

16、; endendfor b=0:p-1; %产生原始信号，共20个码元 for n=1:500; Signal(b*M+n)=randNum(b+1); endend%2ASK信号调制过程ASK_Signal=carrySignal.*Signal; % 调制信号noise=randn(1,10000)/5; %生成随机噪声ASK1=ASK_Signal+noise; %对已调制信号中加入加噪处理%使用了相干解调过程ASK2=ASK_Signal.*carrySignal; %与相干载波相乘%使用低通椭圆滤波器滤除噪声fp=20;fs=80;Fs=8000; %通带截止频率，阻带截止频率rp=

17、1;rs=40; %通带波动，阻带衰减wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;N,Wn=ellipord(wp,ws,rp,rs); %椭圆滤波器阶数选择函数b,a=ellip(N,rp,rs,Wn); %椭圆模拟滤波器原型ASK_out=filter(b,a,ASK2); %滤波，经过低通滤波器后的信号%使用判决器来判决波形，得到解调后的信号波形panjue=max(ASK_out)/2;for i=0:p-1 if ASK_out(i*M+M/2)panjue ASK_out1(i*M+1:i*M+M)=1; %判决输出1 else ASK_out1(i*M+1:i*M+M

18、)=0; %判决输出0 endend%图形输出部分figure(1)subplot(2,1,1);plot(t,Signal);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel(时间/s);ylabel(幅值/A);title(原始信号波形);subplot(2,1,2);plot(t,carrySignal);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel( 时间/s);ylabel(幅值/A);title(载波信号波形);figure(2)subplot(2,1,1);plot(t,ASK_Signal);grid on;xlabel( 时间/s);y

19、label(幅值/A);title(调制信号波形);subplot(2,1,2);plot(t,ASK1);grid on;xlabel(时间/s);ylabel(幅值/A);title(加入噪声后的信号波形);figure(3)subplot(2,1,1);plot(t,ASK_out);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel(时间/s);ylabel(幅值/A);title(滤波器输出波形);subplot(2,1,2);plot(t,ASK_out1);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel(时间/s);ylabel(幅值/A);t

20、itle(解调信号波形);4.1.2 程序运行结果及结论 在编译试运行后，根据给出的错误提示找到错误所在加以改正，如果没有错误发生，这时运行程序即可得到如图和图所示的图形，分析知原始信号波形与还原后的波形相同，这个结果与理论比较得，两者相符，达到了设计要求。 MATLAB仿真运行结果如图11、图12及图13所示。 图11 原始信号和载波信号的波行 图12 调制以后的波形与加噪后的波形 图13 经过滤波器的波形以及解调出来的波形4.2 SystemView软件实现2ASK模型仿真设计4.2.1 2ASK调制模块2ASK模拟调制法和键控法OOK在SystemView上使用的元件如图14所示。通过参

21、数可以发现，10Hz的基带信号是由30Hz的载波进行调制，用系统显示器加以显示出各个波形。在模拟调制法中，直接将载波与基带信号相乘，这里载波输出为sin波形。键控法中，设门限为0.5V，由基带信号控制键的方向。当基带信号值大于0.5V，则输出载波；否则输出0，这个设计的关键是找到键控开关，即图中21所示元件。图14 SystemView调制模块 该模块各元器件编号，图符，名称，功能及参数如表1所示。表1 SystemView调制模块元件参数表图符名称功能参数设置伪随机序列产生一个按设定速率、由不同电平幅度脉冲组成的伪随机序列信号Amp=0.5，Off=0.5，Rate=10，NO.=2正弦波产

22、生一个正弦波，作为载波信号Amp=1，Fre=20乘法器将输入的信号进行相乘在输出默认阶跃函数产生一个阶跃信号Amp=0，Sta=0，Off=0系统观察SystemView的标准观察窗口，可在系统运行结束后于系统窗口中显示输出波形，与示波器功能相同默认选通开关用脉冲信号控制开关的闭合方向默认4.2.2 信道模块与加噪模块 为了检验高斯噪声对信号的影响，在信道中加入高斯噪声，信道模块及加噪模块如图15所示。其中编号12为加法器，编号10为高斯噪声。将产生的高斯噪声通过加法器加入到信道中，使用一个系统观察器来观察加入噪声后的波形。图15 信道模块及加噪模块4.2.3 相干与非相干解调模块解调使用了

23、相干解调和非相干解调两种方式，SystemView解调模块原理图如图16所示。相干解调经过带通滤波相乘低通滤波抽样判决后输出。非相干解调经过带通滤波全波整流低通滤波抽样判决后输出。非相干解调与相干解调可以共同使用一个带通滤波器，它们的抽样判决方式相同。图16 SystemView解调模块原理图这一模块的关键是使用各个功能器件时参数的设置，一定要设置好参数，特别注意频率的匹配问题。SystemView解调元件参数表如表2所示。表2 SystemView解调元件参数表图符名称功能参数设置带通滤波器使一定频率范围内的信号通过，其他信号滤除BP=3,LOW=10,HI=30正弦波提供同步载波Amp=1

24、，Fre=20乘法器将输入的信号进行相乘在输出默认缓冲器 判决Gate=0，Thr=0，True=1，False=0低通滤波器使低频信号通过，高频信号滤除BP=3,LOW=30采样器按设定的采样率采样，输出的结果是输入信号在采样宽度内的线性组合默认比较器大于某值时输出1，小于该值时输出0默认整流器相当于绝对值的作用默认系统观察SystemView的标准观察窗口，可在系统运行结束后于系统窗口中显示输出波形，与示波器的功能相同4.2.4 运行结果及结论在检查无误后运行设计，得到设计的结果如图17、18、19、20、21、22、23、24、25、26所示。将得到的结果与理论波形相比较，两者相符，达到

25、了设计要求。 图17 原始信号波形图18 模拟调制法调制的波形 图19 键控法调制的波形图20 加入噪声后的波形 图21 非相干解调整流后的波形图22 非相干抽样后的波形图23 非相干判决后的波形图24 相干解调相乘后的波形图25 相干解调抽样后的波形图26 相干判决后的波形4.3 Simulink软件实现2ASK模型仿真设计4.3.1 调制及信道模块SIMULINK仿真模块实现了用模拟调制法来产生波形：基带信号与载波信号相乘，以及在信道中加如高斯噪声，并加以显示。由脉冲发生器产生相关的数字脉冲信号，再由正弦波发生器产生正弦波信号，它们经过乘法器相乘，得到相关的调制信号，用加法器将高斯噪声加入

26、到信道中。Simulink调制及信道模块如图27所示。 图27 Simulink调制及信道模块Simulink调制元件参数表如表3所示。表3 Simulink调制元件参数表图符元件名参数设置功能脉冲发生器Pul=Time based，Amp=1，Per=1，width=50，Pulse=50，phase delay=0产生脉冲正弦波Type=time based，Amp=2，Fre=100，Pha=pi/2，Sam=0.01产生正弦波信号乘法器默认将两个输入相乘再输出高斯噪声发生器Var=0.1，Ini=41，Sam=0.005，Out=double产生高斯噪声加法器默认将两个信号相加再输出4

27、.3.2 解调模块解调模块中，相干解调法经过带通滤波相乘器低通滤波抽样判决后输出；非相干解调经过带通滤波整流低通滤波抽样判决后输出。这里为了使图形简单调制信号省略了经过带通滤波器这一环节，影响不是很大。低通滤波器后面整个部分是抽样判决器。其中，信号值与开关门限值进行比较后，若信号值较大，则输出1，否则输出0，这样就实现了判决功能。在设计中，由于脉冲信号的频率与调制信号频率不匹配，使得解调出来的波形只显示原始信号波形的一半，修改参数后，恢复正常。Simulink解调模块原理图如图28所示。图28 Simulink解调模块原理图Simulink解调元件参数表如表4所示。表4 Simulink解调元

28、件参数表图符元件名参数功能乘法器默认将输入的两个信号相乘 再输出整流器默认将信号的小于0的部分做绝对值数字低通滤波器Type=Low，Des=FIR(Win)，Spec=10，让小于某一频率的信号通过，大于该频率的信号滤除判决器默认大于某一值时输出1，小于某一值时输出0显示器默认与示波器相同，显示波形脉冲发生器Pul=Time based，Amp=1，Per=1，width=50，Pulse=50，phase delay=0产生脉冲4.3.4 运行结果及结论在检查设计无误后，运行设计，得到如图29、30所示结果。将得到的波形与理论波形相比较，两者相符，达到了实验要求。 图29 相干解调波形 图

29、30 非相干解调的波形5 调试过程及结论 方案一使用了MATLAB软件来编写相关代码，编写完成之后进行调制，根据工作区下方的错误提示改正相应的错误，根据错误提示，绝大部分错误是一些语法错误，只要有耐心，静下心来慢慢改正，这些错误很容易得到解决。在错误改正完成后，运行代码，得到的结果与理论分析的结果相同，则这个方案得以通过。方案二上使用了MATLAB中的simulink来进行操作，sinmulink具有强大的通信应用仿真能力，找到相应的模块后，设置好相应的参数即可，然后将相应的模块连接起来，试运行有错误提示，这时可以根据错误提示找到错误所在，我所遇到的错误为滤波器的截止频率与抽样频率不匹配，这时

30、改变相应参数即可，错误提示消失。运行设计，没有错误提示，编辑正确。打开示波器即可显示相应的波形，使用全显按钮将所有波形放在两个窗口中显示，与理论波形相比较，两者相符，这个方案得以通过。方案三使用了软件SystemView来编辑设计，这个软件具有特有的模块功能，例如使用滤波器可以直接使用滤波器部分来设计，只要设置好相应参数即可。按照上述方法设计好设计图，试运行期设计，发现正常运行。打开示波器，显示相应的波形与理论波形相比较发现两者相符，则这个方案得以通过。 三个方案各有特点，方案一编码比较复杂，但可以看到各个功能部分的内部工作过程，对于找到错误的所在十分方便，这是十分难能可贵的。对于方案二，将各

31、个功能直接使用模块来处理，避免了复杂的编码过程，这是十分省时间的，难点就是，各个功能模块的参数设置，只要把握好这一点，完成这个设计就不难。对于方案三，与方案二相似，找到相应模块，设置好相应参数，这个软件SystemView的操作界面比simulink更加人性化，操作起来更加方便。三个方案各有优缺点，倚重不同，在使用中好好体会。6 心得体会 这次课程设计是在刘辛老师的指导下完成的，在这里再次感谢刘老师对我这次课设的悉心指导。这次的课设能够较好地完成的前提是能够熟练地使用MATLAB和SystemView这两种软件。对于MATLAB软件，在之前的学习中多次用到，且有相应的指导应用，因此这个软件的使

32、用并不是很难。而对于SystemView软件，在以前的学习中从未接触到，特别是它的具体用法，元件库的种类也比较多，要好好学习好这个软件。可以查阅相关资料书来学习其具体用法。在这里重点交流一下SystemView软件，SystemView是一个动态系统设计、仿真和分析的可视化涉及软件，它提供了开发电子系统的模拟和数字工具。在使用的过程中要了解设计窗口的各个按键的功能，而对于元件库的使用，只要清楚调用方法即可。任何一个软件只看不练是学不会的，因此要多使用这个软件才会熟能生巧。这次设计最大的难度不是在元器件的查找上，而是在参数设置上。无论是那些复杂的的代码编程，还是貌似极易上手SystemView的

33、可视化操作，元器件的参数设置不好，外观器件的连线在漂亮也无济于事。只有对系统各个模块的原理分析透彻，有扎实的基本功，加上一定的实践能力，才可能正确设置。一旦能自主正确设置元器件参数，我认为这是真正掌握了这个系统的精华。可以说，这个设计过程困扰我最长时间的就是滤波器的参数设计，原因在于其参数多，而且我们平时根本没有好好研究过它的原理，仅仅知道可以滤波的功效，而不知道具体的参数设置。在使用图像输出信号波形时，由于要输出的波形很多，且个个输出后的顺序也不易把握，因此，可以在每个输出图形上加上相应的标题，以起到提示的作用。 在课堂上，我已经详细学习了2ASK的原理和结果，单只停留在理论的学习上。信号经

34、过ASK调制后的波形具体如何变化并不是十分清楚，在这次的课设中使用了MATLAB和SystemView这两种软件进行仿真，可以清楚考到原始信号波形、ASK调制波形、噪声波形和解调后的波形，加深了我对数字信号调制与解调的理解，使我收获颇多。7 参考文献1 樊昌信，曹丽娜.通信原理（第6版）.国防工业出版社，20072 孙屹. SystemView通信仿真开发手册.国防工业出版社，20043 李东生，雍爱霞. 系统设计及仿真入门与应用.电子工业出版社，20024 江晓林，杨明极. 通信原理.哈尔滨工业大学出版社，20105 陈杰. MATLAB宝典.电子工业出版社，2011.16 斯托米阿塔韦.MATLAB编程与工程应用.电子工业出版社，2013.3- 34 -