通信原理二進(jìn)制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2ASK系統(tǒng)

1、目 錄1 技術(shù)要求12 基本原理12.1 頻帶傳輸?shù)囊饬x12.2 2ask調(diào)制12.2.1 基本原理12.2.2 兩種調(diào)制法22.2.3 功率譜密度32.3 2ask解調(diào)33 建立模型描述43.1 使用systemview實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真43.2 使用simulink實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真53.3 使用matlab編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真64 模型組成模塊功能描述或程序注釋74.1 使用systemview實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真74.1.1 調(diào)制模塊74.1.2 信道模塊84.1.3 解調(diào)模塊84.2 使用simulink實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真94.2.1 調(diào)制及信道模塊94.2.2 解調(diào)模塊1

2、04.3 使用matlab編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真115 調(diào)試過(guò)程及結(jié)論135.1 使用systemview編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真135.1.1 采用模擬相乘法調(diào)制，及信道加噪后各點(diǎn)輸出波形135.1.2 采用非相干解調(diào)各點(diǎn)輸出波形135.1.3 采用相干解調(diào)各點(diǎn)輸出波形145.1.4 模擬調(diào)制法與鍵控法比較155.1.5 波形分析155.2 使用simulink編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真165.2.1 模擬調(diào)制，相干解調(diào)各點(diǎn)輸出波形165.2.2 模擬調(diào)制，非相干解調(diào)各點(diǎn)輸出波形175.3 使用matlab編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真186 心得體會(huì)187 參考文獻(xiàn)19二進(jìn)制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3、2ask系統(tǒng)1 技術(shù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)2ask數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，要求：（1）設(shè)計(jì)出規(guī)定的數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)； （2）根據(jù)通信原理，設(shè)計(jì)出各個(gè)模塊的參數(shù)（例如碼速率，濾波器的截止頻率等）； （3）用matlab或systemview 實(shí)現(xiàn)該數(shù)字通信系統(tǒng)； （4）觀察仿真并進(jìn)行波形分析； （5）系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。2 基本原理2.1 頻帶傳輸?shù)囊饬x實(shí)際生活中，大多數(shù)信道因具有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號(hào)，因?yàn)榛鶐盘?hào)往往含有豐富的低頻分量。因此必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，即完成頻譜搬移，以使信號(hào)與信道的特性相匹配。常用的調(diào)制方法有振幅鍵控（2ask），頻移鍵控（2fsk），相移鍵控(2psk)。這里使用

4、二進(jìn)制振幅鍵控（2ask）。2.2 2ask調(diào)制2.2.1 基本原理2ask是利用載波的幅度變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。其信號(hào)表達(dá)式為： ，s (t)為單極性數(shù)字基帶信號(hào)。其調(diào)制過(guò)程如圖1所示：圖1 2ask調(diào)制過(guò)程2.2.2 兩種調(diào)制法2ask信號(hào)的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制法和鍵控法。模擬調(diào)制法使用乘法器實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。鍵控法使用開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。乘法器s( t ) e0( t ) 濾波器cosc t圖2 模擬調(diào)制法也稱 ook 信號(hào) 開(kāi)關(guān) k 的動(dòng)作由s( t ) 決定，當(dāng)s( t ) = 10e0( t ) cosc tk0 k 接01 k 接1圖3 鍵

5、控法2.2.3 功率譜密度若設(shè)s(t)的功率譜密度為ps（f），2ask信號(hào)的功率譜密度為，則由圖4可見(jiàn)，2ask信號(hào)的功率譜是基帶信號(hào)功率譜的線性搬移，由連續(xù)譜和離散譜組成。fc - fsfcfc + fsfc - fsfc + fsfc圖4 2ask功率譜密度2.3 2ask解調(diào)2ask有兩種基本解調(diào)方法：相干解調(diào)法（同步檢測(cè)法）和非相干解調(diào)法（包絡(luò)檢波法）。相干解調(diào)需要將載頻位置的已調(diào)信號(hào)頻譜重新搬回原始基帶位置，因此用相乘器與載波相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。為確保無(wú)失真還原信號(hào)，必須在接收端提供一個(gè)與調(diào)制載波嚴(yán)格同步的本地載波，這是整個(gè)解調(diào)過(guò)程能否順利完好進(jìn)行的關(guān)鍵。解調(diào)過(guò)程如圖5所示。fcs( t

6、)定時(shí)脈沖 帶通 相乘 低通 抽樣判決eo( t )cosc t2fs圖5 相干解調(diào)包絡(luò)檢波器通常由整流器和低通濾波器組成，可以直接從已調(diào)波中提取原始基帶信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖6所示。經(jīng)過(guò)各個(gè)模塊后波形變化如圖7所示。帶通 整流 低通 抽樣判決判決定時(shí)脈沖 s( t ) eo( t ) abcd圖6 非相干解調(diào)圖7 非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形3 建立模型描述3.1 使用systemview實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真systemview是美國(guó)elanix公司推出的，基于windows環(huán)境下運(yùn)行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(token)去描述程序，無(wú)需與復(fù)雜的程序語(yǔ)言打交道，不用寫(xiě)一句

7、代碼即可完成各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，快速地建立和修改系統(tǒng)、訪問(wèn)與調(diào)整參數(shù)，方便地加入注釋。利用systemview，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只需從systemview配置的圖標(biāo)庫(kù)中調(diào)出有關(guān)圖標(biāo)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成圖標(biāo)間的連線，然后運(yùn)行仿真操作，最終以時(shí)域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。在此次設(shè)計(jì)中，使用systemview實(shí)現(xiàn)兩種調(diào)制方法和兩種解調(diào)方法（相干解調(diào)和非相干解調(diào)），同時(shí)在信道傳輸中加入高斯噪聲。在結(jié)果分析中，對(duì)使用模擬相乘法調(diào)制的信號(hào)所進(jìn)行的兩種不同解調(diào)方式的

8、誤碼率，眼圖，功率譜密度做了比較。原理圖如圖8所示。圖8 systemview仿真原理圖3.2 使用simulink實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。simulink被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，si

9、mulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。在此次設(shè)計(jì)中，使用simulink實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)制法和兩種解調(diào)方法（相干解調(diào)和非相干解調(diào)），同時(shí)在信道傳輸中加入高斯噪聲。原理圖如圖9所示。圖9 simulink仿真原理圖3.3 使用matlab編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真在此次設(shè)計(jì)中，由于對(duì)matlab編程不是特別熟練，僅實(shí)現(xiàn)了模擬調(diào)制，信道加噪，相干解調(diào)（僅使用低通濾波）。這里用到的主要函數(shù)有：rand隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生函數(shù)，ellipord橢圓濾波器階數(shù)選擇函數(shù)，ellip橢

10、圓濾波器產(chǎn)生函數(shù)，filter濾波函數(shù)。使用編程主要是信號(hào)的產(chǎn)生和濾波器的編寫(xiě)，而重中之重是濾波器的設(shè)計(jì)，如果能設(shè)計(jì)出較好的濾波器，基本上編程不存在難度。4 模型組成模塊功能描述或程序注釋4.1 使用systemview實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真4.1.1 調(diào)制模塊模擬調(diào)制法和鍵控法在systemview上使用的元件如圖10所示。各元器件編號(hào)，圖符，名稱，功能及參數(shù)如表1所示。通過(guò)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，1000hz的基帶信號(hào)由2000hz的載波進(jìn)行調(diào)制。模擬調(diào)制法中，直接將載波與基帶信號(hào)相乘，這里載波輸出為cos波形。鍵控法中，設(shè)門(mén)限為0.5v，由基帶信號(hào)控制鍵的方向。當(dāng)基帶信號(hào)值大于0.5v，則輸出載波；

11、否則輸出0（階躍信號(hào)值設(shè)為0）。圖10 systemview調(diào)制模塊表1 systemview調(diào)制模塊元件參數(shù)表編號(hào)圖符名稱功能參數(shù)21偽隨機(jī)序列(pn seq)產(chǎn)生一個(gè)按設(shè)定速率、由不同電平幅度脈沖組成的偽隨機(jī)序列(pn)信號(hào)amp=0.5，off=0.5，rate=1000，no=21正弦波(sinusoid)產(chǎn)生一個(gè)正弦波：y(t)=asin(2*pi*f+*)amp=1，fre=2000續(xù)表1 systemview調(diào)制模塊元件參數(shù)表編號(hào)圖符名稱功能參數(shù)2乘法器39階躍函數(shù)（stepfct）產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)amp=0，sta=0，off=05，40，41系統(tǒng)觀察systemviewsys

12、temview的標(biāo)準(zhǔn)觀察窗口，可在系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后于系統(tǒng)窗口中顯示輸出波形4.1.2 信道模塊 在信道中加入高斯噪聲，如圖11所示。其中編號(hào)7為加法器，編號(hào)8為高斯噪聲，參數(shù)為con=std，std=0.3v圖11 信道模塊4.1.3 解調(diào)模塊解調(diào)使用了相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方式，如圖12所示。相干解調(diào)經(jīng)過(guò)帶通相乘低通抽樣判決后輸出。非相干解調(diào)經(jīng)過(guò)帶通全波整流低通抽樣判決后輸出。圖12 systemview解調(diào)模塊各元件具體情況見(jiàn)表2。表2 systemview解調(diào)元件參數(shù)表編號(hào)圖符名稱功能參數(shù)10帶通濾波器bp=3,low=1000,hi=30001正弦波(sinusoid)提供同步載波am

13、p=1，fre=200023乘法器22緩沖器 buffer判決gate=0，thr=0，true=1，false=012，24低通濾波器bp=3,low=300018，25采樣器sample按設(shè)定的采樣率采樣，輸出的結(jié)果是輸入信號(hào)在采樣寬度內(nèi)的線性組合sam=100000020，27分析 analysis systemview的基本信號(hào)接收器。該接收器平時(shí)無(wú)顯示，必須進(jìn)入系統(tǒng)分析窗口才能觀察和分析輸出結(jié)果。32，34系統(tǒng)觀察systemviewsystemview的標(biāo)準(zhǔn)觀察窗口，可在系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后于系統(tǒng)窗口中顯示輸出波形4.2 使用simulink實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真4.2.1 調(diào)制及信道模塊

14、仿真模塊實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)制法：基帶信號(hào)與載波相乘，以及信道加高斯噪聲，模塊圖如圖13所示。各元件參數(shù)如表3所示。圖13 simulink調(diào)制及信道模塊表3 simulink調(diào)制元件參數(shù)表元件名參數(shù)脈沖發(fā)生器（pulse generator1）pul=time，amp=1，per=1，pulse=50正弦波（sine wave）type=time，amp=2，fre=100，pha=pi/2，sam=0.01乘法器（product）高斯噪聲發(fā)生器（gaussian noise generator）var=0.1，ini=41，sam=0.005，out=double4.2.2 解調(diào)模塊解調(diào)模塊中，相干

15、解調(diào)法經(jīng)過(guò)相乘器低通抽樣判決后輸出；非相干解調(diào)經(jīng)過(guò)整流低通抽樣判決后輸出。這里調(diào)制信號(hào)省略了經(jīng)過(guò)帶通濾波器這一環(huán)節(jié)，影響不大。低通濾波器后面整個(gè)部分是抽樣判決器。其中，抽樣由同步?jīng)_激信號(hào)與解調(diào)信號(hào)相乘實(shí)現(xiàn)，信號(hào)值與開(kāi)關(guān)門(mén)限值進(jìn)行比較后，若信號(hào)值較大，則輸出1，否則輸出0，這樣就實(shí)現(xiàn)了判決功能。原理圖如圖14所示，參數(shù)表如表4所示。圖14 simulink解調(diào)模塊表4 simulink解調(diào)元件參數(shù)表元件名參數(shù)乘法器（product1,product2,procuct3）整流器（abs1）默認(rèn)續(xù)表4 simulink解調(diào)元件參數(shù)表元件名參數(shù)數(shù)字低通濾波器（digital filter design

16、）type=low，des=fir(win)，spec=10，win=kaiser，units=nor，wc=0.167開(kāi)關(guān)（switch1，switch2）threshold=0.34.3 使用matlab編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真clear;close all;%隨機(jī)生成原始信號(hào)t=0:0.0001:1-0.0001; %取10000個(gè)采樣點(diǎn)f=100; %載波參數(shù)設(shè)置carrier=cos(2*pi*f*t);m=500;p=length(t)/m; %每500個(gè)點(diǎn)分成一份，共20份randnum=rand(1,p); %產(chǎn)生20個(gè)隨機(jī)數(shù)signal=zeros(1,length(t);

17、%產(chǎn)生10000個(gè)全0序列for i=1:p %將隨機(jī)數(shù)判為1或0 if randnum(i)=0.5 randnum(i)=1; else randnum(i)=0; endendfor j=0:p-1; %產(chǎn)生原始信號(hào)，共20個(gè)碼元 for n=1:m; signal(j*m+n)=randnum(j+1); endend%調(diào)制過(guò)程ask_signal=carrier.*signal; % 調(diào)制信號(hào)%信道noise=randn(1,10000)/5; %噪聲生成ask1=ask_signal+noise; %加噪處理%解調(diào)過(guò)程ask2=ask_signal.*carrier; %與本地載波

18、相乘%低通橢圓濾波器fp=20;fs=80;fs=8000; %通帶截止頻率，阻帶截止頻率rp=1;rs=40; %通帶波動(dòng)，阻帶衰減wp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fs/fs;n,wn=ellipord(wp,ws,rp,rs); %橢圓濾波器階數(shù)選擇函數(shù)b,a=ellip(n,rp,rs,wn); %橢圓模擬濾波器原型ask_out=filter(b,a,ask2); %濾波%判決器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; %判決輸出1 else as

19、k_out1(i*m+1:i*m+m)=0; %判決輸出0 endend%繪圖figure(1)subplot(5,1,1);plot(t,signal);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel(時(shí)間/s);ylabel(幅值);title(原始信號(hào));subplot(5,1,2);plot(t,ask_signal);grid on;xlabel( 時(shí)間/s);ylabel(幅值);title(調(diào)制信號(hào));subplot(5,1,3);plot(t,ask1);grid on;xlabel(時(shí)間/s);ylabel(幅值);title(加噪信號(hào));subplot(

20、5,1,4);plot(t,ask_out);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel(時(shí)間/s);ylabel(幅值);title(濾波器輸出);subplot(5,1,5);plot(t,ask_out1);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on;xlabel(時(shí)間/s);ylabel(幅值);title(解調(diào)信號(hào));5 調(diào)試過(guò)程及結(jié)論5.1 使用systemview編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真5.1.1 采用模擬相乘法調(diào)制，及信道加噪后各點(diǎn)輸出波形圖15中顯示的是調(diào)制及信道模塊，三個(gè)波形分別為基帶信號(hào)，模擬調(diào)制信號(hào)，加噪信號(hào)?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)調(diào)制后，以載波

21、的“有”和“無(wú)”分別表示基帶信號(hào)的“1“和“0”。經(jīng)過(guò)信道后，出現(xiàn)雜波。為了看清楚，這里對(duì)波形圖進(jìn)行了放大，只截取了部分。圖15 模擬調(diào)制及信道模塊各點(diǎn)輸出波形5.1.2 采用非相干解調(diào)各點(diǎn)輸出波形圖16中顯示的是非相干解調(diào)模塊的輸出，5個(gè)波形分別為基帶信號(hào)，解調(diào)信號(hào)，帶通濾波輸出，整流輸出，低通濾波輸出?？梢园l(fā)現(xiàn)解調(diào)各點(diǎn)波形與原理中敘述的完全一致，當(dāng)然具有一定的延遲。從基帶信號(hào)與最后解調(diào)輸出對(duì)比中可以明顯看出，具有延時(shí)，但根據(jù)坐標(biāo)軸顯示為這是0.01秒內(nèi)的波形，因此經(jīng)過(guò)估計(jì)延時(shí)絕對(duì)不大于0.5毫秒。圖16 非相干解調(diào)模塊各點(diǎn)輸出波形5.1.3 采用相干解調(diào)各點(diǎn)輸出波形圖17顯示的是相干解調(diào)模

22、塊輸出，5個(gè)波形分別為基帶信號(hào)，解調(diào)輸出信號(hào)，帶通濾波輸出，乘法器輸出，低通濾波輸出。與非相干解調(diào)不同的是，相干解調(diào)經(jīng)過(guò)乘法器，和低通濾波器后，仍存在幅值小于0的點(diǎn)；而非相干解調(diào)經(jīng)過(guò)整流后，波形幅值全部為正。同樣，解調(diào)輸出波形存在延時(shí)，但延時(shí)不會(huì)大于0.5毫秒。圖17 相干解調(diào)模塊各點(diǎn)輸出波形5.1.4 模擬調(diào)制法與鍵控法比較圖18顯示的是對(duì)相同的基帶信號(hào)進(jìn)行模擬調(diào)制和鍵控法的對(duì)比圖，3個(gè)波形分別為基帶信號(hào)，模擬調(diào)制輸出，鍵控法調(diào)制輸出?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，兩種調(diào)制方法輸出完全一致，說(shuō)明使用這兩種調(diào)制方法就效果而言沒(méi)有差別。圖18 模擬調(diào)制和鍵控法輸出波形5.1.5 波形分析圖19是兩種解調(diào)方式四次

23、不同基帶輸入的誤碼率比較，這里設(shè)置了測(cè)試比特?cái)?shù)為2500bit。從中可以發(fā)現(xiàn)，采用相干解調(diào)誤碼率較非相干解調(diào)要小許多，而這種情況實(shí)現(xiàn)的前提是相干解調(diào)在接收端能提供一個(gè)與調(diào)制載波嚴(yán)格同步的本地載波。圖19 兩種解調(diào)方式的四組誤碼率比較圖20是兩種解調(diào)方式各自通過(guò)低通濾波器的眼圖，上面的是非相干解調(diào)的，下面的是相干解調(diào)的。 “眼睛”張開(kāi)程度基本一致，且都比較端正，可見(jiàn)碼間串?dāng)_比較小。圖20 兩種解調(diào)方式的眼圖 圖21是分別為非相干解調(diào)和相干解調(diào)的經(jīng)過(guò)低通濾波后的功率譜密度。圖21 兩種解調(diào)方式的功率譜密度5.2 使用simulink編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真5.2.1 模擬調(diào)制，相干解調(diào)各點(diǎn)輸出波形

24、 圖22所示為使用相干解調(diào)仿真波形，從上到下依次為基帶信號(hào)，調(diào)制信號(hào)，加噪信號(hào)，相乘器輸出，低通濾波輸出，抽樣判決輸出。基本上不存在錯(cuò)判和延時(shí)，可見(jiàn)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較完美。圖22 模擬調(diào)制，相干解調(diào)波形5.2.2 模擬調(diào)制，非相干解調(diào)各點(diǎn)輸出波形圖23所示為非相干解調(diào)波形，從上到下依次為基帶信號(hào)，整流輸出，低通濾波輸出，抽樣判決輸出?；緹o(wú)延時(shí)，仿真效果較好。圖23 模擬調(diào)制，非相干解調(diào)波形5.3 使用matlab編程實(shí)現(xiàn)2ask模型仿真 圖24是使用matlab編程仿真圖，波形依次為原始信號(hào)，調(diào)制信號(hào)，加噪信號(hào)，低通濾波輸出，判決輸出。由于使用的系統(tǒng)和信號(hào)都比較簡(jiǎn)單，故整個(gè)過(guò)程不存在額外的干擾?？梢钥闯?，除了低通濾波后波形存在衰減，系統(tǒng)仿真結(jié)果比較不錯(cuò)。這也有編程實(shí)現(xiàn)本身的特點(diǎn)在里面。圖24 matlab編程仿真圖6 心得體會(huì)這是我們第三次做課程設(shè)計(jì)了，這次我們要在兩個(gè)星期內(nèi)完成兩個(gè)課程設(shè)計(jì)和一個(gè)能力拓展訓(xùn)練，即三份報(bào)告，而且要使用基本不會(huì)操作的matlab，systemview，labview三種不同的軟件，壓力還是不小的。但是俗話說(shuō)得好，有壓力就有動(dòng)力。盡管時(shí)間匆忙，但在同學(xué)幫助，圖書(shū)館借閱相關(guān)書(shū)籍，網(wǎng)上查閱資料和自己努力下，就2ask設(shè)計(jì)而言，我成功實(shí)現(xiàn)了使用matlab編程，simulink仿真，systemview仿真三種不同的方法，也可以說(shuō)有些小小的成就感