二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設計

1、武漢理工大學專業(yè)課程設計 3 (通信原理)課程設計說明書二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設計一2ASK系統(tǒng)1.技術要求設計一個2ASK數(shù)字調制系統(tǒng)，要求：(1)設計出規(guī)定的數(shù)字通信系統(tǒng)的結構；(2)根據(jù)通信原理，設計出各個模塊的參數(shù)(例如碼速率，濾波器的截止頻率等)；(3)用Matlab或SystemView實現(xiàn)該數(shù)字通信系統(tǒng)；(4)觀察仿真并進行波形分析；(5)系統(tǒng)的性能評價。2.基本原理2.1 2ASK的定義振幅鍵控(移幅鍵控)即ASK,是正弦載波的幅度隨著數(shù)字基帶信號而變化的數(shù)字調 制，當數(shù)字基帶信號為二進制時，則為二進制振幅鍵控。設發(fā)送的二進制符號序列由0、1序列組成，發(fā)送0符號的概率為P,發(fā)送

2、1符號的概率為1-P,且相互獨立。則該二進 制的序列可以表小為S(t)=Z2“g(t - nTs),0 概率P an =1 概率1 - PTs是二進制基帶信號的時間問隔，g(t)是持續(xù)時間為Ts的矩形脈沖，廠 1 0t wct=S(t)cosOct二進制振幅鍵控信號時間波型如圖1所示，可以看出2ASK信號的波形隨二進制基帶信號S通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號(OOK信號)3(hIIIIIwwwvwwvvwwvw .1rliiWb /WVW1-圖1 2ASK信號的波形2.2 2ASK的調制2ASK的調制有兩種方法，第一種是利用模擬乘法器將 S (t)與載波信號相乘，故稱 模擬乘積法。地制I凡泮

3、圖2乘積法的調制第二種方法，因2ASK信號的特征是對載波的 通-斷鍵控”，用一個模擬開關作為調制載 波的輸出通/斷控制門，由而進制序列S來控制門的通斷，S (t) =1時開關導通；S (t)=0時開關截止，這種方法稱為通-斷鍵控法。，.心圖3鍵控法調制武漢理工大學專業(yè)課程設計 3 (通信原理)課程設計說明書2.3 2ASK的解調2ASK的的解調方法有兩種：相干解調和非相干解調。相干解調需要將載頻位置的已調 信號頻譜重新搬回原始基帶位置，因此用相乘器與載波相乘來實現(xiàn)。為確保無失真還原 信號，必須在接收端提供一個與調制載波嚴格同步的本地載波，這是整個解調過程能否 順利完好進行的關鍵。其解調原理如圖

4、（4）所示圖4相干解調原理圖包絡檢波器通常由整流器和低通濾波器組成，可以直接從已調波中提取原始基帶信號 比較簡單，其原理如圖（5）所示定時脈沖圖5非相干解調原理圖在非相干解調的過程中各個點的波形如圖（6）所示-r 、rr zx“ i i i i i r2.4 2ASK的功率譜密度2ASK信號的雙邊功率譜密度的表達式為11P2ASK(f)=4fsP(1-P)?G2(f + fc)2+ G2(f - fc)2?+4fs(1 - P)2G(0)2?&f+ fc) + 1f- fc)?上式表明2ASK信號的功率譜密度由兩部分組成(1)由g(t)經(jīng)線性幅度調制所形成的雙邊帶連續(xù)譜(2)由被調載波分量確定

5、的載頻離散譜。2ASK信號的單邊帶功率譜如圖(7)所示圖7 2ASK信號的單邊功率譜密度對信號進行頻域分析的主要目的之一就是確定信號的帶寬。在不同應用場合，信號帶寬有多種度量定義，但最常用和最簡單的帶寬定義是以功率譜主瓣寬度為度量的譜零點帶寬”，這種帶寬定義特別適用于功率譜主瓣包含信號大部分功率的信號。顯然， 2ASK 信號的譜零點帶寬為：B2ASK =?(fc + Rs) - (fc- Rs)?f0=2Rs式中，Rs為二進制序列的碼 元速率，它與二進制序列的信息率(比特率) Rb (bit/s)在數(shù)值上相等。3 .建立模型描述3.1 simulink 方案(1)乘積法調制+相干解調加入高斯白

6、噪聲，檢測誤碼率7Esjbet圖8 simulink方案一原理圖(2)鍵控法調制+非相干解調： r :圖 9 simulink 方案二武漢理工大學專業(yè)課程設計3 （通信原理）課程設計說明書91）二進制基帶信號2）正弦載波發(fā)生器3）帶通濾波器4）低通濾波器5）高斯白噪聲白 和 eulliBqrijryBTiaulli BinawGenerator圖10二進制基帶信號Eeh Wk圖11正線載波laijiflMiF ifte r。上三 gri圖12帶通濾波器Analog f liter 03 g n 1圖13低通濾波器武漢理工大學專業(yè)課程設計3 （通信原理）課程設計說明書Gt uMim圖14高斯白噪

7、聲3.2 SystemView 方案調制部分采用乘積法，解調部分采用相反解調圖 15SystemView 方案模塊0是基帶信號，4和17是正弦載波，3和16是乘法器，8是帶通濾波器，10是 低通濾波器，14是抽樣判決器3.3 Matlab編程方案在此次設計中，由于對 Matlab編程不是特別熟練，僅實現(xiàn)了模擬調制，信道加噪，相干 解調（僅使用低通濾波）。這里用到的主要函數(shù)有：rand隨機數(shù)產生函數(shù)，ellipord橢圓濾波器階數(shù)選擇函數(shù)，ellip橢圓濾波器產生函數(shù)，filter濾波函數(shù)。使用編程主要是信號 的產生和濾波器的編寫，而重中之重是濾波器的設計，如果能設計出較好的濾波器，基 本上編程

8、不存在難度。4 .模型組成模塊功能描述或程序注釋4.1 simulink 方案4.1.1 方案一調制及信道模塊仿真模塊實現(xiàn)模擬調制法：基帶信號與載波相乘，以及信道加高斯噪聲11圖16方案一調制及信道模塊圖各個元件的參數(shù)設置如下* 虧ufcLiiruu 目nni-c- fc rs: 日 u lc =b h_i 11 i B ratr-rn 1=i i-n ciiiJil X X T5 -Lmw ztry03r日 it wf 口 hG *上 - AK a. BWX K LCJXJ.1 1 XX Jt kluJVLIdi 工 LNM 夕M.T o ci 目-l 日上*t 1&注上=i_t七 0 ur

9、t 胃pm。土fyHi。JL3 工 otn ati 1L i.iz ams： 3 m 日口 比m 尸 a h K；mt，L + =? h hA Jr 3 B l JL j_ * yr n_j 4工 d 工 d :U. Gt lxx x 三日日 a *0 i占=Th jr-h _i_ = fc 工 TTk U 士 L尸 * EITiL - h H 3F L l-| Cl IL1 + R* HX C* . H p = . * V 口 色。H 1aBi 0 五 Bblll W -t V 二 M1 一 Out xsi-Llz亡L- it a t-sro 9 r_Lo _it _L w OCQUX.la

10、w sun_i士 - X 0M 工上0口 .。:； 11,工 m a 匕 力 a U 曰 IQ 11Oi豆耳s屋F ir & oJ-o-iT-oy C. v ctlZ q n 3 x2* jpi * 1 0 EIcamu vra dL?=O- 揖口 工 JTLQ S口I* Hxvt 日 ir 口 t日t u 日 口七口工 gp air ajmq七 日首總 曰:s 1 一 口圖18正弦載波的參數(shù)設置圖19高斯白噪聲的參數(shù)設置4.1.2方案一解調模塊圖20方案一解調模塊各個元件的參數(shù)設置如下武漢理工大學專業(yè)課程設計3 （通信原理）課程設計說明書bunu 口H 化h口 e nXb not 0/C 日

11、, ihitl layX E-i.f3iVl.-it 11 M t VFM M K-i, 土卜 LI 尸尸1不 |.小 RIWH r X. 3- Hl. X -4： BMiirii , 片工yaJL 丸七 n dl !口包1 cS*iTfc 耳*。由1嗤Q. wi K F嗤 lc 京Fi* .Q.：火口U飛 pu上 wft CiV Ctel1 1t at p。t wii。111a qQW Rfc-iab 1 e 工e，口，的二己 in.* det e ot xanxSsuKR，肌o (- 1 注溫*。i口萼 oao i圖23判決器的參數(shù)設置17圖24誤碼率的參數(shù)設置4.1.3方案二調制及信道模

12、塊圖25方案二調制及信道調制及信道的元器件參數(shù)設置表1調制及信道的元件參數(shù)元件名參數(shù)隨機二進制信號Initial seed=61 , Sample time=1正弦載波信號Amplitude=1 , Frequency=200, Phase=0,Sample time=0.001鍵控開關Threshold=100e-7高斯噪聲發(fā)生器Variance=1 , Initial seed=41 , Sample time=24.1.4方案二解調模塊Fig Cign1Enccdef圖26方案二解調模塊表2解調模塊各個元件參數(shù)設置元件名參數(shù)帶通濾波器Filter order=1 , Lower pass

13、band edgefrequency=150 , Upper passband edgefrequency=250低通濾波器Filter orde=1 , Passband edge frequency=250抽樣判決器Quantization partition: -1 -.1 .1 1Quantization codebook: -.825 -.7 0 .7 .8254.2 simulink 方案4.2.1 調制模塊圖27 simulink方案調制模塊圖28基帶信號的參數(shù)圖29正弦載波的參數(shù)武漢理工大學專業(yè)課程設計3 （通信原理）課程設計說明書圖32低通濾波器的參數(shù)194.2.2解調模塊圖

14、30 simulink方案解調模塊圖31帶通濾波器的參數(shù)武漢理工大學專業(yè)課程設計3 （通信原理）課程設計說明書圖33判決器的參數(shù)4.3 MATLAB編程方案clear;close all;%隨機生成原始信號t=0:0.0001:1-0.0001；%M 10000 個采樣點f=100； %載波參數(shù)設置carrier=cos(2*pi*f*t);M=500;p=length(t)/M; %每500個點分成一份共20份randNum=rand(1,p); %產生 20個隨機數(shù)Signal=zeros(1,length(t); %產生 10000 個全 0 序列for i=1:p%將隨機數(shù)判為1或0i

15、f randNum(i)=0.5randNum(i)=1;else randNum(i)=0;endendfor j=0:p-1; %產生原始信號，共20個碼元for n=1:M;Signal(j*M+n)=randNum(j+1);endendASK_Signal=carrier.*Signal; % 調制信號信道noise=randn(1,10000)/5; %臬聲生成ASK1=ASK_Signal+noise; % 力口噪處理ASK2=ASK_Signal*carrier;% 與本地載波相乘 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

16、;rs=40; %通帶波動，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)panjueASK_out1(i*M+1:i*M+M)=1;% 判決輸出 1else ASK_out1(i*M+1:i*M+M)=0; % 判決輸出 0 endend figur

17、e(1)subplot(5,1,1);plot(t,Signal);axis(0,1,-0.1,1.1);grid on; xlabel(時間/s);ylabel(幅值);title(原 始信號);subplot(5,1,2);plot(t,ASK_Signal);grid on;xlabel(時間/s);ylabel(幅值);title(調制信號);subplot(5,1,3);plot(t,ASK1);grid on; xlabel(時 問/s);ylabel(幅值);title(加噪信號);subplot(5,1,4);plot(t,ASK_out);axis(0,1,-0.1,1.1)

18、;grid on;xlabel(時間/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(時間/s);ylabel(幅值);title(解調信號);5調試過程及結論5.1 simulink 方案5.1.1 方案一調試過程中各點的波形如圖所示圖34原始的基帶信號23圖35正弦載波信號圖36調制后的信號圖37經(jīng)過帶通濾波器之后的信號武漢理工大學專業(yè)課程設計3 （通信原理）課程設計說明書圖40判決后的信號25圖38經(jīng)過乘法器之后的信號武漢理工大學專業(yè)課程設計3 （

19、通信原理）課程設計說明書335.1.2方案二圖41誤碼率顯示調試過程中各點的波形如圖所示圖42基帶，載波，調制后的信號圖44調制后的功率譜密度5.2 system view 方案調試中個點的信號如圖所示日心口 AUV 口口-41 口go ndu好 wJ； Sink 了wci-3eoa-aWOZg口 7Time in S*copd口，3圖45基帶，調制后，帶通后的信號圣0*3*0 必由10-31aoi 0一勺Tl1 ng!Tq 4圖46乘法器，低通，判決后的信號5.3MATLAB 編程質始借w日寸聞.倜制咕號唧pwi尸wniwnEBM。0 1 20.3 a .：Q,&Q.0.7 dM 0.91時

20、I司/品就渡器檢出圖47 MATLAB編程過程中個點的信號波形5.4調試結論從仿真的結果來看，本次設計仿真是成功的，有缺陷的地方是加了誤碼率器件后存在延 時，主要是延時調的不是很好，另外在抽樣判決的參數(shù)設置上也不是很理想。6 .心得體會經(jīng)過兩個多星期的通信原理的課程設計，我完成了2ASK數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)的設計。再設計的時候遇到了很多問題，但通過自己的思考，再加上查找一些課外資料，最 終成功的完成了整體設計要求。通過前期自己查資料，由于這方面的知識上課的時候學 過，所以原理方面并沒有多大的問題，經(jīng)過幾天的修改，我完成了要求的設計方案，畫 出了設計原理框圖。接下來我根據(jù)所畫的原理框圖運用Sys

21、temView和simulink軟件完成了原理圖的設計，在畫圖的時候對兩種軟件的認識不夠，很多期間都找不到，不得不找 一些課外資料，學習相關的知識。畫完原理框圖后用了一段時間對波形進行仿真調試。在調試的過程中，我遇到了一些問題，剛開始并不能正確輸出所有的波形，經(jīng)過錯誤分 析與不斷修改，最后解決了問題，能夠正確運行并輸出正確的仿真波形。通過本次實驗， 我對Systemview軟件和simulink軟件的應用有了很多的學習，但是還是有很多地方不能 熟練運用，在以后的學習中應該多鍛煉，爭取掌握的更好。這次課程設計，大大地提高了我的分析解決問題的能力，在這一過程中，我根據(jù)課 程設計題目所給定的總題要求，獨立設計、分析，在面對問題時，能夠耐心思考，解決 了很多問題，從中也學到了很多書面上所沒有講明的問題。總之，這次課程設