基于Matlab对2ASK调制解调及其仿真设计

本科毕业设计基于MATLAB对2ASK的调制解调及其仿真设计学 院：应用科技学院专 业：电子信息工程学 号：120352010023姓 名：乐芬芳指导教师：吴淑莲职 称：讲师目 录1.绪论31.1引言31.2选题背景及意义32. MATLAB/Simulink简介42.1 MATLAB简介42.2 Simulink简介43.通信技术的发展53.1通信的基本概念53.2通信系统的组成53.2.1一般通信系统的组成53.2.2模拟通信系统的组成63.2.3 数字通信系统的组成63.2.4 数字通信的主要优点74. 2ASK调制解调的基本原理和实现74.1二进制振幅键控74.1.1基本原理74.1.2功率谱密度105. 2ASK调制解调的仿真115.1 2ASK调制仿真115.1.1模型方框图115.1.2参数设置115.1.3系统仿真测试后所得到各个点的时间波形图155.2 2ASK解调仿真155.2.1 模型方框图155.2.2参数设置165.2.3系统仿真测试后得到各个点的时间波形图195.2.4误码率分析216.结论226.1总结226.2致谢22参考文献22基于Matlab对2ASK调制解调及其仿真设计应用科技学院 2010级 电子信息工程 120352010023 乐芬芳 指导老师：吴淑莲【摘要】2ASK/OOK是二进制振幅键控,一般是用“1”或者“0”来表示振幅的差异。本设计是使用Matlab软件里的Simulink平台，用不同模块的功能来构建2ASK的调制模型和解调模型，并进行仿真。最终经过运行测试后得出仿真的波形，并对仿真的波形进行明确的分析和概括总结。【关键词】Matlab/Simulink、2ASK、调制和解调1.绪论1.1引言鉴于通信技术在社会中不断发展，通信原理逐渐成为理工科专业的必修课程，比如光电子、计算机科学与技术、自动控制等。首先它作为一门专业课程，其他后续专业课程以这门课程为基础，所以对专业学习来说学好通信原理这门课程是非常关键的。另一方面，对各专业进行工程设计、科学探索和系统可行性研究，系统建模和仿真技术是必不可少的一个重要环节1。鉴于计算机技术的全面发展，计算机仿真为科学研究的提供了一种重要手段同时它将越来越广泛应用在人们的生活中。控制系统的数字仿真是分析和设计各种复杂系统的强有力的工具，也是计算数学、计算机和控制理论等知识的交叉学科。MATLAB作为工程与科学计算机的一种高级语言，它可以很容易地实现FORTHAN或C语言几乎全部的功能，它的计算效率很高，编程效率也极高2。众多科学研究工作者对MATLAB语言引起了注意，MATLAB语言具有许多优点，MATLAB语言越来越成为学术交流、科学研究、建模仿真、数值计算等的事实标准。而Simulink则是源自于对仿真中控制系统的需求，是MATLAB语言上的一个可视化管理的建模仿真平台。Simulink是以方框图建模的形式存在，更加于工程实践中体现出来。由于MATLAB/Simulink通信、专业工具箱和信号处理专业函数库同时成熟的发展，专家学者们和在通信技术领域的工程师对它们越来越应用在通信技术方面，在系统设计、性能分析验证、建模仿真、算法设计、通信理论研究等方面更加广泛的应用1。1.2选题背景及意义随着信息技术的迅速发展，用于测试和研发的设备不断更新，同时技术含量也随着提高，价格也变得更加昂贵。但并不是所有从事开发和研究的工程技术人员都能更新信息技术最先进的仪器设备。在现代通讯技术、通讯系统和电子工程的实验研究工作中很多是使用计算机仿真3。计算机仿真的方法可以克服一些问题，比如说在一定程度上克服没有仪器设备所带来的问题。数字信号调制和解调技术的广泛应用是源于数字通讯系统的在控制系统的蓬勃发展。二进制数字调制系统的相干解调技术，由于它的性能较好而经常被使用，但其性能的好坏在于取得的载波是否为同相同频，因此它的成本高而且结构复杂。DSP技术的循序渐进的发展，通讯系统中自适应滤波技术的应用在工程中使用，自适应滤波算法在控制系统的使用已成为现实。它具有单频跟踪技术，可以有效跟踪信号的相位、频率和幅度的功能。Matlab是专门应用于可视化及编程、数值计算的交互环境和高级的一种编程语言。Matlab具有创建模型、分析数据，应用程序和开发算法的四种功能。所以提出了“基于Matlab的2ASK调制解调及其仿真设计”的题目，并且将最后得出调制与解调的效果与传统的解调性能进行比较，还将对其进行分析总结。本毕业设计是直接利用 Matlab 仿真仿真平台中的软件，巧妙设计一个 2ASK 调制和解调仿真系统。利用示波器模块观察前后的信号波形，再利用频谱分析模块观察调制前后的信号频谱的变化，利用误码测试模块测出误码率，最后，根据运行测试的结果对2ASK调制和解调仿真系统的操作性能进行简单的分析和表现。2. MATLAB/Simulink简介2.1 MATLAB简介 Math Works Company开发了MATLAB语言，是应用于计算机的一种简单高效，跨平台的矩阵数值计算，和其它的计算机高级语言相比，比如Basic、Pasca、Fortran、C、C+等等，MATLAB语言的编程更加简洁，它的编程语句体现的更加鲜明，贴近于数学描述，而且可读性好，MATLAB语言具有强大的可视化数据处理能力和图形功能也是其它计算机高级语言遥不可及的。学习MATLAB对于任何一名具有高级语言基础的学者来说是非常简单的。但是要利用好MATLAB却不是那么容易就可以做到的。这不是因为MATLAB语言很复杂，很难读懂，而是因为实际问题需要运用到专业知识和数学知识来进行解决。使用MATLAB可以使常规计算机编程变得更加简洁，能够让学者将大部分的时间放在研究数学建模的问题上。可以说在进行系统仿真和数学计算时使用MATLAB这个强大的工具，会使科学研究的工作效率得到大大的改善。目前，理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程进行虚拟实验的时候几乎都是用MATLAB软件来完成的。在科学研究部门，MATLAB语言应用更加广泛，已经成为世界各国工程师和科学家进行学术交流首选的共同语言。有许多著名的学术期刊论文，有大部分的图形和数值结果都是MATLAB软件实现的3。2.2 Simulink简介 Simulink是Matlab语言当中的一种可视化的仿真调制工具，Simulink在数字控制，非线性系统，数字信号处理和线性系统的仿真已广泛应用于建模。Simulink用模块化方式的建模方式体现的，它的每个模块由自身的输入端口和输出端口联合控制来实现特殊功能的。Simulink中的仿真模型表现为仿真模块与模块之间的连接关系和多个模块之间的交集集合，使得分析的过程和仿真的设计变得更加简便、直观，而且也便于应用于扩展仿真模型4。 Matlab语言为 Simulink提供的一个功能工具包，以便于我们在进行仿真、建模与分析时合理使用。Simulink有提供一些模块是用于显示输出信号的，所以在仿真过程中观察仿真的结果是非常方便的。在仿真过程中，也可以运用Simulink的存储模块，能够方便地把仿真数据用不同的形式在文件中或者工作区间保存，使用者在仿真结束后可以对数据进行分析处理。另外，Simulink具有内在的模块化设计要求，它既可以将具有特定功能的代码组织成模块的形式，也可以将这些模块组织成具有等级结构的子系统。基于上述的Simulink优点可知它在数字信号处理、模糊逻辑、通信仿真、神经网络、机械控制和虚拟现实实践中得到了有效合理的应用，所以它是一种通用实用的仿真建模工具。Simulink根据输入/输出信号中两者之间的关系，把模块分成了离散模块，连续模块，混合模块的3种类型。作为一种专门用于仿真的软件，Simulink具有以下这些特点：1.基于矩阵的数值计算。2.拥有直观的图形操作界面和简明的高级编程语言。3.包含各个领域的仿真工具箱，可以方便、快捷的使用而且还可以进行扩展。4.丰富的数据I/O工具。5.提供和其他高级语言的接口。6.支持多平台（PC/UNIX）。3.通信技术的发展3.1通信的基本概念通信是以传输消息中所包含的简单易懂信息为目标。消息是在各个不同的时间阶段，通过精神或者物质的状态一种反应形式表现出来的。 例如文字、语音、图片、数字、图像及音乐等等都是隶属于消息(message)中的。信息（information）是指人们接收到消息中所包含的内容，即消息中所包含的内容才是人们所关心的。所以，可以把通信定义为把消息从一方发送到另一方。基于以上的认识，“通信”也可以叫做“消息传输”或者“信息传输”5。实现通信的手段和方式有很多，比如语言、击鼓传令、烽火台、打手势和消息树，还有现代社会的手机、电话、电视、电脑、广播、报纸、因特网和遥控等等，这些都是实现信息交流的手段或者消息传递的方式5。3.2通信系统的组成3.2.1一般通信系统的组成通信就是为了传递消息5。通信系统是信息源，发送设备，信道，噪声源，接收设备和受信者组成的一个系统6。如图3-1所示显示出通信系统的一般模型。 图3-1 通信系统的一般模型53.2.2模拟通信系统的组成 在传输信道上用模拟信号传输的通信系统称为模拟通信系统6。其组成的模型如图3-2所示。图3-2模拟通信系统模型 53.2.3 数字通信系统的组成 在通信系统的信道上用数字信号传输称为数字通信系统。社会上数字通信具有许多特性，是数字通信中所发送的消息或者信号的某一参量是“数字”或者“离散”反应出效果的。在模拟通信中强调线性变换的特征，也可以说是强调模拟信号的承载消息与已调信号的某一参量的比例关系；而在数字通信中强调数字信号的进制数与某一参量的取值数相等，即强调承载消息的数字信号和信号的某一参量之间的对应关系6。数字通信的主要特点有：(1) 传输差错可控；(2) 可实现保密通信；(3) 收发双方必须保持同步6。数字通信有时候也有很多技术上的缺陷，大概包括信源编码，加密，信道编码，数字调制，数字解调，信道译码，解密，信源译码等许多问题5。如图3-3所示给出了数字通信系统模型。图3-3数字通信系统模型53.2.4 数字通信的主要优点目前，数字通信和模拟通信有效的应用到了不同的通信业务当中。但是，与模拟通信相比数字通信系统发展的步伐已经远远超过了它，也成为了当今通信技术的主流5。数字通信的优点有： （1）具有较强的防干扰能力，而且无噪声累积。（2）传输差错可控。（3）可以有效采用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理，变换和存储。（4）以致通信设备微型化、重量轻，易集成。（5）易于加密处理，且保密性好。鉴于微电子技术、计算机技术在现实中的有效应用，逐渐显现出了超大规模集成电路，而数字系统的设备复杂程度却逐渐变得简单。同时大容量传输煤质的使用，比如说光纤和高效的数据压缩技术等，正是因为这些才使得宽带问题慢慢得到解决。所以数字通信也将在未来社会中循序的发展5。4. 2ASK调制解调的基本原理和实现4.1二进制振幅键控4.1.1基本原理根据保持载波的初始相位、频率不变和改变幅度来传输数字信息称之为振幅键控。在2ASK中是对应二进制信息用 “1” 或者 “0”的2种变化状态的载波幅度来有效表示。二进制振幅键控方式称为通-断键控（On Off Keying,OOK），是一种最简单和常用的键控方式，具体的表达方式为2ASK信号的一般表达式为 其中 式中：为码元持续时间；g(t)为持续时间为的基带脉冲波形。方便简单易懂，假设高度为1的g(t)，矩形脉冲的宽度等于；是第n个符号的电平取值。若则相应的2ASK信号就是OOK信号。2ASK/OOK信号时间波形（如图4-1）。图4-1 2ASK/OOK信号时间波形 72ASK/OOK信号包含模拟调制法（相乘器法）和键控法的两种调制方法，2ASK/OOK信号调制器原理框图（如图4-2）。（a）模拟相乘法 （b）数字键控法图4-2 2ASK/OOK信号调制器原理框图 5 2ASK/OOK信号的解调方法包括非相干解调(也叫包络检波法)和相干解调（也叫同步检测法）的2种方法，2ASK/OOK信号的接收系统组成方框图（如图4-3） 。(a）非相干解调方式 (b)相干解调方式 如图4-3 2ASK/OOK信号的接收系统组成方框图5 2ASK/OOK信号非相干解调过程的时间波形。(如图4-4) 图4-4 2ASK/OOK信号非相干解调过程的时间波形 7 4.1.2功率谱密度2ASK信号的功率谱由离散谱、连续谱的2个重要组成部分组成。离散谱是被载波分量控制的，并且连续谱是由g(t)经线性调制后的双边带谱来决定的。2ASK信号的功率谱密度示意图（如图4-5）。图4-5 2ASK信号的功率谱密度示意图 5由图4-5可得2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移（属线性调制）；2ASK信号的带宽等于2倍的基带信号带宽，假如只计算谱的主瓣即第一个谱零点位置则有其中。可以算出码元速率是2ASK信号的传输带宽是的1/2。5. 2ASK调制解调的仿真5.1 2ASK调制仿真5.1.1模型方框图2ASK信号调制模型框图由脉冲产生器（Pulse Generator）、DSP的Sine Wave信号源、相乘器(Product)、写入文件模块（To File） 和示波器(Scope)组成的。2ASK信号是由Sine Wave信号源给出的载波和方波相乘得到的。如图5-1所示给出了2ASK信号调制的Simulink模型框图。图5-1 2ASK信号调制的Simulink模型框图5.1.2参数设置建立好模型框图后，分别对Sine Wave信号源、脉冲产生器（Pulse Generator）、相乘器(Product)进行参数设置。 1. Sine Wave信号源的参数设置：图5-2 Sine Wave信号源的参数设置 由图5-2可以看出测试幅度显示为2，测试频率显示为1Hz，测试采样周期显示为0.002的Sine Wave信号。2. 脉冲产生器（Pulse Generator）的参数设置：图5-3 脉冲产生器（Pulse Generator）的参数设置 由图5-3可以看出幅度被设置为2，周期被设置为3，占1比为2/3的方波信号。3.相乘器的参数设置：图5-4 相乘器的参数设置5.1.3系统仿真测试后所得到各个点的时间波形图由运行后可知键控2ASK信号是由载波和方波相乘后得到的，如图5-5所示给出了键控2ASK信号各点的时间波形：图5-5 各点的时间波形图5.2 2ASK解调仿真本次毕业设计采用的是相干解调法（同步检波法）的解调方法进行仿真。5.2.1 模型方框图利用调制的载波信号，同时与已经调制信号相乘，再经过低通滤波器和抽样判决器测试最后恢复s(t)信号。2ASK信号解调的Simulink模型框图（如图5-6）。图5-6 2ASK信号解调的Simulink模型框图5.2.2参数设置建立好模型框图后，下面分别是设置各点的参数，这里使用的是原载波信号作为同步载波信号。1.低通滤波器的参数设置：图5-7 低通滤波器的参数设置2.错误率统计模块的参数设置：图5-8错误率统计模块的参数设置5.2.3系统仿真测试后得到各个点的时间波形图1. 载波的频率设置为1Hz时：图5-9 频率为1Hz时的波形2. 载波的频率设置为50Hz时：图5-10 频率为50Hz时的波形3. 载波的频率设置为100Hz时：图5-11 频率为100Hz时的波形由以上三个波形图可知只需改变载波频率就可以在示波器显示解调的理想波形。5.2.4误码率分析由2ASK信号解调的Simulink模型框图可以看出，没有加入高斯白噪声信道测试，因此在解调过程中误码率会比较小，误码率为0.3636。2ASK信号相干解调的误码率（如图5-12）。图5-12 2ASK信号相干解调的误码率6.结论6.1总结通过对基于Matlab对2ASK调制解调及其仿真设计的论文设计，使我对数字带通传输系统有了更深入的认识，同时我学会了Matlab/Simulink仿真工具的操作。但在本次的系统设计不够好，有待改善。对于Matlab/Simulink软件的认识和使用还是远远不够的，这是我以后要继续学习的。6.2致谢经过这段时间的努力，按照指导老师要求的毕业设计进度要求，终于完成了基于Matlab对2ASK调制解调及其仿真设计任务。在做毕业设计的过程当中，碰到了不少困难，但在老师指导、同学的帮助和自己的努力下终于完成了这个设计，感谢我的指导老师和帮助我的同学，我让取得了这么大的成果。参考文献1张水英,徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真M.北京:人民邮电出版社 ,20122瞿亮.基于MATLAB的控制系统计算机仿真M.北京:清华大学出版社；北京交通大学出版社，20063徐明远,邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用M.西安:西安电子科技大学出版社 ,2005 4李贺冰.Simulink通信仿真教程M.北京:国防工业出版社 ,20065樊昌信,曹丽娜.通信原理M.北京：国防工业出版社（第六版），2012 6张德纯,王兴亮.现代通信理论与技术导论M.西安：西安电子科技大学出版社，20047基于MATLAB的Simulink对信号的调制与解调仿真.EB/OL8孙屹,吴磊.Simulink通信仿真开发手册M.北京：国防工业出版社 ，20049邓华 .MATLAB通信仿真及应用实例详解M.北京:人民邮电出版社 ,200310沈辉.精通SIMULINK系统仿真与控制M.北京:北京大学出版社 ,2003 11赵静,张瑾,高新科.基于MALTLAB的通信系统仿真M.北京:北京航空航天大学出版社,200712黄永安,马路,刘慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用M.北京:清华大学出版社,200513唐向宏,岳恒立,郑雪峰.MATLAB及在电子信息类课程中的应用