mask性能分析.doc

目目 录录 摘要 i abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景和研究意义 1 1 2 课题的研究现状与发展趋势 1 1 3 文章结构 2 第 2 章 线性调制原理 3 2 1 调制的意义 3 2 2 mask 的调制与解调 4 第 3 章 仿真性能及测试 7 3 1 模式框图及参数设计 7 3 2 仿真结果图及性能分析 7 第 4 章 结论与展望 13 4 1 结论 13 4 2 展望 14 致谢 15 参考文献 16 i mask 性能分析与仿真性能分析与仿真 摘要摘要 随着当代通信技术的发展 数字通信正在向高速度 高保密性和高稳定性的方向发展 在 数字通信发展的过程中 新技术和新设备的测试显得尤为重要 但是仅仅是为了测试某些理论就要 设计或者制造复杂且昂贵的设备是不可取的 因而用仿真软件不仅可以节约成本还可以为理论的研 究提供更有参考价值的信息 在数字通信中 比较基础的调制技术有很多 其中最简单也最容易实现的技术要属振幅调制技 术了 因此很多研究都是用振幅调制技术来测试设备和验证理论的 在实际使用中 二进制的振幅 调制技术多数时候并不满足设备和理论的测设要求 因而研究多进制的振幅调制技术更具有实际意 义 本文在二进制振幅调制技术的基础上 研究分析了多进制振幅调制技术的特点和性能 并用仿 真软件 systemview 进行了模拟仿真 分析并验证了结果 关键词 关键词 mask 调制 解调 ii simulation of mask modulation and demodulation system abstract with the development of the technology of communication digital communication is becoming more fast security and stable in the process the test of new theory and facility is very important however for the new things designing and manufacturing the expensive and complex facility is undesirable so the simulation software is more available in the digital communication the simplest technology is ask modulation technology as the result many tests use the ask technology while in the fact the binary ask modulation did not meet the demand of multi system then the mask modulation is more important on the basis of 2ask modulation simulation this article discussed the nature and characteristic of the mask modulation with the systemview keywords mask modulation demodulation 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1 课题背景和研究意义课题背景和研究意义 二进制幅度键控 2ask 方式是数字调制方式中出现最早 也是最简单的一种方 法 这种方法最初用于电报系统 但由于它的抗噪声能力较差并且频带利用率较低 故在数字通信中用得不多 不过 二进制振幅键控常常作为研究其它数字调制方式的 基础 因此熟悉它仍然是必要的 1 为此本人在二进制振幅调制的基础上进一步研究 多进制振幅调制技术 与二进制相比 多进制振幅调制有以下特点 在码元速率相同 的条件下 信息速率是二进制的 log2m 倍 m 为多进制的进制数 其次 当码元速率 相同时 多进制振幅调制带宽与二进制相同 2 但是 多进制振幅调制的误码率通常 远大于二进制误码率 当功率受限时 m 越大 误码增加越严重 而且多进制振幅调制 不能充分利用发信机功率 尽管如此 多进制在实际的应用中仍然更有意义 这也为 我们研究其他多进制调制技术奠定基础 3 ask 作为一种简单高效便捷 易于实现的调制技术在目前的通信领域中有着及其独 特的位置 对基于 ask 的通信系统的研究与应用也是众多研究项目中的热点 在实际 应用当中 大型 复杂的系统直接实验是十分昂贵的 而通信系统设计研究是一项十 分复杂的技术 由于技术的复杂性 在现代通信技术中 越来越重视采用计算机仿真 技术来进行系统分析和设计 利用仿真 可以大大降低实验成本 在实际通信中 很 多信道都不能直接传送基带信号 必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制 使载波的这些参量随基带信号的变化而变化 4 这时候多进制振幅调制技术就显得尤 为重要了 1 21 2 课题的研究现状课题的研究现状与发展趋势与发展趋势 近十几年来 随着计算机 人工智能 模式识别和信号处理等技术的飞速发展 通信信号的自动调制识别技术得到长足的发展 数字调制传输在现代通信中发挥着越 来越重要的作用 主要是因为数字通信有以下优点 1 数字信号便于存储和处理 且 抗干扰能力强 2 数字信号便于交换和传输 3 可靠性高 传输中的差错可以设法 控制 4 数字信号易于加密 且保密性强 5 通用性和灵活性好 5 mask振幅调制作为数字调制传输的一种常用方式 具备上述所有的优点 所以 mask的应用是非常广泛的 如在基于mask的神经网络解调器研究上 与传统解调器相 比 它有一些很重要的特点 第一 基于mask的神经网络算法用于解调处理 其抗干 扰性能优于传统方法 第二 基于mask的神经网络解调器有和传统解调器相似的处理 单元 但在神经网络中 这些功能被整合在多个神经元中 无需对每个处理单元和功 2 能进行单独设计 这些处理功能都是在其学习过程中自己获得的 第三 解调系统为 并行结构 所以处理速度比传统速度更快 还有开发多信道通信系统时针对mask中频 信号发生器和接收机的fpga设计及实现的研究 研究结果表明能增加系统的冗余性 提高系统的可靠性 有较为广泛的市场前景的应用如智能系统包括家庭保安系统 自 动化控制系统 汽车门禁系统以及rfid等领域的工作于超高频 uhf 的射频接收机也 常使用mask数字调制方式 6 如基于mask无线射频收发模块的安防系统 无线射频数 据传送电路和 emc微处理器设计为一体 构成具有检测不同信号和无线数据传输的功 能模块 并通过无线接收模块与电话网络连网 应用于家庭及单位的安防系统 1 31 3 文章结构文章结构 本文主要包括以下内容 第 1 章绪论首先介绍了课题的研究背景和研究意义 接着概述了目前 mask 技术 的研究现状与发展趋势 第 2 章介绍数字调制系统的基本理论和相关概念 第 3 章进行 mask 调制与解调仿真 给出不同设计方法下的总体仿真电路图 并 对各仿真模型进行仿真分析 比较相关波形 得出最后结论 第 4 章结论与展望部分主要讲述由设计得到的相关总结 说明取得的阶段性成果 和存在的问题和不足 并对此课题未来的发展及应用方向进行展望 3 第第 2 2 章章 线性调制原理线性调制原理 2 12 1 调制的调制的意义意义 数字信号的传输方式分为基带传输 baseband transmission 和带通传输 bandpass transmission 数字处理的灵活性使得数字传输系统中传输的数字信息既可以来自计算机 电传 机等数据终端的各种数字代码 也可以来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码 pcm 信号等 在原理上 数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输 但在实际传输中 视系统的要求和信道情况 一般需要进行不同形式的编码 并且选用一组取值有限的 离散波来表示 这些取值离散的波形可以是未经调制的电信号 也可以是调制后的信 号 未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或很低的频率开始 称为数字基带信 号 在某些具有低通特性的有线信道中 特别是在传输距离不太远的情况下 基带信 号可以不经过载波调制而直接进行传输 例如 在计算机局域网中直接传输基带脉冲 这种不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统 称为数字基带传输系统 然而在实际中的大多数信道 如无线信道 因具有带通特性而不能直接传送基带信 号 这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量 为了使数字信号在带通信道中 传输 必须使用数字基带信号对载波进行调制 以使信号与信道的特性相匹配 这种 数字基带信号控制载波 把数字基带信号变换为数字带通信号 已调信号 的过程称为 数字调制 在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调 通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统 4 基带信号具有较低的频率分量 不适合在大部分信道传输 因此 在通信系统的 发送端需要一个载波来运载基带信号 也就是使载波信号的某一个 或几个 参量随 基带信号 调制信号 改变 这一过程就称为调制 调制后所得到的信号称为已调信 号或频带信号 调制的主要目的有频率搬移 将调制信号 基带信号 转换成适合于 信道传输的已调信号 频带信号 提高频率有利于微波辐射 以无线辐射天线为信号 波长的 1 10 计算 提高频率有利于减小天线尺寸 实现信道复用 提高信道利用率 改变信号带宽 调制后的信号带宽相对于载频是窄带带通信号 实现带宽与信噪比的 互换 改善系统性能以及实现频率分配 7 在通信系统的接收端则需要有解调过程 调制分为模拟调制和数字调制两类 数字调制一般是指调制信号是离散的 而载 波是连续波的调制方式 它有三种基本调制方式 振幅键控 移频键控和移相键控 其中振幅键控 ask 是用数字调制信号控制载波的 振幅 如在二进制中 发 0 时 不发送载波 发 1 时发送载波 有时也把代表多个 符号的多电平振幅调制称为 振幅键控即 mask 用不同的电平控制载波的幅值 振幅键控实现简单 频带利用 4 率高 但抗干扰能力差 2 2 2 2 maskmask 的调制与解调的调制与解调 调制器信道解调器 噪声源 基带信 号输入 基带信号 输出 图 2 1 数字调制系统的基本结构 数字调制与模拟调制原理是相同的 一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制 但是 数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点 其取值是有限的离散状态 这 样 可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态 基本的三种数字调 制方式是 振幅键控 ask 移频键控 fsk 和移相键控 psk 或 dpsk 多进制数字振幅调制又称多电平振幅调制 它用高频载波的多种振幅去代表数字信息 mask 调制方式就是使载波的幅值随着基带信号的变化而变化 mask 的表达式如式 2 1 所示 0 2 1 其中 an为基带信号的电平 0为载波频率 由上式可以看出 如果其中电平是 0 的多进制信号 只要让载波信号与多进制信号通过乘法器即可调制完成 如果两个电 平都不是 0 只要让载波信号的振幅固定 通过乘法器与多进制信号相乘就行 图 2 2 mask 信号的分解波形图 5 图 2 2 为四电平振幅调制 高频载波有 u0 t u1 t u2 t u3 t 四种 振幅为 0 1a 2a 和 3a 分别代表数字信息 0 1 2 3 或者双比特二进制输入信息 00 01 10 11 进行振幅调制 而解调的两种方法包络检波和相干解调的原理图如图2 3和图2 4所示 带带通通 滤滤波波器器 低低通通 滤滤波波器器 全全波波 整整流流器器 抽抽样样 判判决决器器 定定时时 脉脉冲冲 abcdeask t 输输出出 图2 3 包络检波法示意图 带带通通 滤滤波波器器 低低通通 滤滤波波器器 相相乘乘器器 抽抽样样 判判决决器器 定定时时 脉脉冲冲 eask t 输输出出 coswc 图2 4 相干法解调示意图 多进制幅移键控的解调的实现和模拟信号双边带调制一样 可以是包络检波和相 干解调两种 其中包络检波法是通过全波整流器读取调制信号波形的外形 通过低通 滤波器滤除高频部分 然后通过抽样判决器根据电平的大小判断基带信号的电平 再 还原基带信号 而相干解调法是让调制信号与载波同频同相的正弦波相乘 相乘后基 带信号信息就包含在低频信号部分 因此再通过一个低通滤波器滤除二次谐波和高频 部分就可以还原基带信号了 但在解调的过程中找到与载波同频同相的正弦波并不容 易 因此成为相干解调法的难点和关键 相对而言 相干解调比包络检波复杂 并且 在设备的成本上 相干解调法也比包络检波法要高 在无噪声干扰的情况下 包络检 波解调与相干解调都能完整地解调mask调制信号 但是在实际的通信信道中 不可避 免地存在着噪声 从通信系统看来 起伏噪声是最基本的噪声来源 而起伏噪声又可 看作是高斯白噪声 因此在后面的仿真中我们使用的就是高斯噪声来分析mask的调制 过程的各种波形 2 2 m m电电平平变变换换 二二进进制制 数数据据 相相乘乘器器 带带通通滤滤波波 器器 载载波波 带带通通滤滤波波 器器 解解调调器器 取取样样判判决决 器器 m m 2 2电电平平 变变换换 6 图 2 5 多进制调制与解调原理方框图 由上图可见 m 进制 ask 信号是 m 个二进制 ask 信号的叠加 那么 mask 信号的 功率谱便是 m 个二进制 ask 信号功率谱之和 因此 叠加后的 mask 信号的功率谱将与 每一个二进制 ask 信号的功率谱具有相同的带宽 实现多电平调制的方框原理如上图 2 5 所示 它与二进制振幅调制的方框原理非 常相似 不同之处是在发信输入端增加了 m 2 电平变换 相应在接收端应有 m 2 电 平变换 另外该电路的取样判决器有多个判决电平 因此多电平调制的取样判决电路比较 复杂 实际系统中 取样判决电路可与 m 2 电平变换合成一个部件 它的原理类似于 模数变换器 多电平解调与二进制解调相似 可采用包络解调或同步解调 7 第第 3 3 章章 仿真性能及测试仿真性能及测试 3 13 1 模式框图及参数设计模式框图及参数设计 在 system view 环境下建立 2ask 和 mask 仿真模型如图 3 1 所示 在图 3 1 中 图符 0 和 14 为信号源库中的随机序列发生器 图符 0 输出幅度为 1 v 频率为 100 hz 初始相位为 0 4 电平输出 图符 14 输出幅度为 1v 频率为 100hz 初始相位 为 0 2 电平输出 图符 2 和 6 是正弦信号发生器 输出幅度为 1v 载波频率为 1 khz 相位为 0 图符 1 5 11 和 12 为相乘器 图符 3 和 13 为相加器 图符 7 和 15 为低通滤波器 截止频率为 150hz 图 3 1 2ask 和 mask 的仿真模型 3 23 2 仿真结果图及性能分析仿真结果图及性能分析 对建立的系统模型进行仿真 得到基带信号的时域波形如图 3 2 和图 3 3 所示 8 图 3 2 多进制基带信号波形 多进制基带信号波形如图 3 2 所示 其幅度为 1v 频率为 100hz 的 4 电平随机序 列信号 图 3 3 二进制基带信号 图 3 3 为二进制基带信号 其幅度为 1v 频率为 100hz 的 2 电平随机序列信号 分析调制信号的功率的谱图 我们可以对比图 3 4 和图 3 5 分别为四进制的调制 信号的功率谱和二进制的功率谱图 图 3 4 四进制调制信号的功率谱 9 图 3 4 为调制后的信号功率谱图 由图可知 信号的功率主要分布在 1000hz 频率 附近 图 3 5 二进制调制信号的功率谱 图 3 5 为二进制调制信号的功率谱 对比图 3 4 发现 两个图完全一样 也是主要 功率分布在 1000hz 频率附近 两幅图完全一样的主要原因是基带信号的幅值都为 1v 即功率相同 且载频都为 1000hz 他们的主要功率都分布在该频率段上 因而两 幅图完全一样 结果和理论符合的很好 因为他们的调制原理是一样的 仿真分析得到的调制信号波形图如图 3 6 和图 3 7 图 3 6 四进制调制信号波形图 图 3 6 中除了有高低电平区分很明显之外 还可以看出相位的跳变 这是因为随 机序列中电平由正跳变到负或者由负跳变到正的关系 图 3 7 二进制信号的调制波形图 10 图 3 7 为二进制调制信号的波形图 从图中可以看出正弦波相位的变化 这是由 电平的正负跳变引起的 与四进制调制波形相比 仅仅是少了高低电平的变化 因而 此图中正弦波的幅值没有变化 图 3 8 多进制信号加入高斯噪声后的波形图 这是多进制振幅调制信号加入高斯噪声后的波形 从图中可以看出波形杂乱无章 已经看不到基带信号和载波信号了 图 3 9 二进制调制信号加入高斯噪声后的波形图 此图为二进制振幅调制信号加入高斯噪声后的波形 同样 由于高斯噪声的加入 信号变得看似杂乱无章 图 3 10 载波信号功率谱 11 上图为载波信号的功率谱 从图上可以看出 载波信号的能量非常集中 尽管这 在实际中难以做到 能量集中于 1000hz 处 远远大于基带信号的频率 是符合要求的 仿真中得到的还原后的波形与基带信号相对比得到图 3 11 和图 3 12 图 3 11 四进制基带信号与解调信号波形图 从图 3 11 中的对比可以看出 信号的幅度还原虽然还有误差 但已经可以识别出 高低正负电平了 由于高斯噪声的介入 使得信号在幅值上有波动 但这不影响信号 的识别 总体来说 还原信号还是可以满足要求的 12 图 3 12 二进制基带信号与还原信号波形图 从上图的对比中可以看出 还原信号基本上还原出了高低电平 虽然由于高斯噪 声的介入 引起幅值的波动 但这不影响最后信号的识别 从上图的效果来看 还原 信号还是满足要求的 在仿真中 基带信号和载波信号都是理想的 在实际中不可能做到仿真中的情形 但是只要载波信号和基带信号没有大规模的能量削弱和偏差 就能实现基带信号的还 原 尽管可能出现部分信号错乱 要实现基带信号的正确提取 就要求载波信号的频 率要远远大于基带信号 此外滤波器的设计和使用要符合基带信号的频率要求 从某 种意义上来讲 滤波器性能的好坏直接决定了基带信号的提取质量 在通信过程中不 可能百分之百的正确 因此我们要正确看待错码的问题 由于环境的不同 噪声的强 弱或多或少的会对信号有所影响 因此个别的错码是可以接收的 事实上没有任何系 统可以保证在传输的过程中完全不出错 13 第第 4 4 章章 结论与展望结论与展望 4 14 1 结论结论 本次设计的 mask 调制与解调的模型还是比较简单的 只是基础的调制与解调 但是这次的设计给了我很多灵感 让我明白了现有知识在实际中的应用 以前我认为 我所掌握的知识都是基础知识 并没有在实际中有大量的应用 事实证明是我的认识 有限 在实际中有很多应用是我们平时不知道的 首先 我对 2ask 做了很多复习工作 对他的原理有了充分的了解和认识 然后在 此基础上掌握了 mask 的原理和过程 但是当我真正实践时 才发现需要的理论知识和 相关技能自己都不是很熟悉 例如对于 systemview 软件的使用等等 所以设计中遇到 的最大麻烦就是软件出错 这是因为我没有注意软件的提示 经常复制多个元件 最 后在仿真时出错 其次在本次设计中 我也遇到了一些困难 对于噪声的仿真 我尝试了不少方法 后来经过看书和学习 发现比较好的噪声元件还是使用高斯噪声 我也曾尝试仿真卫 星信道下的噪声情形 但由于在卫星信道中 噪声情形非常复杂 不可以一概而论 而这次的设计主要的分析并不在噪声的分析上 因此我还是选择了高斯噪声 不过 也正是我这种挑战自己的想法 使我更深刻的了解了卫星信道的噪声情形 也为我以 后的研究提供了很多灵感和信心 这次的设计改掉了很多之前依赖性大的毛病 体会 了认真做好一件事的感觉 提高了我独立学习与思考的能力 这次设计告诉我 很多 学习就是平时就要学会的 不能到用的时候才向别人学习或者才翻书 此次涉及的内 容并不复杂 但是在设计中也会出现需要考虑细节的问题 例如频率和时间的设置等 这些细节的学习使我对于课题的了解更透彻 在仿真中 由于对软件的操作不太熟练 经常导致第一个元件被多次复制 而在 设置滤波器和仿真采样时间时 由于开始对原理不熟悉 导致了结果错误甚至不能仿 真 后经同学和老师指导 才发现了问题 最后 设计不仅是对所学理论知识的考核 更是对把所学习理论知识运用到实践 操作中的一次检验 mask 调制和解调的仿真虽然相对其他调制技术简单 但是其应 用前景还是很广阔的 而对仿真和结果的分析 不仅需要耐心和细心 也是整个设计 的核心以及能否有收获的关键所在 由于个人能力有限 本来打算做 mask 调制与解调在卫星信道环境下的仿真 由 于认知和设计的复杂度 最后未能完成 改做较简单的高斯噪声模型 所以整个过程 的设计是简单的仿真与验证的过程 并没有复杂的系统设计 实践是检验真理的途径 所以这次地设计使我的理论知识更加的扎实 提高了自己的独立思考的能力和动手能 14 力 总之 在整个仿真系统中 对其各个波形进行观察 输入信号经过调制 解调后 恢复到原信号 最后输出信号与输入信号基本在电平判决下表现一致 这说明本文设 计的 mask 调制与解调的模型是正确的 这些研究和论证工作为具体的设计实践工作 提供了理论依据和支撑 适应当前科学技术的发展与更新 具有一定的研究价值 4 24 2 展望展望 振幅调制技术虽然在当下的应用不是很广泛 主要原因是远距离传输时 由于噪 声的功率以及信号本身的功率相差不大 因而对信号的影响很大 甚至完全错误 因 此远距离传输中使用的很少 但是因为振幅调制技术的原理简单 结构清晰 因而硬 件设备简单 成本低 这些优势很好的满足了近距离通信 此外 多进制的频带利用 率高于二进制的频带利用率 因此通常情况下我们首选多进制的振幅调制方式 随着技术的发展 未来的小型网络和传感器网络将会大量使用近距离多跳式的无 线通信 因此振幅调制技术还是有其