通信原理课程设计.doc

题目2ASK数字信号载波传输系统的设计与仿真通信原理课程设计任务书姓名_ 班级 指导老师 设计课题：2ASK数字信号载波传输系统的设计与仿真设计任务与要求设计任务与要求：一、 基本要求：1. 设计一个2ASK数字信号载波传输系统，画出该系统的组成框图，说明工作原理；2. 说明通信仿真的意义，学会利用常用通信仿真软件仿真通信系统；3. 给出系统的仿真图与仿真波形，并进行简单的波形与图形分析；4. 编写课程设计说明书，要求字数不少于5000字。二、 发挥部分：1、 利用信道加扰法分析系统的抗噪性能；2、 给出相应系统的整体或部分电路。设计步骤1、 调研并查阅相关的资料；2、 熟悉仿真软件的基本使用；3、 设计2ASK数字信号载波传输系统的总体框图，并调整好系统各参数；4、 根据系统框图设计仿真图并进行仿真；5、 调整系统参数，观察仿真图形的变化，分析系统的性能；6、 撰写设计说明书（字数不得少于5000字）；7、 列出设计时的参考文献。参考文献现代通信原理 曹志刚编著 清华大学出版社通信原理课程设计指导书 金光浪主编 景德镇陶瓷学院数字通信系统的SystemView 动态系统分析及通信系统仿真设计罗卫兵等编著，西安电子科技大学出版社数字通信系统的SystemView系统设计及仿真入门与应用李东生等编著，电子工业出版社数字通信系统的SystemView仿真与分析青松等编著，北京航空航天大学出版社Matlab通信仿真及应用实例详解 邓华等编著 人民邮电出版社现代通信系统分析与仿真Matlab通信工具箱 李新建等编著 西安电子科技大学出版社目 录1引言12.数字通信系统介绍12.1数字通信的特点12.2数字信号的产生12.3数字通信系统的主要性能指标12.4数字传输系统的组成及通信数字化23.通信系统仿真介绍23.1通信系统仿真的提出23.2通信系统仿真的特点33.3 SystemView通信系统仿真软件34. 2ASK系统设计原理34.1 2ASK系统概述34.2 2ASK一般原理34.3 2ASK信号的功率谱及带宽44.4 2ASK系统的抗噪声性能55. 2ASK系统的设计与仿真95.1 2ASK信号产生方法95.2 2ASK信号解调方法105.3 2ASK总系统的设计与仿真135.4系统仿真波形分析156.设计小结157参考文献16通信原理课程设计1引言在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。将原始的数字基带信号，经过频谱搬移，变换为适合在频带上传输的频带信号，传输这个信号的系统就称为频带传输系统。在频带传输系统中，根据数字信号对载波不同参数的控制，形成不同的频带调制方法。当选择正弦波作为载波，用一个二进制基带信号对载波信号的振幅进行调制时，产生的信号就是二进制振幅键控信号（2ASK）。由于振幅键控信号抗噪声性能不够理想，逐步被FSK和PSK代替。但是，作为一种最古老的调制方式，它还是具有很高的参考价值。特别是在近几年随着对信息速率要求的提高，要在较窄的频带内实现较高信息速率的传输，多进制的数字振幅键控（MASK）又得到了运用，在信道条件较好而频带又较紧张的恒参信道中优先采用它。本文将设计出一种2ASK频带传输系统方案并对其进行进一步的分析，通过systemview对分析过程进行仿真，清楚的展现2ASK数字频带传输系统的结构组成和传输特性。2.数字通信系统介绍2.1数字通信的特点数字传输系统与模拟传输系统相比，有如下优点：1、 抗干扰能力强；2、 差错可控；3、 易加密； 4、 易于与现代技术相结合。5、 信号形式简单，便于与计算机联用；6、 取值只有两个，在有干扰的情况下易于检测；7、 远距离传输时，可由中继站进行整形加工；8、 可进行抗干扰编码和实现加密；9、 设备便于生产和集成化。2.2数字信号的产生信号的数字化需要三个步骤：抽样、量化和编码。抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号。上述数字化的过程又称为脉冲编码调制。2.3数字通信系统的主要性能指标(1)信道传输速率。信道的传输速率通常是以每秒所传输的信息量多少来衡量。信息论中定义信源发生信息量的度量单位是“比特”(bit)。一个二进制码元所含的信息量是一个“比特”，所以信息传输 速率的单位是比特/秒(bit/s)。例如一个数字通信系统，它每秒传输600个二进制码元，它的信息传输速率是600比特/秒(600bit/s)。(2)符号传输速率。它是指单位时间(秒)内传输的码元数目，其单位为波特。这里的码元可以是二进制的，也可以是多进制的。符号传输速率M和信息传输速率R的关系为R=Nlog2M 当码元为二进制时M为2；码元为四进制时M为4如果符号速率为600波特，在二进制时， 信息传输速率为600比特/秒，在四进制时为1200比特/秒。 (3)误码率。信码在传输过程中，由于信道不理想以及噪声的干扰，以致在接收端判决再生后的码元可能出现错误，这叫误码。误码的多少用误码率来衡量，误码率是数字通信系统中单位时间内错误码元数与发送总码元数之比。误码越多，误码率越大。2.4数字传输系统的组成及通信数字化数字传输系统框图如图（1）：图（1）数字传输系统框图模拟信号不但可以用载波调制后传输，而且可以将其数字化后用数字通信方式传输。模拟信号的数字化传输带来的好处是，当数字信号经过多次转换、中继、远距离传输后不会使信噪比恶化，而模拟信号经过多次中继后会产生额外的信噪比恶化，降低传输信号的质量。而且，模拟信号数字化以后可以很方便地进行时分或码分多路传输，从而可有效地提高信道的利用率。因此，模拟信号的数字传输技术已广泛应用于现代通信的各个领域，从有线的程控交换机到无线的GSM手机，从卫星数字电视广播到长途光纤通信，到处都有数字化的模拟信号存在。因数字通信系统具有许多优点而成为当今通信的发展方向。然而自然界的许多信息经各种传感器感知后都是模拟量，例如电话、电视等通信业务，其信源输出的消息都是模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤：（1） 把模拟信号数字化， 即模数转换A/D）； （2） 进行数字方式传输；（3） 把数字信号还原为模拟信号， 即数模转换 （D/A）。3.通信系统仿真介绍3.1通信系统仿真的提出网络仿真是近年来兴起的一种网络研究技术，它是以计算机为主要工具，借助于软件工具，在网络建设的前期对网络性能和状态进行了解和规划。通过对通信网络的框架结构和协议构成建立数学模型，以数学形式描述网络行为，通过定义业务事件、协议流程等计算机手段仿真实际网络的运行，从仿真结果中给出所感兴趣问题的评估报告，及时发现并解决设计问题，提出改进和优化方案，通过这种方法，在协议开发、标准制定、网络规划设计和网络运营管理等各方面，可以极大地提高效率，节约投资，缩短开发设计时间，为通信网络的发展提供了强有力的支持。3.2通信系统仿真的特点对一个通信系统的软件仿真是通过对网络协议建模和性能分析来进行的，需要高效的仿真工具，先进的仿真建模理论和对结果的正确分析。高效的仿真工具应具有图形建模、动态仿真内核、集成数据分析工具、高效分层次建模等特征；仿真建模应有面向对象的设计思想，首先是对网络拓扑结构的再现，然后对拓扑中的各种对象用准确的模型来描述，在这一过程中需要对网络协议的数学表达用软件再现，并且应有对事件和参数重定义的能力；同时对仿真运行的结果应有全面、系统的分析，并能从庞杂繁复的数据中抽取出有用的信息。优秀的通信系统仿真评估系统具备面向对象，分层建模，模型定义，仿真自动生成等特征。3.3 SystemView通信系统仿真软件SystemView是在Windows95/98环境下运行的用于系统仿真分析的软件工具，它为用户提供了一个完整的动态系统设计、仿真与分析的可视化软件环境，能进行模拟、数字、数模混合系统、线性和非线性系统的分析设计，可对线性系统进行拉氏变换和Z变换分析。SystemView基本属于一个系统级工具平台，可进行包括数字信号处理（DSP）系统、模拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真分析，并配置了大量图符块（Token）库，用户很容易构造出所需要的仿真系统，只要调出有关图符块并设置好参数，完成图符块间的连线后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源十分丰富，主要包括：含若干图符库的主库（Main Library）、通信库（Communications Library）、信号处理库（DSP Library）、逻辑库（Logic Library）、射频/模拟库（RF Analog Library）和用户代码库（User Code Library）。4. 2ASK系统设计原理4.1 2ASK系统概述2ASK数字传输系统主要由发送，传输，接收三部分组成，同时还要考虑同步问题。4.2 2ASK一般原理数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。 二进制振幅键控(2ASK）基本原理。通-断键控(OOK)信号表达式为：波形为：2ASK信号的一般表达式为： 其中 Ts码元持续时间；g(t)持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设是高度为1，宽度等于Ts的矩形脉冲；an第N个符号的电平取值，若取 则相应的2ASK信号就是OOK信号。4.3 2ASK信号的功率谱及带宽一个2ASK信号可以表示成：(1),这里s(t)是代表信息的随机单极性矩形脉冲序列。现设s(t)的功率谱密度为，的功率谱密度为 ，则由式（1）可以证得(2)对于单极性NRZ码，有 (3)代入式（2），得2ASK信号功率谱为(4)其示意图如图（2）所示。由图（2）可见：（1）2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于数字基带信号s(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。（2）2ASK信号的带宽 是数字基带信号带宽 的两倍。 （5）（3）因为系统的传码率 （Baud），故2ASK系统的频带利用率为 （6）这意味着用2ASK方式传送码元速率为 的二进制数字信号时，要求该系统的带宽至少为 （Hz）。图（2）2ASK信号的功率谱4.4 2ASK系统的抗噪声性能通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声的能力。在数字系统中它通常采用误码率来衡量。由于加性噪声被认为只对信号的接收产生影响，故分析系统的抗噪声性能只需考虑接收部分。假定信道噪声为加性高斯白噪声n(t)，其均值为0、方差为；接收的信号为 （7）包络检测时2ASK系统的误码率。对于包络检测接收系统，其接收带通滤波器BPF的输出为 （8）其中， 为高斯白噪声经BPF限带后的窄带高斯白噪声。 经包络检波器检测，输出包络信号为（9）由式（9）可知，发“1”时，接收带通滤波器BPF的输出y(t)为正弦波加窄带高斯噪声形式；发“0”时，接收带通滤波器BPF的输出y(t)为纯粹窄带高斯噪声形式。由此可知，发“1”时，BPF输出包络x(t)的抽样值x的一维概率密度函数 服从莱斯分布；而发“0”时，BPF输出包络x(t)的抽样值x的一维概率密度函数 服从瑞利分布，如图（3）所示。 图（3）包络检波时误码率的几何表示x(t)亦即抽样判决器输入信号，对其进行抽样判决后即可确定接收码元是“1”还是“0”。我们规定，倘若x(t)的抽样值 ，则判为“是1码”；若 ，判为“是0码”。显然，选择什么样的判决门限电平 与判决的正确程度（或错误程度）密切相关。选定的 不同，得到的误码率也不同。这一点可从下面的分析中清楚看到。存在两种错判的可能性：一是发送的码元为“1”时，错判为“0”，其概率记为P(0/1)；二是发送的码元为“0”时，错判为“l”，其概率记为P(0/1)。由图（3）可知 （10）（11）式中， 分别为图（3）所示阴影面积。假设发送“1”码的概率为P(1)，发送“0”码的概率为P(0)，则系统的总误码率 为 （12）当P(1)=P(0)=1/2，即等概时 （13）也就是说， 就是图（3）中两块阴影面积之和的一半。不难看出，当 时，该阴影面积之和最小，即误码率 最低。称此使误码率获最小值的门限 为最佳门限。采用包络检波的接收系统，通常是工作在大信噪比的情况下，可以证明，这时的最佳门限，系统的误码率近似为 （14）式中， 为包络检波器输入信噪比。由此可见，包络解调2ASK系统的误码率随输入信噪比r的增大，近似地按指数规律下降。必需指出，式（14）是在等概、大信噪比、最佳门限下推导得出的，使用时应注意适用条件。相干解调时2ASK系统的误码率。2ASK信号的相干解调接收系统的接收带通滤波器BPF的输出与包络检波方式相同，为 （15） 取本地载波为 ，则乘法器输出 将式（15）代入，并经低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到 （16）可知， 为高斯噪声，因此，无论是发送“1”还是“0”，x(t)瞬时值x的一维概率密度 都是方差为 的正态分布函数，只是前者均值为A，后者均值为0，即 （17）（18）其曲线如图（4）所示。 图（4）同步检测时误码率的几何表示若仍令判决门限电平为 ，则将“0”错判为“l”的概率P(1/0)及将“1”错判为“0”的概率P(0/1)分别为 （19）（20）式中， 分别为图（4）所示的阴影面积。假设P(1)=P(0)，则系统的总误码率 为 （21）最佳门限。综合式（17）式（21），可以证明，这时系统的误码率为 （22）式中， 为解调器输入信噪比。当 时，上式近似为 （23） 上式表明，随着输入信噪比的增加，系统的误码率将更迅速地按指数规律下降。 必须注意，式（22）的适用条件是等概、最佳门限；式（23）的适用条件是等概、大信噪比、最佳门限。比较式（23）和式（14）可以看出，在相同大信噪比情况下，2ASK信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率，即相干解调2ASK系统的抗噪声性能优于非相干解调系统，但两者相差并不太大。然而，包络检波解调不需要稳定的本地相干载波，故在电路上要比相干解调简单的多。另外，包络检波法存在门限效应，相干检测法无门限效应。所以，一般而言，对2ASK系统，大信噪比条件下使用包络检测，即非相干解调，而小信噪比条件下使用相干解调。5. 2ASK系统的设计与仿真5.1 2ASK信号产生方法模拟调制法（相乘器法）原理框图如图（5）所示。图（5）模拟调制法原理框图模拟调制法仿真图如图（6）所示图（6）模拟调制法仿真图键控调制法原理框图如图（7）所示。图（7）键控法原理框图键控法仿真图如图（8）所示图（8）键控法仿真图5.2 2ASK信号解调方法非相干解调(包络检波法)原理框图如图（9）所示。图（9）包络检波法原理框图非相干解调(包络检波法)仿真图如图（10）所示。图（10）非相干解调仿真图非相干解调仿真波形如图（11）和图（12），其中图（11）为2ASK信号波形，图（12）为解调输出波形。图（11）2ASK信号波形图（12）解调输出波形相干解调(同步检测法)原理框图如图（13）所示。图（13）相干解调法原理框图相干解调(同步检测法)仿真图如图（14）所示。图（14）相干解调法仿真图相干解调仿真波形如图（15）和图（16），其中图（15）为2ASK信号波形，图（16）为解调输出波形。图（15）2ASK信号波形图（16）解调输出波形5.3 2ASK总系统的设计与仿真2ASK信号的产生方法有模拟调制法（相乘器法）和键控法两种。其信号的解调方法也有两种，分别为非相干解调（包络检波法）和相干解调法（同步检测法）。在调制中模拟调制要用到乘法器，乘法器的制作较难，故采用键控法；在解调中，相干解调是需要一个同频同相的本地载波，比较难以实现，故采用设备简单的包络检波法。因此在本系统中采用键控法和包络检波法来实现2ASK数字信号载波传输系统。2ASK总系统工作原理框图如图（17）。二进制基带信号键控调制发送加法器噪 声信 道带通滤波 器半波整 流低通滤波 器抽样判 决定 时脉 冲输 出图（17）2ASK总系统工作原理框图2ASK总系统电路仿真图如图（18）所示。其中各个图符模块的参数设计如下。Token0: 双极性二进制基带码源（PN码），参数：Amp=1V；Offset=0V；Rate=10Hz；No.of Level=2；phase=0；Token1: 逻辑开关，参数：Gate Delay=0s；Ctrl Thresh=0V；Token2: 正弦载波信号源，参数：Amp=1V；F=100Hz；Phase=0；Token3: 阶跃函数，参数：Amp=0V；Start Time=0s；Offset=0VToken6: 加法器；Token7: 高斯噪声源，参数：Std Deviation=0.1V；Mean=0V；Token9: 模拟低通滤波器，参数：Butterworth_Lowpass IIR；No.of Poles=3；LoCuttoff=200Hz；Max Rate=500Hz；Token10: 半波整流器，参数：Zero Point=0VToken11: 模拟低通滤波器，参数：Butterworth_Lowpass IIR；No.of Poles=6；LoCuttoff=5Hz；Max Rate=500Hz；Token12: 缓冲器，参数：Gate Delay=0s；Fulse Output=0V；Threshold=0.2V；Rise Time=0s；True Output=1V；Fall Time=0s；Token4，5，8，13：信宿接收分析器（Sink4,Sink5,Sink8，Sink13）。图（18）2ASK总系统电路仿真图系统仿真波形图如图（19），图（20），图（21），图（22）所示，他们分别为调制信号波形，已调信号波形，解调接收端波形，解调输出波形。图（19）调制信号波形图（20）已调信号波形图（21）解调接收端波形图（22）解调输出波形5.4系统仿真波形分析图（19）的二进制基带调制信号经过正弦载波键控方式得到已调信号。有图（20）可见，当二进制基带调制信号为“0”时，已调信号中不出现载波信号，而当二进制基带调制信号为“1”时，已调信号中出现载波信号。这样就用调制信号的变化规律控制了载波的幅度参数