二进制数字频带传输系统设计2ASK系统.doc

武汉理工大学专业课程设计2（通信原理）课程设计说明书目录1 技术要求12 基本原理12.1二进制振幅键控（2ASK）12.2 2ASK调制原理及框图22.3 2ASK解调原理及框图23 建立模型描述33.1 用MATLAB实现二进制振幅键控（2ASK）的调制和解调33.2 用Simulink实现二进制振幅键控（2ASK）的调制和解调44 模块功能分析及源程序代码54.1 MATLAB源程序代码54.2 Simulink模块功能分析85 调试过程及结论115.1基于MATLAB的2ASK调制解调仿真过程及结论115.1.1基于MATLAB的2ASK调制解调仿真过程115.1.2调试过程及结论125.2基于Simulink的2ASK调制解调仿真过程及结论125.2.1基于Simulink的2ASK调制解调仿真过程125.2.2调试过程及结论136 心得体会137 参考文献14二进制数字频带传输系统设计2ASK系统1 技术要求设计一个2ASK数字调制系统，要求：（1）设计出规定的数字通信系统的结构； （2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）； （3）用Matlab或SystemView 实现该数字通信系统； （4）观察仿真并进行波形分析； （5）系统的性能评价。2 基本原理2.1二进制振幅键控（2ASK）振幅键控（也称幅移键控），记做ASK,或称其为开关键控（通断键控），记做OOK 。二进制数字振幅键控通常记做2ASK。 对于振幅键控这样的线性调制来说，在二进制里，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，使载波时断时续的输出，有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。根据线性调制的原理，一个二进制的振幅调制信号可以表示完成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的乘积。2ASK信号可表示为 式中,为载波角频率，s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列 其中，g(t)是持续时间为、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数； 为二进制数字 2.2 2ASK调制原理及框图通常，二进制振幅键控信号的产生方法有两种，如下图2.2所示。图2.2（a）就是一般的模拟调制方法，不过这里的是s（t）由上式规定，即图2.2（b）就是一种键控方法，这里开关电路受s(t)控制。二进制振幅键控信号，若一个信号状态始终为零，相当于处于断开状态，即此时常称为通断键控信号（OOK）信号。 图1 2ASK调制原理框图2.3 2ASK解调原理及框图如同AM信号的解调方法一样，OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波）和（同步检波）。相应的接收系统组成的方框图如图所示。 二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的，也是最简单的。这种方法最初用于电报系统，但由于它在抗噪声的能力上较差，故在数字通信系统中用得不多。 带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK信号，即，包络检波器输出为s(t)。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。 图2 2ASK非相干解调接收系统图3 2ASK相干解调接收系统3 建立模型描述3.1 用MATLAB实现二进制振幅键控（2ASK）的调制和解调在这里我们用两种方法来对这个二进制振幅键控（2ASK）来实现调制与解调的仿真。第一种方法即是用MATLAB函数来实现，二进制振幅键信号可以表示完成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的乘积。通常它的调制方法有两种，即模拟幅度调制方法和键控方法，在MATLAB里我们采用模拟幅度调制的方法，解调采用相干解调（包络检波法）的方式。我们产生一个原始二进制基带信号，即一个单矩形脉冲序列。模拟幅度调制后得到一个已调2ASK信号，并用此函数进行此2ASK信号的频谱分析。然后加入高斯白噪声，再用相干解调并分别输出各点的输出波形，最后经过抽样判决后得出输出波形。我们运行主函数可以看到各种波形。3.2 用Simulink实现二进制振幅键控（2ASK）的调制和解调通过Simulink的工作模块建立2ASK调制解调系统，用示波器观察调制及解调过程中信号的波形。二级2ASK调制与解调系统的仿真电路图如图5所示。将基带信号（Bernoulli信号）与载波信号（正弦信号）相乘，经过带通滤波器，就完成了调制过程；经过信道传输后，经过带通滤波器，与本地载波（正弦信号）相乘，再经过低通滤波器，最后经过抽样判决起转换成数字信号，就完成了解调过程。此系统所用仿真电路模块有: 伯努利二进制发生器模块，正弦波发生器模块，功率谱密度模块，高斯噪声发生器Gaussian Noise Generator模块，模拟滤波器模块，误码率计算模块，采样量化编码模块，示波器模块。伯努利二进制发生器模块用于发出源信号，示波器用于观察波形。第一路波形为基带信号（Bernoulli信号），第二路波形为载波（正弦信号），第三波形路为调制后的信号，第四路波形为已调信号经过带通滤波器和低通滤波器后所得信号，第五路波形为经过抽样判决器过得到的解调波形。 图4 2ASK调制与解调系统的仿真电路图4 模块功能分析及源程序代码4.1 MATLAB源程序代码%=构造载波，产生8个码元，生成已调信号=%a=randsrc(1,8,0:1);%产生8个随机的二进制数l=linspace(0,2*pi,50);%利用linspace函数创建数组,2pi长度取点50个模拟一个码元f=sin(2*l);%生成载波t=linspace(0,10*pi,400);%定义时轴length为10pi,取点400个，代表8个码元的总取样点数out=1:400;%规定已调信号lengthb=1:400;% 规定基带信号lengthw=1:400;%规定载波length%=生成ASK信号=% for i=1:8 if a(i)=0 for j=1:50 out(j+50*(i-1)=0; %若码元为0则将0输出 end else for j=1:50 out(j+50*(i-1)=5*f(j); %若码元为1则将载波输出 end end end for i=1:8 for j=1:50 b(j+50*(i-1)=a(i); %b作为调制信号输出 w(j+50*(i-1)=f(j); %w作为载波输出 end end subplot(3,3,1),plot(t,b),axis(0 10*pi -0.5 1.2), xlabel(t),ylabel(幅度),title(调制信号);grid on; subplot(3,3,2),plot(t,w),axis(0 10*pi -1.2 1.2), xlabel(t),ylabel(幅度),title(载波); grid on;subplot(3,3,3),plot(t,out),axis(0 10*pi -7.2 7.2),xlabel(t),ylabel(幅度),title(调制波形);grid on;%axis设定XY轴起始值和终值%=已调信号加入高斯白噪声=%noise=awgn(out,100,measured) ;%产生噪音并加入到已调信号out中,信噪比100subplot(334); plot(t,noise); ylabel(幅度);title(已调信号加入高斯白噪声,信噪比100); xlabel(t);axis(0 10*pi -5.5 5.5);grid on;%=信号解调=%=信号通过BPF=%Fs=400;%抽样频率400HZt=(1:400)*10*pi/Fs;%时轴步进b,a=ellip(4,0.1,40,10,25*2/Fs);%设计IIR-BPFsf=filter(b,a,noise);%信号通过该滤波器subplot(335); plot(t,sf);%画出信号通过该BPF的波形xlabel(t); ylabel(幅度);title(通过带通滤波器后的波形); axis(0 10*pi -5.5 5.5);grid on;%=信号经过相乘器=%f=f f f f f f f f;%f为50点，构造新向量使sf与f长度匹配可以相乘s=sf.*f;subplot(336); plot(t,s);%画出信号通过该相乘器的波形xlabel(t); ylabel(幅度);title(信号经过相乘器); axis(0 10*pi -6 6);grid on;%=信号通过LPF=%Fs=400;%抽样频率400HZt=(1:400)*10*pi/Fs;%时轴步进b,a=ellip(4,0.1,40,10*2/Fs);%设计IIR-LPFsf=filter(b,a,s);%信号通过该滤波器subplot(337); plot(t,sf);%画出信号通过该低通滤波器的波形xlabel(t); ylabel(幅度);title(通过低通滤波器后的波形); axis(0 10*pi -3 3);grid on; %=抽样判决=%b=1.2;%设置判决门限for i=1:8 for j=1:50 if sf(j+50*(i-1)b sf(j+50*(i-1)=1; %若sf判决门限，说明此时码元为1 else sf(j+50*(i-1)=0; %若sf判决门限，说明此时码元为0 end end endsubplot(338); plot(t,sf);%画出信号通过抽样判决器的波形xlabel(t); ylabel(幅度);title(抽样判决后波形); axis(3 10*pi -0.5 1.2);grid on；4.2 Simulink模块功能分析在2ASK调制与解调中，将基带信号（Brenoulli信号）零出现的概率设为0.5，抽样时间设为1，其参数设定如图5所示。载波频率应比基带信号的频率大，故将载波的频率参数设置为10*pi，抽样时间为0，其参数图如图6所示。 图5 2ASK基带信号参数设定 图6 2ASK载波信号参数设定带通滤波器和低通滤波器的参数设定如图7,8所示。 图7 2ASK带通滤波器参数设定 图8 2ASK低滤通波器参数设定抽样判决器参数设定如图9所示。 图9 2ASK抽样判决器参数设定计算误码率模块参数设定如图10所示。 图10 2ASK计算误码率模块参数设定5 调试过程及结论5.1基于MATLAB的2ASK调制解调仿真过程及结论5.1.1基于MATLAB的2ASK调制解调仿真过程 图11 2ASK调制解调仿真过程5.1.2调试过程及结论 按照设计的调制解调框图，根据每部分在整个系统的作用写好程序，运行寻找错误并修改，最后得到可以满足本设计的程序。运行程序，便可观察各点的波形，通过比较所得波形与预期波形，发现两者基本吻合，说明程序无误，设计满足此任务的要求。由上图的第一和第二个小图可以看出，源代码和载波之间的频率是2倍关系，通过相乘器以后调制波形正确对应载波的2倍频率关系（第三个小图），说明调制正确。 图中的第五个小图形是通过带通滤波器后的波形，经过相成器以后在负半轴的部分回到正轴，再经过低通滤波器后就是第七个小图形，和调制信号相比有一定的误差，再经过抽样判决器后，波形恢复到调制信号，即源代码，说明解调正确。振幅键控调制(ASK) 因为传输效率低,在实际中很少采用，因此本设计是由数字基带脉冲信号与载波信号相乘来实现振幅键控的调制。在对2ASK的解调过程中，低通滤波后的波形失真较大，所以要尽量提高信噪比以达到经过抽样判决整形后再生数字基带脉冲的误码率尽可能低。但是，在实践中，从2ASK信号提取载波需要相应的电路，将会给设备增加复杂性，为了简化设备，目前很少采用同步检波来解调2ASK信号。5.2基于Simulink的2ASK调制解调仿真过程及结论5.2.1基于Simulink的2ASK调制解调仿真过程示波器显示的5路信号波形如图12所示： 图12 示波器显示的5路信号波形 图中由上到下波形所表示为：1.信号源产生的信号波形2.加入的正弦载波的信号波形3.已调信号经过带通滤波器后的信号波形4.相干解调后的信号波形5.采样量化编码后的输出源信号波形。5.2.2调试过程及结论1.信号源产生的信号波形 根据参数的设置，信号源产生的信号是二进制基带信号，信号的幅度为0和1时分别代表二进制信息“0”和“1”，且0、1出现的概率相等。时间轴上单位长度表示码元的持续时间，即为1秒，图中显示了前10秒内信号源产生的信号波形。2.加入的正弦载波的信号波形正弦信号的幅度设置为1，频率为10*pi，即周期为0.2秒，从图中可以看到，1个码元持续时间内，正弦信号重复5个周期。3.已调信号经过带通滤波器后的信号波形 加入噪声以后，已调信号的幅度变化范围扩大，不再是在0、1之间变化。4.相干解调后的信号波形 相干解调是将已调信号和载波相乘，然后通过低通滤波器，得到如图所示的信号波形。5.采样量化编码后的输出源信号波形 量化编码器对相干解调后的信号进行抽样判决，恢复出原基带信号，从图中可以看出，经过相干解调及抽样判决以后，恢复出的基带信号已经和原基带信号产生了差别，即出现了误码。6 心得体会在此次课程设计中，我所选的课题为二进制振幅键控（2ASK）信号的调制解调系统设计及其在MATLAB和Simulink上的仿真实现。在本学期所学课程通信原理中，我对2ASK信号有了一定的了解，诸如一个二进制振幅监控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，而通常2ASK信号的产生有模拟幅度调制法和键控法两种，前者主要用一个乘法器实现，后者的主要部件是开关电路。同样，2ASK信号的基本解调方法也是有两种：相干解调（同步检测法）和非相干解调（包络检波法），两种解调方式的区别在于相干解调需要引入一个同步载波，用来消除交流信号，因此更难实现，但同时采用相干解调产生的误码率总是小于采用非相干解调的误码率的。基于以上内容并查阅相关资料。我们可以设计出大致的原理框图，然后再通过验证分析，找出不足并修改。通过在M