基于MATLABSimulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析.doc

* 基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析 第 23 页 共 23 页基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析学生姓名：* 指导老师：胡双红摘 要 本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台进行ASK频带传输系统仿真，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示器结果分析设计的系统性能。在课程设计中，目的主要是仿真通信系统中频带传输技术中的ASK调制。产生一段随机的二进制非归零码的基带信号，对其进行ASK调制后再送入加性高斯白噪声（AWGN）信道传输，在接收端对其进行ASK解调以恢复原信号，观察还原是否成功，改变AWGN信道的信噪比，计算传输前后的误码率，绘制信噪比-误码率曲线，并与理论曲线比较进行说明。关键词 Simulink；ASK调制；高斯白噪声；信噪比-误码率1 引 言本课程设计主要是深入理解和掌握振幅通信系统的各个关键环节。通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课，是通信工程专业后续专业课的基础。掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础，可提高处理通信系统问题能力和素质。由于通信工程专业理论深、实践性强，做好课程设计，对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。设计或分析一个简单的通信系统，有助于加深对通信系统原理及组成的理解。通过课程设计，可以进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识。1.1 课程设计目的通过设计基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析，让我深入理解和掌握二进制数字调制通信系统的各个关键环节，包括调制、解调、滤波、传输、噪声对通信质量的影响等。在数字信号处理实验课的基础上更加深入的掌握数字滤波器的设计原理及实现方法。使学生对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。在进行了专业基础课和通信原理课程教学的基础上，设计或分析一个简单的通信系统，有助于加深对通信系统原理及组成的理解。1.2课程设计的要求（1）学习使用MATLAB下Simulink仿真平台构建相应的通信系统。熟练掌握Simulink中的语法结构，编写方法。（2）构建ASK调制解调系统仿真框图，并用示波器观察调制前后的信号波形，根据显示结果分析设计的系统性能。（3）产生一段随机的二进制非归零码的基带信号，对其进行ASK调制后再送入加性高斯白噪声（AWGN）信道传输，在接收端对其进行ASK解调以恢复原信号，观察还原是否成功。（4）改变AWGN信道的信噪比，计算传输前后的误码率，绘制信噪比-误码率曲线，并与理论曲线比较进行说明。（5）按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计和实验结果。1.3设计平台MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的计算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。MATLAB可以在几乎所有的PC机和大型计算机上运行，适用于Windows、UNIX等各种系统平台1。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink2。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。模型化图形输入是指Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析3。2 基本原理2.1 Simulink工作环境（1）模型库在MATLAB命令窗口输入“Simulink”并回车，就可进入Simulink模型库单击或工具栏上的按钮也可进入。Simulik模块库按功能进行分为以下8类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构Simulink子模型库中包含了Continous、Discontinus等下一级模型库Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。图2-1 Simulink工具箱（2）设计仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型库的菜单栏依次选择“File” | “New” | “Model”，即可生成空白仿真模型窗口图2-2 新建仿真模型窗口（3）运行仿真两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：在菜单栏中依次选择Simulation | Start 或在工具栏上单击。命令行方式：输入“sim”启动仿真进程比较这两种不同的运行方式：菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。命令行方式启动模型后，不能观察仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式4。2.2二进制振幅键控原理（2ASK）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”。2ASK信号可表示为 （2-1）式中，为载波角频率，s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列 （2-2）其中，g(t)是持续时间、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；为二进制数字 （2-3）2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种：模拟调制（相乘器法）和键控法。本课程设计运用模拟幅度调制的方法，用乘法器实现。相应的调制如图2-3：乘法器图2-3模拟相乘法AM信号的解调一样，2ASK/OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。本课程设计要求的是相干解调，如图2-4：带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出图2-4相干解调方式3 系统设计3.1 ASK调制与解调整个ASK的仿真系统的调制与解调过程为：首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。在MATLAB下Simulink仿真平台构建了ASK调制与解调仿真电路图如图3-1所示：图3-1 ASK调制与解调仿真电路图 将信号源的码数率设为1B/S,即频率为1 Hz。参数设置如图3-2所示：图3-2 信号源参数设置在调制解调系统中，载波信号的频率一般要大于信号源的频率。信号源频率为1 Hz，所以将载波频率设置为6 Hz，由于在载波参数设置里，频率的单位是rad/sec，所以即为12*pi。载波信号参数如图3-3所示：图3-3 载波信号参数设置：低通滤波器的频带边缘频率与信号源的频率相同，前面设置信号源频率为1 Hz，所以对话框中“Passband edge frequency (rads/sec)：”应填“2*pi”。参数设置如图3-4所示：图3-4低通滤波器参数设置 对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2(当P(1)=P(0)时)，它与接受机输入信号的幅度有关。当接收机输入的信号幅度发生变化，最佳判决门限也将随之改变。抽样判决器参数设置如图3-5所示：图3-5抽样判决器的参数设置量化器抽样频率等于信号源频率。前面已经设置信号源频率为1Hz，即抽样频率为1Hz，所以对话框中“Sample time (-1 for inherited):”应填“1”。量化器参数设置如图3-6所示：图3-6量化器参数设置设置好参数之后，进行仿真，由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在 1比特的时延（用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率）。因而，误码器的可接纳时延为1比特。其参数设置如图3-7所示：图3-7 误码器的参数设置经过误码器的1比特时延后，其误码率为0，结果正确。如图3-8所示：图3-8误码率的查看输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形(从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号) 第一路为信号源模块波形图，第二路为ASK调制后波形图，第三路为调制信号与载波相乘后波形图，第四路为经过低通滤波器后波形图，第五路为ASK解调波形图。由各波形可看出该ASK调制解调系统符合设计要求。如图3-9所示：图3-9 各点信号的波形3.2加入高斯白噪声后的ASK调制与解调整个加入高斯白噪声后的ASK仿真系统的调制与解调过程为：首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，送入加性高斯白噪声（AWGN）信道中传输。在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。如图3-10所示：图3-10 ASK调制与解调中加入高斯白噪声仿真图高斯白噪声的抽样时间设置为0.01，如图3-11所示：图3-11 高斯白噪声的参数设置带通滤波器的下频应该等于载波频率与调制信号频率之差，上频应该等于载波频率与调制信号频率之和。前面已设置信号源频率为1Hz，载波频率为6Hz,计算得上、下截止频率分别为7Hz、5Hz，转换成以rads/sec为单位即为14*pi 、10*pi。所以“Lower passband edge frequency (rads/sec) Upper passband edge frequency (rads/sec)”应填“10*pi 、14*pi”。参数设置如图3-12所示：图3-12 带通滤波器的参数设置设置好参数之后，进行仿真，由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在0.01秒的时延，即信号时延了2比特（用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率）。因而，误码器的可接纳时延为2比特。其参数设置如图3-13所示：图3-13 误码器的参数设置经过误码器的2比特时延后，其误码率为0。如图3-14所示：图3-14 误码率的查看输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形(从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号) 第一路为信号源模块波形图，第二路为ASK调制后的波形图，第三路为加入高斯白噪声后的波形图，第四路为经过带通滤波器后的波形图，第五路为经过带通滤波器后与载波相乘后的波形图，第六路为经过低通滤波器后的波形图，第七路为ASK解调后的波形图。在ASK调制与解调中加入高斯白噪声后，波形出现了失真，解调也有误码存在，系统基本符合设计要求。如图3-15所示：图3-15 各点信号的波形3.3 误码率的计算误码率是衡量一个数字通信系统性能的重要指标。在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达示的形式则取决于解调方式。ASK调制与解调中计算误码率仿真图如图3-16所示：图3-16 ASK调制与解调中计算误码率仿真图在绘制信噪比-误码率关系曲线图之前，先将源程序创建M文件，将仿真图及M文件放入MATLAB软件的work文件夹下，并重新设置高斯噪声和误码器模型参数。高斯白噪声的“Variance（vector or matrix）”应该设置为“var”。如图3-17所示：图3-17 高斯白噪声的参数设置误码器“Output data”应该设置为“workspace”。如图3-18所示：图3-18 误码器的参数设置二进制数字频带传输系统,误码率与信号形式(调制方式),与噪声的统计特性,解调及译码判决方式有关。对于二进制数字频带传输系统,无论采用何种方式,何种检测方法,其共同点都是随着输入信噪比增大时,系统的误码率就降低;反之,当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率理论关系曲线图。源程序见附录，所需M文件如图3-19所示：图3-19 M文件1信噪比-误码率的理论关系曲线如图3-20所示：图3-20信噪比-误码率的理论关系曲线图根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率实际关系曲线图。源程序见附录，所需M文件如图3-21所示：图3-21 M文件2信噪比-误码率的实际关系曲线如图3-22所示：图3-22信噪比-误码率的实际关系曲线图与信噪比-误码率理论关系曲线图相比较类似，由上图可以看出：随着输入信噪比增大，系统的误码率降低；反之，当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。符合理论要求，所以此图绘制正确，达到预想结果。4出现的问题及解决方法在本次课程设计运用了MATLAB软件建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和老师同学的帮助都一一解决，总结分析分析如下：1、在解调时没有加噪声出现误码率。解答办法：出现误码数据时，可以根据示波器的输出波形，合理修改误码器中的receive delay的数据就可以使误码数据为零。2、示波器中的波形只出现一部分。解决办法：双击示波器，修改data history中的limit data points to last的数据，再重新运行Simulink观察示波器即可看到准确图形。3、解调波形时无失真，但解码后波形严重失真。解决办法：这是由于信号经过低通滤波器后会产生时延，而本次课程设计中信号是以帧的形式进行传输，因而在解调输出端若直接使用解调信号，将会产生严重失真。因而，要在解调输出端加入延时模块，使其延时的比特数恰好等于一帧所含的比特数。系统的时延可从解调信号的波形图中看出，加入的模块数等于一帧所含的比特数减去系统时延的比特数。5 结束语在本次课程设计中，我了解到了通信系统仿真的重要性。它可以很好地让我们理解通信原理，能够对原理进行仿真，这对于我们专业的学生来说是非常重要的。因为我们以后会经常用到系统仿真来设计我们所需的通信系统，需要从仿真结果检验出我们所设计的系统是否达到目标，从中及时发现并解决设计问题，不断地改进和优化方案，这样可以提高效率，节约投资，缩短开发设计时间。因此，了解和掌握通信系统仿真对于通信专业学生而言尤其重要。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。在做课程设计准备工作的时候，我们应该明确以下几点：首先，应该明确设计的要求，到底让我们做什么，要达到什么样的效果，目的要明确。其次，将设计问题分解，分成几个模块，画出方框图并说明各个模块间的联系，有针对性的分别去设计各个模块，分块检错，消除模块内的问题。然后，将各个模块联系起来，整体来调试，发现模块间的问题，不断的修改调试，已达到最终的要求。通过这次课程设计，我对于设计有了一个具体的了解，知道了设计的具体流程。我认为这对于我们来说是非常重要的，因为有了这样的设计思路和设计流程，我们才能设计其他不同的课题，才能达到举一反三的地步。通过这次课程设计，我对通信系统的仿真有了很大的了解，掌握的设计的方法和思路，提高了对系统的分析能力和解决能力。在这次课程设计汇总，我也遇到了许多的困难，如参数的设置，如何将不同的功能框图整合一起以实现更强大的功能等等。经过两周的设计制作，该设计终于如期开发完毕，其功能基本上可以满足处理的需要。 由于时间有限，本系统还有许多不尽人意的地方，需要将来做进一步的改善。这次课程设计，以方便实际操作为基础，以理论联系实际为准则，不断完善，不断创新。参考文献1张圣勤.MATLAB7.0实用教程. 北京：机械工程出版社，20062 桑林，郝建军，刘丹谱.数字通信.北京：北京邮电大学出版社，20073 樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社，20094 徐远明. MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用. 西安：西安电子科技大学出版社， 2005致谢为期两周的课程设计，我顺利完成了基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。在这次课程设计中，非常感谢各位老师的指导，在老师的身上我们学到的不仅仅是知识的层面，更重要的是老师追求知识的热情，以及对本身工作严谨的态度，不禁让我们受益匪浅。虽然我在课程设计中碰到的很多个人困难，但在这些困难面前，我却越来越有耐心地去解决。完成一个课程设计会让我们自己获益匪浅，理论用于指导实践，也