ASK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除长沙理工大学通信原理课程设计报告学 院 计算机与通信工程学院 专 业 通信工程 班 级 通信0901 学 号 200954080126 学生姓名 指导教师 吴志敏 课程成绩 完成日期 2011年12月16日课程设计任务书计算机与通信工程 学院 通信工程 专业 课程名称通信原理时间20112012学年第一学期1617周学生姓名指导老师吴志敏题 目ASK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真主要内容：利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个ASK与PAM混合调制与非相干解调系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。要求：1）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。2）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。3）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a 用高斯白噪声模拟有线信道，b 用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道。将两种噪声源的方差均设置相同，分析比较通过两种不同信道后的接收信号的性能。 4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。应当提交的文件：（1）课程设计学年论文。（2）课程设计附件。课程设计成绩评定学 院 计算机与通信工程学院 专 业 通信工程 班 级 通信0901 学 号 学生姓名 指导教师 吴志敏 完成日期 2011年12月16日 指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩 指导教师签字 年 月 日ASK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真学生姓名: 指导老师：吴志敏摘 要 本课程设计主要用matlab中的Simulink平台仿真一个ASK与PAM混合调制与非相干解调系统，利用图形输入法设计相关电路，用示波器和频谱模块分析系统性能。在课程设计中，首先根据原理画出图形，然后构建调制解调电路，再在Simulink中调出个元件组成电路，接着设置调制解调电路中各个模块的参数值并加以运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。通过波形分析，达到仿真的目的。关键词 Simulink、ASK、PAM、非相干解调、仿真1 引 言本课程设计主要用matlab中的Simulink平台仿真一个ASK与PAM混合调制与非相干解调系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。1.1 课程设计目的 通过设计ASK与PAM混合调制与非相干解调系统，并使其在不同的噪声信道中运行，让我们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。学会综合运用这些知识，并把这些知识运用于实践当中，使所学知识在综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到进一步的发展，让自己对这些知识有更深的了解。通过课程设计培养严谨的科学态度，认真的工作作风和团队协作精神。1.2 课程设计要求学习MATLAB的基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台。利用通信原理中所学到的相关知识，在Simulink仿真平台中设计ASK调制与相干解调仿真系统。并用示波器观察调制与解调后的波形，用频谱分析模块观察调制与解调前后的信号频谱变化。构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a 用高斯白噪声模拟有线信道，b 用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道。将两种噪声源的方差均设置为2，分析比较通过二种不同信道后的接收信号的性能。 在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。2 基本原理用MATLAB集成环境中的Simulink仿真平台，根据通信原理理论课中学过的ASK和PAM调制与解调的相关知识，分析ASK与PAM混合调制与非相干解调系统性能。2.1 MATLAB及Simulink平台简介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。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。Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。设计仿真模型时，从模型库中选中模块，单击鼠标右键，选择Add to untitled，或直接把模块拖到仿真模型中，即可加入模块。Simulink模型库窗口还提供了查找功能，单击按钮，在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字，单击Find Next即可自动搜索整个模型库。在过去几年中，Simulink已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。Simulink鼓励人们去尝试，可以用它轻松的搭建一个系统模型，并设置模型参数和方针参数，并且立即观察到改变后的方针结果。2.2 2ASK调制与解调原理 ASK调制即振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。2ASK/OOK信号产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法。本次设计采用模拟调制。模拟调制法用乘法器即可实现,如图2.1所示。图2.1 模拟调制法调制波形如图2.2。图2.2 模拟调制波形示意图2ASK/OOK信号解调也有两种基本方法，分别是非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。另外，与模拟信号的接收系统相比，还需增加一个“抽样判决器”，这对提高数字信号的接受性能是必要的。包络检波法如图2.3。图2.3 2ASK包络检波原理框图对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2 （当时），它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度a将随着发生变化；相应地，判决器的最佳判决门限电平也将随之改变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，从而导致误码率增大。因此，就对信道特性变化的敏感性而言，2ASK性能最差。2ASK是20世纪初最早运用于无线电报的数字调制方式之一。但是，ASK传输技术受噪声影响很大。噪声电压和信号一起改变了振幅。在这种情况下，“0”可能变为“1”，“1”可能变为“0”。可以想象，对于主要依赖振幅来识别比特的ASK调制方法，噪声是一个很大的问题。由于ASK是受噪声影星最大的调制技术（相比FSK、PSK、DPSK等），现已较少应用，不过，2ASK常常作为研究其他数字调制的基础，还是有必要了解它。2.3 PAM调制与解调原理 由于实际抽样过程中无法使用真正的冲激函数，抽样函数的宽度和高度是有限的，但可以证明，抽样定理依然成立。换一个角度，可以把周期性脉冲序列看作是非正弦载波，而抽样过程可以看作用模拟信号对它进行振幅调制，这种调制称为脉冲振幅调制，即PAM（类似于AM振幅调制）。设脉冲载波以s(t)表示，它是由脉宽为秒、重复同期为T秒的矩形脉冲串组成，其中T是按抽样定理确定的，即有T=1/(2)秒。如图2.4所示。 图2.4 矩形脉冲为载波调制原理与波形和频谱PAM信号的解调类似于AM信号，可以采用相干解调和非相干解调两种方式，相干解调需要在接受端与载波相乘，即需要同步载波（周期性脉冲序列）。根据PAM调制信号的频谱特点，当抽样频率满足条件时，非相干解调仅需要通过一个低通滤波器（如图2.4（f），就能滤出原始的基带信号。3 系统设计3.1 ASK与PAM混合调制利用Simulink仿真平台构造出的ASK与PAM混合调制与非相干解调系统如图3.1所示。图3.1 ASK与PAM混合调制与非相干解调系统（理想无噪声）如图所示，系统设置了三个滤波器分别仿真ASK调制过程，PAM调制过程以及非相干解调过程。另外，系统中还加入若干频谱分析模块，用于比较调制解调过程中信号的变化。系统运行过程中还需对各模块参数进行设置，调制过程中各模块参数设置如图3.2所示。 载波参数 脉冲参数图3.2调制过程中的频谱变化如图3.3所示。 二进制序列频谱 ASK调制后频谱 PAM调制后频谱图3.3 调制过程中的频谱图对比前面的两个信号的频谱，发现信号频谱发生的搬移，说明ASK调制成功，对比后面两个信号的频谱，发现信号频谱几乎没有变化，说明PAM取样成功，并证明了脉冲取样的可行性。调制波形图如图3.3所示。图3.3（a）图3.3（b） 图3.3 ASK与PAM混合调制图3.3（a）中，通道1是ASK信号原始波形，通道2是正弦载波，通道3是ASK调制后的波形，可以看到，ASK调制是成功的。图3.3（b）中，通道1是ASK调制后的波形，通道2是抽样脉冲序列，通道3是PAM调制后的波形，可以看到，PAM调制是成功的。3.2 经理想信道后的非相干解调解调过程的各模块参数设置如图3.4所示。 带通滤波器参数低通滤波器参数 判决门限图3.4解调输入和解调输出的信号频谱如图3.5所示 。 解调前信号频谱 解调后信号频谱图3.5 解调过程中信号频谱解调后信号的频谱与原ASK基带信号基本相同，解调成功。解调的波形图如图3.6所示。图3.6 解调波形图如图3.6所示，通道1是原始基带信号，通道2是ASK调制信号，通道3是解调输入信号，通道4是ASK解调过程中抽样判决前的信号，通道5是解调输出信号。对比通道2和通道3的信号波形，可以看到两者波形基本一致，PAM信号的非相干解调成功。对比通道1和通道5，可以看到非相干解调得到的波形与原始基带信号的波形一致（发生了延时），理想信道中的系统仿真成功。3.3 加噪声后的系统仿真在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中传输，分别观测对比加噪声后解调的信号与理想信道中解调的信号的频谱和波形，则系统设计如图3.7所示。图3.7 ASK与PAM混合调制与非相干解调系统（加入高斯噪声）图中高斯噪声的方差设定为2。将高斯噪声换为瑞利噪声，方差不变。比较三种输出信号的频谱，如图3.8所示。理想输出 加高斯输出 加瑞利输出图3.8 三种输出信号的频谱通过对比可知，叠加噪声对信号的功率产生印象，并且瑞丽噪声相比高斯噪声的影响更大。图3.9为三种输出信号的波形对比图3.9 三种输出波形通道1为原始基带信号，通道2为理想输出信号，通道3为加高斯噪声后的输出信号，通道4为加瑞利噪声后的输出信号。从输出波形可以看到，叠加噪声对信号影响较小，说明信号功率相比噪声较大，解调的包络与信号基本保持一致。增大噪声的功率（以高斯噪声为例）后，对比不同功率下输出信号的频谱，如图3.10所示。理想输出 加高斯输出 加大功率高斯输出图3.10 增大噪声功率后的信号频谱如图3.10所示，当增大噪声功率后，噪声对信号的影响变大，输出信号的频谱与理想频谱的差异变大。此时输出波形如图3.11所示。图 3.11 解调出现误码通道1为原始基带信号，通道2 为加高斯噪声输出波形，通道3为增大高斯噪声功率后的输出波形。从上图可以看到，当增大噪声功率后，噪声对信号解调产生干扰，出现误码。通信系统中的噪声是叠加在信号上的，没有传输信号是通信系统中也有噪声，噪声永远存在于通信系统中，称之为加性干扰。噪声对信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真，是数字信号发生错码，并限制着信息的传输效率。4 仿真电路分析与总结本次课程设计，我的任务是用Simulink来实现ASK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真。由于初次接触Simulink，又是全英文界面，以致于很难入门，根本不知道去哪里寻找相关模块。后来通过老师的讲解和查询相关资料，对函数库的分布和内容有了初步的认识，为下面的设计打好了基础。设计过程中电路的原理由于已经学过，电路的初步设计比较顺利，但组合好各模块后的参数设置花了比较大的力气，很多参数的变动都会影响最后的结果，从一个简单的抽样频率到比较复杂的判决门限等等，都需要通过不断的调试，最终找到一个合适的结