2ASK调制与解调系统的MATLAB实现及性能分析

MATLAB第二次实验2ASK调制与解调系统的MATLAB实现及性能分析指导老师：汤建龙作 者：余颖智学 号：02123021摘要：现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式，也是各种数字调制的基础。本课程设计主要是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个2ASK调制与解调系统.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;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。通过Simulink的仿真功能摸拟到了实际中的2ASK调制与解调情况。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，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。使我对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。1.1 实验目的通过本次设计，巩固并扩展通信课程的基本概念、基本理论、分析方法和仿真实现方法，掌握 2ASK 解调原理及其实现方法，了解线性调制时信号的频谱变化。理解 2ASK 的调制和解调原理并用 Simulink软件仿真其实现过程，用 Simulink 分析二进制振幅键控信号频谱的变化。认识和理解通信系统，掌握信号是如何经过发端处理被送入信道然后在接收端还原。会画出数字通信过程的基本框图，掌握数字通信的2ASK调制方式，学会运用MATLAB来进行通信系统的仿真；实现将理论只是和软件设计紧密结合。学会2ASK传输系统的二级调制解调结构，测试2ASK传输信号加入噪声后的误码率，分析2ASK传输系统的抗噪声性能。1.2 实验内容 利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个2ASK调制与解调系统.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;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。1.3实验要求（1）熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，熟悉2ASK/2ASK系统的调制解调原理，构建调制解调电路图.（2）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的频谱的变化。并观察解调前后频谱有何变化以加深对该信号调制解调原理的理解。（3）在调制与解调电路间加上各种噪声源，用误码测试模块测量误码率,并给出仿真波形，改变信噪比并比较解调后波形，分析噪声对系统造成的影响。（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。2 2ASK调制与解调原理2.1 2ASK调制原理振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。 设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为 其中: 二进制振幅键控信号时间波型如图1 所示。 由图1 可以看出，2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。 二进制振幅键控信号的产生方法如图2 所示，图(a)是采用模拟相乘的方法实现， 图(b)是采用数字键控的方法实现。 由图1 可以看出，2ASK信号与模拟调制中的AM信号类似。所以，对2ASK信号也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)，其相应原理方框图如图3 所示。2ASK信号非相干解调过程的时间波形如图4 所示。 图2-1 二进制振幅键控信号时间波型2ASK信号的功率谱密度 由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。2ASK 信号功率谱密度的特点如下：(1)由连续谱和离散谱两部分构成，连续谱由信号g(t)经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；(2)已调信号波形的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。2ASK 信号功率谱密度推导：已知，设的功率谱为，s(t)的功率谱为。则 ， ，。图2-2 2ASK信号的功率谱密度示意图在二进制数字振幅调制中，载波的幅度随着调制信号的变化而变化，实现这种调制的方式有两种：（1）模拟相乘法：通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号，这种直接利用二进制数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟相乘法，其电路如图2-3所示。在该电路中载波信号和二进制数字信号同时输入到相乘器中完成调制。（2）数字键控法：用开关电路控制输出调制信号，当开关接载波就有信号输出，当开关接地就没信号输出，其电路如图2-4所示。 图2-3模拟相乘法 图2-4数字键控法2.2 2ASK解调原理2ASK/OOK信号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），相应的接收系统如图2-5、图2-6所示。图2-5非相干解调方式图2-6 相干解调方式抽样判决器的作用是：信号经过抽样判决器，即可确定接收码元是“1”还是“0”。假设抽样判决门限为b，当信号抽样值大于b时，判为“1”码；信号抽样值小于b时，判为“0”码。当本实验为简化设计电路，在调制的输出端没有加带通滤波器，并且假设信道时理想的，所以在解调部分也没有加带通滤波器。 图2-72ASK信号非相干解调过程的时间波形3设计步骤3.1 simulink的工作环境熟悉建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图3-1系统中所需的模块：正弦波模块，示波器模块，乘法器；图3-1正弦仿真电路图正弦波参数设置如图3-2所示：图3-2 正弦参数设置系统内的示波器显示的波形如图。图3-3 单正弦波与平方波的对比结论：两正弦波叠加之后的周期是原周期的1/2,频度是原频度的2倍。3.2 ASK调制电路分析（1）通过Simulink的工作模块建立2ASK二级调制系统，用频谱分析仪观察调制前后的频谱，用示波器观察调制信号前后的波形（？用什么仪器）二级2ASK调制与解调系统的仿真电路图如图8 图3-4 二级2ASK调制与解调系统的仿真电路图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。（2）系统所用模块的参数设置伯努利二进制发生器模块ernoulli Binary Generator的参数设置为：Probability of a zero 0概率设为0.5，initial seed设为62， Sample time抽样时间为1S，Sample per frame是输入信息码为1。图3-5 伯努利二进制发生器模块参数设置Power Spectral Density的参数设置为：Sample time抽样时间为0.01s图3-6 Power Spectral Density的参数设置正弦波Sine Wave的参数设置为：频率设为60rad/sec，Phase设置为2rad图3-7 正弦载波的参数设置Product模块的参数设置为：输入端数量设为2图3-8 Product模块的参数设置Sum模块的参数设置为：sample time 设为-1图3-9 Sum模块的参数设置Analog Filter Design模块的参数设置为：图3-10 Analog Filter Desin模块的参数设置Power Spectral Density1模块的参数设置为：Sample time抽样时间为0.01s图3-11 Power Spectral Density模块的参数设置Product1模块的参数设置为：输入端数量设为2图3-12 Product1模块的参数设置Analog Filter Design1模块的参数设置为：图3-13 Analog Filter Design1模块的参数设置Error Rate Calculation模块的参数设置为：延时Receive delay设为2图3-14 Error Rate Calculation模块的参数设置 Quantizing Encoder模块的参数设置为：量化分割quantization partition设为0.2，量化码quantization codebook设为0 1。图3-15 Quantizing Encoder模块的参数设置Display的参数设定为：图3-16 Display的参数设定Scope的参数设定为：示波器的接口有6个，时间范围是自动调整图3-17 Scope的参数设定2） 系统运行示波器的显示为：不加噪声示波器显示为如图23，由上到下波形所表示为：1.发出源信号波形。2.加入正弦波信号后的信号波形。3.经过带通滤波器后的信号波形。4.经过低通滤波器后的信号波形。5.采样量化编码后的输出源信号波形。 图3-18 不加噪声示波器的显示不加噪声 Display的显示为：图3-19 不加噪声 Display的显示加入高斯发生器 Gaussian Noise Generator模块，设置为：Sample time抽样时间为0.03s图3-20 Gaussian Noise Generator模块设置加入高斯噪声后，示波器显示如图26，由上到下波形所表示为：1.发出源信号。2.加入正弦波信号后的信号波形。3.加入高斯噪声后的波形。4.经过带通滤波器后的信号波形。5.经过低通滤波器后的信号波形。6.采样量化编码后的输出源信号波形。 图3-21 加入高斯噪声后示波器的显示加入高斯噪声后Display的显示为：图3-23 加入高斯噪声后Display的显示结论：在编码器和解码器模块间加上高斯噪声模块模拟信号在信道中的传输有干涉，所以就有了误码率，并且随着错误率的增大误码率增大。4 结束语本次课程设计，我的任务是用Simulink来实现2ASK调制解调系统。开始我对2ASK和Simulink了解特别少，通过上网搜寻查阅相关资料，我逐渐认知了2ASK调制解调原理，弄懂了2ASK与Simulink的关系，加深了对通信原理的认识。首先，我知道自己要学习的知识还很多，做这次设计的时候有遇到了很多困难，但是有什么问题解决什么问题，慢慢地把它完成。其次，我认识到理论运用到实践的重要性，正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的。所以在本学期学完通信原理之际，紧接着来一次通信原理的课程设计事很有必要的。这样不仅加深我们对通信原理的认识，而且还及时真正做到了学以致用。最后，我明白了在学习中一定要多想、多问、多思考，遇到问题首先要自己解决，解决不了的