2ASK系统的抗噪声性能分析.

1、2ASK系统的抗噪声性能分析作者：郭帅指导老师：金中朝摘要：2ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息的，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 ”。有载波输出时表示发送“1 ”，无载波输出时表示发送“ 0”。2ASK信号解调的常用方法主要有包络检波法和相干检测法。虽然2ASK信号中确实存在着载波分量， 原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给接收设备增加复杂性。因此，实际中很少采用相干解调法来解调2ASK信号。但是，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

2、络检测，即非相干解调，而小信噪比条件下使用相干解调。关键字：2ASK,数字调制system view1引言通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息有模拟消息 （如 语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的；但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信

3、系统是利用数字信号来传递消息的通信系统。数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。本文主要分析 2ASK数字通信的工作原理，并给出同步检测法和包络检波法的分 析模型及系统性能分析。2 2ASK调制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

4、。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“ 0”。借助于幅度调制的原理，2ASK信号可表示为e（t） = s（t） cos ct（ 2-1）式中，c为载波角频率，s（t）为单极性NRZ矩形脉冲序列s（t）八 ang（tnTb）（ 2-2）n其中，g（t）是持续时间为Tb、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；an为二进制数字(2-3 )=1,出现槪率为F 宀山出现概率为（UL.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言号）。由图1可以看出，2ASK信号与模拟调制中的 AM

5、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 5所示。2ASK信号非相干解调过 程的时间波形如图7所示。图1 二进制振幅键控信号时间波型o-115 0 1 OO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4-a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

6、输出，当开关接地就没信号输出，其电路如图4-b所示。开关电路图2模拟相乘法图3数字键控法3 2ASK解调原理2ASK信号的产生方法（调制方法）有两种，如图4所示。图（a）是一般的模拟幅度调制方法，不过这里的s（t）由式（2-2 ）规定；图（b）是一种键控方法，这里的开关电路受s（t）控制。图（C）给出了 s（t）及eo（t）的波形示例。二进制幅度键控信号，由于一个信号状态始终为0，相当于处于断开状态，故又常称为通断键控信号(ooK言号)。10 0 1 啲 口,（C）图4 2ASK信号产生的方法及波形实例2ASK信号解调的常用方法主要有两种：包络检波法和同步检测法。不计噪声影响时，带通滤波器输出

7、为2ASK信号，即y(t)二e0(t) =s(t)cos&，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沐。至旺建冲图5 2ASK信号的包络检测法的原理方框图BPF恰好使2ASK信号完整地通过，并经包络检测后输出其包络。 LPF的作用是滤除高频杂波。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲是很窄的脉冲，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。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。为简化设计电路，在调制的输

8、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。0 10 1d图62ASK信号包络解调过程的时间波形同步检测法的原理方框图如图7所示。此系统要求接收机产生一个与发送载波冋频冋相的本地载波信号，称为同步载波或相干载波。利用此载波与收到的已调信号相乘，输出为2 1z(t) = y(t) cos，ct = s(t) cos Cts(t)(1 cos2 ct)211s(t) s(t) cos2 ct22图7 2ASK信号的同步检测的原理方框图Z(t)信号经过低通滤波器后输出s(t)信号。低通滤波器的截止频率预计带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低

9、通滤波器输出波形有真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。虽然2ASK信号中存在载波分量，原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给 接收设备增加复杂性。因此，实际中很少采用同步检测法来解调2ASK信号4 2ASK信号的功率谱及带宽前面已经得到，一个2ASK信号e0(t)可以表示成e(t) =s(t)cos 吐(4-1)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 ps( f )， eo(t)的功率谱密度为 pe( f )，则由式(4-1 )可以证得Pe( f ) = 1 Ps( f fc) Ps( f - fc)丨(4-2)42ASK信号功率谱密

10、度推导：已知 q(t)二 ang(t - nT$) cos 衣=s(t)cos 衣，s(t)的功率谱为 Ps(f)。-nFe(f) =1 Ps(f fc) Ps(f - fc) 1，4= fsP(1-P)|G(f)|Ps(f)fs(1-P)2G(mfs) (f -mfs)，G ( f )sin : fT s二 fTse jfTs。16(ffc)Tssin二(f _ fc)Ts二(f -仁兀詁(f fc) (f -fc)l1 2 1P5(f)TbSa (二fTb)(f)(4-3)44代入式(4-2 )，得2ASK信号功率谱Pe(f Tb Sa2 L：( f fc)Tb - Sa2 (f - fJ

11、T 16(4-4)1(f fc) 、 (f -fc)l16其示意图如图8所示。由图8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) 如同分析过的双边带调制一样，2ASK信号的带宽B2ask是数字基带信号带宽 Bs的两倍B2ASK =2Bs 2 = 2 fbTb(4-5)0(a)(b)图8 2ASK信号的功率谱(3) 因为系统的传码率 RB=1/Tb( Baud),故2ASK系统的频带利用率为丄(4-6 )二严 亘(Baud/HZ)22花2Tb这意味着用2ASK方式传送码元速率为 Rb

12、的二进制数字信号时，要求该系统的带宽至少为2Rb(Hz)。5 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6：；接收的信号为A cos ct，发 “ 1”s(tP 0，发“ 0(5-1)5.1包络检测时2ASK系统的误码率对于图5所示的包络检测接收系统，其接收带通滤波器BPF的输出为y(t) = s(t)ndt)_ Acoscoct + nc(t)cosBct ns(t)s in ct，发 “

13、1” n c(t) coseoct-ns(t)s in ct，发“ 0”(5-2)其中，m(t)二nc(t)cos&ns(t)sin - .ct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x(t)A nc(t) F ns2 (t)，发 T”Qn2(t)+ ns2 (t)，发“0”(5-3)由式(5-2 )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。由已知得发“ 1”时，BPF输出 包络x(t)的抽样值.的一维概率密度函数f1(x)服从莱斯分布；而发“ 0

14、”时，BPF输出x(t)包络的抽样值x的一维概率密度函数f 0(x)服从瑞利分布，如图所示。图9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x Ud，则判为“是1码”；若xUd，判为“是0码”。显然，选择什么样的 判决门限电平 一；与判决的正确程度(或错误程度)密切相关。选定的Ud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“ I”，其概率记为P(1/0)。由

15、图9可知p(1 0) p(x Ud) = j f0(x)dx = S0(5-4)U d第6页共12页Udp(0 1) = p(x EUd) = 0 f!(x)dx 卡(5-5 )式中，S0、Si分别为图9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 Pe为Pe 二 P(1)P(0.1)P(0)P(1 0)(5-6)当p(1) = p(0) =1/2，即等概时1 1卩二如)P(1。丄护V)(5-7)也就是说，Pe就是图9中两块阴影面积之和的一半。不难看出，当 Ud二Ud时，该阴影面积之和最小, 即误码率Pe最低。称此使误码率获最小值的门限 U

16、d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= A/2，系统的误码率近似为Pe(5-8 )式中，r二A2/(2；2)为包检器输入信噪比。由此可见，包络解调2ASK系统的误码率随输入信噪比丫的增大，近似地按指数规律下降。必需指出，式(5-8 )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。5.2相干解调时2ASK系统的误码率2ASK信号的相干解调接收系统如图 7所示。图中，接收带通滤波器 BPF的输出与包络检波时相同, 为y(t) =:Acos ct nc(t)cos ct-ns(t)sin ct，发 “1”nc(t)cos c

17、t-ns(t)sin ct, 发“0”(5-9 )取本地载波为2cos ct，则乘法器输出z(t) = 2y(t) cos ct将式(5-9 )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x(t) =An c(t)，发 “1” nc(t)，发“ 0”(5-10 )nc(t)为高斯噪声，因此，无论是发送“1”还是“ 0”，x(t)瞬时值久的一维概率密度f1(x)、f0(x)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(5-11 )(5-12 )f0(7其曲线如图10所示。X(5-15)式中,r =A2/（2二2）为解调器输入信噪比。当r1时，上式近似为类似于包络检波时

18、的分析，不难看出：若仍令判决门限电平为Ud，则将“ 0”错判为“ I ”的概率P（1/0）及将“ 1”错判为“ 0”的概率p（0/1）分别为rp（1 0） =p（x_Ud） = “ f（x）dx 二 S0（5-13 ）U dUdP（01）= PZUd）= .j1（x）dx = S1（5-14）式中，S0、S1分别为图10所示的阴影面积。假设p（1）=p（0），则系统的总误码率 Pe为Pe 二 P(1)P(0 1)p(0) p(1 0)Tp(01) p(10)气(S0 S1)且不难看出，最佳门限 U；二A/2。综合式（5-11 ）式（5-15），可以证明，这时系统的误码率为(5-16)Pe(5-

19、17)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（5-16 ）的适用条件是等概、最佳门限；式（ 5-17 ）的适用条件是等概、大信噪比、 最佳门限。比较式（5-17 ）和式（5-8 ）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

20、条件下使用相干解调。6二进制振幅键控的仿真仿真实验6.1 2ASK调制系统软件仿真线路连接及对比分析新建实验区，在左侧的器件库中选择随机信号2ASK调制器、傅里叶变换器，将随机信号、2ASK调制器和2ASK调制信号经傅里叶变化后连接到信号输出器，如图11所示。将随机信号输入方式设置为用户输入，原始数据的码元序列设置为 1 0 1 (用空格隔开)作为 2ASK基带输入信号，输出方式设 置为连续输出，其他参数保持默认值；2ASK调制器的载波频率设置为 5 (载波频率设置建议为整数，范围1-5之间，方便观察结果)，其他参数保持默认值运行仿真线路，可得出上图中自左向右、自上而下各信号输出器的输出波形，

21、如图12 所示(a)随机信号波形(b) 2ASK调制信号波形-400-2000200400(c) 2ASK调制信号频谱图图12第9页共12页6.2 2ASK解调系统软件仿真线路连接及对比分析新建实验区，在左侧的器件库中选择2ASK解调器，将2ASK调制器的输出连接到 2ASK解调器构成仿真线路。将2ASK解调器的载波频率设置为5,输出方式设置为连续输出，其他参数保持默认值。2ASK解调模块可由带通滤波器、包络检波器和抽样判决器构成，在虚拟通信实验箱器件库中选择滤波器、包络检波器和抽样判决器，将选通开关输出的2ASK调制信号连接到滤波器，再经包络检波器连接到抽样判决器构成仿真线路，对 2ASK解

22、调模块进行拆分。滤波器的滤波类型设置为带通滤波，通带截止频率 设置为4 10,阻带截止频率设置为 1 20,阻带最小衰减设置为 10,其他参数保持默认值。将滤波器、包络检波器和抽样判决器的输出分别连接到信号输出器1010010AM2ASM谓制2ASH那消倩呂轿出甜N-1i(a)随机信号波形图13 2ASK调制系统软件仿真线路图 运行仿真线路，得如下输出波形。1,0006006004002000-400-200 Q 2Q0400(b) 2ASK解调信号频谱图11(c) 2ASK解调信号(d) 选通开关输岀波形1-lir0-UA1AIA111U U -.-1 _卜.I . I . _ -. J .

23、 U 1HWHHH-h-ihwI12W(e) 滤波器输出波形(f) 包络检波器输岀形10(g) 抽样判决器输波形7结束语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。致谢在各位领导的悉心关怀下；在金中朝老师的耐心指导下；在各位同学的贴心帮助下，本设计成功完 成。我的毕业设计与论文中无不倾注着金老师辛勤的汗水和心血。他对教学一丝不苟、 认真求实的工作作风，对指导毕业设计工

24、作默默无闻、积极负责的态度都深深影响着即将走入社会的我。让我不仅系统的掌握了专业知识体系，也让我有了正确的态度和坚定的信心去面对未来。当然我至亲的朋友、同学也给予了我很多帮助，大家互相鼓励、一起探讨，奋斗了多少个日日夜夜，让我们的毕业设计顺利完成。参考文献1 樊昌信，曹丽娜 编著 通信原理（第六版）国防工业出版社2 王福昌熊兆飞黄本雄编著通信原理M.清华大学出版社2006.013 樊昌信徐炳祥吴成柯编著通信原理M. 国防工业出版社 2001.064 /dzjc/xiandaitongxin/jc/text/5.1.htm#6? 2 ASK anti

25、noise performance of the system analysisAuthor: Guo Shuai guide teacher: Jin ZhongchaoAbstract: 2 ASK is used to the change of amplitude of the carrier transmission of digital information, and its freque ncy and in itial phase rema ins un cha nged. In 2 ASK the carrier amplitude is only two kinds of state change, corresponding binary information 0 or 1.When a carrier said to send the output of the 1, no carrier said to send the output of the 0.2 ASK signa