差分码ASK信号抽样仿真

1、差分码ASK抽样信号仿真长沙理工大学通信原理课程设计报告李秉坤 学 院 城南学院 专 业 通信工程 班 级 通信1104 学 号 201185250429 学生姓名 李秉坤 指导教师 黄红兵 课程成绩 完成日期 2014年1月9日课程设计成绩评定学 院 城南学院 专 业 通信工程 班 级 通信1104 学 号 20118525042 学生姓名 李秉坤 指导教师 黄红兵 课程成绩 完成日期 2014年1月9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

2、计的评定意见综合成绩 指导教师签字 2007年1月19日课程设计任务书城南 学院 通信工程 专业课程名称通信原理时间20132014学年第一学期1819周学生姓名指导老师黄红兵题 目差分码ASK信号抽样仿真主要内容：利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个差分码ASK信号抽样仿真系统，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

3、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，c 用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。将三种噪声源的方差适当设置，分析比较通过三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（主要是源程序）。差分码ASK信号PAM调制仿真学生姓名：李秉坤 指导老师：黄红兵摘 要 本课程设计主要用matlab/Simulink平台仿真一个差分码ASK信号抽

4、样仿真系统，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。首先根据原理画出图形，构建调制解调电路，在Simulink中调出各模块组成电路，设置调制解调电路各模块的参数值并运行，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 抽样仿真；差分码；Matlab/Simulink1 引 言MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据1。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工

5、作。本课程设计主要用matlab中的Simulink平台仿真一个差分码ASK信号抽样仿真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 课程设计目的通信原理课程设计是通信原理理论课程的辅助实践环节。着重体现学生对通信原理教学知识的应用，培养学生理论与实际工程相结合的能力。以小课题的方式来加深、扩展通信原理知识3。通过设计差分码ASK信号抽样仿真系统，并使其在不同的噪声信道中运行，让学生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原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识，并学会运用这些知识

6、。1.2 课程设计的步骤学习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仿真平台中设计差分码ASK信号抽样仿真系统。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抽样与抽样还原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。在混合调制电路间加上噪声源，用高斯白噪声模拟有线信道，模拟信号在高斯白噪声的信道中传输。将噪声源的方差设置为1，分析通过高斯白噪声的模拟有线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

7、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调制与解调的相关知识，分析ASK信号抽样系统性能。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

8、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

9、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4。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。在过去几年中，Simulink已经成为院

10、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 差分码ASK调制原理振幅键控调制是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率与初始相位保持不变。信号的产生通常有两种：模拟调制法和键控法。而本课程设计采用的是模拟调制法，模拟调制法指的是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。原理如图2-1所示。图2-1 模拟调制法其调制波形如图2-2所示。图2-2 模拟调制波形示意图差分码2A

11、SK调制信号的原理是输入二进制不归零的基带信号，经过码反变换器将其绝对码变成相对码，然后再乘以一个载波信号最后输出的就是差分码2ASK信号。其调制模型如图2-1所示。乘法器码反变换 图2-3 差分码2ASK调制器原理框图其中s（t）为二进制不归零的基带信号，而为载波信号。2.3 抽样与抽样还原原理离散信号不仅可从离散信号源获得，而且也可从连续信号抽样获得。抽样信号其中为连续信号（例如三角波），是周期为的矩形窄脉冲。又称抽样间隔，称抽样频率。、波形如图5-1。图2-3 连续信号的抽样过程将连续信号用周期性矩形脉冲抽样而得到抽样信号，可通过抽样器来实现，信号抽样与恢复实验原理如图2-4所示。图2-

12、4 信号抽样与恢复实验原理图 抽样信号在一定条件下可以恢复出原信号，其条件是，其中为抽样频率，为原信号占有频带宽度。由于抽样信号频谱是原信号频谱的周期性延拓，因此，只要通过一截止频率为（,是原信号频谱中的最高频率）的低通滤波器就能恢复出原信号。如果，则抽样信号的频谱将出现混迭，此时将无法通过低通滤波器获得原信号。图2-5 实际低通滤波器在截止频率附近的频率特性曲线在实际信号中，仅含有限频率成分的信号是极少的，大多信号的频率成分是无限的，并且实际低通滤波器在截止频率附近频率特性曲线不够陡峭，如图2-5所示，若使，恢复出的信号难免有失真。为了减小失真，应将抽样频率取高（），低通滤波器满足。 为了防

13、止原信号的频带过宽而造成抽样后频谱混法，实验中常采用前置低通滤波器滤除高频分量，如图2-6所示。 图2-6加上前置低通滤波器抽样还原实验原理图本实验采用有源低通滤波器，如图5-7所示。若给定截止频率，并取（为避免幅频特性出现峰值），则电容的取值为 3 系统设计3.1无噪声差分码2ASK信号调制 利用simulink仿真平台构造出差分码2ASK信号的调制系统仿真模型如图3-1，其中由Bernoulli Binary Generator模块产生随机二进制脉冲序列，Sine Wave函数产生正弦波作为载波。其相乘后的信号经过示波器得到波形，从而判断差分码2ASK的调制是否成功。差分码2ASK调制仿真

14、电路如图3-1所示。图3-1 差分码2ASK调制仿真电路图各模块参数设置如图3-2所示。基带信号参数图载波参数设置图3-2 各模块参数设置频谱图如图3-3所示。 基带信号频谱 2ASK调制信号频谱图3-3 频谱图无噪声的2ASK调制波形如图3-4所示。图34 无噪声差分码2ASK调制信号波形其显示波形依次对应为数字基带信号、基带信号对应的差分码波形、载波波形、无噪声的2ASK调制信号波形。可看出差分码二进制码为“1”时，调制得出的信号有波形；而为“0”时，调制出的信号没有波形。完全符合2ASK的调制原理，故调制是成功的。3.2 差分码ASK信号抽样利用simulink仿真平台构造出差分码2AS

15、K信号的抽样系统仿真模型如图3-5所示差分码ASK信号抽样仿真电路图本图是利用一个乘法器，将调试出来的差分码2ASK信号与周期性矩形脉冲从而实现对信号进行抽样。对矩形窄脉冲模块参数设置如图3-6所示图36 矩形窄脉冲模块参数设置差分码2ASK信号抽样波形如图3-7所示。其显示波形依次对应为矩形窄脉冲波形，无噪声的差分码2ASK信号波形，差分码2ASK抽样信号。可以看出差分码2ASK调制信号与矩形窄脉冲信号相乘，得到差分码2ASK抽样信号。3.3 差分码ASK信号抽样还原利用Simulink仿真平台构造出的差分码ASK信号抽样还原系统仿真模型如图3-8所示图38 差分码2ASK信号抽样还原模型抽

16、样还原就是抽样的逆过程，用低通滤波器进行滤波后经过抽样判决器，各模块参数设置如图3-9所示。 载波参数设置 低通滤波器1参数设置 低通滤波器2参数设置零阶保持器参数设置量化编码器（判决门）参数设置差分码还原器参数设置图3-9各模块参数设置如图所示电路图，低通滤波器1将抽样信号先进行还原，之后得到的信号再经过乘法器与载波信号相乘，再通过低通滤波器2将信号滤出初始信号，之后经过由零阶保持器和量化编码器组成的抽样判决器最后把信号由差分码还原器还原为基带信号。差分码2ASK信号抽样还原波形如图3-10所示。图3-10 差分码2ASK信号抽样还原波形其显示波形依次对应为基带信号，抽样信号经过低通滤波器1

17、后的信号波形，载波波形，经过抽样信号经过低通滤波器1后的信号和载波信号经过乘法器得出的波形，抽样还原信号波形。可以从图看出抽样还原信号与之前的基带信号只是稍有延时，但是在波形方面保持一致，从此可以得出抽样还原是成功的。3.4 加噪声后的系统仿真在差分码基带信号后加上高斯白噪声，并用通过高斯白噪声的信号进行差分码ASK信号的调制，然后重复上述的抽样和抽样还原的步骤，观察经过高斯白噪声之后的差分码2ASK信号抽样和理想状态下差分码2ASK信号抽样之间存在的差别，系统如图3-11所示。图3-11加入高斯白噪声后的差分码2ASK信号抽样仿真加入高斯白噪声之后的系统抽样如图3-12所示图3-12加入高斯

18、白噪声之后的系统抽样波形图其显示波形依次对应为加入高斯白噪声后的差分码2ASK信号波形，矩形窄脉冲波形，加入高斯白噪声后的差分码2ASK抽样信号。加入高斯白噪声后的差分码2ASK信号波形与矩形窄脉冲波形经过乘法器相乘，得出抽样信号。加入高斯白噪声之后的抽样还原波形如图3-13所示图3-13其显示波形依次对应为经过差分编码之后的基带信号，理想状态下抽样还原波形图，加入高斯白噪声之后的差分码基带信号，基带信号，加入高斯白噪声之后的抽样还原波形。从此来对比高斯白噪声加入后对整个图形的影响。频谱图如图3-3所示。 加高斯输出 理想输出图3-14图2-15加入高斯白噪声之后的误码率图2-16高斯白噪声的

19、参数设置3.4 抽样仿真中各元器件的意义和作用Bernoulli Binary Generator：产生基带信号Averaging Power Spectral Density：平均功率谱密度，频谱仪Differential Encoder：差分编码器，对基带信号进行差分编码Sine Wave：正弦波，产生一个载波信号Product：乘法器，使两个信号相乘Pulse Generator：脉冲发生器，从而产生一个周期矩形窄脉冲，与差分码2ASK信号相乘从而得到抽样信号Scope：显示器，用来观察各个步骤所做出来的波形Analog Filter Design：模拟滤波器，通过频率滤除不需要的信号Z

20、ero-Order Hold：零阶保持器的意思，就是输入的信号帮你保持一段时间，经过这个模块后的信号会有阶梯状的感觉。如果前后两个模块的采样频率不一样的话，就要在两者中间加入Rate Transition，否则就会报错。假如前级的采样频率大，而后级的采样频率小的话，它的作用就是Zero Order Hold，以保证数据的完整性。Quantizing Encoder：量化编码器，相当于抽样判决器，使抽样还原信号更加稳定。Differential Decoder：差分译码器，将差分码信号还原为原始的基带信号。Gaussian Noise Generator：高斯白噪声，所谓高斯白噪声中的高斯是指概

21、率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。Error Rate Calculation：用来计算接收信号的差错率。Display：展示出之前所计算出来的差错率4 仿真电路分析与总结本次课程设计，我的任务是差分码ASK信号抽样仿真，以此来进行为期2周的课程设计。通信原理课程设计要求我们应用Matlab软件中的Simulink对课题进行设计仿真，在之前的Matlab课程上我已经对Matlab软件又一个初步的了解，但是只停留在用程序进行仿真，而此次利用Simulink模块来设计是我第一次接触，并且我们使用的Matlab7.0软件是全英文的，很多东西我

22、看不懂是什么意思，之后老师对我们所用的模块进行了讲解，同时我利用网络找到了一些材料，使我明白了我的课题到底要做什么，到底要怎么做。利用翻译软件，查找到我自己需要的元器件加入到图里，做出自己想要做到的东西。电路的设计就和之前所做的电子电路实习有点类似，只是把元器件按照自己的想法连接起来便可以做到，但是参数的设置使我摸不着头脑，有许多的参数不知道如何去设置，纵使仿真的步骤和方法我在大脑里已经有了思路，但是由于参数的错误设置导致我的图形经过抽样还原永远还原不出基带信号的模样，最后在老师的帮助下，告诉了我每个元器件的参数如何的设定，低通滤波器如何的设定，从而使我完成了对信号的抽样与抽样还原，对下次做此应用充满了信心。信号抽样说真的刚接到这个课设题目的时候我真的不知道抽样是怎么做的，如何用元器件队以一个信号进行抽样，但是最终从网上查找的资料我明白了抽样信号就是利用乘法器，使差分码ASK信号与一个矩形窄脉冲相乘得到的信号。从而使我完成了对信号的抽样。总的说来