四进制振幅键控数字调制仿真和分析.docx
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四进制振幅键控数字调制仿真和分析
课程设计
课程设计名称：
四进制振幅键控（4ASK）
数字调制系统仿真和分析
1需求分析
在二进制数字调制中每个符号只能表示0和1（+1或-1）。
在二进制键控系统中，每个码元知传输1bit信息，其频带利用率不高，而频带资源是极其宝贵和紧缺的。
为了提高频带利用率，最有效的办法是使没一个码元传输多个比特的信息。
在许多实际的数字传输系统中却往往采用多进制的数字调制方式。
第一：
在相同的信道码源调制中，每个符号可以携带log2M比特信息，因此，当信道频带受限时可以使信息传输率增加，提高了频带利用率。
但由此付出的代价是增加信号功率和实现上的复杂性。
第二，在相同的信息速率下，由于多进制方式的信道传输速率可以比二进制的低，因而多进制信号码源的持续时间要比二进制的宽。
加宽码元宽度，就会增加信号码元的能量，也能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。
本次课程设计的任务是四进制振幅键控（4ASK）数字调制系统仿真和分析。
主要内容是对二进制数字信源进行四进制振幅键控（4ASK）数字调制，画出信号波形及功率谱。
并分析其性能。
2概要设计
实际通信中的许多信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使得载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即正弦载波调制。
在数字通信系统中，有二进制数字调制和多进制调制。
多进制数字调制与二进制数字调制相比又具有如下两个特点：
在相同的码元传输率下，多进制系统的信息传输率比二进制系统的高；在相同的信息速率下，多进制信号码元的持续时间要比二进制的长，因此会增加码元的能量，减小信号特性引起的码间干扰的影响，利用层次化和模块化的设计方法，通过MATLAB软件平台，设计并实现了多进制幅移键控（M-aryAmplitude-ShiftKeying，MASK）中的四电平调制（4-aryAmplitudeShiftKeying，4ASK）的调制系统和解调系统。
本文首先介绍了四电平调制和解调的原理，随后介绍载波产生、振幅调制、振幅判别等功能模块的设计，最后给出了整体调制解调的模块图和仿真波形及在基于VHDL的EPF10K10LC84硬件平台上的测试结果。
一﹑四进制ASK信号的表示式
多进制数字幅度调制（4ASK）又称为四电平调制，它是二进制数字幅度调制方式的推广。
四进制幅度调制信号的载波振幅有四种取值，在一个码元期间内，
发送其中的一种幅度的载波信号。
MASK已调信号的表示式为
这里，为M进制数字基带信号
式中，是高度为1、宽度为的门函数；
有4种取值0,1,2,3，出现的概率分别为P0,P1,P2,P3,且P0+P1+P2+P3=1.图1-1（a）、（b）分别为四进制数字基带信号和已调信号的波形图。
图1-1
二﹑4ASK调制解调原理
4ASK的基带信号只有“0”、“1”、“2”、“3”四个电平值，它与载波相乘的结果相当于将载波关断，或者接通放大。
它的实际意义是当调制的数字信号为“3”时，假设传输振幅为126个量化单位的载波，则当调制的数字信号分别为“2”、“1”、“0”时，传输振幅分别为84、42、0个量化单位的载波。
其典型波形如图1所示。
4ASK的键控调制原理如图2所示。
载波通过基带信号的控制选择不同的开关，当基带信号是“0”时，调制信号的幅度为0个量化单位；当基带信号分别是“1”、“2”、“3”时，选择开关接通相应的乘法器，则调制信号的幅度就分别为载波信号幅度的1、2、3倍。
对于4ASK的解调，我们采用最高幅值判别的方法，在调制信号中检测出最大幅值，随后根据最大幅值与基带信号的对应关系就可以解调出来。
在软件设计过程中，先设计出二进制基带信号使用语句：
subplot（3,1,1）;plot（t,a（ceil（（100*t+0.1）/5）））;
然后在此基础上生成四进制基带信号，使用语句:
sym（n+1）=a（2*n+1）*2+a（2*n+2）;subplot（3,1,2）;plot（t,sym（ceil（10*t+0.01）））;
最后，与载波信号的叠加调制出4ASK信号，使用语句：
t=0:
1/1e3:
0.999;s=sym（ceil（10*t+0.01））.*cos（2*pi*100*t）;subplot（3,1,3）;plot（t,s）
3运行环境（软、硬件环境）
本次课程设计是在MATLAB上完成软件的设计与仿真的，运用MATLAB语言实现了数字基带信号的4ASK调制的模拟，并得到二进制基带信号和相应得四进制基带信号以及4ASK调制信号的波形显示，最后给出了整体调制和解调的模块图和仿真波形及在基于VHDL的EPF10K10LC84硬件平台上的测试结果。
4开发工具和编程语言
MATLAB的实现
M=4;
>>d=1;
>>t=0:
1/1e3:
0.999;
>>a=randint（1,20,2）;
>>forn=0:
9
>>sym（n+1）=a（2*n+1）*2+a（2*n+2）;
end
>>s=sym（ceil（10*t+0.01））.*cos（2*pi*100*t）;
>>subplot（3,1,1）;
>>plot（t,a（ceil（（100*t+0.1）/5）））;
>>axis（[0,1,-0.2,1.2]）;
>>subplot（3,1,2）;
>>plot（t,sym（ceil（10*t+0.01）））;
>>subplot（3,1,3）;
>>plot（t,s）
硬件中功能模块的设计：
1.载波信号的产出和调制
设计的程序框图如图3所示。
利用100进制的计算器循环计数，随后将计数的结果作为载波的采样信号的存储地址。
每当计数达到99时，就会产生一个周期的载波，再根据基带信号确定对载波的乘法系数，从而产生所有基带信号所对应的正弦载波。
另外，因为利用可编程逻辑器件，不能产生负电平，且设计系统硬件平台上含有8位的模数转换器，所以设计时产生的载波信号和调制信号都是在127个量化单位的基础上累加的，即在程序中的载波信号y（n）的幅度与0基准电平载
波x（n）的幅度有如下关系：
y（n）=127+x（n）
（1）
而调制信号的幅度与载波信号之间的幅度有如下关系：
式中N＝0，1，2，3，它与基带信号的“0”、“1”、“2”、“3”
相对应。
2.解调
利用对调制信号幅值的大小持续检测，可以从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号的最大振幅。
在设计过程中对连续的9个调制信号流进行采样，随后比较是否中间的比两端的大，如果大，说明挑选到了最大振幅。
理论上基带信号“3”、“2”、“1”所对应的最大幅度分别为253（127＋126）、211（127＋84）、169（127＋42）。
在实际设计中，考虑到一定的阈值，当最大幅值大于250时，解调出基带信号“3”，否则当最大幅值大于208
时，解调出基带信号“2”，上述条件不满足的时候，解调出基带信号“1”。
当连续检测的9个调制信号流等大的时候，说明此时该调制信号对应的是基带信号的“0”。
解调过程的程序框图如图4所示。
5详细设计
MATLAB语言
%M-ary
M=4;
%Amplitudegap
>>d=1;
%Duration
>>t=0:
1/1e3:
0.999;
>>a=randint（1,20,2）;
>>forn=0:
9
sym（n+1）=a（2*n+1）*2+a（2*n+2）;
end
%MASK
>>s=sym（ceil（10*t+0.01））.*cos（2*pi*100*t）;
%Drawing
>>subplot（3,1,1）;
>>plot（t,a（ceil（（100*t+0.1）/5）））;
>>axis（[0,1,-0.2,1.2]）;
>>subplot（3,1,2）;
>>plot（t,sym（ceil（10*t+0.01）））;
>>subplot（3,1,3）;
>>plot（t,s）;
硬件结构如图5;
载波信号产生器（carry_wave）：
产生对应于基带信号“1”的载波，后续的调制可以方便地利用它进行幅度变换。
调制模块（modulation）：
输入信号为基带信号和载波信号，根据基带信号的变化改变载波信号的幅度，产生4ASK的调制信号。
解调模块（demodulation）：
根据输入的4ASK信号的局部最大幅度，判断对应的基带信号，最终解调出4ASK对应的基带信号。
6调试分析
在载波产生和调制方面如果利用级数计算来产生正弦载波，则所耗费的计算量较大。
此处设计时采用了查表法来产生正弦载波，即将一个周期的正弦波通过100点采样得到时域离散信号，随后将采样得到的数据进行存储，若要产生一个周期的正弦波时，就将存的数据依次读出。
如果除了基带信号“0”以外，其它的基带信号所对应的载波都利用查表法来实现，则需求的硬件资源较大，所以设计时采用只产生一个基带信号所对应的正弦波，而其它的基带信号是在该正弦波的基础上进行幅度改变产生的。
因为载波振幅之间的关系存在着3倍关系，而VHDL不能直接计算除以3的运算，所以设计时采用先产生代表基带信号“1”的正弦载波，随后代表基带信号“2”和“3”的载波幅度可以在已产生的载波的前提下分别乘以2和3来产生。
在解调方面利用对调制信号幅值的大小持续检测，可以从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号的最大振幅。
在设计过程中对连续的9个调制信号流进行采样，随后比较是否中间的比两端的大，如果大，说明挑选到了最大振幅。
理论上基带信号“3”、“2”、“1”所对应的最大幅度分别为253（127＋126）、211（127＋84）、169（127＋42）。
在实际设计中，考虑到一定的阈值，当最大幅值大于250时，解调出基带信号“3”，否则当最大幅值大于208时，解调出基带信号“2”，上述条件不满足的时候，解调出基带信号“1”。
当连续检测的9个调制信号流等大的时候，说明此时该调制信号对应的是基带信号的“0”。
7测试结果
图5.1仿真结果
将设计文件下载到EPF10K10LC84芯片中，为了用示波器观测所得到的波形，将q[7．．0]连接到D/A转化器（AD588）上，测试得到的波形如表1所示。
从图6的仿真图形和表1的测试波形都可以看出，4ASK调制解调采用的设计方案是正确的，且解调信号相对基带信号有31个全局时钟信号（clock）周期的延迟。
8参考文献
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[2]诺基亚（中国）投资有限公司．透视3G市场最终用户需求[J]．电子质量，2002，（05）．
[3]上海贝尔阿尔卡特股份有限公司．聚焦3G应用[J]．电信技术，2003，（11）．
[4]陈致樑．中国传统移动运营商3G发展策略研究[J]．当代通信，2004，（15）．
[5]钱国良，蒋纯波．建设有竞争力的3G网络[J]．移动通信，2003，（10）.
[6]樊昌信，曹丽娜。
通信原理.国防工业出版社.2006
心得体会
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