ASKFSK调制性能研究与仿真.docx
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ASKFSK调制性能研究与仿真
高等教育自学考试毕业论文（设计）
题目ASK、FSK调制性能研究与仿真
院系苏州大学电子信息学院
专业电子信息工程
班级2011级独本班
考生姓名
准考证号054511463324
指导老师
目录
摘要1
第一章绪论3
第二章数字调制技术原理6
第2.1节二进制振幅键控（2ASK）6
第2.2节二进制频移键控（2FSK）8
第2.3节二进制数字调制的误码率11
第三章数字调制系统的仿真12
第3.1节2ASK信号的仿真12
第3.2节2FSK信号的仿真14
第3.3节本章小结17
第四章工作总结19
参考文献20
致谢21
附录代码22
摘要
随着数字通讯的发展，调制技术越来越被人们重视，数字调制技术以其抗干扰能力强，适合远距离传输等优势，成为现代通信中非常重要的一项技术。
在频带资源有限的今天，为了使信号更好的传输，需要对信号进行调制。
本论文运用MATLAB实现了2ASK,2FSK调制解调过程的仿真，在调制解调过程中观察波形，对比频谱特点与误码率情况，并结合调制原理，分析频谱与误码率并对比仿真结果与理论预测结果的对比。
经对本实验的测试表明，该实验对调制和解调方式的选择需要考虑的因素较多。
2FSK的抗噪声性能优越于2ASK，而2ASK的频带利用率较高与2FSK。
关键词：
ASK；FSK；高斯白噪声；误码率
Abstract
Withthedevelopmentofdigitalcommunication,modulationtechnologyisincreasinglyvalued.Ithasbecomeasignificanttechnologyinmoderncommunicationasithasstrongabilityofanti-interferenceperformanceandissuitableforlong-distancetransmission.Withtoday’slimitedbandwidthresources,thesignalshouldbemodulatedforbettertransmission.
ThispaperappliesMATLABtorealizethesimulationof2ASKand2FSKmodemprocess.Thewaveformsareobservedintheprocessofmodemandfrequencyspectrumcharacteristicsandsituationsoferrorratearecompared.Combinedwithmodulatingprinciples,frequencyspectrumanderrorratearetracelyanalyzedaswellassimulationresultandpredictedresultarecompared.Thesystemsuperiorityof2ASKand2FSKareobtained.
Thetestofthisexperimentindicatesthatthefactorsconcernedinthisexperimentfortheselectionofmodulationanddemodulationarevarious.Theanti-noiseperformanceof2FSKisbetterthanthatof2ASK,whilethebandwidthefficiencyof2ASKishigherthanthatof2FSK.
Keywords:
ASK;FSK;WhiteGaussiannoise;Errorrate
第一章绪论
数字调制技术的发展日新月异现，信息技术不断的推陈出新，信息的传输及通信起着支撑作用。
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。
然而，实际的通信系统中，信道的频段往往是有限的，而原始的通信信号的频段与信道要求的频段是不匹配的，这就要求将原始信号进行调制然后在进行发送。
相应的在接收端对调制的信号进行解调，恢复原始的信号，而且调制解调还可以再一定程度上抑制噪声对通信信号的干扰。
所谓通信，最简单的理解，也是最基本的理解，就是人与人沟通的方法。
无论是现在的电话，还是网络，解决的最基本的问题，实际还是人与人的沟通。
现代通信技术，就是随着科技的不断发展，如何采用最新的技术来不断优化通信的各种方式，让人与人的沟通变得更为便捷，有效。
通信技术和通信产业20世纪80年代以来发展最快的领域之一。
不论是在国际还是在国内都是如此。
这是人类进入信息社会的重要标志之一。
而现代的主要通信技术有：
数字通信技术，信息传输技术，通信网络技术，数据通信与数据网，ISDN与ATM技术，宽带IP技术，接入网与接入技术。
数字通信即传输数字信号的通信，是通过信源发出的模拟信号经过数字终端的心愿编码成为数字信号，终端发出的数字信号，经过信道编码变成适合与信道传输的数字信号，然后由调制解调器把信号调制到系统所使用的数字信道上，在传输到对段，经过相反的变换最终传送到信宿。
数字通信以其抗干扰能力强，便于存储，处理和交换等特点，已经成为现代通信网中的最主要的通信技术基础，广泛应用于现代通信网的各种通信系统。
数字调制技术是通信信号的调制识别，是介于信号检测盒解调之间的过程，在民用领域主要用于频谱管理中的信号身份确认和干扰确认；在军事领域中调制自动识别是信息争夺与控制中的关键技术之一，是截获敌方信号、破坏和抑制敌方通讯试试通信干扰的基础和前提。
在电子对抗、软件无线电和认知无线电等领域具有广泛的应用。
随着通信技术的发展，通信信号调制方式变得更加复杂多样，传统的人工识别效率低下，已经不能满足现实需求，数字调制技术越来越受到人们重视。
1969年4月，WeaverCS等人在斯坦福大学技术报告上发表了第一篇研究调制方式自动识别的论文，采用模式识别技术实现调制类型的自动分类。
此后许多学者投入到该项研究中，调制方式新技术，新方法不断涌现。
通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，他的应用越来越广泛。
通信的最终目的是远距离传递信息。
虽然基带数字信号可以在传输距离不远的情况下直接传送，但如果要进行远距离传输时，特别是在无线信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。
如同模拟信号的频带传输时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：
振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
它们分别对应于利用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来承载数字基带信号，可以看作是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。
因此调制方式按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类；按照载波的形式分为连续波调制和脉冲调制两种。
模拟调制有调幅（AM）、调频（FFM）和调相（PM）。
数字调制有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）和差分移相键控（DPSK）等。
调制即是用基带数字信号去控制某一较高频率的正弦或脉冲载波，使已调信号能通过
带限信道传输。
那么，已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号还原成基带数字信号，这种数字信号的反变换称为数字解调。
通常，我们把数字调制与解调合起来称为数字调制，把包括调制和解调调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输系统。
通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。
数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，如图1-1所示：
图1-1数字通信系统
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输在实际应用中大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。
为了使数字信号在带通信道中传输必须使用数字基带信号对载波进行调制以使信号与信道的特性相匹配。
这种用数字基带信号控制载波把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。
通常使用键控法来实现数字调制比如对载波的振幅、频率和相位进行键控。
本文介绍了基于MATLAB仿真软件对FSK和ASK进行调制和解调，和误码率对比。
简单介绍了数字调制技术的发展过程及原理，然后做系统仿真，最后得出结论。
第二章数字调制技术原理
第2.1节二进制振幅键控（2ASK）
二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式，也是数字调制的基础。
调制信号为二进制数字信号时这种调制称为二进制数字调制。
在2ASK调制中载波的幅度只有两种变化状态即利用数字信息“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的输出。
有载波输出时表示“1”无载波输出时表示发送“0”。
它的实际意义是当调制的数字信号"1时传输载波当调制的数字信号为"0"时不传输载波。
基本原理：
通断键控（OOK）”信号表达式为
（2.1-1）
波形2-1
图2-1通断键控
2ASK信号的一般表达式：
（2.1-2）
其中
（2.1-3）
Ts－码元持续时间；g（t）－持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设是高度为1，宽度等于Ts的矩形脉冲；an－第N个符号的电平取值，若取
（2.1-4）
则相应的2ASK信号就是OOK信号。
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.模拟调制法:
模拟调制法是利用乘法器来实现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也称为相乘法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。
其电路如下
图2-2所示
A（t）S（t）
COSW0（t）
图2-2模拟调制法
2.开关法：
这种方法是使载波在二进制信号“1”和“0”的控制下分别接通和断开这种二进制振幅键控方式称为开关键控方式它是2ASK的一种常用的方式。
以二进制数字信号去控制一个初始相位为0的正弦载波幅度可得其时域表达式如下：
e（t）=As（t）coswct（2.1-5）
式中的各参数含义如下:
A为载波振幅,s（t）为二进制数字调制信号,wc为载波角频率e（t）为2ASK已调波。
电路原理模型如下图2-3所示:
图2-3键控开关法原理图
2ASK信号的解调方法
非相干解调（包络检波法）如图2-3
图2-32ASK非相干解
相干解调（同步检测法）如图2-4
图2-4相干解调
非相干解调过程的时间波形如图2-5
图2-52ASK非相干解调波形
第2.2节二进制频移键控（2FSK）
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。
在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。
故其表达式为
（2.2-1）
典型波形：
图2-6
图2-6典型波形
由图可见，2FSK信号的波形（a）可以分解为波形（b）和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。
因此，2FSK信号的时域表达式又可写成
（2.2-2）
式中g（t）－单个矩形脉冲，
Ts－脉冲持续时间；
（2.2-3）
（2.2-4）
n和n分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位，通常可令其为零。
因此，2FSK信号的表达式可简化为：
（2.2-5）
式中
（2.2-6）
2FSK有两种不同的方法来实现：
模拟调频电路，信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。
键控法，相邻码元之间的相位不一定连续。
2FSK信号的解调方法：
非相干解调如图2-7
如图2-72FSK非相干解调
相干解调如图2-8
如图2-82FSK相干解调
第2.3节二进制数字调制的误码率
误码率是衡量一个数字通信系统性能的重要指标。
在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达式的形式取决于解调方式。
即：
误码率
是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例。
相干解调
非相干解调
2ASK
2FSK
图2-9二进制数字调制系统误码率公式
设信号幅度为0.001，信噪比范围在0到20之间，对比2ASK和2FSK的相干与非相误码率，如图3-11所示，可以看出，采用相干解调的误码率低于采用非相干解调的误码率。
在相同信噪比下，2FSK的误码率比2ASK的误码率小。
如图2-10
图2-10误码率对比
第三章数字调制系统的仿真
第3.1节2ASK信号的仿真
假设有10000个数据，设定起点为0.0125，终点为N，每间隔0.0125s为一个点。
如果：
x（i）=1，则其中80个码元赋值为1；x（i）=0，则其中80个码元赋值为0，显示0到800个数值。
产生如图3-1的波形。
图3-1
设噪声系数为20dBW，在已调信号和已调频谱中加入高斯白噪声，则产生如图3-2的波形
图3-2
设计一个滤波器，通带截止频率为40/100HZ；阻带截止频率为400/800HZ，对加入噪声后的信号进行滤波。
将滤波后的波形与载波信号相乘得到相干解调的波形。
如图3-3所示
图3-3
对波形进行抽样判决，恢复原始波形，如果：
x（i）=1，则其中80个码元赋值为0；x（i）=0，则其中80个码元赋值为1，如图3-4所示
图3-4
对理论误码率与仿真误码率进行对比，发送10000消息符号，速率为1000HZ,信噪比为10dBW，可以看出理论与仿真的误码率差异并不大，如图3-5所示
第3.2节2FSK信号的仿真
假设有10000个数据，取前25个值，确定时间为t=0:
2*pi/99:
2*pi;若是S（n）为0则输出c=sin（5*t）的波形，若S（n）为1则输出c=sin（2*t）的波形。
则m1为原始信号，c1为载波信号，b1为fsk的已调信号，
如图3-6所示
图3-6
进行fft变换，根据图3-6分别作信源频谱，载波信号频谱和fsk信号频谱并让正半轴部分和负半轴部分的图像关于各自的中心对称，如图3-7所示
图3-7
加入噪声系数为20dB的高斯白噪声，设计一个滤波器，滤波指数fp通带截止频率为500HZ，fs采样频率为700HZ，rp通带最大衰减为3dB，rs阻带最小衰减为20dB。
如图3-8
图3-8
用滤波后的波形与载波信号相乘进行相干解调和非相干解调。
如图3-9
图3-9
进行理论误码率与仿真误码率的对比，发送10000消息符号，速率为1000HZ，信噪比为20dBw，从图3-10可以看出仿真误码率与理论值比较相似。
图3-10
第3.3节本章小结
本章主要简单介绍了数字调制技术的发展和原理以及2ASK（振幅键控）,2FSK（频移键控）的仿真；并对仿真误码率和理论误码率进行对比，从而得出2ASK与2FSK的系统优越性。
第五章工作总结
经过几周的努力，完成了这份设计。
本设计以数字调制技术为核心，对2ASK和2FSK进行调制解调。
这次设计让我更深一步的了解matlab软件的运用。
虽然达到了设计要求，但是还存在有待改善和提高的地方。
在此过程中，遇到了不少问题，刚开始对matlab软件不熟悉，翻阅了一些书籍，并理解某些指令如何去操作，编写，如不注意，仅仅错一个字母，可能整段程序就运行不了，在之后的修改中，不断积累经验，也使得程序编写较为顺畅，最终实现仿真。
过程中，让我更加了解和熟悉了它的命令及诸多功能，使我更全面的了解matlab的运用，了解怎么运行并且实现仿真。
通过这份设计，我发现自己在编写软件程序方面的不足，也提高了我编写软件程序的能力。
同时，通过这份毕业设计，让我明白：
实践和理论有很大的联系，又高于理论。
要把课本上所学的知识跟实际联系起来，才能把理论变成实际。
本次电路的设计既巩固了我从课本上所学的知识，也使我把理论与实际结合起来，增强了学习的兴趣，考验了我借助图书馆、互联网搜索、查阅相关资料的综合能力和自学能力，让我受益良多。
参考文献
[1]樊昌信，曹丽娜编著，《通信原理》，2012年，第6版，国防工业出版社。
[2]刘学勇编著，《MATLAB/SIMULINK通信系统建模与仿真》，2011年，第二版，电子工业出版社。
[3]刘敏魏玲编著，《MATLAB通信仿真与应用》，2001年，第二版，国防工业出版社。
[4]孙屹李妍编著，《MATLAB通信仿真开发手册》，2005年，第一版，国防工业出版社。
[5]王兴亮编著，《数字通信原理与技术》，2000年，第二版，西安电子科技大学出版社。
[6]宫锦文，《通信原理实验指导书》，2007年，电子工业出版社。
[7]电子科技大学学报，曲永哲，李玉山，丁同浩，闫旭，噪声抑制，第四十二卷，第二期，2013年，229~300
[8]电子学报，第四十一卷，第四期，田贤忠，朱艺华，缪得志，无线网络编码增益感，2013年4月，652~653
[9]无线电通信技术，第三十九卷，第二期，李大为，基于无线移动信道建模与仿真技术研究，2013年4月，32~34
[10]电气电子数学学报，第三十五卷，第一期，熊庆旭，论信号与系统课程的基本构成，2013年，32~33
[11]电信科学，第二十九卷，第四期，朱星宇，周怀北，黄健园，认知无线网络中基于信道感知排序的频谱切换，2013年4月，51~54
[12]国外电子测量技术，第三十二卷，田园，周勋，窗函数在数字滤波器设计中的应用，第四期，2013年4月，25~28
[13]现代电子技术，第三十六卷，第九期，关进辉，姜恒，刘海全，唐瑞进，基于FPGA的相位连续的2FSK信号的设计与实践，2013年5月，101~110
致谢
这份毕业设计在邵卫东老师的指导下完成。
从设计的选题，相关资料的查寻，到论文的撰写这一整个过程中，邵卫东老师以其广博的知识、丰富的经验、清晰的思路，为我细心指导和帮助。
他严谨的治学态度，精益求精的工作作风和孜孜不倦的求学精神令我受益匪浅，从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。
在今后的学习工作中都将对我有所帮助。
在此我要向我的导师邵卫东老师致以最衷心的感谢和深深的敬意！
在两年的大学学习生活期间，我的每位老师对我的学习、生活都给予了热情的关心和帮助，使我的学习能力得到了很大的提高，取得了进步。
在此一并致以真诚的谢意，感谢所有帮助过我的老师！
最后，感谢在百忙中抽出时间对本毕业论文（设计）进行评审并提出宝贵意见的老师们，谢谢！
附录代码
附录Ⅰ源程序代码
2ASK程序
clc;
clear;
%输入二进制信号
numSymb=10000;
M=2;
numPlot=15;
N=10;
xn=[];
x=[1011001010];
t=0.0125:
0.0125:
N;
y=cos（2*pi*100*t）;
fori=1:
N
ifx（i）==1;
xn（i*80-79:
i*80）=ones（1,80）;
else
xn（i*80-79:
i*80）=zeros（1,80）;
end
end
subplot（5,2,1）;
plot（xn）;
title（'原始二进制信号'）;
axis（[0800-12]）;xlabel（'t'）;
%载波波形
y=cos（2*pi*2*t）;
subplot（5,2,2）;
plot（y）;
title（'载波波形'）;
axis（[0800-22]）;xlabel（'t'）;
%载波调制
z=xn.*y;
subplot（5,2,3）;
plot（z）;
title（'已调信号'）
axis（[0800-1.51.5]）;xlabel（'t'）;
%对已调信号进行频谱分析
ba=fft（z,512）;
ba=abs（ba）;
subplot（5,2,4）;
plot（ba）;
title（'已调信号频谱'）;
axis（[-2006000150]）;xlabel（'t'）;
%加入高斯噪声
a=0.1;%noise系数，控制噪声功率
noise=a*（2*rand（1,80*N）-1）;
z1=z+noise;
subplot（5,2,5）;
plot（z1）;
title（'加入噪声后信号波形'）;xlabel（'t'）;
%对加噪信号进行频谱分析
ba=fft（z1,512）;
ba=abs（ba）;
subplot（5,2,6）;
plot（ba）;
title（'加噪信号频谱'）;
axis（[-2006000150]）;xlabel（'t'）;
%设计一个低通滤波器
Wp=40/100;Ws=400/800;
[n,Wn]=buttord（Wp,Ws,3,10）;
[b,a]=butter（n,Wn）;
%对加入噪声的信号进行滤波
x_fir=filter（b,1,z1）;
%观察滤波之后的信号波形
subplot（5,2,7）;
plot（x_fir）;
title（'滤波之后的信号'）;
axis（[0800-1.51.5]）;xlabel（'t'）;
%相干解调
x2=x_fir.*y;
subplot（5,2,8）;
plot（x2）;
title（'与相干载波相乘波形'）
axis（[0800-0.52]）;xlabel（'t'）;
%对加入噪声的信号进行滤波
x3=filter（b,1,x2）;
subplot（5,2,9）;
plot（x3）;
title（'与相干载波相乘后滤波波形'）;
axis（[0800-0.52.5]）;xlabel（'t'）;
%抽样判决
fori=1:
N;
ifabs（x3（i*80-20））>=0.5;
xn2（i*80-79:
i*80）=ones（1,80）;
else
xn2（i*80-79:
i*80）=zeros（1,80）;
end
end
subplot（5,2,10）;
plot（xn2）;
title（'恢复波形'）
axis（[0800-12]）;xlabel（'t'）;
%误码率随信噪比变化曲线
rs=1e3;%时间轴频率
fc=1e2;%载波频率100HZ
tzd=1e2;%1个码元用100个点模拟
t=0:
1/rs:
（tzd-1/rs）;
forsnrb=0:
1:
10%不同信噪比
ratio=0;%初始误码数设为0，累计十次得到总误码数
fork=1:
10%十次循环产生10000码元
n=1e3;%一次产生码元数
g=randint（1,n）;%产生1000个码元
tz=g（ceil（10*t+（1/rs）））.*cos（2*pi*fc*t）;%得到调制信号tz，100个点表示1个码元
signal=awgn（tz,snrb）;%信号通过白噪声信道
Fs=1e3;
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