精品毕业设计2ASK数字频带传输系统设计定.docx
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精品毕业设计2ASK数字频带传输系统设计定
安徽建筑工业学院
电子与信息工程学院
《综合课程设计》任务书
课程名称:
通信电子线路
题目:
2ASK数字频带传输系统设计
专业班级:
08通信工程
(1)班
学生姓名:
周正华
学号:
08205040108
指导教师:
冯俊高翠云夏义全邵慧
设计周数:
19-20周(2周)
目录
一、设计任务与要求和分工...................3
二、二进制振幅键控(2ASK)基本原理………….4
三、用protel99SE设计硬件电路和PCB………..9
四、Matlab程序实现及运行...................12
五、使用Simulink实现2ASK模型仿真...........15
六、使用SystemView实现2ASK模型仿真.........16
七、设计总结................................20
八、参考文献...............................21
(一)设计任务与要求
1.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;
2.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。
3.利用所学《通信原理》的基本知识以及相关学科的知识,来设计一2ASK数字调制器和解调器。
完成对2ASK的调制和解调仿真电路设计,并对仿真结果进行分析。
(二)实验分工
本组由沈志鑫,计豪,何游,周正华四人组成。
本人主要完成protel的pcb版图设计,matlab程序的设计。
沈志鑫主要完成matlab程序的编程以及protel99se的电路图设计。
计豪主要完成matlab的仿真,systemview的设计。
何游主要完成protel的电路设计,matlabsimlink仿真。
(二)二进制振幅键控(2ASK)基本原理
(1)数字调制的概念
用二进制(多进制)数字信号作为调制信号,去控制载波某些参量的变化,这种把基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制,反之,称为数字解调。
(2)数字调制的分类
在二进制时分为:
振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。
其中,ASK属于线性调制,FSK、PSK属于非线性调制。
(3)数字调制系统的基本结构
(4)ASK调制波形与方框图:
2.二进制幅移键控(ASK)
(1)ASK信号的产生
图为ASK信号的产生原理
一个二进制的ASK信号可视为一个单极性脉冲序列与一个高频载波的乘积,即ASK的时域表达式为:
也可写成:
(2)ASK信号的功率谱特性
ASK信号的自相关函数为:
(3)ASK信号的功率谱密度为:
式中,ps(f)为基带信号S(t)的功率谱密度
当0、1等概出现时,单极性基带信号功率谱密度为:
则2ASK信号的功率谱密度为:
ASK信号谱,形状为ps(f),双边带加载频谱线pE(f)
ASK信号传输带宽
(取主瓣宽度)
带宽利用率
(4)ASK信号的解调方式
解调也可以分成相干解调与非相干解调两类。
其中相干解调要求接收端提供相干载波。
非相干解调,就是在接收端不需要相干载波,而根据已调信号本身的特点来解调
2ASK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4、图5所示。
非相干解调方式
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。
非相干解调过程的时间波形
ASK硬件电路设计
1.滤波电路环节设计
本设计采用一阶滤波电路,由于采用了脉冲周期:
PER=10us(f=1/10us=100kHz)的高频方波载波信号,故此处所用滤波器的时间常数
=1/f=10us
,因此先选定电阻R1=5k,与之对应选择电容C1=0.002uF,即可满足此时间常数要求。
2.比较电路环节设计
其中LM324与R2、R3构成一个反向器,LM324工作的正端电压设置为5Vdc。
其电路如下图所示
5.电压判决电路环节设计
该处电压抽样判决器中负端工作电压由V6处的5Vdc经R4、R5构成的电压取样电路取得1Vdc与LM339的正端输入电压信号比较,当输入信号大于1Vdc时,LM339输出为高电平,否则为低电平。
从而将原低频调制信号解调还原出来。
电路如下图所示
ASK调制解调仿真电路PCB图
ASK调制解调仿真电路综合设计
Matlab程序实现
clc;
clearall;
closeall;
%信源
a=randint(1,15,2);
t=0:
0.001:
0.999;
m=a(ceil(15*t+0.01));
subplot(511)
plot(t,m);
axis([01.2-0.21.2]);
title('信源');
%载波
f=150;
carry=cos(2*pi*f*t);
%2ASK调制
st=m.*carry;
subplot(512);
plot(t,st)
axis([01.2-1.21.2])
title('2ASK信号')
%加高斯噪声
nst=awgn(st,70);
%解调部分
nst=nst.*carry;
subplot(513)
plot(t,nst)
axis([01.2-0.21.2]);
title('乘以相干载波后的信号')
%低通滤波器设计
wp=2*pi*2*f*0.5;
ws=2*pi*2*f*0.9;
Rp=2;
As=45;
[N,wc]=buttord(wp,ws,Rp,As,'s');
[B,A]=butter(N,wc,'s');
%低通滤波
h=tf(B,A);%转换为传输函数
dst=lsim(h,nst,t);
subplot(514)
plot(t,dst)
axis([01.2-0.21.2]);
title('经过低通滤波器后的信号');
%判决器
k=0.25;
pdst=1*(dst>0.25);
subplot(515)
plot(t,pdst)
axis([01.2-0.21.2]);
title('经过抽样判决后的信号')
%频谱观察
%调制信号频谱
T=t(end);
df=1/T;
N=length(st);
f=(-N/2:
N/2-1)*df;
sf=fftshift(abs(fft(st)));
figure
(2)
subplot(411)
plot(f,sf)
title('调制信号频谱')
%信源频谱
mf=fftshift(abs(fft(m)));
subplot(412)
plot(f,mf)
title('信源频谱')
%乘以相干载波后的频谱
mmf=fftshift(abs(fft(nst)));
subplot(413)
plot(f,mmf)
title('乘以相干载波后的频谱')
%经过低通滤波后的频谱
dmf=fftshift(abs(fft(dst)));
subplot(414)
plot(f,dmf)
title('经过低通滤波后的频谱');
建立模型描述
使用Simulink实现2ASK模型仿真
Simulink是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境,丰富的可扩充的预定义模块库。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
Simulink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。
在此次设计中,使用Simulink实现模拟调制法和两种解调方法(相干解调和非相干解调),同时在信道传输中加入高斯噪声。
原理图如图所示。
Simulink仿真原理图
使用SystemView实现2ASK模型仿真
SystemView是美国ELANIX公司推出的,基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具,它使用功能模块(Token)去描述程序,无需与复杂的程序语言打交道,不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真,快速地建立和修改系统、访问与调整参数,方便地加入注释。
利用SystemView,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统,各种多速率系统,因此,它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。
用户在进行系统设计时,只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置,完成图标间的连线,然后运行仿真操作,最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。
在此次设计中,使用SystemView实现两种调制方法和两种解调方法(相干解调和非相干解调),同时在信道传输中加入高斯噪声。
在结果分析中,对使用模拟相乘法调制的信号所进行的两种不同解调方式的误码率,眼图,功率谱密度做了比较。
原理图如图所示。
调制模块
模拟调制法在SystemView上使用的元件如图10所示。
各元器件编号,图符,名称,功能及参数如表1所示。
通过参数可以发现,1000HZ的基带信号由2000HZ的载波进行调制。
模拟调制法中,直接将载波与基带信号相乘,这里载波输出为COS波形。
SystemView调制模块
表1SystemView调制模块元件参数表
编号
图符
名称
功能
参数
26
伪随机序列
(PNSeq)
产生一个按设定速率、由不同电平幅度脉冲组成的伪随机序列(PN)信号
Amp=0.5,Off=0.5,Rate=1000,NO=2
0
余弦波
(Sinusoid)
产生一个余弦波:
y(t)=Acos(2*pi*f*t)
Amp=1,Fre=2000Hz
续表1SystemView调制模块元件参数表
编号
图符
名称
功能
参数
30
乘法器
6,29
系统观察
SystemView
SystemView的标准观察窗口,可在系统运行结束后于系统窗口中显示输出波形
信道模块
在信道中加入高斯噪声,如图11所示。
其中编号7为加法器,编号8为高斯噪声,参数为Con=Std,Std=0.3V,sink20为高斯白噪声波形。
信道模块
解调模块
解调使用了相干解调和非相干解调两种方式,如图12所示。
相干解调经过带通—相乘—低通—抽样判决后输出。
非相干解调经过带通—全波整流—低通—抽样判决后输出。
SystemView解调模块
各元件具体情况见表2。
表2SystemView解调元件参数表
编号
图符
名称
功能
参数
10
带通滤波器
BP=3,LOW=1000,HI=3000
1
正弦波
(Sinusoid)
提供同步载波
Amp=1,Fre=2000
23
乘法器
22
缓冲器
Buffer
判决
Gate=0,Threshold=0.3V,True=1,False=0
12,24
低通滤波器
BP=3,LOW=3000
18,25
采样器
Sample
按设定的采样率采样,输出的结果是输入信号在采样宽度内的线性组合
Sam=6000
20,27
分析
Analysis
SystemView的基本信号接收器。
该接收器平时无显示,必须进入系统分析窗口才能观察和分析输出结果。
32,34
系统观察
SystemView
SystemView的标准观察窗口,可在系统运行结束后于系统窗口中显示输出波形
设计总结
这次我们要在学校考试周内完成一个课程设计,边复习微波边做课程设计压力是很大的。
但是俗话说得好,有压力就有动力。
但在查阅大量资料和通过小组协作以及同学之间的讨论,最终完成了通信电路课程设计。
就2ASK设计而言,我们这组成功实现了使用Matlab编程和仿真,protel99se的设计,以及学习用SystemView仿真,也可以说有些小小的成就感。
这次课程设计,给我影响最深的就是再次感受到了Matlab的强大功能和广泛应用。
通信原理等课程的应用都可以借助于Matlab来实现,在大二的课程设计中我们曾经利用matlaB做了高频放大器和语音信号滤波器。
我感觉这次的难点是protel的仿真上。
在原有计算的数据的基础上进行仿真。
发现失真非常严重。
这说明现实和理论还是有很大差距的。
然后进行数据的调整。
调整许多次最终才得到相对满意的结果。
总的来说,经过这次课程设计学到了不少实用的东西,也真正体会到了各门课程之间的紧密联系。
一句话,将所学的所有知识联系起来,融会贯通,必将发现,原来一切并不难,难在我们没有这样的意识。
参考文献
[1]曹志刚,钱亚生编著,现代通信原理,清华大学出版社,1992。
[2]罗伟雄,韩力,原东昌编著,通信原理与电路,北京理工大学出版社,1999。
[3]樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理(第五版)[M].北京:
国防工业出版社,2002。
[4]付家才.电子实验与实践[M].北京:
高等教育出版社,2004,7-11
[5]林理明.数字通信技术[M].北京:
高等教育出版社,2006,66-68.
[6]潘松,EDA技术实用教程(第二版),科学出版社