多进制振幅调制解调.docx

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多进制振幅调制解调

基于MATLAB的多进制振幅调制与解调系统仿真与分析

吴江涛

（陕西理工学院物理与电信工程学院通信081班，陕西汉中723003）

指导教师：

***

[摘要]随着人们对于通信系统的要求增高，多进制中的二进制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。

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。

利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个2ASK调制与解调系统.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;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。

[关键词]MATLAB；Simulink；多进制振幅；误码率

MASKModulationandDemodulationSystemSimulationandAnalysis

WuJiangtao

（Grade08,Class1,MajorofCommunicationEngineering，SchoolofPhysicsandtelecommunicationEngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,China）

Tutor:

LiCuihua

[Abstract]Moderncorrespondencethesystemrequesttocorrespondbyletterdistancefar,thecorrespondencehasgreatcapacity,deliversqualitylike.ThiscoursedesignsmainlyismakeuseofMATLABintegratedenvironmentunderofSimulinkimitatetrueplatformanddesignmuchaerentermaketoflaptomakewithsolutionadjustsystem.Usetoshowamachineobservationtomakefrontandbacksignalwaveaform;Makethevarietyoffrontandbacksignalfrequencychartwiththeanalyticalmoldpieceobservationoffrequencychart;PlusvariousZaovoicesource,testamoldpiecewiththemistakecodediagraphmistakecoderate;Finallyanalyzethesystem'sfunctionaccordingtomovementresultandwaveform.ThroughatruefunctionofimitatingofSimulinktoucheddrawupphysicallymediumofmuchentermaketoflaptomakewithsolutionflirtationcondition.

[Keywords]MATLAB；Simulink：

MASK;themistakecodeleads

1绪论

本课程设计主要是深入理解和掌握振幅通信系统的各个关键环节，包括调制、解调、滤波、传输、噪声对通信质量的影响等。

在数字信号处理实验课的基础上更加深入的掌握数字滤波器的设计原理及实现方法。

使我对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。

1.1通信的发展及课题意义

通信是人与人之间同过某种媒体进行的信息交流与传递，在中国古代，民间的通信只能是让别人捎口信，官方也只是通过一个一个的驿站进行信息传递，这种通信方式对远距离来说，最快也要几天的时间，而现在的通信的方式，有电报，电话，快信，短信，E-MAIL等，实现了即时通信。

目前无线移动通信是与有线固定通信一同快速发展的，无线动通信蜂窝网从模拟至数字和即将进入第三代系统的快速发展历程和今后趋向，无线卫星通信微波通信也要加快步伐继续向前发展，以发挥重要作用。

1.2课程设计目的

通过课程设计加深理解和巩固理论课上所学的有关多进制振幅调制与解调系统的基本概念、基本理论和基本方法，锻炼我们分析问题和解决问题的能力；同时培养我们进行独立工作习惯和科学素质的培养，为今后参加工作打下良好的基础。

掌握多进制振幅解调原理及其实现方法，了解线性调制时信号的频谱变化。

理解多进制振幅的调制和解调原理并用Simulink软件仿真其实现过程，用Simulink分析多进制振幅键控信号频谱的变化。

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。

会画出数字通信过程的基本框图，掌握数字通信的多进制振幅调制方式，学会运用MATLAB来进行通信系统的仿真；

1.3课程设计内容

利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个多进制振幅调制与解调系统.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;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。

1.4课程设计要求

（1）熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，熟悉多进制振幅系统的调制解调原理，构建调制解调电路图.

（2）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的频谱的变化。

并观察解调前后频谱有何变化以加深对该信号调制解调原理的理解。

（3）在调制与解调电路间加上各种噪声源，用误码测试模块测量误码率,并给出仿真波形，改变信噪比并比较解调后波形，分析噪声对系统造成的影响。

2方案设计

本实验是基于MATLAB的多进制振幅调制与解调系统仿真与分析，我们主要采用的是基于二进制振幅调制与解调系统仿真与分析。

2.1MASK信号的波形及表示式

多进制数字幅度调制又称为多电平调制，它是二进制数字幅度调制方式的推广。

进制幅度调制信号的载波振幅有

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，

为进制数字基带信号：

式中，

是高度为1、宽度为

的门函数；

有

种取值：

且

图1（a）、（b）分别为四进制数字基带信号

和已调信号

的波形图。

不难看出，图3-1（b）的波形可以等效为图3-2诸波形的叠加。

而图3-2中的各个波形可表示为

图1

式中

均为2ASK信号，但它们幅度互不相等，时间上互不重叠。

可以不考虑。

因此，

可以看作由时间上互不重叠的

个不同幅度的2ASK信号叠加而成。

即

2.2MASK信号的频谱、带宽及频带利用率

由上式可知，是这

个2ASK信号的功率谱之和，因而具有与2ASK功率谱相似的形式。

显然，就MASK信号的带宽而言，与其分解的任一个2ASK信号的带宽是相同的，可表示为：

其中

是多进制码元速率。

与2ASK信号相比较，当两者码元速率相等（记二进制码元速率为

）时，即

，则两者带宽相等，即

，（

）当两者的信息速率相等时，则其码元速率的关系为

或

其中

可见，当信息速率相等时MASK信号的带宽只是2ASK信号带宽的

。

通常是以信息速率来考虑频带利用率

的，按定义有

它是2ASK系统的

倍。

这说明MASK系统的频带利用率高于2ASK系统的频带利用率。

2.3MASK信号的调制解调方法

实现

电平调制的原理框图如图2所示，它与2ASK系统非常相似相同。

不同的只是基带信号由二电平变为多电平。

为此，发送端增加了2-M电平变换器，将二进制信息序列每

个分为一组（

），变换为

电平基带信号，再送入调制器。

相应地，在接收端增加了M-2电平变换器。

多进制数字幅度调制信号的解调可以采用相干解调方式，也可以采用包络检波方式。

其原理与2ASK的完全相同。

由于采用多电平，因而要求调制器为线性调制器，即已调信号幅度应与输入基带信号幅度成正比。

图2

进制幅度调制系统原理框图

除图5-34所示的双边带幅度调制外，多进制数字幅度调制还有多电平残留边带制、多电平单边带调制等，其原理与模拟调制时完全相同。

MASK调制中最简单的基带信号波形是矩形，为了限制信号频谱也可以采用其它波

行，例如升余弦滚降波形，部分响应波形等。

2.4MASK系统的误码性能

相干解调时

进制数字幅度调制系统总的为

值得注意，上式是在最佳判决电平、各电平等概出现、双极性相干检测条件下获得的，式中，

为平均信噪比。

容易看出，为了得到相同的误码率

，所需的信噪比

随电平数

增加而增大。

例如，四电平系统比二电平系统信噪比需要增大约7dB（5倍）。

综上所述，多进制幅度调制是一种高效的调制方式，但抗干扰能力较差，因而一般只适宜在恒参信道中使用，如有线信道。

影响误码率的因素：

码间串扰和白噪声

码间串扰是由于系统传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰。

码间串扰严重时，会造成错误判决。

白噪声是指在较宽的频率范围内，各等带宽的频带所含的噪声能量相等的噪声。

想的白噪声具有无限带宽，因而其能量是无限大，这在现实世界是不可能存在的。

实际上，我们常常将有限带宽的平整讯号视为白噪音，因为这让我们在数学分析上更加方便。

然而，白噪声在数学处理上比较方便，因此它是系统分析的有力工具。

一般，只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽，并且在该带宽中其频谱密度基本上可以作为常数来考虑，就可以把它作为白噪声来处理。

2.52ASK调制原理

振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。

当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。

设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。

该二进制符号序列可表示为

其中:

二进制振幅键控信号时间波型如图3所示。

由图3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信号）。

二进制振幅键控信号的产生方法如图2所示，图5是采用模拟相乘的方法实现，图6是采用数字键控的方法实现。

由图3可以看出，2ASK信号与模拟调制中的AM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2所示。

2ASK信号非相干解调过程的时间波形如图3所示。

图3二进制振幅键控信号时间波型

2ASK信号的功率谱密度

由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。

2ASK信号功率谱密度的特点如下：

（1）由连续谱和离散谱两部分构成，连续谱由信号g（t）经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；

（2）已调信号波形的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。

2ASK信号功率谱密度推导：

已知

，设

的功率谱为

，s（t）的功率谱为

。

则

，

，

。

图42ASK信号的功率谱密度示意图

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2-3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输出，当开关接地就没信号输出，其电路如图2-4所示。

图5模拟相乘法图6数字键控法

2.62ASK解调原理

2ASK/OOK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7、图8所示。

图7非相干解调方式

图8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。

图92ASK信号非相干解调过程的时间波形

3SMULINK简介

Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），从而进行仿真与分析。

使用Simulink来建模、分析和仿真各种动态系统（包括连续系统、离散系统和混合系统），将是一件非常轻松的事情。

它提供的图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行代码。

利用Simulink进行系统的建模仿真，其最大的优点是易学、易用，并能依托MATLAB提供的丰富的仿真资源。

3.1Simulink的功能

1.交互式、图形化的建模环境

Simulink提供了丰富的模块库以帮助用户快速地建立动态系统模型。

建模时只需使用鼠标拖放不同模块库中的系统模块并将它们连接起来。

2.交互式的仿真环境

Simulink框图提供了交互性很强的仿真环境，既可以通过下拉菜单执行仿真，也可以通过命令行进行仿真。

菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真如蒙特卡罗仿真非常有用。

3.专用模块库（Blocksets）

作为Simulink建模系统的补充，MathWorks公司还开发了专用功能块程序包，如DSPBlockset和CommunicationBlockset等。

通过使用这些程序包用户可以迅速地对系统进行建模、仿真与分析。

更重要的是用户还可以对系统模型进行代码生成，并将生成的代码下载到不同的目标机上。

4.提供了仿真库的扩充和定制机制

Simulink的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能：

采用MATLAB、FORTRAN和C代码生成自定义模块库，并拥有自己的图标和界面。

因此用户可以将使用FORTRAN或C编写的代码链接进来，或者购买使用第三方开发提供的模块库进行更高级的系统设计、仿真与分析

5.与MATLAB工具箱的集成

由于Simulink可以直接利用MATLAB的诸多资源与功能，因而用户可以直接在Simulink下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。

工具箱提供的高级的设计和分析能力可以融入仿真过程。

3.2Simulink的特点

简而言之，Simulink具有以下特点：

1.基于矩阵的数值计算

2.高级编程语言

3.图形与可视化

4.工具箱提供面向具体应用领域的功能

5.丰富的数据I/O工具

6.提供与其它高级语言的接口

7.开放与可扩展的体系结构

3.3Simulink的启动

在MATLAB命令窗口（CommandWindow）中输入simulink，结果是在桌面上出现一个称为SimulinkLibraryBrowser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。

也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮

来打开SimulinkLibraryBrowser窗口。

图10SimulinkLibraryBrowser窗口

在MATLAB命令窗口中输入simulink3，结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的Library:

simulink3的Simulink模块库窗口。

图11Simulink模块库窗口

两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。

3.4Simulink的CommunicationsBlockset（通信模块集）介绍

Simulink提供了丰富的通信系统仿真模块，几乎包括了通信系统仿真中所用到的所有信源、信宿、操作和算法。

如图3.3所示，用户可以利用这些模块方便地完成自己通信系统的仿真和分析。

图12通信系统仿真模块

1.CommSources子模块集

CommSources子模块集有如下三大类：

NoiseGenerator模块组、RandomDataSources模块组、SequenceGenerator模块。

（1）NoiseGenerator模块组包含不同的噪声发生器，包括高斯白噪声、均匀噪声、瑞利噪声等。

（2）RandomDataSources模块组包含不同的随机数产生模块，包括伯努利分布发生器、泊松分布发生器、均匀随机整数发生器等。

（3）SequenceGenerator模块包含不同序列发生器。

2.SourceCoding子模块集

SourceCoding子模块集主要包含各种信号编码、解码工具。

3.Channels子模块集

Channels子模块集主要包括各种信道仿真模块，包括引入白噪声的信道、引入二进制错误的信道、引入多径瑞利衰落的信道。

4.CommSinks子模块集

CommSinks子模块集包含不同的信宿模块，包括误码率、眼图、星座图等，用来可视化输出接收端的信号。

5.Modulation子模块集

Modulation子模块集包括两大类：

AnalogPassbandModulation模块组和DigitalBasebandModulation模块组。

（1）AnalogPassbandModulation模块组包含不同模拟信号调制、解调模块，包括DSB调制、解调模块，SSB调制、解调模块，FM调制、解调模块，PM调制、解调模块。

（2）DigitalBasebandModulation模块组包含不同数字信号调制、解调模块，包括AM子模块、CPM子模块、FM子模块、PM子模块、TCM子模块。

1）AM子模块组主要包括各种幅度调制、解调模块，如：

M-PAM调制、解调模块，RectangularQAM调制、解调模块，GeneralQAM调制、解调模块。

2）CPM子模块组主要包括各种连续相位调制、解调模块，如：

CPM调制、解调模块，MSK调制、解调模块，GMSK调制、解调模块，CPFSK调制、解调模块。

3）FM子模块组主要包括各种频率调制、解调模块，如：

M-FSK调制、解调模块。

4）PM子模块组主要包括各种频率调制、解调模块，如：

M-PSK调制、解调模块，M-DPSK调制、解调模块，BPSK调制、解调模块，DBPSK调制、解调模块，QPSK调制、解调模块，DQPSK调制、解调模块，OQPSK调制、解调模块。

5）TCM子模块组主要包括各种TC调制、解调模块，如：

M-PSKTCM调制、解调模块，RectangularQAMTCM调制、解调模块，GeneralTCM调制、解调模块。

4设计步骤

4.1simulink的工作环境熟悉

建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图13，系统中所需的模块：

正弦波模块，示波器模块，乘法器；

图13正弦仿真电路图

正弦波参数设置如图14所示：

图14正弦参数设置

系统内的示波器显示的波形如图。

图15单正弦波与平方波的对比

结论：

两正弦波叠加之后的周期是原周期的1/2,频度是原频度的2倍。

4.2ASK调制电路分析

（1）通过Simulink的工作模块建立2ASK二级调制系统，用频谱分析仪观察调制前后的频谱，用示波器观察调制信号前后的波形

二级2ASK调制与解调系统的仿真电路图如图15

图16二级2ASK调制与解调系统的仿真电路图

此系统所用仿真电路模块有:

伯努利二进制发生器模块，正弦波发生器模块，功率谱密度模块，高斯噪声发生器GaussianNoiseGenerator模块，模拟滤波器模块，误码率计算模块，采样量化编码模块，示波器模块。

伯努利二进制发生器模块用于发出源信号，示波器用于观察波形。

（2）系统所用模块的参数设置

伯努利二进制发生器模块ernoulliBinaryGenerator的参数设置为：

Probabilityofazero0概率设为0.5，initialseed设为61，Sampletime抽样时间为1S，Sampleperframe是输入信息码为1。

图17伯努利二进制发生器模块参数设置

PowerSpectralDensity的参数设置为：

Sampletime抽样时间为0.01s

图18PowerSpectralDensity的参数设置

正弦波SineWave的参数设置为：

频率设为60rad/sec。

图19正弦载波的参数设置

Product1模块的参数设置为：

输入端数量设为2

图20Product1模块的参数设置

GaussianNoiseGenerator模块的设置为：

Sampletime抽样时间为0.01s

图21GaussianNoiseGenerator模块的设置

Sum模块的参数设置为：

sampletime设为-1

图22Sum模块的参数设置

AnalogFilterDesign2模块的参数设置为：

图23AnalogFilterDesign2模块的参数设置

PowerSpectralDensity1模块的参数设置为：

Sampletime抽样时间为0.01s

图24PowerSpectralDensity1模块的参数设置

Product模块的参数设置为：

输入端数量设为2

图25Product模块的参数设置

AnalogFilterDesign1模块的参数设置为：

图26AnalogFilterDesign1模块的参数设置

ErrorRateCalculation模块的参数设置为：

延时Receivedelay设为2。

图27ErrorRateCalculation模块的参数设置

SampledQuantizerEncode模块的参数设置为：

量化分割quantizationpartition设为[0.2]，量化码quantizationcodebook设为[01]。

图28SampledQuantizerEncode模块的参数设置

Display的参数设定为：

图29Display的参数设定

Scope1的参数设定为：

示波器的接口有6个，时间范围是自动调整