数字信号2ASK频带传输系统的simulink仿真实现.docx
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数字信号2ASK频带传输系统的simulink仿真实现
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2012年秋季学期
通信系统综合训练
题目：
数字信号频带传输系统的仿真实现
专业班级：
通信工程四班
姓名：
学号：
指导教师：
陈海燕
成绩：
摘要
现代通信系统要求通信远距离，通信容量大，传输质量好。
实际生活中，大多数信道因具有带通特性而不能直接传输基带信号，因为基带信号往往含有丰富的低频分量。
因此必须用数字基带信号对载波进行调制，即完成频谱搬移，以使信号与信道的特性相匹配。
本次综合训练设计了以2ASK为调制方式的经济型数字频带传输系统；分析了系统组成，电路工作原理；详细阐述了系统各个模块的设计方案。
实验结果验证了该设计具有稳定性和合理性。
关键词:
调制；频谱搬移；频带传输
前言
数字通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。
要在两地间传输信息必须有传输信道，根据传输媒体的不同，有线数字通信与无线数据通信之分。
但它们都是通过传输信道将通信与计算机联结起来，而使不同地点的数字终端实现软、硬件和信息资源的共享。
随着通信技术日新月异的发展，尤其是数字通信的快速发展，越来越普及，研究人员对其相关技术投入了极大的兴趣。
为使数字信号能在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制，其调制方式与模拟信号调制相类似。
根据数字信号控制波的参量不同也分为调幅、调频和调相三种方式。
因数字信号对载波参数的调制通常采用数字信号的离散值对载波进行键控，故这三种数字调制方式被称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。
数字信号将原始的数字基带信号，经过频谱搬移，变换为适合在频带上传输的频带信号，传输这个信号的系统就称为频带传输系统。
在频带传输系统中，根据数字信号对载波不同参数的控制，形成不同的频带调制方法。
幅移键控法（ASK）的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波数字形式的调制信号在控制下通断，此时又可称作开关键控法（OOK）。
本设计中选择正弦波作为载波，用一个二进制基带信号对载波信号的振幅进行调制，载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为l的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送，调制后的信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍，此调制称为二进制振幅键控信号（2ASK，BinaryAmplitudeShiftKeying）。
【1】
目录
第1章频带传输基本原理1
1.1频带传输的意义1
1.2频带传输的原理1
1.32ASK调制2
1.42ASK解调4
第2章建立模型描述6
2.1使用Simulink实现2ASK模型仿真6
2.2仿真原理图6
第3章模型组成模块功能描述7
3.1调制及信道模块7
3.2解调模块7
第4章调试过程及结论9
4.1使用Simulink实现2ASK模型仿真9
4.2误码率分析10
4.3Simulink简介11
总结12
参考文献13
致谢14
第1章频带传输基本原理
1.1频带传输的意义
举个简单的例子：
在有线信道中，直接用电传打字机进行通信时传输的信号就是基带信号。
而传送数据时，以原封不动的形式，把基带信号送入线路，称为基带传输。
基带传输不需要调制解调器，设备花费小，适合短距离的数据传输，比如一个企业、工厂，就可以采用这种方式将大量终端连接到主计算机。
上面的传输方式适用于一个单位内部的局域网传输，但除了市内的线路之外，长途线路是无法传送近似于0的分量的，也就是说，在计算机的远程通信中，基带传输是不能直接传输原始的电脉冲信号的（也就是基带信号了）。
因此就需要利用频带传输，就是用基带脉冲对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化，这就是调制。
经过调制的信号称为已调信号。
已调信号通过线路传输到接收端，然后经过解调恢复为原始基带脉冲。
这种频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而且能实现多路复用的目的，从而提高了通信线路的利用率。
1.2频带传输的原理
频带传输是一种采用调制、解调技术的传输形式。
在发送端，采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；在接收端，通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。
常用的调制方法有：
频率调制、振幅调制和相位调制。
具有调制、解调功能的装置称为调制解调器，
实际生活中，大多数信道因具有带通特性而不能直接传输基带信号，因为基带信号往往含有丰富的低频分量。
例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。
频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。
计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。
因此必须用数字基带信号对载波进行调制，即完成频谱搬移，以使信号与信道的特性相匹配。
常用的调制方法有振幅键控（2ASK），频移键控（2FSK），相移键控（2PSK）。
这里使用二进制振幅键控（2ASK）。
1.32ASK调制
1.3.1基本原理
振幅键控（也称振幅键移），记作ASK，二进制数字振幅键控通常记作2ASK。
2ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。
对于振幅键控这样的线性调制来说，在二进制里，2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，有载波输出表示发送“1”，无载波输出表示发送“0”。
根据线性调制的原理，一个二进制的振幅调制信号可以表示完成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的乘积。
其信号表达式为：
（1-1）
S（t）为单极性数字基带信号。
其调制过程如图1.1所示。
图1.12ASK调制过程
1.3.2两种调制法
2ASK信号的产生方法通常有两种：
模拟调制法和键控法。
模拟调制法使用乘法器实现，如图1.2所示。
键控法使用开关电路实现，若一个信号状态始终为零，相当于处于断开状态，如图1.3所示。
【2】
图1.2模拟调制法
图1.3键控法
开关K的动作由S（t）决定，当S（t）=1时，K接1；当S（t）=0时，K接0.
1.3.3功率谱密度
若设S（t）的功率谱密度为Ps（f），2ASK信号的功率谱密度为
（2-1）
由图1.4可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，由连续谱和离散谱组成
fc+fs
fc-fs
fc
fc+fs
fc-fs
fc
图1.42ASK功率谱密度
1.42ASK解调
2ASK有两种基本解调方法：
相干解调法（同步检测法）和非相干解调法（包络检波法）。
二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的，也是最简单的。
这种方法最初用于电报系统，但由于它在抗噪声的能力上较差，故在数字系统中应用不多。
相干解调需要将载频位置的已调信号频谱重新搬回原始基带位置，因此用相乘器与载波相乘来实现。
为确保无失真还原信号，必须在接收端提供一个与调制载波严格同步的本地载波，这是整个解调过程能否顺利完好进行的关键。
带通滤波器恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。
低通滤波器的作用是滤出高频杂波，使基带信号（包络）通过。
抽样判决器包括抽样判决及码元形成器。
定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的宽度。
不计噪声影响时，带通滤波器输出信号为2ASK信号。
解调过程如图1.5所示。
图1.5相干解调
包络检波器通常由整流器和低通滤波器组成，可以直接从已调波中提取原始基带信号，结构简单，如图1.6所示。
经过各个模块后波形变化如图1.7所示。
【3】
图1.6非相干解调
图1.7非相干解调过程的时间波形
第2章建立模型描述
2.1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。
【4】
2.2仿真原理图
在此次设计中，使用Simulink实现模拟调制法（相干解调），同时在信道传输中加入高斯噪声。
原理图如图2.1所示：
图2.1Simulink仿真原理图
第3章模型组成模块功能描述
3.1调制及信道模块
仿真模块实现模拟调制法：
基带信号与载波相乘，以及信道加高斯噪声，模块图如图3.1所示。
各元件参数如表3—1所示。
图3.1Simulink调制及信道模块
表3—1Simulink调制元件参数表
元件名
参数
方波发生器（BernouliBinaryGenerator）
Pul=Time，Amp=1，Per=1，Pulse=50
正弦波（SineWave）
Type=time，Amp=3，Fre=12*pi，Pha=0，Sam=0
乘法器（Product）
高斯噪声发生器（GaussianNoiseGenerator）
Var=0.1，Ini=41，Sam=0.01，Out=double
3.2解调模块
解调模块中，相干解调法经过相乘器—低通—抽样判决后输出；非相干解调经过整流—低通—抽样判决后输出。
这里调制信号省略了经过带通滤波器这一环节，影响不大。
低通滤波器后面整个部分是抽样判决器。
其中，抽样由同步冲激信号与解调信号相乘实现，信号值与开关门限值进行比较后，若信号值较大，则输出1，否则输出0，这样就实现了判决功能。
原理图如图3.2所示，参数表如表3—2所示。
图3.2Simulink解调模块
表3—2Simulink解调元件参数表
元件名
参数
中通滤波器（DigitalFilterDesign）
Type=Ban，Ord=8,Low=9*pi,Up=15*pi
正弦波（SineWave）
Type=time，Amp=3，Fre=12*pi，Pha=0，Sam=0
低通滤波器（DigitalFilterDesign）
Type=Low,Order=8,Fre=2*pi
零阶保持器（ZeroOrderHold）
Sam=0.5
开关（Switch1）
Constant=0.3
第4章调试过程及结论
4.1使用Simulink实现2ASK模型仿真
4.1.1模拟相乘法调制
对于振幅键控这样的线性调制来说，在二进制里，2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，有载波输出表示发送“1”，无载波输出表示发送“0”。
根据线性调制的原理，一个二进制的振幅调制信号可以表示完成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的乘积。
在本次设计里正弦波振幅为3，频率为12*pi，图11中显示的是调制及信道模块，三个波形分别为基带信号，模拟调制信号，加噪信号。
可以发现经过调制后，以载波的“有”和“无”分别表示基带信号的“1“和“0”。
经过信道后，出现杂波。
为了看清楚，这里对波形图进行了放大，只截取了部分，如图4.1所示。
图4.1模拟调制及信道模块各点输出波形
结果分析：
载波正弦波与基带信号方波相乘以后，若基带信号为“1”，输出信号值与载波信号相同，若基带信号为“0”，输出信号为“0”。
再加入高斯白噪声后，波形失真。
4.1.2采用相干解调各点输出波形
图4.2显示的是相干解调模块输出，5个波形分别为基带信号，解调输出信号，带通滤波输出，乘法器输出，低通滤波输出，抽样判决输出。
带通滤波器恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。
低通滤波器的作用是滤出高频杂波，使基带信号（包络）通过。
抽样判决器包括抽样判决及码元形成器。
与非相干解调不同的是，相干解调经过乘法器，和低通滤波器后，仍存在幅值小于0的点；而非相干解调经过整流后，波形幅值全部为正。
同样，解调输出波形存在延时，但延时不会大于0.5毫秒。
如图4.2所示。
图4.2相干解调模块各点输出波形
结果分析：
信号经过带通滤波器输出后，信号有所延迟，只允许频率在10*pi到14*pi之间的信号通过，再于同频率的载波信号相乘后振幅变大，再经过低通滤波器输出，波形频率变小。
再经抽样判决器输出后，变成方波，与基带信号相比，存在延时。
4.2误码率分析
正常工作状态（稳态状况下），误码率是二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，传输的不是二进制码元时候要折合为二进制码元来计算。
它在数值上近似等于：
Pe=Ne/N（传错的除以总的）不能笼统地说误码率越低越好（降低误码率要以提高成本为代价），测试的是统计值，只是接近于真实的数值，只有被测量的传输二进制码元数越大,才会越接近于真正的误码率值。
在本次设计里，误码率主要有信道中不可消除的加性噪声，加性噪声叠加在信号上导致信号波形发生畸变，从而产生误码。
还有信号通过滤波器以及零阶保持器时收到传输延时的影响，信号波形将被延迟进而扩展到下一个码元，形成码间干扰，造成系统误差。
[5][6]
4.3Simulink简介
Simulink是一个基于MATLAB平台之上用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
使用Simulink用来建模、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，它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速的建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行代码。
它和MATLAB的无逢结合使用户可以利用MATLAB的丰富资源，建立仿真模型、监控仿真过程、分析仿真结果，Simulink的主要功能包括：
（1）交互式、图形化的建模环境；
（2）交互式的仿真环；（3）专用模块库
（4）提供了仿真库的补充和定制机制；（5）与MATLAg工具箱的集成Simulink与MATLAB是高度集成在一起的，因此Simulink和MTLAB之间可以进行灵活的交互操作。
此外，Simulink作为MathWorks公司推出的系统级的仿真平台，使用高级图形技术，具有优秀的用户界面，并且提供大量的系统内置模块，图形化的仿真与设计环境使得Simulink应用越来越广泛。
总结
本次综合训练为期三个星期，在这段时间里我们要用Multisim软件仿真出数字频带传输系统，压力还是不小的。
但是俗话说得好，有压力就有动力。
我在同学帮组和自己努力下，就2ASK设计而言，我成功实现了Simulink仿真，也可以说有些小小的成就感。
刚开始那到训练题目的时候觉得很盲目，不知从何下手。
后来在图书馆翻阅资料，在网上也查阅了各种资料，再经过分析，设计出了大致的传输原理框图。
这次综合训练中，给我影响最深的就是Simulink的强大功能和广泛应用。
无论是学习信号与系统，通信原理，数字信号处理，数字图像处理，发现这些课程的应用都要大力借助于Matlab来实现。
可以说没学好Matlab对于我这种准备往信息发面发展的人来说就跟没有轮子的汽车一样，是个摆设。
经过这次学习，我略通Simulink的使用，对信号的传输和处理有了一定的认识和提高。
另外还发现，可以通过Simulink组件自带的元件库轻松实现基本通信系统的搭建和仿真，而这也是我们这次课程设计的一种方法。
作为一款通信领域的专用软件，它的功能强大是毋庸置疑的。
比如这次，除了搭建完整的2ASK传输系统外，还可以对信号的功率谱，眼图，传输误码率的特性进行查看比较，只是很多功能我们都不会用，当然英语基本功不扎实也妨碍了我们使用它。
自我感觉这次设计的难点是在参数设置上，有时候会因为一个元件的参数设置不合适而影响整个系统的传输效果，参数设置不好，外观搭建得再漂亮也无济于事。
只有对系统各个模块的原理分析透彻，有扎实的基本功，加上一定的实践能力，才可能正确设置。
一旦能自主设置参数，我认为这是真正掌握了这个系统的精华。
可以说，这个设计过程困扰我最长时间的就是滤波器的参数设计，原因在于其参数多，而且我们平时根本没有好好研究过它的原理，仅仅知道可以滤波的功效。
后来慢慢的从系统的第一个器件开始调参数，等调得波形合适了再调下一个器件。
通过本次综合训练，我拓展了知识面，锻炼了实际操作能力，综合素质也得到了提高。
我觉得安排这次综合训练的目的，在与理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。
尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，并学会理论结合实际来分析结果。
一句话，将所学的所有知识联系起来，次课程设计学到了不少实用的东西，也真正体会到了融会贯通，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]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第6版）.国防工业出版社，2007
[2]吴玲达，李国辉，杨冰等.计算机通信原理与技术[M].北京：
国防科技大学出版社，2003，3.
[3]Proakis，张力军.数字通信（第四版）[M]北京：
电子工业出版社，2004，7
[4]陈亚勇等.MATLAB信号处理详解.人民邮电出版社，2001
[5]王力宁.MATLAB与通信仿真.人民邮电出版社，1999
[6]孙丽华.信息论与纠错编码[M].北京：
电子工业出版社，2005，3
致谢
此次的综合训练持续了三周，时间相对较长。
首先我要对老师的辛勤付出感到十分感动，老师有许多的事情要做，但对我们教导从没有落下，由于我们很少接触Simulink，所以比较陌生，因此老师讲给我们讲，非常的辛苦，一个简单的问题要讲好几遍，每次都要给我们温习上堂课的知识，还要讲这节课的内容。
老师不断的指引我们，监督我们，在老师的指导下，我们跟上了训练的进度。
在此，向老师表示深深的感谢，没有老师的指导，我们不可能完成这次综合训练。
当然同学们也没有辜负老师，分别做出了自己的结果。
算是对这段时间的学习有了一个总结吧。
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