数字信号基带传输系统ask的仿真实现56.docx
《数字信号基带传输系统ask的仿真实现56.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字信号基带传输系统ask的仿真实现56.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数字信号基带传输系统ask的仿真实现56
摘要
在这次综合训练中，主要运用MATLAB集成环境下的SIMULINK仿真平台进行ASK频带传输系统仿真，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示器结果分析设计的系统性能。
在设计中，目的主要是仿真通信系统中频带传输技术中的ASK调制。
产生一段随机的二进制非归零码的频带信号，对其进行ASK调制后再加入加性高斯白噪声传输，在接收端对其进行ASK解调以恢复原信号，观察还原是否成功。
通过Simulink的仿真功能摸拟到了实际中的2ASK调制与解调情况。
关键词：
Simulink；高斯白噪声；调制与解调
前言
数字信号的传输方式按其在传输中对应的信号的不同可分为数字基带传输系统和数字频带传输系统。
不使用调制和解调而直接传输数字基带信号的系统称为数字基带传输系统。
而数字频带传输系统或带通信号传输是现代通信系统的非常重要部分，通过调制来使信号与信道特性相匹配从而达到有效的、可靠的传输为目标。
数字频带传输系统既可以用于低速数据传输,而且还可用于中、高速数据传输，其应用很广泛，因此研究数字频带传输系统具有非常重要的意义。
目录
第一章数字频带传输系统的基本原理1
1.1数字调制概述1
1.2二进制振幅键控（2ASK）的基本原理1
第二章基于SIMULINK的2ASK的系统仿真实现3
2.1ASK调制与解调3
2.2加入高斯白噪声后的ASK调制与解调7
2.3误码率的计算11
总结13
参考文献14
致谢15
附录16
第一章数字频带传输系统的基本原理
1.1数字调制概述
数字调制就是将数字符号变成适合于信道传输的波形。
所用载波一般是余弦信号，调制信号为数字基带信号。
利用基带信号去控制载波的某个参数，就完成了调制。
调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。
其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数中的一个上，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制或相位调制。
数字信号只有几个离散值，因此调制后的载波参数也只有有限个值，类似于用数字信息控制开关，从几个具有不同参量的独立振荡源中选择参量，为此把数字信号的调制方式称为“键控”。
数字调制分为调幅、调相和调频三类，分别对应“移幅键控”（ASK）、“移相键控”（PSK）和“移频键控”（FSK）三种数字调制方式。
“移幅键控”又称为“振幅键控”（AmplitudeShiftKeying），记为ASK，是调制技术的一种常用方式。
如果数字调制信号的可能状态与二进制信息符号或它的相应基带信号状态一一对应，则称其已调信号为二进制数字调制信号。
用二进制信息符号进行键控，称为二进制振幅键控，用2ASK表示。
1.2二进制振幅键控（2ASK）的基本原理
在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。
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）。
数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。
2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。
有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。
2ASK信号可用表达式（1-1）表示如下：
（1-1）
式中，
为载波角频率，s（t）为单极性NRZ矩形脉冲序列如式（1-2）如下：
（1-2）
其中，g（t）是持续时间
、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；
为二进制数字，则
如下式（1-3）所示：
（1-3）
2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种：
（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。
（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。
AM信号的解调一样，2ASK/OOK信号也有两种基本的解调方法非相干解调（包络检波波法）和相干解调（同步检测法），本次通信训练采用的是相干解调。
第二章基于SIMULINK的2ASK的系统仿真实现
2.1ASK调制与解调
整个ASK的仿真系统的调制与解调过程为：
首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。
在MATLAB下Simulink仿真平台构建了ASK调制与解调仿真电路图如图2.1所示：
图2.1ASK调制与解调仿真电路图
设信号源的码数率为1B/S,即频率为1Hz。
参数设置如图2.2所示：
图2.2信号源参数设置
在调制解调系统中，载波信号的频率一般要大于信号源的频率。
信号源频率为1Hz，所以将载波频率设置为6Hz，由于在载波参数设置里，频率的单位是rad/sec，所以即为12*pi。
载波信号参数如图2-3所示：
图2-3载波信号参数设置
低通滤波器的频带边缘频率与信号源的频率相同，前面设置信号源频率为1Hz，所以对话框中“Passbandedgefrequency（rads/sec）：
”应填“2*pi”。
参数设置如图2.4所示：
图2-4低通滤波器参数设置
对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2（当P
（1）=P（0）时），它与接受机输入信号的幅度有关。
当接收机输入的信号幅度发生变化，最佳判决门限也将随之改变。
抽样判决器参数设置如图2-5所示：
图2-5抽样判决器的参数设置
量化器抽样频率等于信号源频率。
前面已经设置信号源频率为1Hz，即抽样频率为1Hz，所以对话框中“Sampletime（-1forinherited）:
”应填“1”。
量化器参数设置如图2.6所示：
图2.6量化器参数设置
设置好参数之后，进行仿真，由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在1比特的时延（用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率）。
因而，误码器的可接纳时延为1比特。
其参数设置如图2.7所示：
图2.7误码器的参数设置
经过误码器的1比特时延后，其误码率为0，结果正确。
如图2-8所示：
图2.8误码率的查看
输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形（从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号）第一路为信号源模块波形图，第二路为ASK调制后波形图，第三路为调制信号与载波相乘后波形图，第四路为经过低通滤波器后波形图，第五路为ASK解调波形图。
由各波形可看出该ASK调制解调系统符合设计要求。
如图2.9所示：
图2.9各点信号的波形
2.2加入高斯白噪声后的ASK调制与解调
整个加入高斯白噪声后的ASK仿真系统的调制与解调过程为：
首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，送入加性高斯白噪声（AWGN）信道中传输。
在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。
如图2.10所示：
图2.10ASK调制与解调中加入高斯白噪声仿真图
高斯白噪声的抽样时间设置为0.01，如图2.11所示：
图2.11高斯白噪声的参数设置
带通滤波器的下频应该等于载波频率与调制信号频率之差，上频应该等于载波频率与调制信号频率之和。
前面已设置信号源频率为1Hz，载波频率为6Hz,计算得上、下截止频率分别为7Hz、5Hz，转换成以rads/sec为单位即为14*pi、10*pi。
所以“Lowerpassbandedgefrequency（rads/sec）Upperpassbandedgefrequency（rads/sec）”应填“10*pi、14*pi”。
参数设置如图2.12所示：
图2.12带通滤波器的参数设置
设置好参数之后，进行仿真，由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在0.01秒的时延，即信号时延了2比特（用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率）。
因而，误码器的可接纳时延为2比特。
其参数设置如图2.13所示：
图2.13误码器的参数设置
经过误码器的2比特时延后，其误码率如图2.14所示：
图2.14误码率的查看
输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形（从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号）第一路为信号源模块波形图，第二路为ASK调制后的波形图，第三路为加入高斯白噪声后的波形图，第四路为经过带通滤波器后的波形图，第五路为经过带通滤波器后与载波相乘后的波形图，第六路为经过低通滤波器后的波形图，第七路为ASK解调后的波形图。
在ASK调制与解调中加入高斯白噪声后，波形出现了失真，解调也有误码存在，系统基本符合设计要求。
如图2.15所示：
图2.15各点信号的波形
2.3误码率的计算
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，而误码率表达示的形式则取决于解调方式。
二进制数字频带传输系统,误码率与信号形式（调制方式）,与噪声的统计特性,解调及译码判决方式有关。
对于二进制数字频带传输系统,无论采用何种方式,何种检测方法,其共同点都是随着输入信噪比增大时,系统的误码率就降低;反之,当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。
低通滤波滤波器输出如式（2-1）所示：
（2-1）
当发送“0”时，概率密度函数如式（2-2）所示：
（2-2）
当发送“1”时，概率密度函数如下式（2-3）示：
（2-3）
发送1码元，接收为0码元的错误概率则如下式（2-4）示：
（2-4）
发送0码元，接收为1码元的错误概率如式（2-5）示：
（2-5）
其中
总的误码率则如下式（2-6）所示：
（2-6）
当P（0）=P
（1）时，总的误码率由式（2-7）所示：
（2-7）
根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率理论关系曲线图。
如图3.22和图3.23所示：
图3.22信噪比-误码率的理论曲线图
图3.22信噪比-误码率的实际曲线图
与信噪比-误码率理论关系曲线图相比较类似，由上图可以看出：
随着输入信噪比增大，系统的误码率降低；反之，当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。
符合理论要求，所以此图绘制正确，达到预想结果。
总结
数字调制用基带数字信号控制高频载波,把基带数字信号变换为频带数字信号的过程。
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，把包含调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输系统。
在这次综合训练中，我采用单极性NRZ作为信号源的原始信号，载波信号采用6Hz的正弦波。
在仿真过程中，低通滤波器的参数难以设置，仿真图有点失真，通过几次不断的调制才使仿真图和原始信号相符。
在2ASK信号的解调过程中，我对量化器和抽样判决器的参数设置有点不理解，所以经过查看资料不断完善，才解调出正确的原始信号。
在加入高斯白噪声时，信号失真，信噪比越大，系统的误码率越小；信噪比越大，系统的误码率越小。
通过这次综合训练中，我对通信系统的仿真有了很大的了解，掌握的设计的方法和思路，提高了对系统的分析能力和解决能力。
在这次综合训练汇总，我也遇到了许多的困难，如参数的设置，如何将不同的功能框图整合一起以实现更强大的功能等。
参考文献
[1]张圣勤.MATLAB7.0实用教程.北京：
机械工程出版社,2006
[2]桑林，郝建军，刘丹谱.数字通信.北京：
北京邮电大学出版社,2007
[3]樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：
国防工业出版社,2009
[4]徐远明.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安：
西安电子科技大学出版社,2005
[5]邵玉斌.Matlab/Simulink通信原理建模与仿真实例分析[m].北京：
清华大学出版社，2008.
[6]贾秋玲，袁冬莉，栾云凤.MATLAB7.X/Simulik/Stateflow系统仿真、分析及设计[m].西安：
西北工业大学出版社,2006.
[7]JohnG.Proakis.通信系统工程（第二版）[m].北京：
电子工业出版社.2007
[8]达新宇，陈树新，王瑜，林家薇。
通信原理教程[m].北京：
北京邮电大学出版社，2005
致谢
在整个仿真过程中我遇到了很多现实而且棘手的问题，比如许多模块参数难以正确设置，而由此导致的波形失真等问题，但是通过上网查找资料和咨询同学能够让我更好的完成此次课设。
我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。
本文能够成功地完成，要特别感谢指导老师的关怀和教导。
本次课程设计的过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。
生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。
非常感谢各位老师的指导，在老师的身上我们学到的不仅仅是知识的层面，更重要的是老师追求知识的热情，以及对本身工作严谨的态度，让我受益匪浅。
虽然我在设计中碰到的很多个人困难，但在这些困难面前，我却越来越有耐心地去解决。
完成一个设计会让我们自己获益匪浅，理论用于指导实践，也必须应用于实践。
必须自己动脑动手，这样加深了对知识的理解，也能使自己对知识的运用更加娴熟。
同时，也多亏了众多同学和老师的帮助。
特别是在陈老师的耐心指导下，我解决了很多问题。
同时，我也在陈老师的身上学到了许多有用的知识和设计的思路，在此我表示十分感谢！
由衷地感谢各位给我帮助的同学和老师！
附录
rs=1e3;%时间轴频率步进
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;%采样频率
[b,a]=butter（2,[80,120]*2/Fs）;%设计巴特沃斯带通滤波器，2阶，系数为a,b
sg1=filter（b,a,signal）;%信号通过该BPF
sg2=2*sg1.*cos（2*pi*fc*t）;%信号通过相乘器
Fs=1e3;%采样频率
[b,a]=butter（2,10*2/Fs）%设计巴特沃斯低通滤波器
sg3=filter（b,a,sg2）;%信号通过该LPF
b=0.4;%判决门限
LL=tzd/2;
fori=1:
n
ifsg3（（i-1）*tzd+LL）>b;%取sg2的中间的点作为判决点
sg4（i）=1;
else
sg4（i）=0;
end
end%得到判决后信号sg4
[numbers,pe]=symerr（g,sg4）;%利用函数得到误码率和误码数
ratio=ratio+numbers;
end
r1=ratio/（n*10）;%误码数除以总点数为误码率
pel（1,snrb+1）=r1;%11个信噪比对应的11个误码率存入数组pel
end
figure;%画图
x=0:
1:
10;
x1=10.^（（x+7）./10）;%分贝值转化为真值
y=0.5*（erfc（sqrt（x1/4）））;%2ASK信号相干解调理论误码率计算
semilogy（x,pel,'-r',x,y,'-b'）;
legend（'simulation','theoriticalcase'）;
xlabel（'信噪比'）
ylabel（'误码率'）;gridon;
title（'2ASK信号相干解调时信噪比与误码率的关系'）;
升级会员 