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1、2ASK与PAM混合调制与相干解调系统仿真摘 要 本课程设计主要用Simulink平台仿真一个2ASK与PAM混合调制与相干解调通信系统，分别在理想信道和非理想信道中运行。并用图形输入法设计相关电路，用示波器和频谱模块分析系统性能。在课程设计中，首先根据原理画出图形，然后构建调制解调电路，再在Simulink中调出各元件组成电路，接着设置调制解调电路中各个模块的参数值并加以运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设置的系统性能 。通过波形分析，了解到本课程设计非常成功。关键词 Simulink；2ASK；PAM；调制；解调；仿真。目录1 引 言11.1 课程设计目的11.2 课程设
2、计具体要求21.3 设计平台22 Simulink简介32.1 Simulink仿真平台简介33 设计原理43.1 2ASK调制与解调原理43.2 PAM调制与解调原理54 具体实现84.1 2ASK与PAM混合调制94.2 PAM与2ASK相干解调135 遇到的问题及解决的办法20结束语21参考文献221 引 言通信(Communication)就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信(Telecommunication)，这种通信具有迅
3、速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设
4、备复杂。但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。因此，数字通信的应用必将越来越广泛。本课程设计主要是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PAM与2ASK混合调制与相干解调通信系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。1.1 课程设计的目的通信原理课程设计是重要的实践性教学环节。在进行了专业基础课和通信原理课程教学的基础上，设计或分析一个简单的通信系统，有助于加深对通信系统
5、原理及组成的理解。通过课程设计，可以进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识。并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使我们在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。同时通过课程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和团队协作精神。而在同时也能加深对MATLAB开发环境的另一作用的了解，Simulink功能强大，界面友好，是一款很不错的仿真工具1，在这次设计中，我们用到了此环境的Simulink平台，这个平台是我们以前较少接触过的。因此在这次课设中，我们
6、了解了MATLAB 的Simulink这个系统的功能。为我们以后做数字通信系统方面提供了更多的基础知识和经验。1.2 课程设计具体要求1）构建调制电路，并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。2）再以调制信号为输入，构建解调电路，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。3）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：用高斯白噪声模拟有线信道，噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。 4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和
7、实验结果。1.3 设计平台此设计平台是MATLAB集成环境下的Simulink平台。Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。Simulink提供了利用鼠标拖放地方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块机集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。除此之外，Simulink还支
8、持 Stateflow,用来仿真事件驱动过程【4】。Simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。2 Simulink简介2.1 Simulink仿真平台简介Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，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
9、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。Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、
10、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。设计仿真模型时，从模型库中选中模块，单击鼠标右键，选择Add to untitled，或直接把模块拖到仿真模型中，即可加入模块。Simulink模型库窗口还提供了查找功能，单击按钮，在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字，单击Find Next即可自动搜索整个模型库。在过去几年中，Simulink已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。Simulink鼓励人们去尝试，可以用它轻松的搭建一个系统模型，并设置模型参数和方针参数，并且立即观察到改变后的方针结果。3 设计原理3.1 2ASK调制与解调原
11、理一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。因此有两种基本调制方法：一是可以把数字信号当成特殊的模拟信号处理；二是利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制，称之为键控法3。振幅键控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。在2ASK中，载波的幅度有无分别对应二进制信息“1”和“0”。2ASK信号的产生方法有两种：模拟调制法和键控法。本次设计采用模拟调制。ASK解调也有两种方法，分别为非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）3。2ASK信号可表示为： 式中,为载波角频率，s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列 其中，g
12、(t)是持续时间为、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数； 为二进制数字 。2ASK信号的产生的两种方法（调制方法），如图所示。图(a)是一般的模拟幅度调制方法；图(b)是一种键控方法，这里的开关电路受控制。图(c)给出了及的波形示例。二进制幅度键控信号，由于一个信号状态始终为0，相当于处于断开状态，故又常称为通断键控信号（OOK信号）。 图3.1 2ASK信号的产生方法2ASK信号解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检测法。而在本设计当中仅用到了相干检测法，其原理图见图3.2。调制信号经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出s(t)信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由
13、于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。 图3.2 2ASK的相干解调原理框图在选择数字调制和解调方式时，还应考虑它的最佳判决门限对信道特性的变化是否敏感。在2FSK系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来作出判断的。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限电平为零，与接收机输出信号的幅度有关。因此，它不随信道特性的变化而变化。这时，接收机容易保持在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2 （当时），它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度a将随着发生变化；相应地
14、，判决器的最佳判决门限电平也将随之改变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，从而导致误码率增大。因此，就对信道特性变化的敏感性而言，2ASK性能最差。当信道存在严重的衰落时，通常采用非相干接收，因为这时在接收端不易得到相干解调所需的相干载波。当发射机有严格的限制时，可考虑采用相干接收。因为在给定的码元传输速率及误码率的条件下，相干接收所要求的信噪比要比非相干接收3.2 PAM调制与解调原理PAM类似于AM，用二进制脉冲序列作为载波受控于基带信号的幅度，就是取样定理。而解调只需通过相关的低通滤波器，滤出基带信号。(1) 幅度调制原理 设脉冲载波以s(t)表示，它是由脉宽为秒、重复同期为Ts
15、秒的矩形脉冲串组成，其中Ts是按抽样定理确定的，即有Ts=1/(2)秒。其产生方框图为3.3(a)所示，基带信号的波形及频谱如图3.3(b)所示；脉冲载波的波形及频谱如图3.3(c)所示；已抽样的信号波形及频谱如图3.3(d)所示。图3.3 矩形脉冲为载波调制原理与波形和频谱因为已抽样信号是与的乘积，所根据频率卷积定理，可以写出相应的频域表达式： (3-6)式(3-6)中是的频谱函数，根据信号的定义可以认为，表示的矩形脉冲串是由脉宽为秒的门函数与周期性冲激函数卷积得到，根据频率卷积定理，其相应的时域和频域表达式分别如下：(3-7)(2) PAM的解调原理图3.4 矩形脉冲为载波解调原理图分析式
16、(3-7)可以发现，当 = 0时得到的频谱函数为，与信号的频谱函数进行比较，只是差一个比例常数，因此，采样频率只要满足，就可以用一个带宽满足的理想低通滤波器，把的成分取出来，以不失真地恢复的波形如图3.4所示。4 具体实现利用Simulink仿真平台构造出的2ASK与PAM混合调制与非相干解调系统如4.1所示。图4.1 2ASK与PAM混合调制与相干解调仿真图如仿真图所示，系统设置了四个示波器，分别表示2ASK调制，2ASK和PAM混合调制,2ASK与PAM混合调制后解调和加入三种噪声后的输出信号。此外，系统中在相应部分接入若干频谱分析模块，便于比较调制前后的信号的频谱变化。仿真系统架构，不仅
17、要找对每个对应的模块，还要对每个模块进行正确的参数设置。在这里主要列举相干解调的三个主要模块的参数设置图，如图4.2、4.3、4.4、4.5所示。 图4.2 带通滤波器参数设置 图4.3低通滤波器1的参数设置 图4.4低通滤波器2的参数设置 图4.5抽样判决电平值设置4.1 2ASK与PAM混合调制在仿真系统中，用“Bernoulli Binary Generator”模块产生随机二进制脉冲序列；用“Sine Wave”函数产生正弦波作为载波。此时需将载波频率设为相对高频，具体如下图。 图4.6 随机二进制脉冲序列参数设置 图4.7 正弦波参数设置再从相应模块调出乘法器“product”。脉冲
18、与载波两者通过乘法器相乘，即可获得2ASK调制信号。用“Power Spectral Density”分析，2ASK调制前后的信号频谱如图4.8与图4.9所示；2ASK调制的全过程则通过示波器1观察，如图4.10所示。 图 4.8 ASK调制前频谱图 图4.9ASK调制后频谱图从以上两幅频谱图可以看出，调制前后的功率谱波形基本一致，但是存在一定的延时，由此可得出结论：调制成功。图 4.10 2ASK调制波形图通道1是2ASK信号的原始波形，通道2是标准正弦波，通道3是调制后的波形，经过对波形的观察，可以知道该调制过程是成功的。因为是混合调制，所以将2ASK调制信号作为PAM调制的基带信号处理。
19、另外从Simulink树状图中调出“Pulse Generator”，用来产生二进制脉冲，具体参数设置如图4.11。两者通过乘法器相乘后，即可得出混合调制信号。PAM调制前后的信号频谱如图4.12和4.13所示。混合调制过程则通过示波器2观察得出，如图4.14所示。图 4.11 二进制脉冲参数设置图 图4.12 PAM调制前频谱图 图4.13 PAM调制后频谱图通过对以上两幅图进行比较，调制前后的功率谱波形一致，所以调制成功。图4.14 混合调制过程图图4.14中通道1 是2ASK调制后的波形图，通道2是二进制脉冲产生的PAM原始波形图，通道3是混合调制波形图，通道4是混合调制后的信号经过带通
20、滤波器之后的波形，从图中可以看出该调制过程很成功。4.2 PAM与2ASK相干解调将调制信号进行相干解调，为了无失真地恢复原始基带信号，调制信号需要与相同频率的载波相乘，经过低通滤波器去除低频分量，可得到原始的基带调制信号。相干解调信号模型如图4.15。具体电路图如上图4.1，相关参数设置如图4.2、4.3、4.4、4.5所示。图4.15 相干解调信号的模型由模型以及结合本设计要求得到的波形图如图4.16所示，通道一为基带信号，通道二为混合信号解调后的波形，通道三为混合信号经过PAM解调后的波形，通道四为混合信号经过PAM解调后再滤波的波形，通道五为第二次解调后的信号波形，通道六为第二次解调后
21、再通过低通滤波器滤波后的信号波形。同时我们可以看出通道四的经过PAM解调再滤波的波形与图4.10的通道三调制后的2ASK波形一致。而且通道二的调制后波形与通道一的基带信号相对比，除了产生延时情况之外，波形与基带信号相同，而延时是不可避免的。由此看出，做出的模型成功。图4.16 相干解调波形图图中第一个波形表示历史时间，第二个波形显示为功率谱，第三个表示为频率。对比理想信道输出的功率谱与加入1000方差的高斯噪声的功率谱知：加入高斯白噪声解调波形的功率谱发生了一定的变化，同时存在着一定的延时；对此，虽然实际中噪声的影响不可避免，但是我们应该尽量减小噪声的影响，使得信号传输更加地清晰与完整。正弦波
22、加窄带高斯噪声的包络分布与信噪比有关。由此可见，我们要在可能的条件下尽量地提高系统的信噪比，让传输信号最大不失真。5 遇到的问题及解决办法初次接触Simulink仿真时不知从何下手，而且又全是英文界面，根本看不懂，以致我不知道到哪里去找相关模块。后来经过老师的讲解与上网上图书馆查阅资料，开始了解到了函数库的分布和内容，为我们下面的设计打下了很好的基础。本次课程设计遇到的最大问题也是花费时间最长的就是相关仿真器件的属性以及器件参数设置拿捏不准，比如滤波器的频率高低，参数大小都不确定，不合适的频率、参数大小将导致信号失真。调试时需要自己一个一个的慢慢调节再加上老师的指导，根据示波器观察的波形多次改
23、变得出准确结果。在做相干解调部分时，没有正确区分相干解调和非相干解调，在做PAM解调时漏掉了乘法器，从而导致波形失真，无法正确显示。经老师指点，加上乘法器，通过相应的调节，改变各元件的参数，终于得到正确的波形。观察波形进行比较时，要将所比较的信号放到同一个示波器内进行观察，当所需的信号波形都一一比较真确后，再从新连好图形。当理想信号和噪音信号在进行比较时，也可以用到这种方法。结束语经过这次课程设计，我学会了在MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台上设计一个2ASK与PAM混合调制与相干解调的通信系统，对MATLAB这一强大应用工具有了进一步的学习，对数字信号频带传输系统的学习理解更深
24、刻了，与此同时，在课程设计中我也发现了自己的许多不足，如理论知识还存在很多漏洞，缺乏实践经验，钻研精神不够，理论联系实际的能力还有待不断地加强和提高。在以前的课内学习中，我懂得了较多的理论知识，将学习重心放在理论知识的学习上，而缺乏上机实践，本次课程设计对我的上机实践是一个很好的训练，加强我对理论知识的理解并提升了实际操作能力。我通过最初的构思，然后根据2ASK和PAM调制解调原理框图，正确连接框图中的各个模块得到2ASK和PAM混合调制与想干解调在理想和非理想信道中的传输仿真模型，最终在Simulink仿真平台上进行系统功能仿真。这一路做走过来，我翻阅了有关参考书，也多次请教了老师，从最初的
25、原理框图绘制仿真模型图，到最终的信号比较，我借助老师和同学的帮助，通过自己的独立思考，遇到问题再解决问题然后再发现问题再解决在这一过程的循环往复中我发现了思考和学习的乐趣，明白了任何问题只要自己敢于去发现敢于去面对就没有困难了，问题也就不是问题了。在课程设计短短的两个星期中，我从最初面对众多困难的困扰到最后收获成功的喜悦，其中的过程现在回想起来还很是清晰，虽然比较辛苦，但我的所得证明那是值得的，经历过风雨后的彩虹才显得格外耀眼。我相信这次课程设计对今后的学习或者是毕业以后的工作是很有帮助的，它教会了我要独立思考，要将理论更好地和实践相结合。这次课程设计能取得成功，我要感谢身边所有帮助过我的人，在此，我衷心的向各位老师老师和身边的同学表示感谢！参考文献1动态系统仿真工具MatlabSimulink简介.维库电子市场2 达新宇通信原理实验与课程设计北京：北京北京邮电大学出版社，20033樊昌信，曹丽娜. 通信原理. 国防工业出版社，2008年4孙屹，李妍. MATLAB通信仿真开发手册.国防工业出版社，2005年1月5邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析. 北京：清华大学出版社，2008
