4ASK數(shù)字頻帶系統(tǒng)仿真

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上*實踐教學*蘭州理工大學計算機與通信學院2015年春季學期通信系統(tǒng)仿真訓練課程設計報告題 目： 4ASK數(shù)字調制系統(tǒng)的設計與仿真 班 級： 通信工程12級（1）班 姓名： 朱芮碧 設計質量（30分）： 學號： 說明書質量（10分）： 同組成員： 汪永前 高澤雷 張佩君 李慧慧 梁漢聰 劉昆鑫 樊豐收 指導教師： 鄭玉峰 摘要本文在分析通信系統(tǒng)的原理上，利用MATLAB來仿真一個基于4ASK（四進制振幅鍵控）調制解調的數(shù)字通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的仿真設計為數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)化及設計方法提供了科學理論依據(jù)。該仿真基本能夠滿足題目的任務要求，完成了數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真與測試。通過實際

2、方案的分析比較、參數(shù)計算、仿真測試等環(huán)節(jié)，初步鞏固了課程所學的有關理論知識，加深了對數(shù)字通信的理解和掌握；掌握了4ASK的原理和應用，學習了MATLAB軟件的基本使用；學會運用MATLAB軟件進行一些仿真和設計。最后，在此基礎上進行了滿足題目要求的優(yōu)化與調試，完成了題目的設計任務。該數(shù)字通信系統(tǒng)利用MATLAB軟件對基帶信號通過四進制振幅鍵控來調制和解調，經(jīng)過產(chǎn)生信息序列、變?yōu)榛鶐判?、調制、加噪、解調、接收信息序列、誤碼等七個步驟完成通信系統(tǒng)的設計。本文著重介紹了數(shù)字通信系統(tǒng)的設計思路、方案論證、信號分析，通過MATLAB的軟件調試，實現(xiàn)了設計之初的目標，論證了設計方案的可行性。通過數(shù)字通信

3、系統(tǒng)的仿真與測試，加深對基本原理的了解，增強了我們的實踐能力。目錄一、前言當今社會已經(jīng)步入信息時代.在各種信息技術中，信息的傳輸及通信起著支撐作用。而對于信息的傳輸，開發(fā)更加完善、快捷的通信系統(tǒng)已經(jīng)變得越來越重要，數(shù)字通信就成為重要的手段。因此，數(shù)字信號的調制就顯得非常重要。實際通信中的許多信道都不能直接傳送基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，使得載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化，即正弦載波調制。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，有二進制數(shù)字調制和多進制調制。多進制數(shù)字調制與二進制數(shù)字調制相比又具有如下兩個特點，在相同的碼元傳輸率下，多進制系統(tǒng)的信息傳輸率比二進制系統(tǒng)的高，在相同的信息速

4、率下，多進制信號碼元的持續(xù)時間要比二進制的長，因此會增加碼元的能量，減小信號特性引起的碼間干擾的影響，利用層次化和模塊化的設計方法，通過MATLAB軟件平臺設計并實現(xiàn)了多進制幅移鍵控（M-ary Amplitude-Shift Keying，MASK）中的四電平調制（4-ary Amplitude Shift Keying，4ASK）的調制系統(tǒng)和解調系統(tǒng)。二、系統(tǒng)概述2.1課題研究背景遠古時代，遠距離的傳遞消息是以書信的形式來完成的,這種通信方式明顯具有傳遞時間長的缺點。為了在盡量短的時間內傳遞盡量多的消息,人們不斷地嘗試所能找到的各種最新技術手段。1837年發(fā)明的莫爾斯電磁式電報機標志著電通

5、信的開始,之后，利用電進行通信的研究取得了長足的進步。1866年利用海底電纜實現(xiàn)了跨大西洋的越洋電報通信。1876年貝爾發(fā)明了電話,利用電信號實現(xiàn)了語音信號的有線傳遞使信息的傳遞變的既迅速又準確，這標志著模擬通信的開始，由于它比電報更便于交流使用，所以直到20世紀前半葉這種采用模擬技術的電話通信技術比電報的到了更為迅速和廣泛的發(fā)展。1937年瑞威斯發(fā)明的脈沖編碼調制標志數(shù)字通信的開始。20世紀60年代以后集成電路、電子計算機的出現(xiàn)，使得數(shù)字通信迅速發(fā)展。在70年代末在全球發(fā)展起來的模擬移動電話在90年代中期被數(shù)字移動電話所代替現(xiàn)有的模擬電視也正在被數(shù)字電視所代替。數(shù)字通信的高速率和大容量等各方

6、面的優(yōu)越性也使人們看到了它的發(fā)展前途。 2.2設計概要本次課設主要通過研究4ASK信號的調制解調，首先通過對二進制2ASK的分析來研究出四進制4ASK的變化，對2ASK的基帶信號和傳輸?shù)妮d波信號，以及其波形圖進行分析，從而掌握多進制的振幅鍵控（MASK）調制解調的原理及其實現(xiàn)方法，然后利用MATLAB仿真實現(xiàn)4ASK的調制與解調，并仿真4ASK載波信號在高斯白噪聲下的誤碼率和誤比特率的性能，同時給出調制信號、載波信號及已調信號的波形圖和頻譜圖。最后根據(jù)仿真的波形圖來分析4ASK的性能特點，以及對以后信道的傳輸有更重要的意義和頻帶利用率，資源有效充分利用全方面的來考慮4ASK的用途。2.3設計任

7、務與設計要求1.設計一個數(shù)字通信仿真系統(tǒng)，調制為4ASK；2.能顯示信息序列、調制信號等信號波形；3.解調部分，相關解調和非相關解調都可的，相關解調和非相關解調都做；4.對在不同信噪比情況下的誤碼指標。過程：產(chǎn)生信息序列變?yōu)榛鶐Рㄐ握{制加噪解調接受信息序列誤碼（注意其中信號的變化）三、系統(tǒng)設計原理3.1數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信（digital telecommunications）是用數(shù)字信號作為載體來傳輸消息，或用數(shù)字信號對載波進行數(shù)字調制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。它可傳輸電報、?shù)字數(shù)據(jù)等數(shù)字信號，也可傳輸經(jīng)過數(shù)字化處理的語聲和圖像等模擬信號。數(shù)字通信系統(tǒng)的模型如圖3.1所示：圖3.1 數(shù)字通信系統(tǒng)模

8、型圖中信源輸出的是模擬信號，經(jīng)過數(shù)字終端的信源編碼器成為數(shù)字信號，終端輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過信道編碼器后變成適合于信道傳輸?shù)臄?shù)字信號，然后由解調器把數(shù)字信號調制到系統(tǒng)所使用的數(shù)字信道上，再傳輸?shù)浇邮斩?，?jīng)過相反的轉換后最終送到信宿。數(shù)字通信系統(tǒng)各部分作用：1、信源:把原始信息變換成原始電信號。2、信源編碼：實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸即完成A/D變化。提高信號傳輸?shù)挠行?。即在保證一定傳輸質量的情況下，用竟可能少的數(shù)字脈沖來表示信源產(chǎn)生的信息。信源編碼也稱作頻帶壓縮編碼或數(shù)據(jù)壓縮編碼。3、信道編碼：信源編碼的目的：信道編碼主要解決數(shù)字通信的可靠性問題。信道編碼的原理：對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入

9、一些冗余碼（監(jiān)督碼），形成新的碼字，接收端按照約定好的規(guī)律進行檢錯甚至糾錯。信道編碼又稱為差錯控制編碼、抗干擾編碼、糾錯編碼 。4、數(shù)字調制：數(shù)字調制技術的概念：把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號。數(shù)字調制的主要作用：提高信號在信道上傳輸?shù)男?，達到信號遠距離傳輸?shù)哪康?。基本的?shù)字調制方式：振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK。5、同步：同步的概念：指通信系統(tǒng)的收、發(fā)雙方具有統(tǒng)一的時間標準，使它們的工作“步調一致”。同步的作用：對于數(shù)字通信時是至關重要的。如果同步存在誤差或失去同步，通信過程中就會出現(xiàn)大量的誤碼，導致整個通信系統(tǒng)失效。6、信道：信道是信號

10、傳輸媒介的總稱，傳輸信道的類型有無線信道（如電纜、光纖）和有線信道（如自由空間）兩種。7、噪聲源：通信系統(tǒng)中各種設備以及信道中所固有的，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。數(shù)字通信系統(tǒng)較模擬通信系統(tǒng)而言，具有抗干擾能力強、差錯可控、便于加密、易于實現(xiàn)集成化、便于與計算機連接等優(yōu)點。因而，數(shù)字通信更能適應對通信技術的越來越高的要求。近二十年來，數(shù)字通信發(fā)展十分迅速，在整個通信領域中所占比重日益增長，在大多數(shù)通信系統(tǒng)中已代替模擬通信，成為當代通信系統(tǒng)的主流。3.2 4ASK信號的原理實際通信中的許多信道都不能直接傳送基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，使

11、得載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化，即正弦載波調制。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，有二進制數(shù)字調制和多進制調制。多進制數(shù)字調制與二進制數(shù)字調制相比又具有如下兩個特點，在相同的碼元傳輸率下，多進制系統(tǒng)的信息傳輸率比二進制系統(tǒng)的高，在相同的信息速率下，多進制信號碼元的持續(xù)時間要比二進制的長，因此會增加碼元的能量，減小信號特性引起的碼間干擾的影響，利用層次化和模塊化的設計方法，通過MATLAB軟件平臺設計并實現(xiàn)了多進制幅移鍵控（M-ary Amplitude-Shift Keying，MASK）中的四電平調制（4-ary Amplitude Shift Keying，4ASK）的調制系統(tǒng)和解調系統(tǒng)。本文首先

12、介紹了四電平調制和解調的原理，隨后介紹載波產(chǎn)生、振幅調制、振幅判別等功能模塊的設計，最后給出了整體調制解調的模塊圖和仿真波形及測試結果。多進制數(shù)字幅度調制（4ASK）又稱為四電平調制，它是二進制數(shù)字幅度調制方式的推廣。四進制幅度調制信號的載波振幅有四種取值，在一個碼元期間內，發(fā)送其中的一種幅度的載波信號。MASK已調信號的表示式為：st=an*g(t-nTb )s(t)這里為四進制數(shù)字基帶信號,式中，g(t)是高度為1、寬度為Tb的門函數(shù)；an有4種取值0,1,2,3，出現(xiàn)的概率分別為P0,P1,P2,P3,且P0+P1+P2+P3=1. 圖3.2和圖3.3分別為四進制數(shù)字基帶信號和已調信號的

13、波形圖。圖3.2 四進制數(shù)字基帶信號圖3.3 已調信號波形圖3.3 4ASK調制解調原理信道噪聲基帶信號輸入調制器基帶信號輸出解調器圖3.4 數(shù)字調制信號基本結構數(shù)字調制與模擬調制原理是相同的，一般可以采用模擬調制的方法實現(xiàn)數(shù)字調制。但是，數(shù)字基帶信號具有與模擬基帶信號不同的特點，其取值是有限的離散狀態(tài)。這樣，可以用載波的某些離散狀態(tài)來表示數(shù)字基帶信號的離散狀態(tài)?；镜娜N數(shù)字調制方式是:振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK或DPSK)。多進制數(shù)字振幅調制又稱多電平振幅調制，它用高頻載波的多種振幅去代表數(shù)字信息。MASK調制方式就是使載波的幅值隨著基帶信號的變化而變化。MA

14、SK的表達式如下所示：其中為基帶信號的電平，為載波順率。由上式可以看出，如果其中電平是0的多進制信號,只要讓載波信號與多進制信號通過乘法器即可調制完成。如果兩個電平都不是0，只要讓載波信號的振幅固定，通過乘法器與多進制信號相乘就行。四電平振輻調制，高頻載波有四種：振幅為0、 1A、 2A和3A，分別代表數(shù)字信息0、 1、2、3或者雙比特二進制輸入信息00、01、10、11進行振幅調制。而解調的兩種方法包絡檢波和相干解調的原理圖如圖3.5和圖3.6所示。圖3.5 相干法解調示意圖圖3.6 包絡檢波法示意圖4ASK的基帶信號只有“0”、“1”、“2”、“3”，四個電平值，它與載波相乘的結果相當于將

15、載波關斷，或者接通放大。它的實際意義是當調制的數(shù)字信號為“3”時，假設傳輸振幅為126個量化單位的載波，則當調制的數(shù)字信號分別為“2”、 1、 0時，傳輸振幅分別為84、 42， 0個量化單位的載波。其典型波形如圖1所示。4ASK的鍵控調制原理如圖2所示。載波通過基帶信號的控制選擇不同的開關，當基帶信號是“0”時，調制信號的幅度為0個量化單位；當基帶信號分別是“1”、“2”、“3”，選擇開關接通相應的乘法器，則調制信號的幅度就分別為載波信號幅度的1, 2, 3倍。對于4ASK的解調，我們采用最高幅值判別的方法，在調制信號中檢測出最大幅值，隨后根據(jù)最大幅值與基帶信號的對應關系就可以解調出來。四、

16、4ASK調制解調系統(tǒng)仿真4.1調制系統(tǒng)仿真在軟件設計過程中，先設計出二進制基帶，信號使用語句：subplot(3,1,1);plot(t,a(ceil(100*t+0.1)/5)：然后在此基礎上生成四進制基帶信號，使用語句:sym(n+1)=a(2*n+1)*2+a(2*n+2);subplot(3,1,2);plot(t,sym(ceil(10*t+0.01)：具體結果如圖4.1所示：圖4.1 二進制基帶信號變?yōu)樗倪M制基帶信號將生成的四進制基帶信號進行4ASK調制，然后對4ASK信號進行功率譜密度分析，加入高斯白噪聲噪經(jīng)過信道，到達解調部分。運行相關MATLAB程序，得到4ASK調制波形如圖

17、4.2所示，將前后波形進行對比、分析。圖4.2 4ASK調制結果4.2解調系統(tǒng)仿真1.采用相關解調法(或同步檢測法)進行解調，信號經(jīng)過相關流程后，得到4ASK相關解調波形如圖4.3所示圖4.3 4ASK相關解調結果2.采用非相關解調法(或包絡檢波法)進行解調，信號經(jīng)過相關流程后，得到4ASK非相關解調波形如圖4.4所示圖4.4 4ASK非相關解調結果輸入基帶信號的直流分量最大，經(jīng)4ASK調制后載波頻率分量占主要成分，故4ASK信號的功率譜密度在f=2Hz出現(xiàn)峰值。將加噪后的4ASK信號進行相干解調后通過低通濾波后得到的信號發(fā)生明顯失真，通過對失真的信號抽樣判決后很好的恢復出原基帶信號。4.3誤

18、碼率分析誤碼率統(tǒng)計中，直接調用MATLAB的函數(shù)randn產(chǎn)生均值為0，方差為1的加性高斯隨機噪聲，對每一次加入噪聲后解調輸出的四進制序列與輸入的四進制序列進行對比，計算解調后的誤碼數(shù)及其比特率，結果如圖4.5所示。圖4.5 誤碼率分析五、總結通過前面的設計分析和原理敘述，我們最終可以總結以下：首先，在為期三個星期的課程設計中，我們終于完成了課程設計的基本要求，完成了題目的設計任務。本次課設主要通過研究4ASK信號的調制解調，首先通過對二進制2ASK的分析來研究出四進制4ASK的變化，對2ASK的基帶信號和傳輸?shù)妮d波信號，以及其波形圖進行分析，從而掌握多進制的振幅鍵控（MASK）調制解調的原理

19、及其實現(xiàn)方法，然后利用MATLAB仿真實現(xiàn)4ASK的調制與解調，并仿真4ASK載波信號在高斯白噪聲下的誤碼率和誤比特率的性能，同時給出調制信號、載波信號及已調信號的波形圖和頻譜圖。最后根據(jù)仿真的波形圖來分析4ASK的性能特點，以及對以后信道的傳輸有更重要的意義和頻帶利用率，資源有效充分利用全方面的來考慮4ASK的用途。其次，通過這次課程設計，我懂得了理論與實際相結合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的。只有把所學到的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，將結論輔助與理論，才能真正學到知識。所以提高自己的實際動手能力與獨立思考的能力是十分重要的，在設計的過程中遇到很多的問題，由于對以前所學過

20、的知識理解不深刻，掌握不牢靠，導致在設計過程中出現(xiàn)一些錯誤。還有一些小的問題，這是由于個人的不認真思考造成的，這也讓我認識到整體設計一定要仔細，要踏踏實實的多查資料，多問，多看。還要善于同別人交流與合作，善于獲取各種有用的資源。最后，在課程設計與論文整理期間，老師給了我很大的支持和幫助，才使得課程設計得以順利完成，在此謹向導師表示忠心的感謝和崇高的敬意。同時，對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次實習必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！六、參考文獻1.李建新. 現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真MATLAB 通信工具箱. 西安:西安電子科技大學出版社,2

21、000.2.樊昌信. 通信原理. 北京:國防工業(yè)出版社,2002.3.劉敏. MATLAB 通信仿真與應用. 北京:國防工業(yè)出版社.4. 曹志剛等著. 現(xiàn)代通信原理. 北京：清華大學出版社.2001. 5 5. 吳偉陵等著. 移動通信原理. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.附錄：源代碼：clear all;close all;A=1;fc = 2; %設定載波頻率2HzN_sample = 100;%插入點數(shù)為2*200-1N = 100;%考察的碼元個數(shù)Ts = 1;%碼元周期dt = Ts/fc/N_sample; %波形采樣間隔t = 0:dt:N*Ts-dt;Lt = length(t

22、);%二進制基帶信號變?yōu)樗倪M制基帶信號M=4; d=1; t=0:1/1e3:0.999; a=randint(1,20,2); for n=0:9 sym(n+1)=a(2*n+1)*2+a(2*n+2); end s=sym(ceil(10*t+0.01).*cos(2*pi*100*t); subplot(2,1,1); plot(t,a(ceil(100*t+0.1)/5); axis(0,1,-0.2,1.2); subplot(2,1,2); plot(t,sym(ceil(10*t+0.01); %產(chǎn)生四進制信源d =rand(1,N);d1=floor(d*4);dd = si

23、gexpand(d1,fc*N_sample);gt = ones(1,fc*N_sample); %NRZ波形d_NRZ = conv(dd,gt);%基帶信號d_NRZ=dd*gt(t-nTs)ht = A*cos(2*pi*fc*t);%載波s_4ask = d_NRZ(1:Lt).*ht; %進行4ASK調制%4ASK信號s_4ask=dd*gt(t-nTs)*Acos(2*pi*fc*t)figure(1)subplot(2,2,1);plot(t,d_NRZ(1:length(t);axis(0 50 0 4); xlabel(輸入信號);subplot(2,2,2);plot(t

24、,s_4ask);axis(0 50 -4 4); xlabel(4ASK);f, s_4askf=T2F(t,s_4ask);subplot(2,2,3);plot(f,10*log10(abs(s_4askf).2/Ts);axis(-10 10 -20 40); xlabel(4ASK功率譜密度);%加噪t4ask=awgn(s_4ask,15);%在信號s_4ask中加入高斯白噪聲,信噪比15dB。subplot(2,2,4);plot(t,t4ask)axis(0 50 -4 4); xlabel(加噪4ASK);%相干解調后通過低通濾波器tt4ask=2*t4ask.*cos(2*

25、pi*fc*t);%相干解調f, tt4askf=T2F(t,tt4ask);B=2/Ts;%B=2*fs,fs=N/T,T=N*Tst st=lpf(f,tt4askf,B);%低通figure(2)subplot(2,2,1)plot(t,tt4ask);axis(0 50 0 8); xlabel(相干解調輸出信號);subplot(2,2,2)plot(t,st);axis(0 50 0 4); xlabel(通過低通濾波后信號);%抽樣判決for k=1:floor(length(st)/(2*N_sample) TT4ask(k)=floor(st(k+(k-1)*(2*N_sam

26、ple)+N_sample)+0.5); %在每個碼元中間抽一次樣，得到的值四舍五入endtt= sigexpand(TT4ask,fc*N_sample);gtt = ones(1,fc*N_sample); %NRZ波形tt_NRZ = conv(tt,gtt);subplot(2,2,3)plot(t,tt_NRZ(1:length(t);axis(0 50 0 4); xlabel(抽樣判決后信號);f, stf=T2F(t,tt_NRZ);subplot(2,2,4) plot(f,10*log10(abs(stf).2/Ts);axis(-10 10 -20 40); xlabel

27、(輸入信號功率譜密度);%非相干解調后通過低通濾波器tt4ask=2*t4ask.*cos(2*pi*fc*t);%非相干解調f, tt4askf=T2F(t,tt4ask);B=2/Ts;%B=2*fs,fs=N/T,T=N*Tst st=lpf(f,tt4askf,B);%低通figure(3)subplot(2,2,1)s=abs(tt4ask);plot(t,s);axis(0 50 0 8); xlabel(非相干解調輸出信號);subplot(2,2,2)plot(t,st);axis(0 50 0 4); xlabel(通過低通濾波后信號);%抽樣判決for k=1:floor(

28、length(st)/(2*N_sample) TT4ask(k)=floor(st(k+(k-1)*(2*N_sample)+N_sample)+0.5); %在每個碼元中間抽一次樣，得到的值四舍五入endtt= sigexpand(TT4ask,fc*N_sample);gtt = ones(1,fc*N_sample); %NRZ波形tt_NRZ = conv(tt,gtt);subplot(2,2,3)plot(t,tt_NRZ(1:length(t);axis(0 50 0 4); xlabel(抽樣判決后信號);f, stf=T2F(t,tt_NRZ);subplot(2,2,4) plot(f,10*log10(abs(stf).2/Ts);axis(-10 10 -20 40); xlabel(輸入信號功率譜密度);%T2F函數(shù)function f, sf=T2F(t, st)% This is a function using the FFT function to calculate a signals Fourier% Translation% Input is the time and the signal vectors,