ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真

1、長沙理工大學(xué)通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院專業(yè)通信工程班級通信0901學(xué)號200954080126學(xué)生姓名指導(dǎo)教師吳志敏課程成績完成日期2011年12月16日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院通信工程專業(yè)課程名稱通信原理時(shí)間20112012學(xué)年第一學(xué)期1617周學(xué)生姓名指導(dǎo)老師吳志敏題目ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真主要內(nèi)容：利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺，設(shè)計(jì)個(gè)ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)，分別在理想信道和非理想信道中運(yùn)行，并把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。要求：1）構(gòu)建調(diào)制電路，并用示波器觀察調(diào)制前后的信

2、號波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號頻譜的變化。2）再以調(diào)制信號為輸入，構(gòu)建解調(diào)電路，用示波器觀察調(diào)制前后的信號波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號頻譜的變化。3）在調(diào)制與解調(diào)電路間加上噪聲源，模擬信號在不同信道中的傳輸：a用高斯白噪聲模擬有線信道，b用瑞利噪聲模擬有直射分量的無線信道。將兩種噪聲源的方差均設(shè)置相同，分析比較通過兩種不同信道后的接收信號的性能。4）在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。應(yīng)當(dāng)提交的文件：（1）課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文。（2）課程設(shè)計(jì)附件。課程設(shè)計(jì)成績評定學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院專業(yè)通信工程班級通信0

3、901學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師吳志敏完成日期2011年12月16日指導(dǎo)教師對學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中的評價(jià)評分項(xiàng)目優(yōu)良中及格不及格課程設(shè)計(jì)中的創(chuàng)造性成果學(xué)生掌握課程內(nèi)容的程度課程設(shè)計(jì)完成情況課程設(shè)計(jì)動(dòng)手能力文字表達(dá)學(xué)習(xí)態(tài)度規(guī)范要求課程設(shè)計(jì)論文的質(zhì)量指導(dǎo)教師對課程設(shè)計(jì)的評定意見ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真學(xué)生姓名:指導(dǎo)老師：吳志敏摘要本課程設(shè)計(jì)主要用matlab中的Simulink平臺仿真一個(gè)ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)，利用圖形輸入法設(shè)計(jì)相關(guān)電路，用示波器和頻譜模塊分析系統(tǒng)性能。在課程設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)原理畫出圖形，然后構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路，再在Simulink中調(diào)出個(gè)元件組成電路，接著

4、設(shè)置調(diào)制解調(diào)電路中各個(gè)模塊的參數(shù)值并加以運(yùn)行，并把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。通過波形分析，達(dá)到仿真的目的。關(guān)鍵詞Simulink、ASK、PAM、非相干解調(diào)、仿真引言本課程設(shè)計(jì)主要用matlab中的Simulink平臺仿真一個(gè)ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)，分別在理想信道和非理想信道中運(yùn)行，并把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。1.1課程設(shè)計(jì)目的通過設(shè)計(jì)ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)，并使其在不同的噪聲信道中運(yùn)行，讓我們進(jìn)一步理解通信系統(tǒng)的基本組成、模擬通信和數(shù)字通信的基礎(chǔ)理論、通信系統(tǒng)發(fā)射端信號的形成及接收端信號解調(diào)的原

5、理、通信系統(tǒng)信號傳輸質(zhì)量的檢測等方面的相關(guān)知識。學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用這些知識，并把這些知識運(yùn)用于實(shí)踐當(dāng)中，使所學(xué)知識在綜合運(yùn)用能力上以及分析問題、解決問題能力上得到進(jìn)一步的發(fā)展，讓自己對這些知識有更深的了解。通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，認(rèn)真的工作作風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。1.2課程設(shè)計(jì)要求學(xué)習(xí)MATLAB的基本知識，熟悉MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺。利用通信原理中所學(xué)到的相關(guān)知識，在Simulink仿真平臺中設(shè)計(jì)ASK調(diào)制與相干解調(diào)仿真系統(tǒng)。并用示波器觀察調(diào)制與解調(diào)后的波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制與解調(diào)前后的信號頻譜變化。構(gòu)建調(diào)制電路，并用示波器觀察調(diào)制前后的信號波形，用頻譜分析模塊

6、觀察調(diào)制前后信號頻譜的變化。在調(diào)制與解調(diào)電路間加上噪聲源，模擬信號在不同信道中的傳輸：a用高斯白噪聲模擬有線信道，b用瑞利噪聲模擬有直射分量的無線信道。將兩種噪聲源的方差均設(shè)置為2，分析比較通過二種不同信道后的接收信號的性能。在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；驹碛肕ATLAB集成環(huán)境中的Simulink仿真平臺，根據(jù)通信原理理論課中學(xué)過的ASK和PAM調(diào)制與解調(diào)的相關(guān)知識，分析ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)性能。MATLAB及Simulink平臺簡介MATLAB是美國MathWorks公司生產(chǎn)的一個(gè)為科學(xué)

7、和工程計(jì)算專門設(shè)計(jì)的交互式大型軟件，是一個(gè)可以完成各種精確計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強(qiáng)大的計(jì)算工具。它集圖示和精確計(jì)算于一身，在應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化工、機(jī)電工程、醫(yī)藥、金融和其他需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)值計(jì)算的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它不僅是一個(gè)在各類工程設(shè)計(jì)中便于使用的計(jì)算工具，而且也是一個(gè)在數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和工程計(jì)算等課程教學(xué)中的優(yōu)秀的教學(xué)工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各類工業(yè)應(yīng)用中更有不俗的表現(xiàn)。MATLAB可以在幾乎所有的PC機(jī)和大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，適用于Windows、UNIX等各種系統(tǒng)平臺。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)

8、系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多

9、領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。設(shè)計(jì)仿真模型時(shí)，從模型庫中選中模塊，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇Addtountitled,或直接把模塊拖到仿真模型中，即可加入模塊。Simulink模型庫窗口還提供了查找功能，單擊*按鈕，在彈出的模塊查找對話框中輸入模塊名稱關(guān)鍵字，單擊FindNext即可自動(dòng)搜索整個(gè)模型庫。在過去幾年中，Simulink已經(jīng)成為院校和工程領(lǐng)域中廣大師生和研究人員用來建模和方針動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的

10、軟件包。Simulink鼓勵(lì)人們?nèi)L試，可以用它輕松的搭建一個(gè)系統(tǒng)模型，并設(shè)置模型參數(shù)和方針參數(shù)，并且立即觀察到改變后的方針結(jié)果。2ASK調(diào)制與解調(diào)原理ASK調(diào)制即振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。在2ASK中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)二進(jìn)制信息“0”或“1”。2ASK/OOK信號產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制法（相乘器法）和鍵控法。本次設(shè)計(jì)采用模擬調(diào)制。模擬調(diào)制法用乘法器即可實(shí)現(xiàn)，如圖2.1所示。二進(jìn)制不歸零信號e2ASK(t)乘法器s(t)COSwtc圖2.1模擬調(diào)制法調(diào)制波形如圖2.2。圖2.2模擬調(diào)制波形示意圖2ASK/OOK信號解調(diào)也有

11、兩種基本方法，分別是非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測法)。另外，與模擬信號的接收系統(tǒng)相比，還需增加一個(gè)“抽樣判決器”，這對提高數(shù)字信號的接受性能是必要的。包絡(luò)檢波法如圖2.3。圖2.32ASK包絡(luò)檢波原理框圖對于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為a/2(當(dāng)P(1)=P(0)時(shí))，它與接收機(jī)輸入信號的幅度有關(guān)。當(dāng)信道特性發(fā)生變化時(shí)，接收機(jī)輸入信號的幅度a將隨著發(fā)生變化；相應(yīng)地，判決器的最佳判決門限電平也將隨之改變。這時(shí)，接收機(jī)不容易保持在最佳判決門限狀態(tài)，從而導(dǎo)致誤碼率增大。因此，就對信道特性變化的敏感性而言，2ASK性能最差。2ASK是20世紀(jì)初最早運(yùn)用于無線電報(bào)的數(shù)字調(diào)制方式之

12、一。但是，ASK傳輸技術(shù)受噪聲影響很大。噪聲電壓和信號一起改變了振幅。在這種情況下，“0”可能變?yōu)椤?”，“1”可能變?yōu)椤?”?？梢韵胂螅瑢τ谥饕蕾囌穹鶃碜R別比特的ASK調(diào)制方法，噪聲是一個(gè)很大的問題。由于ASK是受噪聲影星最大的調(diào)制技術(shù)(相比FSK、PSK、DPSK等)，現(xiàn)已較少應(yīng)用，不過，2ASK常常作為研究其他數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)，還是有必要了解它。PAM調(diào)制與解調(diào)原理由于實(shí)際抽樣過程中無法使用真正的沖激函數(shù)，抽樣函數(shù)的寬度和高度是有限的，但可以證明，抽樣定理依然成立。換一個(gè)角度，可以把周期性脈沖序列看作是非正弦載波，而抽樣過程可以看作用模擬信號對它進(jìn)行振幅調(diào)制，這種調(diào)制稱為脈沖振幅調(diào)制，即

13、PAM(類似于AM振幅調(diào)制)。設(shè)脈沖載波以s(t)表示，它是由脈寬為T秒、重復(fù)同期為T秒的矩形脈沖串組成，其中T是按抽樣定理確定的，即有T=1/(2fH)秒。如圖2.4所示。圖2.4矩形脈沖為載波調(diào)制原理與波形和頻譜PAM信號的解調(diào)類似于AM信號，可以采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方式相干解調(diào)需要在接受端與載波相乘，即需要同步載波（周期性脈沖序列）。根據(jù)PAM調(diào)制信號的頻譜特點(diǎn)，當(dāng)抽樣頻率滿足條件時(shí)，非相干解調(diào)僅需要通過一個(gè)低通濾波器（如圖2.4（f）,就能濾出原始的基帶信號。系統(tǒng)設(shè)計(jì)31ASK與PAM混合調(diào)制利用Simulink仿真平臺構(gòu)造出的ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)如圖3.1所

14、示。FilterDesign1匹QuantizinqEncoderPowerSpectralDensityBernoulliBinaryGeneratorQuantizing圖3.1ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)（理想無噪聲）如圖所示，系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)濾波器分別仿真ASK調(diào)制過程，PAM調(diào)制過程以及非相干解調(diào)過程。另外，系統(tǒng)中還加入若干頻譜分析模塊，用于比較調(diào)制解調(diào)過程中信號的變化。系統(tǒng)運(yùn)行過程中還需對各模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，調(diào)制過程中各模塊參數(shù)設(shè)置如圖3.2所示。載波參數(shù)脈沖參數(shù)圖3.2調(diào)制過程中的頻譜變化如圖3.3所示。二進(jìn)制序列頻譜PAM調(diào)制后頻譜ASK調(diào)制后頻譜圖3.3調(diào)制過程中的頻

15、譜圖對比前面的兩個(gè)信號的頻譜，發(fā)現(xiàn)信號頻譜發(fā)生的搬移，說明ASK調(diào)制成功，對比后面兩個(gè)信號的頻譜，發(fā)現(xiàn)信號頻譜幾乎沒有變化，說明PAM取樣成功，并證明了脈沖取樣的可行性。調(diào)制波形圖如圖3.3所示。圖3.3(a)圖3.3ASK與PAM混合調(diào)制圖3.3(b)圖3.3(a)中，通道1是ASK信號原始波形，通道2是正弦載波，通道3是ASK調(diào)制后的波形，可以看到，ASK調(diào)制是成功的。圖3.3(b)中，通道1是ASK調(diào)制后的波形，通道2是抽樣脈沖序列，通道3是PAM調(diào)制后的波形，可以看到，PAM調(diào)制是成功的。3.2經(jīng)理想信道后的非相干解調(diào)解調(diào)過程的各模塊參數(shù)設(shè)置如圖3.4所示?！靶牡屯V波器參數(shù)Block

16、Parameters:QuantizingEncoder-QuantizingEnDC-dex(ztask)(link)=Quantize-theinputsignalusinapartitionandaocdet-ook.TheinputEinalisq.uantizedaccording:totheQuantizatien口artiticnve-ctoiandenccdedacccidintotheSuarLtizaticnccdeb-o-okvectoi.Theinputsignaltobequantizedcanbe-eitheraedalelictavectoi.ParHneters

17、Quantizationpartition:判決門限ApplyThefirstcutputisthe-indesfxazDthe-Quantizati口：nccdetc-Dkvector.The-Eeccndutputistheq.uantizedEinal.Thevaluesfoxthm遼LLant:iz；E辻signalaretakenfrozitheD3uarLtizati：ncodeb-M-kveotOT.BlPowerSpectralDensity!Pov/erSpectralDensity4ssJiti|：HIM111V20-4Timehistory-6-20246Time(sec

18、s)-6-4-202460.50TimehistoryPowerSpectralDensityTime(secs)PowerSpectralDensity3020100.80.&0.40.251015202530Frequency(rads/sec)51015202530Frequemzy(rads/sec)PowerSpectralDensity(phase)PowerSpectralDensity(phase)-2000-4000-6000-8000-10000-12000-5000-WOOD51015202530Frequencyfra-ds/sec)解調(diào)前信號頻譜51015202530

19、Frequemzy(rads/sec)解調(diào)后信號頻譜圖3.4解調(diào)輸入和解調(diào)輸出的信號頻譜如圖3.5所示。圖3.5解調(diào)過程中信號頻譜解調(diào)后信號的頻譜與原ASK基帶信號基本相同，解調(diào)成功。解調(diào)的波形圖如圖3.6所示。圖3.6解調(diào)波形圖如圖3.6所示，通道1是原始基帶信號，通道2是ASK調(diào)制信號，通道3是解調(diào)輸入信號，通道4是ASK解調(diào)過程中抽樣判決前的信號，通道5是解調(diào)輸出信號。對比通道2和通道3的信號波形，可以看到兩者波形基本一致，PAM信號的非相干解調(diào)成功。對比通道1和通道5，可以看到非相干解調(diào)得到的波形與原始基帶信號的波形一致（發(fā)生了延時(shí)），理想信道中的系統(tǒng)仿真成功。加噪聲后的系統(tǒng)仿真在調(diào)制

20、與解調(diào)電路間加上噪聲源，模擬信號在不同信道中傳輸，分別觀測對比加噪聲后解調(diào)的信號與理想信道中解調(diào)的信號的頻譜和波形，則系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3.7所示。Density5EtensityBernoulliBinaryGeneratocPowerSpectralDensityPoweSpectralDensity4Density2AnalogFilterDesignAnalogFilterDesign1GaussianQuantizingldxEnooderQuantizing口QuantizingEnooderrQunntidin口Enoodec圖3.7ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)（加入高斯噪聲

21、）圖中高斯噪聲的方差設(shè)定為2。將高斯噪聲換為瑞利噪聲，方差不變。比較三種輸出信號的頻譜，如圖3.8所示。回3332221010100!=-6Timehistory51015202530Frequency(rads/sec)Timehistory51015202530Frequency(rads/sec)Timehistory51015202530Frequency(rads/sec)MPowerSpectralDensity4MPowerSpectralDensity6MPowerSpectralDensity8-4-20246Time(secs)PowerSpectralDensity-4-

22、20246Time(secs)PowerSpectralDensity51015202530Frequency(rads/sec)PowerSpectralDensity(phase)0-5000-10000Qiiiiiit-6-4-20246Time(secs)PowerSpectralDensity51015202530Frequency(rads/sec)PowerSpectralDensity(phase)0-5000-1000051015202530Frequency(rads/sec)PowerSpectralDensity(phase)0-5000-10000理想輸出加高斯輸出加

23、瑞利輸出圖3.8三種輸出信號的頻譜通過對比可知，疊加噪聲對信號的功率產(chǎn)生印象，并且瑞麗噪聲相比高斯噪聲的影響更大。圖3.9為三種輸出信號的波形對比圖3.9三種輸出波形通道1為原始基帶信號，通道2為理想輸出信號，通道3為加高斯噪聲后的輸出信號，通道4為加瑞利噪聲后的輸出信號。從輸出波形可以看到，疊加噪聲對信號影響較小，說明信號功率相比噪聲較大，解調(diào)的包絡(luò)與信號基本保持一致。增大噪聲的功率（以高斯噪聲為例）后，對比不同功率下輸出信號的頻譜，如圖3.10所示。理想輸出加高斯輸出加大功率高斯輸出圖3.10增大噪聲功率后的信號頻譜如圖3.10所示，當(dāng)增大噪聲功率后，噪聲對信號的影響變大，輸出信號的頻譜與理想頻譜的差異變大。此時(shí)輸出波形如圖3.11所示。通道1為原始基帶信號，通道2為加高斯噪聲輸出波形，通道3為增大高斯噪聲功率后的輸出波形。從上圖可以看到，當(dāng)增大噪聲功率后，噪聲對信號解調(diào)產(chǎn)生干擾，出現(xiàn)誤碼。通信系統(tǒng)中的噪聲是疊加在信號上的，沒有傳輸信號是通信系統(tǒng)中也有噪聲，噪聲永遠(yuǎn)存在于通信系統(tǒng)中，稱之為加性干擾。噪聲對信號的傳輸是有害的，它能使模擬信號失真，是數(shù)字信號發(fā)生錯(cuò)碼，并限制著信息的傳輸效率。4仿真電路分析與總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)，我的任務(wù)是用Simulink來實(shí)現(xiàn)ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真。由于初次接觸Simulink,又是全英