差分码ASK信号PAM调制仿真课件

1、 差分码ASK信号PAM调制仿真 第页 共17页 差分码ASK信号PAM调制仿真 学生姓名： 指导老师： 摘 要 本课程设计主要用matlab/Simulink平台仿真一个差分码ASK信号PAM调制系统，利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。首先根据原理画出图形，构建调制解调电路，在Simulink中调出各模块组成电路，设置调制解调电路各模块的参数值并运行，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。通过波形分析，达到仿真的目的。 关键词 混合调制；差分码；Matlab/Simulink 1 引 言MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，

2、它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据1。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。PAM是脉冲振幅调制（Pulse Amplitude Modulation）的简称，是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式2。本课程设计主要用matlab中的Simulink平台仿真一个差分码ASK信号PAM调制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 课程设计目的通信原理课程设计是通信原理理论课程的辅助实践环节。着重体现学生

3、对通信原理教学知识的应用，培养学生理论与实际工程相结合的能力。以小课题的方式来加深、扩展通信原理知识3。通过设计差分码ASK信号PAM调制仿真系统，并使其在不同的噪声信道中运行，让学生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原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识，并学会运用这些知识。1.2 课程设计的步骤学习MATLAB的基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台。利用通信原理中所学到的相关知识，在Simulink仿真平台中设计差分码ASK信号PAM调制仿真系统。并用示波器观察调制与解调后的波形，用频谱分析模块观察调制与

4、解调前后的信号频谱变化。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。在混合调制电路间加上噪声源，用高斯白噪声模拟有线信道，模拟信号在高斯白噪声的信道中传输。将噪声源的方差设置为1，分析通过高斯白噪声的模拟有线信道后的接收信号的性能。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实验结果。2 基本原理用MATLAB集成环境中的Simulink仿真平台，根据通信原理理论课中学过的ASK和PAM调制与解调的相关知识，分析ASK与PAM混合调制与非相干解调系统性能。2.1 MATLAB及Simulink

5、平台简介MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的计算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。MATLAB可以在几乎所有的PC机和大型计算机上运行，适用于Windows、UNIX等各种系统平台。Simulink是MATLAB中的一种

6、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。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

7、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、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。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。2.2 差分码ASK调制与解调原理振幅键控调制是利用载波

8、的幅度变化来传递数字信息，而其频率与初始相位保持不变。信号的产生通常有两种：模拟调制法和键控法。而本课程设计采用的是模拟调制法，模拟调制法指的是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。原理如图2-1所示。图2-1 模拟调制法其调制波形如图2-2所示。图2-2 模拟调制波形示意图差分码2ASK调制信号的原理是输入二进制不归零的基带信号，经过码反变换器将其绝对码变成相对码，然后再乘以一个载波信号最后输出的就是差分码2ASK信号。其调制模型如图2-1所示。乘法器码反变换 图2-3 差分码2ASK调制器原理框图其中s（t）为二

9、进制不归零的基带信号，而为载波信号。调制过程的逆过程叫做解调。2ASK信号的解调是把接收到的已调信号还原成调制信号。而2ASK的解调信号也有两种相干解调与非相干解调。而本课程设计采用的是非相干解调的方法对其进行解调。非相干解调一般由带通滤波器、包络检波器全波整流器、低通滤波器、抽样判决器和码反变换器组成。图2-4为2ASK信号的非相干解调的原理框图抽样判决器低通滤波器全波整流器带通滤波器 图2-4 差分码2ASK非相干解调原理框图对差分码2ASK进行非相干解调恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。差分译码得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，解决了载波相位模糊

10、性带来的问题。2.3 PAM调制与解调原理由于实际抽样过程中无法使用真正的冲激函数，抽样函数的宽度和高度是有限的，但可以证明，抽样定理依然成立。换一个角度，可以把周期性脉冲序列看作是非正弦载波，而抽样过程可以看作用模拟信号对它进行振幅调制，这种调制称为脉冲振幅调制，即PAM（类似于AM振幅调制）。设脉冲载波以s(t)表示，它是由脉宽为秒、重复同期为T秒的矩形脉冲串组成，其中T是按抽样定理确定的，即有T=1/(2)秒。如图2-5所示。图2-5 矩形脉冲为载波调制原理与波形和频谱PAM信号的解调类似于AM信号，可以采用相干解调和非相干解调两种方式，相干解调需要在接受端与载波相乘，即需要同步载波（周

11、期性脉冲序列）。根据PAM调制信号的频谱特点，当抽样频率满足条件时，非相干解调仅需要通过一个低通滤波器（如图2.4（f），就能滤出原始的基带信号。3 系统设计3.1无噪声差分码2ASK信号调制 利用simulink仿真平台构造出差分码2ASK信号的调制系统仿真模型如图3-1，其中由Bernoulli Binary Generator模块产生随机二进制脉冲序列，Sine Wave函数产生正弦波作为载波。其相乘后的信号经过示波器得到波形，从而判断差分码2ASK的调制是否成功。差分码2ASK调制仿真电路如图3-1所示。图3-1 差分码2ASK调制仿真电路图各模块参数设置如图3-2所示。基带信号参数图

12、载波参数设置图3-2 各模块参数设置频谱图如图3-3所示。 基带信号频谱 2ASK调制信号频谱图3-3 频谱图无噪声的2ASK调制波形如图3-4所示。图34 无噪声差分码2ASK调制信号波形其显示波形依次对应为数字基带信号、基带信号对应的差分码波形、载波波形、无噪声的2ASK调制信号波形。可看出差分码二进制码为“1”时，调制得出的信号有波形；而为“0”时，调制出的信号没有波形。完全符合2ASK的调制原理，故调制是成功的。3.2 差分码ASK信号与PAM混合调制利用Simulink仿真平台构造出的差分码ASK信号与PAM混合调制与非相干解调系统如图3-5所示。图3-5 差分码ASK信号与PAM混

13、合调制与非相干解调系统（理想无噪声）如图所示，系统设置了一个低通滤波器仿真PAM调制过程以及非相干解调过程。加入若干频谱分析模块，用于比较调制解调过程中信号的变化。各模块参数进行设置，调制过程中各模块参数设置如图3-6所示。 载波参数 脉冲参数图3-6 参数设置调制过程中的频谱变化如图3-7所示。ASK调制后频谱 PAM调制后频谱图3-7 频谱变化对比前面的两个信号的频谱，发现信号频谱几乎一致，存在细微延时，说明ASK调制成功；对比后面两个信号的频谱，发现信号频谱几乎没有变化，说明PAM取样成功，并证明了脉冲取样的可行性。调制波形图如图3-8所示。图3-8 差分码ASK与PAM混合调制解调波形

14、图3-10中，通道1是ASK信号原始波形，通道2是差分编码信号，通道3是载波信号，通道4是差分码ASK信号调制后波形，可以看到：差分码ASK调制是成功的。通道5是PAM调制后波形，可以看到：PAM调制是成功的。3.3 经理想信道后的非相干解调解调过程的各模块参数设置如图3-9所示。带通滤波器参数 低通滤波器参数判决门限图3-9 参数设置解调输入和解调输出的信号频谱如图3-10所示 。 解调前信号频谱 解调后信号频谱图3-10 解调过程中信号频谱解调后信号的频谱与原ASK基带信号基本相同，解调成功。解调的波形图如图3-11所示。图3-11 差分码ASK与PAM混合调制解调波形通道1是原始基带信号

15、，通道2是差分编码信号，通道3是载波信号，通道4是差分码ASK调制信号，通道5是PAM调制信号，通道6是抽样判决前的信号，通道7是通抽样判决的信号，通道8是解调信号。对比通道2和通道8的信号波形，可以看到两者波形基本一致，PAM信号的非相干解调成功。对比通道1和通道7，可以看到非相干解调得到的波形与原始基带信号的波形一致（发生了延时），理想信道中的系统仿真成功。3.4 加噪声后的系统仿真在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中传输，观测对比加噪声后调制信号与理想信道中调制信号的频谱和波形，高斯噪声方差设定为1。系统如图3-12所示。图3-12 差分码ASK与PAM混合调制系统（加入高

16、斯噪声）输出信号的频谱，如图3-13所示。 理想输出 加高斯输出图3-13 输出信号的频谱图3-14为三种输出信号的波形对比图3-14 输出信号波形通道1为原始基带信号，通道2为理想输出信号，通道3为加高斯噪声后的输出信号。从输出波形可以看到，叠加噪声对信号影响较小，说明信号功率相比噪声较大，解调的包络与信号基本保持一致。4 仿真电路分析与总结本次课程设计，我的任务是用Simulink来实现差分码ASK信号与PAM混合调制仿真，在设计过程中我选择了加入非相干解调部分。之前在Matlab课上已经学些过相关的Matlab只是，但是对于Simulink却是第一次接触，由于我们使用的Matlab7.0

17、是全英文界面，以致于使用过程中常常会遇到一些模块找不到。后来通过老师的讲解，对函数库的分布和内容有了初步的认识，并在老师的建议下使用了英文词典查询相关术语，为下面的设计打好基础。设计过程中电路的原理由于已经学过，电路的初步设计比较顺利，但组合好各模块后的参数设置花了比较大的力气，很多参数的微笑变动都会影响最后的结果，从一个简单的抽样频率到比较复杂的判决门限等等，都需要通过不断的调试，最终找到一个合适的结果。在设计调制电路的过程中，由于PAM调制只需要用到一个低通滤波器 ，而差分码考虑到信号的失真，为了避免混合调制的信号在信道中受到过多干扰，我去掉了原本ASK调制解调电路中的带通滤波器，选择只使

18、用一个低通滤波器，修改前电路如图4-1所示。图4-1 有带通滤波器的调制与非相干解调电路此外，我在原本的调制基础上添加了非相干解调电路，由于时间原因，在加入高斯噪声后的电路只做了课设要求中的调制部分，没有做非相干解调。总的说来，本次课程设计所设计的电路基本上能够仿真差分码ASK信号与PAM混合调制过程，基本达到了设计目的。5 结束语本次课程设计历时两个星期，在老师的指导下以及和同学帮助下，终于顺利完成了课程设计，使我不仅对通信原理中的相关知识有了更深刻的了解，同时对MATLAB/Simulink也有了初步的认识，并弄懂了其中一些模块的作用和参数设置。另外，在课程设计中也发现了自己在理论知识上了不足，做设计的时候有遇到了很多困难。在解决困难的过程中，培养并提高了我自主，快速学习的能力，对我今后的学习和工作产生了非常大的帮助。并且，课程设计培养了我的动手能力，让我明白实践过程中，不仅需要理论的支持，更