ASK载波调制信号的调制解调与性能分析

1、*实践教学* 2014年春季学期 通信系统仿真训练 课程设计 题 目： 4ASK载波调制信号的调制解调与性能分析 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 摘要实际通信中的许多信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使得载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即正弦载波调制。通过MATLAB软件平台，设计并实现了多进制幅移键控（M-ary Amplitude-Shift Keying，MASK）中的四电平调制（4-ary Amplitude Shift Keying，4ASK） 的调制系统和解调系统。本文首先介绍了四电平调制和解调的原理，随后介绍载波产

2、生、振幅调制、振幅判别等功能模块的设计，最后给出了整体调制解调的模块图和仿真波形。关键词：载波调制、数字通信、四电平调制和解调目录一、 设计目的和要求11.1设计目的11.2设计要求1二、设计内容及原理22.1 四进制ASK信号的表示式22.2产生方法32.3 4ASK调制解调原理3三、运行环境及MATLAB简介63.1运行环境63.2 MATLAB简介6四、详细设计74.1载波信号的调制74.2调制信号的解调74.3编程语言84.4测试结果9五、调试分析10六、参考文献11总结123一、 设计目的和要求1.1设计目的：本次课程设计的任务是四进制振幅键控（4ASK）数字调制系统仿真和分析。主要

3、内容是对二进制数字信源进行四进制振幅键控（4ASK）数字调制，画出信号波形及功率谱。并分析其性能。课程设计主要目的是深入理解和掌握振幅通信系统的各个关键环节，包括调制、解调、滤波、传输、噪声对通信质量的影响等。在数字信号处理实验课的基础上更加深入的掌握数字滤波器的设计原理及实现方法。使我对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。1.2设计要求：（1）熟悉MATLAB环境下仿真平台，熟悉4ASK/4ASK系统的调制解调原理，构建调制解调电路图.（2）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的频谱的变化。并观察解调前后频谱有何变化以加深对该信号调制解调原理的理解。（3）在调制与解调

4、电路间加上各种噪声源，用误码测试模块测量误码率,并给出仿真波形，改变信噪比并比较解调后波形，分析噪声对系统造成的影响。（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实验结果。二、设计内容及原理利用MATLAB仿真平台,设计一个4ASK调制与解调系统.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;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。2.1 四进制ASK信号的表示式： 多进制数字幅度调制（4ASK）又称为四电平调制，它是二进制数字幅度调制方式的推广。四进制幅度调制信

5、号的载波振幅有四种取值，在一个码元期间内，发送其中的一种幅度的载波信号。MASK已调信号的表示式为：（2-1）这里， 为M进制数字基带信号 （2-2）式中， 是高度为1、宽度为的门函数； 有4种取值 0,1,2,3，出现的概率分别为P0,P1,P2,P3,且P0+P1+P2+P3=1. 图1-1（a）、（b）分别为四进制数字基带信号和已调信号的波形图。图2-1多进制数字幅度调制波形2.2产生方法：图2-2 4ASK信号的产生功率谱及带宽：MASK信号波形是由个2ASK信号相加而成，因此MASK信号的功率谱也是由个2ASK信号的功率谱叠加而成的。尽管个2ASK信号叠加后频谱结构复杂，但就信号的带

6、宽而言，MASK信号与任一个2ASK信号的带宽是相同的，也是基带信号带宽的2倍。   （2-3）调方法：接收端MASK信号可以采用相干或非相干的方法进行解调。解调后得到多电平的基带信号，可以通过码型变换还原为二进制数字序列。图所示为MASK信号采用相干解调法框图。2.3 4ASK调制解调原理振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）是利用载波的幅度变化来传递数字信号，而其频率和初始相位保持不变。在4ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应四进制信息“0” 或“1”或 “2” 或“3”。MASK信号的一般表达式为： (2-4) 其中 (2-5)式中：Ts为码

7、元持续时间；g(t)为持续时间为Ts的基带脉冲波形，为简便起见，通常假设g(t)是高度为1、宽度等于Ts的矩形脉冲；an是第n个符号的电平取值。MASK信号的产生方法通常有两种：数字键控法和模拟相乘法，相应的调制器如图1-1所示。图（a）就是一般的模拟幅度调制的方法，用乘法器实现；在码元间隔0tTS内，可能发送的码元有M 种：Si(t)，i=1，2，.，M。实际应用中，通常取M = 2k（k>1为整数）。M 进制幅度键控（MASK）使用M 种可能的取值对载波幅度进行键控，在每个码元间隔TS内发送其中一种幅度的载波信号。四进制幅度键控是使用4种可能的取值对载波幅度进行键控，在每个码元间隔T

8、S内发送其中一种幅度的载波信号。如下图所示：图2-3 基带四电平单极性不归零信号图2-4MASK信号 （2-6） 4ASK波形图：图2-5 4ASK波形图 解调的两种方法包络检波和相干解调的原理图如图2-6和图2-7所示 图2-6 包络检波法示意图图2-7 相干法解调示意图 三、运行环境及MATLAB简介3.1运行环境： 本次课程设计是在MATLAB上完成软件的设计与仿真的，运用MATLAB 语言实现了数字基带信号的4ASK调制的模拟，并得到二进制基带信号和相应得四进制基带信号以及4ASK调制信号的波形显示，最后给出了整体调制和解调的模块图和仿真波形。3.2 MATLAB简介：MATLAB是一

9、个高级的阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C+语言基础上的，因此语法特征与C+语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。MATLAB包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所

10、使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从Matlab诞生

11、开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本。 Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识，这就是Matlab真正在全

12、世界推广开来的原因。目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。 四、详细设计载波信号产生器（carry_wave）：产生对应于基带信号“1”的载波，后续的调制可以方便地利用它进行幅度变换。调制模块（modulation）：输

13、入信号为基带信号和载波信号，根据基带信号的变化改变载波信号的幅度，产生4ASK的调制信号。解调模块（demodulation）：根据输入的4ASK 信号的局部最大幅度，判断对应的基带信号，最终解调出4ASK 对应的基带信号。4.1载波信号的调制 利用100 进制的计算器循环计数，随后将计数的结果作为载波的采样信号的存储地址。每当计数达到99 时，就会产生一个周期的载波，再根据基带信号确定对载波的乘法系数，从而产生所有基带信号所对应的正弦载波。另外，因为利用可编程逻辑器件，不能产生负电平，所以设计时产生的载波信号和调制信号都是在127 个量化单位的基础上累加的，即在程序中的载波信号y(n)的幅度

14、与0 基准电平载波x(n)的幅度有如下关系： （4.1）而调制信号的幅度与载波信号之间的幅度有如下关系： (4.2)式中N0，1，2，3，它与基带信号的“0”、“1”、“2”、“3”相对应。4.2调制信号的解调利用对调制信号幅值的大小持续检测，可以从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号的最大振幅。在设计过程中对连续的9 个调制信号流进行采样，随后比较是否中间的比两端的大，如果大，说明挑选到了最大振幅。理论上基带信号“3”、“2”、“1”所对应的最大幅度分别为253 （127126）、211 （12784）、169（12742）。在实际设计中，考虑到一定的阈值，当最大

15、幅值大于250 时，解调出基带信号“3”，否则当最大幅值大于208时，解调出基带信号“2”，上述条件不满足的时候，解调出基带信号“1”。当连续检测的9 个调制信号流等大的时候，说明此时该调制信号对应的是基带信号的“0”。 4.3编程语言1.基带信号的调制过程M=4; d=1; t=0:1/1e3:0.999; a=randint(1,20,2); for n=0:9sym(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(3,1,1);plot(t,a(ceil(100*t+0.1)/5);

16、 axis(0,1,-0.2,1.2); subplot(3,1,2); plot(t,sym(ceil(10*t+0.01); subplot(3,1,3); plot(t,s)2解调过程%M-aryM=4; d=1; t=0:1/1e3:0.999; a=randint(1,20,2); for n=0:9sym(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(3,1,1); plot(t,a(ceil(100*t+0.1)/5); axis(0,1,-0.2,1.2);subplot

17、(3,1,2);plot(t,sym(ceil(10*t+0.01); subplot(3,1,3);plot(t,s)产生对应于基带信号“1”的载波，后续的调制可以方便地利用它进行幅度变换。调制过程：输入信号为基带信号和载波信号，根据基带信号的变化改变载波信号的幅度，产生4ASK的调制信号。解调过程：根据输入的4ASK 信号的局部最大幅度，判断对应的基带信号，最终解调出4ASK 对应的基带信号。4.4测试结果 基带信号调制图形如下图所示：图4-1 基带信号调制图形 五、调试分析在载波产生和调制方面如果利用级数计算来产生正弦载波，则所耗费的计算量较大。此处设计时采用了查表法来产生正弦载波，即将

18、一个周期的正弦波通过100 点采样得到时域离散信号，随后将采样得到的数据进行存储，若要产生一个周期的正弦波时，就将存的数据依次读出。如果除了基带信号“0”以外，其它的基带信号所对应的载波都利用查表法来实现，则需求的硬件资源较大，所以设计时采用只产生一个基带信号所对应的正弦波，而其它的基带信号是在该正弦波的基础上进行幅度改变产生的。因为载波振幅之间的关系存在着3 倍关系，而VHDL 不能直接计算除以3 的运算，所以设计时采用先产生代表基带信号“1”的正弦载波，随后代表基带信号“2”和“3”的载波幅度可以在已产生的载波的前提下分别乘以2和3 来产生。在解调方面利用对调制信号幅值的大小持续检测，可以从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号的最大振幅。在设计过程中对连续的9 个调制信号流进行采样，随后比较是否中间的比两端的大，如果大，说明挑选到了最大振幅。理论上基带信号“3”、“2”、“1”所对应的最大幅度分别为253 （127126）、211 （12784）、169（12742）。在实际设计中，考虑到一定的阈值，当最大幅值大于250 时，解调出基带信