PAM传输系统的建模与仿真

1、Tianjin TianShi College 通信系统建模与仿真实践报告院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期： PAM传输系统的建模与仿真院 别： 信息与自动化学院专 业： 通信工程年 级： 2011级学生姓名： 何芳龙、冯军源、张泽鹏 指导老师： 赵 琳院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期：院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期：院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期：院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期：目 录1 概述11.1 研究内容11.2课程设计要求12 PAM系统调制与解调基本原理22.1 PA

2、M系统概念22.1.1 PAM调制原理PAM调制信号的频谱22.1.2 PAM调制信号的频谱22.2 MATLAB 简介33 PAM系统的Simulink仿真与性能分析.43.1随机信号调制43.2随机信号波解调63.3整体仿真电路104 PAM调制的误码性能研究与仿真104.1PAM信号的符号错误率104.2绘制曲线程序114.3模拟性能曲线115 总结126 致谢127 参考文献131 概述本设计主要介绍了四进制PAM调制与解调过程，调制前后发生的变化，加上噪声后波形出现的各种变化，通过星座图、眼图、波形图等来观察。在课程设计中，系统开发平台XP，程序设计与仿真均采用MATLAB集成环境下

3、的Simulink仿真平台，最后利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个PAM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,观察波形变化;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。1.1 研究内容利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个PAM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；观察波形变化；最后根据运行结果和波形来分析该系统。1. 2 课程设计要求（1）学习通信仿真软件MATLAB的基本使用方法，学会使用这些软件解决实际系统出现的问题。 (

4、2）利用通信原理中所学到的相关知识，在Simulink仿真平台中设计PAM仿真系统，并用示波器观察调制与解调后的波形。 (3）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，分析模块观察调制前后信号调试图的变化。2 PAM系统调制与解调基本原理2.1 PAM系统概念PAM脉冲幅度调制，其主要是对于抽样定理的应用。用调制信号控制脉冲序列的幅度，使脉冲幅度在其平均值上下随调制信号的瞬时值变化。因为人发出的语音信号的频率是介于300Hz-3.4kHz之间，而根据奈奎斯特抽样定理-抽样频率应大于或是等于信号最高频率的两倍，通过计算抽样频率可得到8KHZ频率即可满足要求，频率越高抽样的

5、效果越好失真度越小，还原出来的信号最能符合原语音信号。PAM中还有一些其他要注意的地方，比如，用方波产生电路产生的锯齿波直接拿来进行抽样最后的效果不会太好，所以必须经过一些“加工和处理”；然后还有就是最后取样们的设计也需要尽量让失真度最小。因此，PA调制对于载波的产生很关键。2.1.1 PAM调制原理 通常人们谈论的调制技术是采用连续振荡波形(正弦型信号)作为载波的，然而，正弦型信号并非是唯一的载波形式。在时间上离散的脉冲串，同样可以作为载波，这时的调制是用基带信号去改变脉冲的某些参数而达到的，人们常把这种调制称为脉冲调制。通常，按基带信号改变脉冲参数(幅度、宽度、时间位置)的不同，把脉冲调制

6、分为脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)等。 所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。脉冲幅度调制的理论基础是抽样定理。对于一个最高频率为 m 的带限信号，当抽样频率大于两倍的m 时，我们可以从抽样信号中恢复出原来的信号。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则前面所说的抽样定理，就是脉冲振幅调制的原理。但是，实际上真正的冲激脉冲串是不可能实现的，而通常只能采用窄脉冲串来实现，因此，研究窄脉冲作为脉冲载波的PAM方式，将更加具有实际意义。2.1.2 PAM调制信号的频谱基带模拟信号的波形为m(t)，其频谱为M(f)；用这个信号对一个脉冲载波s(t)调幅

7、，s(t)的周期为T，其频谱为S(f)；脉冲宽度为，幅度为A；并设抽样信号ms(t)是m(t)和s(t)的乘积。则抽样信号ms(t)的频谱就是两者频谱的卷积它与理想抽样（采用冲击序列抽样）的频相似，也是由无限多个间隔为s=2H的M()频谱图之和组成。其中, n=0的成分是(A/T)M()，与原信号谱M()只差一个比例常数(A/T)，因而也可用低通滤波器从Ms()中滤出M()，从而恢复出基带信号m(t)。平顶抽样的脉冲调制平顶抽样又叫瞬时抽样，它与自然抽样的不同之处在于它的抽样后信号中的脉冲均具有相同的形状顶部平坦的矩形脉冲，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。平顶抽样PAM信号在原理上可以由理想抽样

8、和脉冲形成电路产生，其原理框图及波形如图 1-9 所示，其中脉冲形成电路的作用就是把冲激脉冲变为矩形脉冲。设基带信号为m(t)，矩形脉冲形成电路的冲激响应为H(t)， m(t)经过理想抽样后得到的信号ms(t)可用下式表示， 即 （1-2） 上式表明，ms(t)是由一系列被m(n Ts)加权的冲激序列组成，而m(n Ts)就是第n个抽样值幅度。经过矩形脉冲形成电路，每当输入一个冲激信号， 在其输出端便产生一个幅度为 m(n Ts)的矩形脉冲H(t)，因此在ms(t)作用下，输出便产生一系列被m(nT)加权的矩形脉冲序列，这就是平顶抽样PAM信号mH(t)它表示为： （1-3） 设脉冲形成电路的

9、传输函数为H()， 则输出的平顶抽样信号频谱图MH() MH()=Ms()H() (1-4) 利用式（1-4）的结果，上式变为： (1-5)由上式看出，平顶抽样的PAM信号频谱MH()是由H()加权后的周期性重复的M()所组成，由于H()是的函数，如果直接用低通滤波器恢复，得到的是H()M()/Ts，它必然存在失真。以上按自然抽样和平顶抽样均能构成PAM通信系统，也就是说可以在信道中直接传输抽样后的信号，但由于它们抗干扰能力差，目前很少实用。 它已被性能良好的脉冲编码调制(PCM)所取代。PAM解调原理解调是调制的逆过程，信号解调的方法包括两种，相干解调（同步检波）与非相干解调（包络检波）。解

10、调与调制的实质一样，均是频谱搬移，可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。本次设计采用相干解调时，为了无失真地恢复基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波（同频同相）本地载波。为了从mq(t)中恢复原基带信号m(t)。在滤波之前先用特性为1/Q()频谱图校正网络加以修正，则低通滤波器便能无失真地恢复原基带信号m(t)。在实际应用中，平顶抽样信号采用抽样保持电路来实现，得到的脉冲为矩形脉冲。实际应用中，恢复信号的低通滤波器也不可能是理想的，因此考虑到实际滤波器可能实现的特性，抽样速率fs要比2fH选的大一些，一般fs=（2.53）fH。例如语音信号频率一般为 3003400 Hz，抽样速率fs一

11、般取8000 Hz。3 PAM系统的Simulink仿真与性能分析在本次课设中我们做的是调制解调分开的4进制的PAM系统的仿真及误码率的分析。3.1随机信号调制建立基本波形是随机信号的4-PAM的基带仿真模型并观察通过高斯信道传输前后的信号星座图。（1）原理图，如图所示图3-1 调制原理图（2）参数设置图3-2 Random integer Generator的参数设置（3）随机信号参数设置图3-3 M-PAM Modulator Baseband的参数设置图3-4 M-PAM Demodulator Baseband的参数设置3.2随机信号波解调（1）仿真图形图3-5 随机信号波的仿真图图3

12、-6（4-PAM解调仿真图形）（2）参数设置图3-7 Random integer Generator的参数设置图3-8 AWGN Channel的参数设置图3-9 M-PAM Modulator Baseband的参数设置图3-10信噪比为10的星座图图3-11信噪比为60的星座图3.3整体仿真电路图3-12 整体仿真图4.PAM调制的误码性能研究与仿真仿真研究：M=2,4,8,16,32的PAM调制的误码性能 要求：1.给出仿真模型； 2.给出模拟性能曲线； 横坐标SNR per bit rb(028dB) 纵坐标符号错误率Pe 3.对不同调制的性能给出分析。4.1 PAM信号的符号错误率

13、 式中r为接收信号的相位，()rrp为相位rQ的概率密度函数。一般情况下，()rrp的积分不能简化成简单的形式，除M=2和M=4外，必须采用数值计算。但在大M值和大SNR值情况下可以利用 ()rrp的近似表达式来求得符号错误率的近似值。 当M分别为2 4 8 16 32，是分别带入公式中则可计算出相应的误码率。表示比特信噪比（SNR），函数Qx的定义为4.2绘制曲线的程序% Analysis of the symbol error probability for M-PAM and % M-PPM signals % The function computes and plots the sy

14、mbol error % probability for M-PAM and M-PPM signals Eb_N0 = logspace(0,2.8); M = 2 4 8 16 32; for i=1:5 M_PAM(i,:)=(1-1/M(i)*erfc(sqrt(Eb_N0 * 3 *log2(M(i)/(M(i)2-1); end F=figure(1); set(F,'Position',100 190 650 450); set(gcf,'DefaultAxesColorOrder',1 0 0,'DefaultAxesLineStyleO

15、rder', '-|-*|-|:x|-'); PT=semilogy(10*log10(Eb_N0),M_PAM''); L= legend('2-PAM','4-PAM','8-PAM','16-PAM','32-PAM'); set(L,'FontSize',12); set(PT,'LineWidth',1); X=xlabel('SNR Per bit rb'); set(X,'FontSize',14)

16、; Y=ylabel('Pr_e'); set(Y,'FontSize',14); AX=gca; set(AX,FontSize,12); axis(0 28 1e-6 1e0); set(AX,'XTick', 0 4 8 12 16 20 24 28)4.3模拟性能曲线图4-1 SNR Per bit rb5.总结在本例的Simulink仿真程序中，更改信号源和调制器的参数可以改变进制M值，更改信道模型可以调整信道的信噪比。通过改变参数可得到不同条件下的误码率实验结果。 1、不同条件下误码率性能仿真结果分析： PAM调制系统在不同信噪比条件

17、下的误码率性能比：系统误码率随信道信噪比上升逐渐下降，且不同调制模式的变化趋势基本同理论值吻合。 2、固定符号错误概率的情况： 从图4-1可以看出，当符号错误概率一定的情况下，随着M值的增大，比特SNR也增大。这也就是说，随着M值的增大，要想获得相同的符号错误概率，就必须增大比特SNR。 综合以上两点可以看出，随着M值的增大，性能逐渐变差。但同时我们也应该注意到，随着M值的增大，传输速率也逐渐提高，从而提高了有效性。因此在设计通信系统选择MPSK调制方式时，要综合考虑其可靠性和有效性，选择合适的M值。6 致谢本次课程设计能够顺利完成最大的帮助就是赵老师以及队友之间的相互协作。赵老师从设计题目到资料搜索一直尽心尽力甚至帮我们修改设计方案她都不辞辛苦，每当我们遇见不懂的问题时老师总能给予细心的回答。费了赵老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！最后还要感谢队友，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题解决问题，并指出我们设计方案时的的误区，使我