通信原理课程设计报告2ASK与PAM混合调制与相干解调系统防真毕业论文

1、. . . . 通信原理课程设计报告课程设计任务书学院 通信工程 专业课程名称通信原理时间20102011学年第一学期1920周学生指导老师吴志敏题 目2ASK与PAM混合调制与相干解调系统仿真主要容：利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个2ASK与PAM混合调制与相干解调通信系统，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。要求：1）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。2）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，用频谱分析模块观察调制前后

2、信号频谱的变化。3）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：用高斯白噪声模拟有线信道，并将噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。 4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部容，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。应当提交的文件：（1）课程设计学年论文。（2）课程设计附件（主要是源程序）。课程设计成绩评定学 院 城南学院 专 业 通信工程 班 级 通信0801 学 号 学生 * 指导教师 吴志敏 完成日期 2011年1月14日 指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中与格不与格课程设计中的创造性成果学生掌握课程容的

3、程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩 指导教师签字 年 月 日2ASK与PAM混合调制与相干解调系统仿真学生： 指导老师：吴志敏摘 要本课程设计主要用Simulink平台仿真一个2ASK与PAM混合调制与相干解调通信系统，分别在理想信道和非理想信道中运行。并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。在课程设计中，首先根据原理画出图形，然后构建调制解调电路，再在Simulink中调出各元件组成电路，接着设置调制解调电路中各个模块的参数值并加以运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设置的系统性

4、能 。通过波形分析，了解到本课程设计非常成功。关键词 Simulink；2ASK；PAM；调制；解调；仿真。目录1 引 言11.1 课程设计目的11.2 课程设计具体要求21.3 设计平台22 Simulink简介32.1Simulink仿真平台简介33设计原理43.12ASK调制与解调原理43.2 PAM调制与解调原理54具体实现84.1 2ASK与PAM混合调制94.2 PAM与2ASK相干解调134.3加入高斯噪声的2ASK与PAM混合调制与相干解调145遇到的问题与解决的办法20结束语21参考文献221 引 言通信(Communication)就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息

5、的传输与交换，其目的是传输消息。然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信(Telecommunication)，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差

6、错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且性好。数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以与超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。同时高效的数据压缩技术以与光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。因此，数字通信的应用必将越来越广泛。本课程设计主要是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PAM与2ASK混合调制与相干解调通信系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果

7、输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。1.1 课程设计的目的通信原理课程设计是重要的实践性教学环节。在进行了专业基础课和通信原理课程教学的基础上，设计或分析一个简单的通信系统，有助于加深对通信系统原理与组成的理解。通过课程设计，可以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与接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识。并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使我们在所学知识的综合运用能力上以与分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。同时通过课程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和团队协作精神。而在同时也能加深对MA

8、TLAB开发环境的另一作用的了解，Simulink功能强大，界面友好，是一款很不错的仿真工具1，在这次设计中，我们用到了此环境的Simulink平台，这个平台是我们以前较少接触过的。因此在这次课设中，我们了解了MATLAB 的Simulink这个系统的功能。为我们以后做数字通信系统方面提供了更多的基础知识和经验。1.2 课程设计具体要求1）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。2）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，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。3）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的

9、传输：用高斯白噪声模拟有线信道，噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。 4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部容，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。1.3设计平台此设计平台是MATLAB集成环境下的Simulink平台。Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模围广泛，可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶与汽车等，其中包括了连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。Simulink提供了利用鼠

10、标拖放地方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以与不同的专业模块机集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。除此之外，Simulink还支持 Stateflow,用来仿真事件驱动过程4。Simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。2 Simulink简介2.1 Simulink仿真平台简介Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现

11、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、数字控制与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。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、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simul

12、ink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、建模环境的定制以与信号参数和测试数据的定义。设计仿真模型时，从模型库中选中模块，单击鼠标右键，选择"Add to untitled"，或直接把模块拖到仿真模型中，即可加入模块。Simulink模型库窗口还提供了查找功能，单击按钮，在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字，单击"Find Next"即可自动搜索整个模型库。在过去几年中，S

13、imulink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。3 设计原理3.1 2ASK调制与解调原理一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理一样，但是数字信号有离散取值的特点。因此有两种基本调制方法：一是可以把数字信号当成特殊的模拟信号处理；二是利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制，称之为键控法3。振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度有无分别对应二进制信息“1”和

14、“0”。2ASK信号的产生方法有两种：模拟调制法和键控法。本次设计采用模拟调制。ASK解调也有两种方法，分别为非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）3。2ASK信号可表示为： 式中,为载波角频率，s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列 其中，g(t)是持续时间为、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数； 为二进制数字 。2ASK信号的产生的两种方法（调制方法），如图所示。图(a)是一般的模拟幅度调制方法；图(b)是一种键控方法，这里的开关电路受控制。图(c)给出了与的波形示例。二进制幅度键控信号，由于一个信号状态始终为0，相当于处于断开状态，故又常称为通断键控信号（OOK信号）。图3.1 2A

15、SK信号的产生方法2ASK信号解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检测法。而在本设计当中仅用到了相干检测法，其原理图见图3.2。调制信号经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出s(t)信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响与传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。图3.2 2ASK的相干解调原理框图在选择数字调制和解调方式时，还应考虑它的最佳判决门限对信道特性的变化是否敏感。在2FSK系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来作出判断的。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限电平为零，与接收机输

16、出信号的幅度有关。因此，它不随信道特性的变化而变化。这时，接收机容易保持在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2 （当时），它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度a将随着发生变化；相应地，判决器的最佳判决门限电平也将随之改变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，从而导致误码率增大。因此，就对信道特性变化的敏感性而言，2ASK性能最差。当信道存在严重的衰落时，通常采用非相干接收，因为这时在接收端不易得到相干解调所需的相干载波。当发射机有严格的限制时，可考虑采用相干接收。因为在给定的码元传输速率与误码率的条件下，相干接收所要求的信噪

17、比要比非相干接收3.2 PAM调制与解调原理PAM类似于AM，用二进制脉冲序列作为载波受控于基带信号的幅度，就是取样定理。而解调只需通过相关的低通滤波器，滤出基带信号。(1) 幅度调制原理  设脉冲载波以s(t)表示，它是由脉宽为秒、重复同期为Ts秒的矩形脉冲串组成，其中Ts是按抽样定理确定的，即有Ts=1/(2)秒。其产生方框图为3.3(a)所示，基带信号的波形与频谱如图3.3(b)所示；脉冲载波的波形与频谱如图3.3(c)所示；已抽样的信号波形与频谱如图3.3(d)所示。图3.3矩形脉冲为载波调制原理与波形和频谱因为已抽样信号是与的乘积，所根据频率卷积定理，可以写出相应

18、的频域表达式：(3-6)式(3-6)中是的频谱函数，根据信号的定义可以认为，表示的矩形脉冲串是由脉宽为秒的门函数与周期性冲激函数卷积得到，根据频率卷积定理，其相应的时域和频域表达式分别如下：(3-7)     (2) PAM的解调原理图3.4 矩形脉冲为载波解调原理图分析式(3-7)可以发现，当 = 0时得到的频谱函数为，与信号的频谱函数进行比较，只是差一个比例常数，因此，采样频率只要满足，就可以用一个带宽满足的理想低通滤波器，把的成分取出来，以不失真地恢复的波形如图3.4所示。4具体实现利用Simulink仿真平台构造出的2ASK与PAM混合

19、调制与非相干解调系统如4.1所示。图4.1 2ASK与PAM混合调制与相干解调仿真图如仿真图所示，系统设置了四个示波器，分别表示2ASK调制，2ASK和PAM混合调制,2ASK与PAM混合调制后解调和加入三种噪声后的输出信号。此外，系统中在相应部分接入若干频谱分析模块，便于比较调制前后的信号的频谱变化。仿真系统架构，不仅要找对每个对应的模块，还要对每个模块进行正确的参数设置。在这里主要列举相干解调的三个主要模块的参数设置图，如图4.2、4.3、4.4、4.5所示。图4.2 带通滤波器参数设置 图4.3低通滤波器1的参数设置图4.4低通滤波器2的参数设置 图4.5抽样判决电平值设置4.1 2AS

20、K与PAM混合调制在仿真系统中，用“Bernoulli BinaryGenerator”模块产生随机二进制脉冲序列；用“Sine Wave”函数产生正弦波作为载波。此时需将载波频率设为相对高频，具体如下图。图4.6 随机二进制脉冲序列参数设置 图4.7 正弦波参数设置再从相应模块调出乘法器“product”。脉冲与载波两者通过乘法器相乘，即可获得2ASK调制信号。用“Power Spectral Density”分析，2ASK调制前后的信号频谱如图4.8与图4.9所示；2ASK调制的全过程则通过示波器1观察，如图4.10所示。图 4.8ASK调制前频谱图 图4.9ASK调制后频谱图从以上两幅频

21、谱图可以看出，调制前后的功率谱波形基本一致，但是存在一定的延时，由此可得出结论：调制成功。图 4.10 2ASK调制波形图通道1是2ASK信号的原始波形，通道2是标准正弦波，通道3是调制后的波形，经过对波形的观察，可以知道该调制过程是成功的。因为是混合调制，所以将2ASK调制信号作为PAM调制的基带信号处理。另外从Simulink树状图中调出“Pulse Generator”，用来产生二进制脉冲，具体参数设置如图4.11。两者通过乘法器相乘后，即可得出混合调制信号。PAM调制前后的信号频谱如图4.12和4.13所示。混合调制过程则通过示波器2观察得出，如图4.14所示。图 4.11 二进制脉冲

22、参数设置图图4.12 PAM调制前频谱图 图4.13 PAM调制后频谱图通过对以上两幅图进行比较，调制前后的功率谱波形一致，所以调制成功。图4.14 混合调制过程图图4.14道1是2ASK调制后的波形图，通道2是二进制脉冲产生的PAM原始波形图，通道3是混合调制波形图，通道4是混合调制后的信号经过带通滤波器之后的波形，从图中可以看出该调制过程很成功。4.2PAM与2ASK相干解调将调制信号进行相干解调，为了无失真地恢复原始基带信号，调制信号需要与一样频率的载波相乘，经过低通滤波器去除低频分量，可得到原始的基带调制信号。相干解调信号模型如图4.15。具体电路图如上图4.1，相关参数设置如图4.2

23、、4.3、4.4、4.5所示。图4.15 相干解调信号的模型由模型以与结合本设计要求得到的波形图如图4.16所示，通道一为基带信号，通道二为混合信号解调后的波形，通道三为混合信号经过PAM解调后的波形，通道四为混合信号经过PAM解调后再滤波的波形，通道五为第二次解调后的信号波形，通道六为第二次解调后再通过低通滤波器滤波后的信号波形。同时我们可以看出通道四的经过PAM解调再滤波的波形与图4.10的通道三调制后的2ASK波形一致。而且通道二的调制后波形与通道一的基带信号相对比，除了产生延时情况之外，波形与基带信号一样，而延时是不可避免的。由此看出，做出的模型成功。图4.16 相干解调波形图4.3

24、加入高斯噪声的2ASK与PAM混合调制与相干解调所谓高斯白噪声是指由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布的这类热噪声，其高斯白噪声的参数设置如图3.17。图3.18是加入高斯白噪声的原理图，则在调制信道与相干解调信道之间，加入高斯白噪声，将调制信号与白噪声相加即可。图4.17 高斯噪声参数设置图4.18 加入高斯白噪声的2ASK与PAM的混合调制与相干解调防真图图4.19 加入高斯噪声后混合调制图图4.19道1是2ASK调制后的波形图，通道2是二进制脉冲产生的PAM原始波形图，通道3是混合调制波形图，通道4是混合调制后的信号加上高斯白噪声再经过带通滤波器之后的波形，对比

25、此图的通道4与图4.14的通道4可以看出高斯白噪声对信号产生了一定影响。解调模块抽样判决器设置如图4.20，其他设置与理想状态下一致。图4.20 加入高斯噪声后抽样判决器设置图4.21 加入方差为50的高斯噪声后相干解调的相关波形加入方差为50的波形，如图4.21所示，通道一为基带信号，通道二为混合信号解调后的波形，通道三为混合信号经过PAM解调后的波形，通道四为混合信号经过PAM解调后再滤波的波形，通道五为第二次解调后的信号波形，通道六为第二次解调后再通过低通滤波器滤波后的信号波形。把此图与理想状态下的图4.16比较，通道三、四、五的波形都出现了部分失真以与幅度的变化，所以说高斯白噪声对信号

26、产生了部分影响。方差改为1000高斯白噪声后，得到图4.22，由此可以看出，信号出现的失真现象更明显，这表明高斯白噪声的方差越大，对信号产生的失真越明显。图4.22 加入方差为1000高斯噪声后相干解调的相关波形从下图4.23和4.24功率谱密度分析图4.23理想信道输出频谱 图4.24 高斯噪声输出频谱图中第一个波形表示历史时间，第二个波形显示为功率谱，第三个表示为频率。对比理想信道输出的功率谱与加入1000方差的高斯噪声的功率谱知：加入高斯白噪声解调波形的功率谱发生了一定的变化，同时存在着一定的延时；对此，虽然实际中噪声的影响不可避免，但是我们应该尽量减小噪声的影响，使得信号传输更加地清晰

27、与完整。正弦波加窄带高斯噪声的包络分布与信噪比有关。由此可见，我们要在可能的条件下尽量地提高系统的信噪比，让传输信号最大不失真。5 遇到的问题与解决办法初次接触Simulink仿真时不知从何下手，而且又全是英文界面，根本看不懂，以致我不知道到哪里去找相关模块。后来经过老师的讲解与上网上图书馆查阅资料，开始了解到了函数库的分布和容，为我们下面的设计打下了很好的基础。本次课程设计遇到的最大问题也是花费时间最长的就是相关仿真器件的属性以与器件参数设置拿捏不准，比如滤波器的频率高低，参数大小都不确定，不合适的频率、参数大小将导致信号失真。调试时需要自己一个一个的慢慢调节再加上老师的指导，根据示波器观察的波形多次改变得出准确结果。在做相干解调部分时，没有正确区分相干解调和非相干解调，在做PAM解调时漏掉了乘法器，从而导致波形失真，无确显示。经老师指点，加上乘法器，通过相应的调节，改变各元件的参数，终于得到正确的波形。观察波形进行比较时，要将所比较的信号放到同一个示波器进行观察，当所需的信号波形都一一比较真确后，再从新连好图形。当理想信号和噪音信号在进行