二进制数字频带传输系统设计——ASK

1、 目 录1技术要求12基本原理12.1 2ASK定义12.2 2ASK的调制22.3 2ASK的解调32.4 2ASK功率谱密度32.5 眼图43 建立模型描述53.1 SystemView方案53.2 Simulink方案64 功能模块分析或源程序代码74.1 SystemView功能模块分析74.2 Simulink功能模块分析105 调试过程及结论115.1 SystemView调试过程及结论115.2 Simulink调试过程及结论156 心得体会177 参考文献18二进制数字频带传输系统设计2ASK系统1技术要求设计一个2ASK数字调制系统，要求：（1）设计出规定的数字通信系统的结构

2、；（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）； （3）用Matlab或SystemView 实现该数字通信系统；（4）观察仿真并进行波形分析； （5）系统的性能评价。2基本原理2.1 2ASK定义振幅键控是正弦载波的幅度随着数字基带信号而变化的数字调制，当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控.。设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示S(t)=其中：Ts是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲： 则二进制振幅键控信号可表示为：二进制振幅键控信号时间波型如图

3、2-1所示，可以看出2ASK信号的时间波形S2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号(OOK信号)。图2-1 2ASK信号时域波形2.2 2ASK的调制二进制振幅键控信号的产生方法有两种。第一种，2ASK信号可视为S(t)与载波的乘积，故用模拟乘法器实现其调制，成为“乘积法”。第二种，2ASK信号的特征是对载波的“通断键控”，用一个模拟开关作为调制载波的输出通/断控制门，由二进制序列S(t)控制门的通断：S(t)=1时开关导通，S(t)=0时开关截止，这种调制方法成为“通断键控法”。2ASK“乘积法”调制的原理框图如图2-2所示， “通断键控法”调制的原理框图如图

4、2-3所示。 图2-2 2ASK调制乘积法图2-3 2ASK调制通断键控法2.3 2ASK的解调由图2-1可以看出2ASK信号与模拟调制中的AM信号类似，所以对2ASK信号也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)。2ASK非相干解调原理框图与相干解调原理框图分别如下图2-4、图2-5所示：图2-4 2ASK信号非相干解调原理框图图2-5 2ASK信号相干解调原理框图2.4 2ASK功率谱密度由于二进制序列一般为随机序列，其频域分析的对象应为信号功率谱密度。设为归一化矩形脉冲，若的傅氏变换为，则为二进制随机单极性矩形脉冲序列，且任意码元为0的概率为P，则的功率谱密度表达式为：式

5、中，；Hz，并与二进制序列的码元速率Rs在数值上相等。可以看出，单极性矩形脉冲随机序列含有直流分量。2ASK信号的双边功率谱密度表达式为：表明，2ASK信号的功率谱密度由两个部分组成：（1）由经线性幅度调制所形成的双边带连续谱；（2）由被调载波分量确定的载频离散谱。图2-6为2ASK信号的单边功率谱示意图。图2-6 二进制振幅键控信号的功率谱密度对信号进行频域分析的主要目的之一就是确定信号的带宽。在不同应用场合，信号带宽有多种度量定义，但最常用和最简单的带宽定义是以功率谱主瓣宽度为度量的“谱零点带宽”，这种带宽定义特别适用于功率谱主瓣包含信号大部分功率的信号。显然，2ASK信号的谱零点带宽为：

6、（Hz）式中，Rs为二进制序列的码元速率，它与二进制序列的信息率（比特率）Rb（bit/s）在数值上相等。2.5 眼图眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼图”。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外，也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。一般而言，眼皮越厚，则噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。3 建立模

7、型描述3.1 SystemView方案1) 非相干解调（包络检波法）调制部分：采用模拟（乘积法）调制，包含的元件序号有0、1、2；解调部分：采用非相干解调法，包含的元件序号有3、4、5、6、7；图3-1 非相干解调法的总体模型模块说明：0为二进制随机NRZ信号，1为乘法器，2为正弦载波，3和5为低通滤波器，4为半波整流器，6为电压比较器，7为位同步信号，14为比特误码仪。2) 相干解调（同步检测法）调制部分：采用模拟（乘积法）调制，包含的元件序号有0、1、2；解调部分：采用相干解调法，包含的元件序号有3、4、5、6、7、8；图3-2 相干解调法的总体模型模块说明：0为二进制随机NRZ信号，1和

8、4为乘法器，2和5为正弦载波，3和6为低通滤波器，7为电压比较器，8为位同步信号，16为比特误码仪。3.2 Simulink方案调制部分采用的是乘积法，解调部分采用的是相干解调法。图3-3 基于Simulink的2ASK系统仿真总体框图1）二进制基带信号：图3-4二进制基带信号 2）正弦载波发生器：图3-5正弦载波发生器 3）带通滤波器：图3-6 带通滤波器 4）低通滤波器：图3-7 低通滤波器4 功能模块分析或源程序代码4.1 SystemView功能模块分析1) 非相干解调模块Token 0 是产生二进制的随机基带信号，选用的是Source Library里的PN Seg，其参数为：Amp

9、=1V，Offset=1V，Rate=10Hz，Levels=2，Phase=0 deg。如图4-1： 图4-1 Token 0参数设置Token 1 是乘法器，将载波和基带信号相乘，产生调制信号。选用的是Multiplier，默认没有参数可以设置。Token 2 是正弦载波产生器，选用的是Source Library里的Sinusoid，其参数为：Amp=1V，Freq=50Hz，Phase=0 deg，output 0=Sine t1。如图4-2所示： 图4-2 Token 2参数设置Token 3 是低通滤波器，滤除有效信号以外的噪声，选用的是Operator Library里的Line

10、r Sys Filters。它的详细的参数设置如图4-3所示：图4-3 Token 3参数设置Token 4 是半波整流器，作用是将2ASK信号的下半部分载波翻转到正半轴，选用的是Function Library里的Half Rctfy，参数为Zero Point =0V，Max Rate=500Hz。Token 5 是低通滤波器，滤除有效信号以外的噪声，选用的是Operator Library里的Liner Sys Filters。它的详细的参数设置如图4-4所示：图4-4 Token 5参数设置Token 6 是电压比较器，起到的作用是抽样判决器。选用的是Operator Library的

11、子目录Logic里的Compare，其详细参数为：a>=b，True Output=1V。如图4-5所示： 图4-5 Token 6参数设置Token 7 是位同步信号，选用的是Source Library 子目录Aperiodic里的Step Fct，其参数为Amplitude=200e-3 V，Start Time=0 sec，Offset=0V。如图4-6所示： 图4-6 Token 7参数设置Token 14 是比特误码仪，显示二进制移相键控数字调制与解调系统的比特误码率，参数设置为No. trials（bits）=100，Threshold=0.5，Offset=0。2) 相干

12、解调模块Token 0是产生二进制的随机基带信号，选用的是Source Library里的PN Seg，其参数为：Amp=1V，Offset=1V，Rate=10Hz，Levels=2，Phase=0 deg。Token 1和Token4是乘法器，将载波和基带信号相乘，产生调制信号。选用的是Multiplier，默认没有参数可以设置。Token 2和Token5是正弦载波产生器，选用的是Source Library里的Sinusoid，其参数为：Amp=1V，Freq=50Hz，Phase=0 deg，output 0=Sine t1。Token 3和Token6是低通滤波器，滤除有效信号以外

13、的噪声，选用的是Operator Library里的Liner Sys Filters。它们的参数设置同图4-3和图4-4。Token 7是电压比较器，起到的作用是抽样判决器。选用的是Operator Library的子目录Logic里的Compare，其详细参数为：a>=b，True Output=1V。Token 8是位同步信号，选用的是Source Library 子目录Aperiodic里的Step Fct，其参数为Amplitude=200e-3 V，Start Time=0 sec，Offset=0V。Token 16是比特误码仪，显示二进制移相键控数字调制与解调系统的比特误

14、码率，参数设置为No. trials（bits）=100，Threshold=0.5，Offset=0。4.2 Simulink功能模块分析原始二进制基带信号采用的是Bernoulli Binary Generator，参数如图4-7所示。图4-7 Bernoulli Binary Generator参数带通滤波器采用的是Analog Filter Design，参数如图4-8所示。图4-8 带通滤波器参数低通滤波器的参数如图4-9所示。图4-9 低通滤波器参数5 调试过程及结论5.1 SystemView调试过程及结论Systemview非相干解原理框图（如图5-1所示）图5-1 非相干解调

15、调试过程中各点的波形如下列各图所示：图5-2 NRZ信号波形图5-3 2ASK信号波形图5-4 经带通滤波器后信号波形图5-5 经半波整流器后信号波形图5-6 经包络检波器后输出波形图5-7 经抽样判决器后输出波形图5-8 2ASK调制信号与解调信号波形比较波形分析和结论：二进制的基带信号和正弦载波经过乘法模拟器得到调制信号，即为2ASK信号。已调信号经过信道时，受到不同噪声的干扰，导致在解调接收端出现的已调信号中混入了噪声，该已调信号经过半波整流器和抽样判决器后会输出二进制基带信号。此外，采用相干解调法所用模块要多一些，相应的实现电路也复杂一点，但二者实现的效果基本一致。由图中的结果比较可知

16、，发送端的二进制基带信号和接收端解调出的信号除了在时间上有少量的延迟，其它参量基本一致，故该包络检波解调系统能够实现正确地解调。因此，设计的2ASK数字信号载波传输系统能够正常地工作。以上2ASK调制信号功率谱与频谱波形图如5-8所示：图5-9 功率谱与频谱 以上2ASK调制解调系统眼图如5-10所示：图5-10 眼图 以上2ASK调制解调系统误码率如图5-11所示：图5-11 误码率5.2 Simulink调试过程及结论 Simulink调制过程中各点的波形如下列各图所示：图5-12 原始二进制基带信号图5-13 经过调制的2ASK信号图5-14 经过带通滤波器后的信号波形图5-15 经过相

17、干解调后的信号波形图5-16 经过低通滤波器后的信号波形图5-17 解调后接收端的波形结果分析：Simulink仿真采用的是相干解调法，各个模块的输出波形和SystemView仿真的结果基本一致。二进制的基带信号和正弦载波经过乘法模拟器得到调制信号，即为2ASK信号。已调信号经过信道时，受到不同噪声的干扰，导致在解调接收端出现的已调信号中混入了噪声，该已调信号经过乘法器、低通滤波器和抽样判决器后输出二进制基带信号。最后的接收端的解调输出波形和原始NRZ信号相比，有约1/3码元时间的延迟，其它参量是一致的。表明该系统可以实现2ASK数字调制系统的调制，传输和解调功能，符合设计要求。6 心得体会经

18、过两周的通信原理的课程设计，我完成了2ASK数字信号频带传输系统的设计。在设计的过中仍然遇到了很多问题，但最后通过自己的思考，我成功的完成了整体设计要求。通过前期自己查资料，思考课题，我学到了很多课外的知识。经过几天的修改，我完成了要求的设计方案，画出了设计原理框图。接下来我根据所画的原理框图运用SystemView和Simulink软件完成了原理图的设计，画完原理框图后用了一段时间对波形进行仿真调试。在调试的过程中，我遇到了一些问题，刚开始并不能正确输出所有的波形，经过错误分析与不断修改，最后解决了问题，能够正确运行并输出正确的仿真波形。通过本次实验，我对Systemview软件和Simulink软件的应用有了很多的学习，但是还是有很多地方不能熟练运用，在以后的学习中应该多锻炼，争取掌握的更好。这次课程设计，大大地提高了我的分析解决问题的能力，在这一过程中，我根据课程设计题目所给定的总题要求，独立设计、分析，在面对问题时，能够耐心思考，解决了很多问题，从中也学到了很多书面上所没有讲明的问题。总之，这次课程设计，让我学到了很多有用的知识，对我以后的学习有很大的帮助与提高。通过这次课程设计，我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了