Linux内核移植与编译

1、 *实践教学* 兰州理工大学计算机与通信学院2015年春季学期 通信系统仿真训练 题 目： 2ASK数字频带系统仿真 专业班级： 通信工程（2）班 姓 名： 董美玲 学 号： 12250217 指导教师： 王维芳 成 绩： 摘 要数字信号有两种传输方式，分别是基带传输方式和调制传输方式。在实际中通过数字基带信号对载波某些参量进行控制，使之随基带信号的变化而变化，这一过程即为数字调制数字调制为信号长距离高效传输提供保障，现已广泛应用于生活和生产中。另外根据控制载波参量方式的不同，数字调制主要有调幅（ASK），调频（FSK），调相（PSK）三种基本形式。本次课程设计针对于二进制的2ASK进行讨论，

2、主要应用MATLAB进行调制与解调仿真，如何产生基带信号，载波信号和设计滤波器，最终进行抽样判决及误码率性噪比分析，更加直观的了解2ASK数字调制系统的性能及影响其性能的各种因素，与其它系统相比的特点和优势。关键词：2ASK；调制与解调；仿真；分析 目录 前言1 一 基本原理21.1 2ASK的调制原理21.2 2ASK的解调原理3 二 2ASK的系统设计42.1 系统设计流程42.2 数字通信系统的基本模型42.3 抗噪声性能分析5 2.4 功率谱密度62.5 相干解调7 三 2ASK系统仿真103.1 调制仿真 10 3.2 解调仿真10 3.3 加噪声后的对比图11 3.4 误码率与信噪

3、比仿真12 3.5 利用Simulink进行仿真13 四 设计总结16 参考文献17 致谢18 附录19 前 言随着信息科学和计算机技术的不断发展，通信原理的理论和技术也得到了飞速的发展，并逐渐成为一门重要的学科，它的重要性在日常通信、图像处理、遥感、声呐、生物医学、地震消费电子、国防军事、医疗方面等显得尤为突出。在我们面临的信息革命中，通信原理几乎涉及了所有的工程技术领域。通信按照传统的理解就是信息的传输。在当今高度化信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。信息作为一种资源，只有通过广泛的地传播与交流，才能产生利用的价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经

4、济效益而通信作为信息传输的手段或方式，与传感技术，计算机技术相融合。ASK是一种应用最早的基本调制方式。其优点是设备简单，频带利用率较高；缺点是抗噪声性能，并且对信道特性变化敏感，不易使抽样判决器工作在最佳判决门限状态。数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。然而，在实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以始信号与信道的特性匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变为数字带通信号（已调信号）的过程称为数字调制。在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的

5、过程称为数字解调。一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同。但是数字信号有离散取值的特点。因此数字调制技术有两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制和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。数字信息有二进制和多进制之分，因此，数字调制可分为二进制调制和多进制调制。在二进制调制中，信号参量只有两种可能的取；在多进制中，信号参量可能有M（M>2）种取值。本次课程设计设计的是一个2ASK调制与解调系统用MATLA软件进行波形仿真观察相应的时间波形、功率谱图，根据图形分析该系统性能。22 一、基本原理1.1 2ASK调制原理开关电路 2ASK技术是通过改变载波信号的幅

6、值来表示二进制0或1的。载波根据0,1信息只改变其幅值，而频率和相位保持不变，用其最大值和0分别表示1和0。有一种常用的幅值键控技术是开关键控（OOK）,某一比特值用有没有电压值来表示。其优点是传输信息所需的能量下降了，且调制方法简单，2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法，相应的调制器如图1.1所示。图（a）是一般的模拟幅度调制的方法，用乘法器实现；图（b）是一种数字键控法，其中的开关电路受s(t）控制。二进制不归零信号1KS(t) 乘法器0S(t) (a) 模拟相乘法（b）数字键控法 图1-1 调制器 开关K的动作由决定，当 接收端接收信号传来的2ASK信

7、号，首先经过带通滤波器滤掉传输过程中产生的噪声干扰，再从中恢复原始信号。常用的解调方法有两种：包络解调法和相干解调法。 图1-2 2ASK信号时间波形1.2 2ASK解调的原理 ASK有两种基本的解调方法：非相干解调（包络剑波法）和相干解调（同步检测法），相应的接受系统如图1-3和图1-4所示。与模拟信号的接受系统相比这里增加了一个“抽样判决”方框，这对于提高数字信号的接受性能是必要的。 图1-3 非相干解调 带通滤波 器抽样判决 器低通滤波 器定时脉冲 相干波Z(t)y(t) X(t) 图1-4 相干解调法 图1-5 2ASK相干解调过程的时间波形二、2ASK的系统设计2.1系统设计流程 开

8、始 设置一个随机数字序列m 与载波信号相乘产生2ASK信号 对已调的2ASK信号加噪 通过butter低通滤波器 进行抽样判决Th0.25,判为1 解调出原始数字信号 结束 图2-1 设计流程图2.2数字通信系统的基本模型基带信号形成器信息源 信道受信者接收滤波器 噪声源 图2-2 系统基本模型从消息传输角度看,该系统包括了两个重要交换,即消息与数字基带信号之间的交换,数字基带信号与信道信号之间的交换.通常前一种交换由发收端设备完成.而后一种交换则由调制和解调完成.仿真框图可以分为四部分：（1） 数字信号的生成与调制： 数字信号的生成：数字信号采用Bernoulli binary genera

9、tor产生。 调制：数字调制有调幅、调相、调频三种基本形式，并可以派生出其它形式，数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。数字调制信号，在二进制时有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）。调制采用正弦载波数字调制系统，设定其频率为8000rad/sec,（2）数字信号在信道中的传输：将随机二进制信号与高频载波信号相乘后，通过带通滤波器，滤除干扰，然后通过加性的高斯白噪声信道（3）对接收到的信号进行解调：解调采用相干解调。（4）观察输出结果。这里有两个结果同时输出。在图形窗口中显示的是基带数字信号、信道上叠加的高斯

10、白噪声信号和计算出的同步信号。2.3 抗噪声性能分析1）定义：令为高斯随机过程，其功率谱密度 （2-1）则称为高斯白噪声。根据自相关函数与功率谱密度的关系，高斯白噪声的自相关函数为： 或 （2-2）其数学期望为0。白噪声的功率谱密度和自相关函数的关系图： 图2-3功率谱密度和自相关函数的关系图2）重要性质若，其中为确定函数，则为高斯随机过程，数学期望为0，方差等于：。若；其中，为确定函数。则： (2-3)若与在（0T）时间间隔内正交，即，则：与统计独立。带限高斯白噪声，其功率谱密度为 (2-4)其相关函数： （2-5） (2-6) (2-7)又因为，所以：与不相关，因为是高斯变量，所以统计独立

11、。K个抽样值的K维联合概率密度为 （2-8）2.4 功率谱密度 由于2ASK信号是随机的功率信号，故研究它频谱特性时，应该讨论它的功率谱密度。一个2ASK信号可以表示成 （2-9）其中，二进制基带信号是随机的单极性矩形脉冲序列。 若设的功率谱密度为,2ASK信号的功率谱密度为，则可知 （2-10）可见，2ASK信号的动率谱是基带信号功率谱的线性搬移。 单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式为 （2-11）式中：；是单个基带信号码元的频谱函数。 对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形的频谱特点，对于所有的的整数，有，故上式可化简 （2-12） 将其代入式（2.3-2），得 （2-13）当概率时，并

12、考虑，则2ASK信号的功率谱密度为 （2-14）其曲线如下图所示。图2-4 2ASK信号的功率谱密度示意图从以上分析及图可以看出：第一，2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连续谱取决于经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。第二，2ASK信号的带宽是基带信号带宽的2倍，若只计谱的主瓣，则有由此可见，2ASK信号的传输带宽是码元速率的2倍。 （2-15）2.5相干解调 相干解调法也叫同步检波，就是利用相干波和接收到的2ASK信号相乘分离出包含原始数据信号的低频信号，再进行抽样判决恢复数字序列。相干波必须是与发送端同频同相的正弦信号。在图1-4中： （2-16）上式中，1/2是

13、基带信号，1/2是频率为的高频信号，利用低通滤波器可检出基带信号，再经抽样判决，即可恢复出原始数字信号序列。2ASK信号带宽为码元速率2倍，即：，式中为信息速率。对于2ASK系统，设在一个码元的持续时间内，其发送端输出的信号波形可以表示为 （2-17）其中 （2-18）则在每一段时间内，接收端的输入波形为 （2-19）其中，为经信道传输后的波形。为简明起见，认为信号经过信道传输后只受到固定衰减，未产生失真（信道传输系数为K），令,则有 （2-20）而是均值为0的加性高斯白噪声。 假设接受端带通滤波器具有理想的矩形传输特性，恰好使信号无失真通过，则带通滤波器的输出波形为 （2-21）其中，是高斯

14、白噪声是经过带通滤波器的输出噪声。为窄带高斯噪声，其均值为0，方差为，且可表示为 （2-22）于是 （2-23）与相干载波相乘，然后由低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到的波形为 （2-24）其中，为信号成分，由于也是均值为0，方差为的高斯噪声，所以也是一个高斯随机过程，其均值分别为（发“1”时）和0（发“0”时），方差等于。设发“1”的概率为，发“0”的概率为，则同步检测时2ASK系统总的误码率为 （2-25） 三、2AS系统仿真3.1 基于 M 文件的 2ASK 调制仿真结果图及说明 编写 M 脚本文件，对数字序列 1101001101011001 进行 2ASK 调制与解调进行

15、仿真。 数字信号的码元速率 R B =1000Band ，载波频率为f carrv =4kHz 。 下面给出详细仿真程序及注释请见附录1，图1为调制仿真的结果。 本例采用 OOK 键控方式实现 2ASK 调制。第一行为数字序列波“ 1101001101011001 ”的单极性不归零码，码元宽度 T b =1/R b =0.001s；第二行为载波波形， 在一个码元宽度， 有 4 个周期的正弦载波信号， f=1/4T b =4kHz ；第三行为调整之后的波形，码元“ 1 ”对应的调制后波形对应正弦波，“ 0 ”对应的调制后波形为 0 。 仿真结果满足要求。 图1 调制仿真结果3.2 基于 M 文件

16、的 2ASK 解调仿真结果及说明 ASK 传输过程易受噪声影响。图2为对已调制后的信号进行相干解调的仿真图。图2中， 第一行波形为相干波与经带通滤波器滤波后的信号相乘的结果，即高频部分产生倍频z(t) ；第二行为 z(t) 经过低通滤波器滤波后，取出的低频包络信号，从图中可看出其幅度降为原来的 0.5 倍；第三行波形为抽样判决并恢复出的原数字序列； 第四行为原始数字序列，与恢复后的数字序列作比较，两列波相比，恢复后的信号与原始信号在波形上没有差异，只是恢复后的信号有一定的延时，这是由信号在信道中传播耗时和在解调系统中的延时等相叠加而成。 在本仿真设计中，为使仿真过程清晰，忽略了信道的传输延时等

17、，仅考虑了抽样判决点选取时的延时 0.5T b ，因码元波特率 R B =1000Band ，码元宽度 T b =1/R b =0.001s 故 0.5T b =0.0005s ，从图中标注可以看出，信号的起始点为 0.0005s 。 图2 相干解调的仿真图3.3加噪声后的信号对比图 图3 加噪后仿真图3.4 误码率与信噪比的关系图 图4 系统的性噪比与误码率关系 误码率是衡量一个数字通信系统性能的重要指标，在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达式的形式取决于解调方式，同时随着信噪比的增大，误码率在减小。相应的程序代码如下：figure(4

18、)a=0.01;SNR_db=-6:0.3:20;SNR=10.(SNR_db./10);SNR2=a.2./(2*SNR);ask_pe0=0.5*erfc(sqrt(a.2./(8*SNR2);semilogy(SNR_db,ask_pe0,'*r');axis(-6,20,1/1e7,1);xlabel('SNR_db')ylabel('误码率')a=1.0000e-003;title('噪比误码率') 3.5 利用Simulink对2ASK仿真 设计采用的是MATLAB中的SIMULINK仿真系统实现对通信系统的仿真，具体

19、实现框图如图1所示： 图1 数字信号传输模型实现框图主要模块作用：Bernoulli Binary Generator模块的功能是用来产生随机二进制比特流，在设计中将此模块的函数设置和经过Bernoulli Binary Generator产生的波形分别如图2和图3所示。Sine wave 模块用来生成高频载波信号,由于高频载波信号要求得的载波频率较高。Product:这是一个乘法器，其作用是将随机二进制比特流和高频载波相乘后生成已调信号m(t)，从而起到通断键控的作用。 Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写

20、程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 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

21、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。 图2 基带信号的波形和功率谱密度 图3 调制后信号的波形和功率谱密度通过对2ASK系统进行Simulink的仿真，可以得到如图4所示的所有波形。其中包含了整个调制和解调过程所涉及的基带信号、载波信号、调制信号、加噪信号、抽样判决信号，以及最后解调的原始信号波形。 图4 仿真波形 四 设计总结 通信原理是电子信息工程通信方向最主要的专业课程之

22、一，通过在课堂上对理论知识的学习，我们了解到现代通信的基本方式以及其原理。然而，如何将理论在实践中得到验证和应用，是我们学习当中的一个问题。而通过本次课程设计，我们在强大的MATLAB平台上对数字信号的传输系统进行了一次仿真，有效的完善了学习过程中实践不足的问题，同时进一步巩固了原先的基础知识。通过这次的课程设计，我们对信息和通信系统有了更进一步的认识，尤其是在系统设计方面，尽管是非常基础的2ASK调制与解调的传输，也是经过若干设备协同工作，才能保证信号有效传输，而小到仅仅是一个参数，都有可能导致整个系统无法正常运行。 另一方面，我们通过本次的课程设计，着实领教了MATLAB矩阵实验室强大的功

23、能和实力。使我们获得两方面具体经验，第一是MATLAB中SIMULINK功能模块的使用方法，第二是图形化和结构化的系统设计方法。这些经验虽然并不高深，但是对于刚入门的初学者来说，对以后步入专业领域进行设计或研发无疑具有重大的意义。当然，在整个仿真过程中也遇到很多现实的问题，比如各版本MATLAB软件并不完全兼容，许多复杂模块参数深奥难以正确设置，这些都是今后学习中需要进一步加强和完善的地方。自从因特网把我们领进信息时代开始，人类的历史翻开了璀璨的一页。随着信息的飞速发展，通信原理也随之崛起。从而，使得培养新世纪的技术人才显得分外重要。在学习通信原理理论基础后，我们又在此基础上通过利用MATLA

24、B仿真真正的看到了通信中传输信息的一系列的问题。比如说要使信号不失真的能够传输到接收端就要考虑很多的因数。在发送端要注意噪声的加入，尽量的减少噪声进入信道中，以免在接收端使信号失真度过大而不能够恢复成原来的信号。而在接收端，采用哪种解调方式能够更好的恢复出原来的信号。对于不同的解调方式有相干解调和非相干解调。相干解调一般是在接收端使接收的信号通过一个相乘器，同时乘上一个与原调制信号同频同相的载波，再通过低通滤波器滤出不需要的信号，然后再经过抽样、量化和编码最终得到原调制信号。对于非相干解调可以将接收的信号通过包络检波器，然后再经过抽样、量化和编码最终也可以得到原调制信号。通过这次的课程设计即上

25、网实际操作，进一步了解了二进制幅移键控即2ASK的基本原理及其解调方法（非相干解调，相干解调）。当然在学习过程中，遇到过许多困难，比如参数设置的不理想因此总是会出现波形失真的现象等问题。但是通过上网查找资料和查询参考书能够让我更好的完成此次设计。同时这次设计也让我能够更好的对应用工具MATLAB有一个进一步的了解和应用。这次的课程设计使我收益颇丰，对通信原理有了新的认识。参考文献1 姚俊、马松辉基于MATLAB6.X的SIMULINK建模与仿真西安电子科技大学出版社， 2002年8月2 邓华.MATLAB通信仿真及应用实例详解. 北京：人民邮电出版社，20073 樊昌信，曹丽娜.通信原理. 北

26、京：国防工业出版社，20094 郭文兵，桑林.通信原理基于Matlab的计算机仿真. 北京：北京邮电大学出版社，20065 王兴亮.通信系统原理教程. 西安：西安电子科技大学出版社，20096 刘卫国.MATLAB程序设计教程. 中国水利水电出版社，20077 冯玉涛.通信系统仿真. 北京：国防工业出版社，20108 黎洪松.数字通信原理. 西安：西安电子科技大学出版社，2006 致谢 这次的课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解，我们也学到了很多实用的知识，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共

27、同提高，都受益匪浅。 经过一个星期的努力和完善，这次课程设计终于顺利完成了。在这里首先感谢我的课程设计指导教师王维芳老师，在这段时间一直给我的支持与鼓励。认真负责的监督我们课程设计的进度，耐心的指导使我们能够按时完成任务。还有感谢学校为我们提供的良好实验环境以及充足的实验设备，为我们的设计和调试提供了很大的方便。在这段时间学到了很多，虽然由于自身的不足唯有能够为系统提出更好的解决方案。但这对我来说绝对是一个非常宝贵的历练。从中我切身体会了理论与现实的差距，只有真正动手去做才能发现问题。在此，感谢所有的老师和同学。附录clear; % 清除空间变量m=1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0

28、1; % 数字信号序列Lm=length(m); % 序列的长度F=200; % 数字信号的带宽f=800; % 正弦载波信号的频率A=1; % 载波的幅度Q=f/F; % 频率比，即一个码元宽度中的正弦周期个数 , 为适配下面滤波器参数选取，推荐将 Q 设为Q>=1/3M=500; % 一个正弦周期内的采样点数t=(0:M-1)/M/f; % 一个正弦信号周期内的时间carry1=repmat(A*sin(2*pi*f*t),1,Q); % 一个码元宽度内的正弦载波信号Lcarry1=length(carry1); % 一个码元宽度内的信号长度carry2=kron(ones(size

29、(m),carry1); % 载波信号ask=kron(m,carry1); % 调制后的信号N=length(ask); % 长度tau=(0:N-1)/(M-1)/f; % 时间Tmin=min(tau); % 最小时刻Tmax=max(tau); % 最大时刻T=ones(size(carry1); % 一个数字信号 1 dsig=kron(m,T); % 数字信号波形figure(1)subplot(4,1,1) % 子图分割plot(tau,dsig) % 画出数字信号的波形图title('调制信号波形');grid on % 添加网axis(Tmin Tmax -0

30、.2 1.2) % 设置坐标范围subplot(4,1,2);T1=fft(dsig); %傅里叶变换plot(abs(T1);title('调制信号频谱');axis(-10,2000,0,20000);subplot(4,1,3) % 子图分割plot(tau,carry2) % 画出载波波形title('载波信号波形');grid on % 添加网格axis(Tmin Tmax -1.2*A 1.2*A) % 设置坐标范围subplot(4,1,4);T2=fft(carry2); %傅里叶变换plot(abs(T2);title('载波信号频谱&

31、#39;);figure(2)axis(-100,300,-100,13400);subplot(4,1,1) % 子图分割plot(tau,ask) % 画出调制后的波形title('调制后信号波形')grid on % 添加网格axis(Tmin Tmax -1.2*A 1.2*A) % 设置坐标范围subplot(4,1,2);T3=fft(ask); %傅里叶变换plot(abs(T3);title('调制后信号频谱');axis(0,600,0,9000);nask=awgn(ask,20); %加高斯噪声subplot(4,1,3) % 子图分割plot(tau,nask) % 画出调制后的波形title('加噪后信号波形')grid on % 添加网格axis(Tmin Tmax -1.2*A 1.2*A) % 设置坐标范围subplot(4,1,4);T3=fft(nask); %傅里叶变换plot(abs(T3);title('加噪后信号频谱');axis(0,600,0,9000); %载波%Part II 数字信号的 ASK 相干解调sig_mu