数字频带通信系统的课程设计(2ASK)电气工程-通信工程

南洋丈孽

UNIVERSITYOFSOUTHCHINA

课程设计（论文）

题目数字频带通信系统的设计(2ASK)

学院名称电气工程学院

指导教师

职称

班级

学号..............

学生姓名

2016年9月16日

摘要

数字调制是现代通信的重要方法，数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的抗信道损

耗，以及更好的平安性，数字调制技术是信息时代的重要成果。二进制数字振幅键控（2ASK〕

是一种古老的调制方式，也是各种数字调制的根底。本设计主要是利用MATLAB下的

Simulink仿真平台，设计一个2ASK仿真系统,最后用示波器观察调制前后的信号波形，从

而验证2ASK的可行性。

关键词：2ASK；Matlab；Simulink;数字调制；

Abstract

Digitalmodulationisanimportantmethodofmoderncommunication,digitalmodulation

hasbetteranti-jammingperformance,strongerantichannelloss,andbettersecurity,digital

modulationtechnologyisanimportantachievementintheinformationage.Binarydigital

amplitudekeying(2ASK)isanancientmodulationmethod,anditisalsothebasisofavarietyof

digitalmodulation.ThisdesignisbasedontheuseofSimulinkMATLABsimulationplatform,

thedesignofa2ASKsimulationsystem,andfinallyusetheoscilloscopetoobservethesignal

waveformbeforeandafterthemodulation,whichverifythefeasibilityof2ASK.

KeyWord:2ASK;Matlab;Simulink;Digitalmodulation;

目录

1.背景知识3

1.1数字频带传输系统.....................................................3

1.2二进制振幅键控(2ASK).................................................4

1.2.1根本原理..........................................................4

2.2ASK系统Simulink仿真设计.................................................5

2.12ASK相干解调设计框图.................................................5

2.2应用Simulink进行2ASK相干解调仿真框图...............................6

2.3选用模块以及参数设定................................................6

2.4仿真结果及分析......................................................12

3.2ASK系统Matlab代码仿真设计.............................................13

3.1MATLAB编程实现仿真的构思..............................................13

3.2仿真波形及分析.......................................................14

4.心得体会.................................................................17

参考文献...................................................................17

附录：2ASK的Matlab仿真程序................................................17

1.背景知识

1.1数字频带传输系统

在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低

通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号

不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生

各种已调数字信号。

图L1：数字调制系统的根本结构

数字调制与模拟调制原理是相同的，但是数字信号有离散取值的特点。根本的三种数

字调制方式是：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和相移键控(PSK)。本研究与仿真采用的是

振幅键控。

1.2二进制振幅键控(2ASK)

1.2.1根本原理

振幅键控是利用载波的幅度变化来传递信息，而其频率和初相位保持不变。在2ASK中,

载波幅度只有两种变化，分别对应二进制信息“0”或“1"。2ASK信号其表达式是：

e2ASK(t)=s(t)coswct(1.2.1-1)

其中输入信号表示为：

s(f)=J＞，，g(一此)(L2.1-2)

2ASK信号产生通常有两种：模拟调制法(相乘器法〕和键控法，相应的调制器如图1.2

所示。

二进制

不归室信号

乘法器--------►

开关电路

图L2：模拟相乘法〔上）数字键控法［下）

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），其相应原理方框图如图1.3所示。

（a）非相F解调方式

（b）相干解调方式

图1.3：非相干解调方式3）相干解调方式（b）

2.2ASK系统Simulink仿真设计

2.12ASK相干解调设计框图

图2.1：相干解调设计框图

2.2应用SimuIink进行2ASK相干解调仿真框图

图2.2：Simulink仿真设计原理图

2.3选用模块以及参数设定

1.伯努利二进制发生器模块ernoulliBinaryGenerator的参数设置为：Probabilityof

azero概率设为0.5,initialseed设为61,Sampletime抽样时间为IS。

图2.3：伯努利2进制发生器参数设置

2.正弦波SineWave的参数设置为：频率设为60rad/sec。

图2.4：正弦波发生器参数设置

3.乘法器Product模块的参数设置为：输入端数量设为2。

图2.5：2ASK产生局部乘法器参数设置

4.高斯白噪声GaussianNoiseGenerator模块的设置为：Sampletime抽样时间为0.01s。

图2.6：高斯白噪声发生器参数设置

5.Sum模块的参数设置为：sampletime设为

图2.7：噪声与信号求和模块参数设置

6.带通滤波器AnalogFilterDesign模块的参数设置为：阶数filterorder为8,Lower

passbandedgefrequency为52,Upperpassbandedgefrequency为68。

图2.8：带通滤波器器参数设置

7.相乘器Product模块的参数设置为：输入端数量设为2

图2.9：解调局部乘法器参数设置

8.低通滤波器AnalogFilterDesign模块的参数设置为：阶数filterorder为,passband

edgefrequency为8。

图2.10：低通滤波器参数设置

9.示波器Scope的参数设定为：接口有6个，时间范围是自动调整。

图2.11：示波器参数设置

10.抽样判决器，阈值设置为0.2,抽样时间取信号周期1s的的一半0.5s。

图2.12、图2.13：抽样判决器参数设置

2.4仿真结果及分析

图2.14：示波器显示结果

上图通道1是原始输入信号；通道2是调制信号；通道3是参加噪声后的调制信号；

通道4是滤除噪声后的调制信号；通道5是经过与载波信号再次相乘后，经过低通滤波后

的解调信号；通道6是抽样判决后的输出信号。

从通道1到通道2的比照可知，输入信号与载波信号相乘后，成功得到2ASK信号。

通过通道3与通道4的比照可知，带通滤波器能极大消除噪声对信号的影响，但带通

滤波器会对信号造成一定的延迟影响。

从通道5与通道4的比照可知，同步检波后得到的解调信号，能大概看出信号的上下

电平变化。同步检波的低通滤波过程对信号引入新的延时。

通道6的信号波形是对通道5的解调信号进行抽样判决而得到的，信号采样的频率是

2Hz,是信号频率的2倍。抽样的起始时刻是第0.5秒。由于信号的解调过程会让信号产生

延时〔比照通道5与通道2〕，因此输出信号的第一个上升沿出现在第1.5秒。

经过2ASK系统与相干解调系统后，比照输出信号与输入信号，除了相位发生一定的变

化外，信号波形根本没发生变化，可见该2ASK调制与解调系统能成功实现信号传输。

3.2ASK系统Matlab代码仿真设计

3.1MATLAB编程实现仿真的构思

利用Matlab,仿真产生2ASK信号，然后分别利用相干解调、非想干解调复原得到原

信号。

Matlab仿真包括2ASK信号的产生、模拟信道传输、调制信号的降噪处理、相干解调/

非相干解调、抽样判决这几个过程。

3.2仿真波形及分析

二进制基带信号

『.4匚」~

g00.51.522.533.544.55

时间/S

>载波信号

月引

m00.511.522.533.544.55

时间/S

三调制信号

,0E——WWWVWVWW正；5/WW；丽闪

>00.511.522.533.544.55

时间/S

>高斯噪声

-00.511.522.533.544.55

时间/S

?c加噪调制信号

卷旧--{W\AAMA/\AMMA/{-------T------N/VW4•一，'4

m00.511.522.533.544.55

时间/S

2.带通漉波后的信号

孝§|------HAAAAjvWXAj^AAAAj"----------1----------；WVV\^一“；--■jvWW

金00.511.522.533.544.55

时间/S

图3.1：2ASK调制过程

C带通滤波后的信号

W2।।।।।।।।।

?0-----------WWWWWVWW----------VWW----------ww\

0-2--------1---------1------1--1--------1-------L_-------1---------1------1-----

00.511.522.533.544.55

时间/S

全波整流

之2

.'-:一''…'''…'''.…J

过1

•¥S-「

()0.511.522.533.544.55

时间/S

低通滤波器滤波

N111111111I

过0/------------------------____________0—\___________/:

¥

1Ii1111i1

00.511.522.533.544.55

时间/S

非相干解调结果

之1

里0.5

3o

00.511.522.533.544.55

时间/S

图3.2：2ASK非相干解调过程

带通滤波后的信号

V/1II1IIII

呼nu一二—一_VVv八V八V八V八V八V八v八VAVAVAVA\-T—--_----八__cAA/VAVAvAv

*.7।I111iII

00.51.522.533.544.55

时间/s

与载波相乘

>4

最n一^1MMMAMiMAMAlHuMMMAL'一一口皿-5_____''UMMAIUU

¥.1।I1Ii111

00.51.522.533.544.55

时间/s

低通滤波器漉波

、>5n4nI——I」一IIIIII

三u-----------

¥_no______i______1IIii1I

00.51.522.533.544.55

时间/s

相干解调结果

>1______

辿0.5-

妾n」:[l-L厂

00.51.522.533.544.55

时间/s

图3,3：2ASK相干解调过程

二进制基带信号

1

理0.5

00.511.522.533.544.55

时间/S

非相干解调结果

-一

00.511.522.533.544.55

时间/S

相干解调结果

■-

00.511.522.533.544.55

时间/S

图3.4：2ASK分析波形

图3.1反映了2ASK调制信号的产生过程，以及模拟信道传输时参加噪声的情况，最后

是模拟滤除噪声得到2ASK调制信号的过程。从图上的波形可以得知，该2ASK系统的调制

与模拟传输过程是成功的。

图3.2描述了非相干解调得到输出信号的过程，比照通道4与图3.1的通道1信号波

形，可知输出信号与输入信号完全一致，该检波过程是成功的。

图3.3描述了相干解调得到输出信号的过程，比照通道4与图3.1通道1的信号波形,

可知输出信号与输入信号完全一致，该检波过程是成功的。

图3.4反映了输入信号与非相干解调得到的输出信号、相干解调得到的输出信号的变

化情况。从图上结果可知，无论是相干解调还是非相干解调都能准确复原出输入信号的状

况，由于两个解调过程所用的滤波器对信号的延迟作用不是非常大，因此在抽样判决过程

复原出的输出信号比照输入信号没有任何明显的相位延迟。同时也说明了该2ASK系统的可

行性。

4.心得体会

通过本次课程设计，我主要了解了二进制键控的根本原理，尤其是通过MATLAB对2ASK

系统的仿真过程，让我了解到更多的数字频带通信系统设计的原理。

在这次设计中，我围绕2ASK系统的几个关键局部〔调制局部、模拟信道传输局部、信

号降噪处理局部、相干/非相干解调局部、抽样判决局部〕展开深入的研究与测试。在众多

的测试过后，我最终组建好该2ASK系统，在该系统中，乘法器用于产生2ASK信号；给2ASK

调制信号参加噪声用于模拟信道传输过程；接收滤波器是用来接收信号，尽可能滤除信道

噪声和其它干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。抽样判决器

那么是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻对接收滤波器的输出波形进行抽样判

决，以恢复或再生基带信号。

在这次课程设计中我遇到许多困难，例如抽样判决电平的取值问题、采样频率的问题、

滤波器对信号延迟所造成的影响问题等，在经过深入的资料查找与探究后，我最终把问题

解决。在这个过程中我收获了很多平时上课并没有学到的知识，获益匪浅，并对今后的学

习与工作产生很大的帮助。

参考文献

【1】樊昌信，曹丽娜.通信原理（第7版）［M］.国防工业出版社

【2】刘卫国，MATLAB程序设计与应用［M］.北京：高等教育出版社，2011.

【3】陈后金，数字信号处理［第2版）［M］.高等教育出版社

［4］张晖，徐淑正，杨华中等.OFDM在短波通信中的应用［J］.电子技术应用，2005.9.

【5】程佩青，数字信号处理教程［加.清华大学出版社.2001.8.

【6】徐明远、邵玉斌，MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用［M］.西安：西安电子科

技大学出版社，2006.

附录：2ASK的MatIab仿真程序

clear;%清空Workspace

clc;%清空CommandWindow

closeall;%关闭所有窗口

%-------------------------

%信号以及仿真相关参数的设置

%-------------------------

dt=O.OOl;%时间采样间隔，即仿真步长

fc=10;%载波中心频率

B_number=10;%设码元数目为10个

T=5;%信号时长

N=T/dt;%采样点数，即仿真点数

B_Sample_Point=N/B_number;%一个码元所对应的采样点数

B_Sample_array=zeros(l,N);%建立一个码元采样的空数组

t=O:dt:(N-l)*dt;%所有采样点数的时间组成的数组，即模型中函数的自变量

random_buffer=rand(l,B_number);%生成10个随机数组

fori=1:1:B_number%将10个码元进行归一成二进制0、1

ifrandom_buffer(i)<0.5

random_buffer(i)=0;

else

random_buffer(i)=1;

end

end

fori=1:1:B_number%产生基带信号

forj=1:1:B_Sample_Point

B_Sample_array((i-l)*B_Sample_Point+j)=random_buffer(i);

end

end

CarrySignal=cos(2*pi*fc*t);%载波信号表达式

%-------------------------

%2ASK调制信号的产生

%-------------------------

Signal_2ASK=CarrySignal.*B_Sample_array;

%-------------------------

%进行绘制调制曲线

%-------------------------

figureCtoolbar?none]..%设置是否显示工具栏：否

'menu?none',...%设置是否显示菜单栏：否

Xame72ASK调制过程；..％设置对话框名称

^umberTitleVoff,...%设置是否显示图形窗口编号：否

^olorVw1,...%设置背景颜色

Resize?on);%设置是否可以改变窗口大小

subplot(6,l,l);%图形分为6行1歹U,目前画第一个

plot(t,B_Sample_array/r\,linewidth\3);%画出二进制基带信号

holdon;gridon;%保持图像，使其能和下一个图像一起显示

xlabelC时间/s');ylabel(，幅值/v'titleC二进制基带信号上％简单的配置

axis([0,5,-0.2,1.2]);%定义坐标区间

subplot(6,l,2);%图形分为6行1列，目前画第二个

plot(t,CarrySignal,T」inewidth：2);%画出载波信号

holdon;%保持图像，使其能和下一个图像一起显示

xlabelC时间/s);ylabelC幅值/v'titleC载波信号上％简单的配置

axis([0,5,-1.2,1.2]);%定义坐标区间

subplot(6,l,3)；%图形分为6行1歹U，目前画第三个

plot(t,Signal_2ASK,,r,,,linewidth',1.5);%画出调制信号

holdon;%保持图像

gridon;%显示格点

xlabelC时间/s);ylabelC幅值/v);titleC调制信号);％简单的配置

axis([0,5,-1.2,1.2]);%定义坐标区间

%-------------------------

%信道传输(参加噪声)

%-------------------------

Gaussian_Noise=randn(l,N)/5;%加上高斯白噪声

Signal_2ASK=Signal_2ASK+Gaussian_Noise;

subplot(6,l,4)；%图形分为6行1歹U,目前画第四个

plot(t,Gaussian_Noise,'r'」inewidth',l);

xlabelC时间/s);ylabelC幅值/v'title。高斯噪声上％简单的配置

holdon;

subplot(6,l,5);%图形分为6行1歹U,目前画第五个

plot(t,Signal_2ASK,'r','linewidth',1);

xlabelC时间/s);yIabelC幅值/v);title(，加噪调制信号);％简单的配置

holdon;

%-------------------------

%带通滤波器

%-------------------------

Fp=5;Rp=3;%53

Fs=15;Rs=60;%1560

Wp=2*pi*Fp/800;%800

Ws=2*pi*Fs/800;

[n,Wp]=ellipord(Wp,Ws,Rp,Rs);

[b,a]=ellip(n,Rp,Rs,Wp);

BPF_ASK=filter(b,a,Signal_2ASK);%带通滤波器输出

subplot(6,l,6);%图形分为6行1列，目前画第六个

plot(t,BPF_ASK,'r','linewidth',1.5);

xlabelC时间/s'ylabelC幅值/v);titleC带通滤波后的信号上％简单的配置

holdon;

%-------------------------

%相干解调

%-------------------------

Coherent_ASK=BPF_ASK.*CarrySignal;

%--------------------------------------

%低通滤波器

%--------------------------------------

Fp=25;Rp=3;%53

Fs=45;Rs=50;%1560

Wp=2*pi*Fp/10000;%800

Ws=2*pi*Fs/10000;

[n,Wp]=ellipord(Wp,Ws,Rp,Rs);

[b,a]=ellip(n,Rp,Rs,Wp);

Coherent_ASK=0-Coherent_ASK;

LPF_ASK二filter(b,a,Coherent_ASK);%低通滤波器输出

%-------------------------

%抽样判决

%-------------------------

Judge_value=max(LPF_ASK)/2;

Coherent_ASK_Out=zeros(l,N);

fori=1:1:B_number%抽样判决

ifLPF_ASK(i*B_Sample_Point-B_Sample_Point/2)>Judge_value

Coherent_ASK_Out((i-l)*B_Sample_Point+1:i*B_Sample_Point)=l;%判为1

else

Coherent_ASK_Out((i-l)*B_Sample_Point+1:i*B_Sample_Point)=0;%判为1

end

end

%--------------------

%绘制相干解调的波形

%-------------------------------

figure(2);%翻开第二个显示窗

figureC^oolbarVnone1,...%设置是否显示工具栏：否

'menu?none',・..%设置是否显示菜单栏：否

'name','2ASK相干解调过程;…%设置对话框名称

^umberTitleVoff,...%设置是否显示图形固口编号：否

'colorVw\...%设置背景颜色

Resize?on');%设置是否可以改变窗口大小

subplot(4,l,l);%图形分为6行1歹！J,目前画第六个

plot(t,BPF_ASK,T'」inewidth',1.5);

xlabelC时间/s);ylabel(，幅值/v);titleC带通滤波后的信号);％简单的配置

holdon;

subplot(4,l,2);

plot(t,Coherent_ASK,Y,linewidth1,1);

xlabelC时间/s);ylabe(幅值/v);title(与载波相乘);％简单的配置

holdon;

subplot(4,l,3)；

plot(t,LPF_ASK,Y,linewidth1,1);

xlabelC时间/s);ylabel(，幅值/v);title(低通滤波器滤波);％简单的配置

holdon;

subplot(4,l,4);

plot(t,Coherent_ASK_Out,T」inewidth',3);%画出相干解调实验

xlabelC时间/s);ylabel(幅值/v);title(，相干解调结果);％简单的配置

holdon;

%-------------------------

%非相干解调

%-------------------------

Non_Coherent_ASK=abs(BPF_ASK);

%-------------------------

%低通滤波器

%-------------------------

Fp=25;Rp=3;%53

Fs=45;Rs=50;%1560

Wp=2*pi*Fp/10000;%800

Ws=2*pi*Fs/10000;

[n,Wp]=ellipord(Wp,Ws,Rp,Rs);

[b,a]=ellip(n,Rp,Rs,Wp);

LPF_ASK二filter(b,a,Non_Coherent_ASK);%彳氐通滤波器输出

%-------------------------

%抽样判决

%-------------------------

Judge_value=max(LPF_ASK)/2;

Non_Coherent_ASK_Out=zeros(l,N);

fori=1:1:B_number%抽样判决

ifLPF_ASK(i*B_Sample_Point-B_Sample_Point/2)>Judge_value

Non_Coherent_ASK_Out((i-l)*B_Sampl6_Point+1:i*B_Sample_Point)