《電子信息系統(tǒng)仿真》課程設(shè)計(jì)

1、鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子信息系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì) 2012 級(jí) 電子信息工程 專業(yè) 1213082班級(jí)題 目 2ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 姓 名 杜楊 學(xué)號(hào) 121308205 指導(dǎo)教師 二一 四 年 十二 月 二十五 日摘要：數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通信中占有非常重要的地位數(shù)字通信技術(shù)與MATLAB的結(jié)合是現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。文中介紹了2ASK調(diào)制解調(diào)的原理，2ASK調(diào)制主要采用OOK開關(guān)鍵控的方法，2ASK解調(diào)主要采用相干解調(diào)的方法。文中還介紹了基于MATLAB如何實(shí)現(xiàn)2ASK調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)仿真。仿真主要采用MATLAB腳本文件編寫程序。數(shù)字通信是一種用數(shù)字信號(hào)作為載體來傳輸信息

2、的通信方式?？梢詡鬏旊妶?bào)、數(shù)據(jù)等數(shù)字信號(hào)，也可傳輸經(jīng)過數(shù)字化處理的語音和圖像等模擬信號(hào)。目前光纖通信、微波通信及衛(wèi)星通信等等的通信技術(shù)大多屬于數(shù)字通信。數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)頻帶傳輸系統(tǒng)也叫數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)制信號(hào)又稱為鍵控信號(hào)，數(shù)字調(diào)制過程中處理的是數(shù)字信號(hào)，而載波有振幅、頻率和相位3個(gè)變量，且二進(jìn)制的信號(hào)只有高低電平兩個(gè)邏輯量1和0，所以調(diào)制的過程可用鍵控的方法由基帶信號(hào)對(duì)載頻信號(hào)的振幅、頻率及相位進(jìn)行調(diào)制，最基本的方法有3種：幅度調(diào)制(ASK) 頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)本文研究了基于MATLAB的2ASK(幅度鍵控)調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)仿真，并給出了M文

3、件環(huán)境下的仿真結(jié)果。一、 MATLAB軟件簡介 MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和SIMULINK兩大部分。 Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量

4、的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的

5、仿真結(jié)果。二. 2ASK調(diào)制解調(diào)原理 2.1 2ASK調(diào)制原理2ASK技術(shù)是通過改變載波信號(hào)的幅值來表示二進(jìn)制0或1的。載波根據(jù)0、1信息只改變其振幅，而頻率和相位保持不變。哪個(gè)電壓代表0以及哪個(gè)電壓代表1則自行確定。當(dāng)然，可以用載波信號(hào)的任意兩值表示數(shù)字0、1，通常為了實(shí)現(xiàn)方便，用其最大值A(chǔ)cos(c t+b)和0分別表示1和0。有一種常用的幅值鍵控技術(shù)是開關(guān)鍵控OOK。在OOK中，某一比特值用有沒有電壓值來表示。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸信息所需的能量下降了，且調(diào)制方法簡單，由載波信號(hào)發(fā)生器和帶通載波器對(duì)信號(hào)m(t)處理最后產(chǎn)生2ASK信號(hào)。S2ASK(t)=Am(t)cos(c t)= Acos(c

6、t) (當(dāng)碼元為1) 0 （當(dāng)碼元為0）接收端接收信號(hào)傳來的2ASK信號(hào)，首先經(jīng)過帶通濾波器濾掉傳輸過程中產(chǎn)生的噪聲干擾，再從中恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號(hào)。常用的解調(diào)方法有兩種：包絡(luò)解調(diào)法和相干解調(diào)法。1.相干解調(diào)法:相干解調(diào)也叫同步解調(diào)，就是利用相干波和接收到的2ASK信號(hào)相乘分離出包含原始數(shù)據(jù)信號(hào)的低頻信號(hào)，再進(jìn)行抽樣判決恢復(fù)數(shù)字序列。相干波必須是與發(fā)送端同頻同相的正弦信號(hào)。原理框圖如圖示。M(t)帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器 yi(t) y(t) cos(c t) z(t) 定時(shí)脈沖 相干波Z(t)=y(t) cos(c t)=m(t)cos2 (c t)=1/2 m(t)1+ cos(2c t

7、)= 1/2 m(t)+ 1/2 m(t) cos(2c t)上式中， 1/2m(t) 是基帶信號(hào)， 1/2m(t)cos(2c t) 是頻率為 2c 的高頻信號(hào)，利用低通濾波器可檢出基帶信號(hào)，再經(jīng)抽樣判決，即可恢復(fù)出原始數(shù)字信號(hào)序列 a n 。 2ASK 信號(hào)帶寬為碼元速率的 2 倍，即： B 2ASK =2R b ，式中 R b 為信息速率。三.2ASK調(diào)制與解調(diào)仿真程序%數(shù)字信號(hào)的ASK調(diào)制與解調(diào)%PartI數(shù)字信號(hào)的ASK調(diào)制clear; %清除空間變量m=1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1; %數(shù)字信號(hào)序列Lm=length(m); %序列的長度F=200; %數(shù)字信號(hào)的

8、帶寬f=800; %正弦載波信號(hào)的頻率A=1; %載波的幅度Q=f/F; %頻率比，即一個(gè)碼元寬度中的正弦周期個(gè)數(shù)，為適配下面濾波器參數(shù)選取，推薦將Q設(shè)為Q>=1/3M=500; %一個(gè)正弦周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)t=(0:M-1)/M/f; %一個(gè)正弦信號(hào)周期內(nèi)的時(shí)間carry1=repmat(A*sin(2*pi*f*t),1,Q); %一個(gè)碼元寬度內(nèi)的正弦載波信號(hào)Lcarry1=length(carry1); %一個(gè)碼元寬度內(nèi)的信號(hào)長度carry2=kron(ones(size(m),carry1); %載波信號(hào)ask=kron(m,carry1); %調(diào)制后的信號(hào)N=length(ask

9、); %長度tau=(0:N-1)/(M-1)/f; %時(shí)間Tmin=min(tau); %最小時(shí)刻Tmax=max(tau); %最大時(shí)刻T=ones(size(carry1); %一個(gè)數(shù)字信號(hào)1dsig=kron(m,T); %數(shù)字信號(hào)波形subplot(3,1,1) %子圖分割plot(tau,dsig) %畫出數(shù)字信號(hào)的波形圖grid on % 添加網(wǎng)axis(Tmin Tmax -0.2 1.2) %設(shè)置坐標(biāo)范圍subplot(3,1,2) %子圖分割plot(tau,carry2) %畫出載波波形grid on %添加網(wǎng)格axis(Tmin Tmax -1.2*A 1.2*A) %

10、設(shè)置坐標(biāo)范圍subplot(3,1,3) %子圖分割plot(tau,ask) %畫出調(diào)制后的波形grid on %添加網(wǎng)格axis(Tmin Tmax -1.2*A 1.2*A) %設(shè)置坐標(biāo)范圍%PartII數(shù)字信號(hào)的ASK相干解調(diào)sig_mul=ask.*carry2; %已調(diào)信號(hào)與載波信號(hào)相乘figure(2) %圖形2subplot(4,1,1) %子圖分割plot(tau,sig_mul) %畫出信號(hào)相乘后的波形grid on %添加網(wǎng)格axis(Tmin Tmax -0.2 1.2) %設(shè)置坐標(biāo)范圍%Butterworth模擬低通濾波器設(shè)計(jì)Ord,omega_c=buttord(4

11、*pi*f*0.6,4*pi*f*0.8,2,30,'s'); %獲得Butterworth模擬低通原型濾波器的階數(shù)及3dB截止頻率num,den=butter(Ord,omega_c,'s'); %由原型濾波器向?qū)嶋H濾波器轉(zhuǎn)換，獲得濾波器的分子，分母系數(shù)h=tf(num,den); %獲得濾波器傳遞函數(shù) %濾波x=lsim(h,sig_mul,tau); %運(yùn)用模擬濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波subplot(4,1,2) %子圖分割plot(tau,x) %畫出濾波后的濾形grid on %添加網(wǎng)格axis(Tmin Tmax -0.3 0.8) %設(shè)置坐標(biāo)范圍th=

12、0.25; %抽樣判決的閾值設(shè)置t_judge=(0:Lm-1)*Lcarry1+Lcarry1/2; %抽樣判決點(diǎn)的選取y=(x(t_judge)' %抽樣判決時(shí)刻時(shí)的信號(hào)值y_judge=1*(y>=th)+0*(y<=th); %抽樣判決信號(hào)值的0階保持y_value=kron(y_judge,ones(size(carry1); %抽樣判決后的數(shù)字信號(hào)波形n_tau=tau+0.5/F; %抽樣判決后的信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間subplot(4,1,3) %子圖分割plot(n_tau,y_value) %畫出抽樣判決后的數(shù)字信號(hào)波形axis(min(n_tau) max(n

13、_tau) -0.2 1.2) %設(shè)置坐標(biāo)范圍grid on %添加網(wǎng)格subplot(4,1,4) %子圖分割plot(tau,dsig) %畫出原始信號(hào)波形與解調(diào)后的信號(hào)作對(duì)比axis(Tmin Tmax -0.2 1.2) %設(shè)置坐標(biāo)范圍grid on %添加網(wǎng)格四，仿真結(jié)果及結(jié)論1.在MATLAB上分別將程序分為三部分，分別保存運(yùn)行%PartI數(shù)字信號(hào)的ASK調(diào)制 ，得圖a 圖a%PartII數(shù)字信號(hào)的ASK相干解調(diào)，得圖b 圖b %Butterworth模擬低通濾波器設(shè)計(jì)，得圖c 圖c2.1 2ASK 調(diào)制仿真結(jié)果說明編寫 M 腳本文件，對(duì)數(shù)字序列 1101001101011001

14、進(jìn)行 2ASK 調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行仿真。 數(shù)字信號(hào)的碼元速率 R B =1000Band ，載波頻率為f =4kHz 。圖 a為調(diào)制仿真的結(jié)果。本例采用 OOK 鍵控方式實(shí)現(xiàn) 2ASK 調(diào)制。 第一行為數(shù)字序列波“ 1101001101011001 ”的單極性不歸零碼，碼元寬度 T b =1/R b =0.001s ；第二行為載波波形， 在一個(gè)碼元寬度， 有 4 個(gè)周期的正弦載波信號(hào)， f=1/4T b =4kHz ；第三行為調(diào)整之后的波形，碼元“ 1 ”對(duì)應(yīng)的調(diào)制后波形對(duì)應(yīng)正弦波，“ 0 ”對(duì)應(yīng)的調(diào)制后波形為 0 。 仿真結(jié)果滿足要求.2.2 2ASK解調(diào)仿真結(jié)果說明ASK傳輸過程易受噪聲影響。

15、圖b.c為對(duì)已調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)的仿真圖。圖b中，第一行波形為相干波與經(jīng)帶通濾波器濾波后的信號(hào)相乘的結(jié)果，即高頻部分產(chǎn)生倍頻信號(hào)z(t)；圖c第一行為z(t)經(jīng)過低通濾波器濾波后，取出的低頻包絡(luò)信號(hào)，從圖中可看出其幅度降為原來的0.5倍；第二行波形為抽樣判決并恢復(fù)出的原數(shù)字序列；第三行為原始數(shù)字序列，與恢復(fù)后的數(shù)字序列作比較，兩列波相比，恢復(fù)后的信號(hào)與原始信號(hào)在波形上沒有差異，只是恢復(fù)后的信號(hào)有一定的延時(shí)，這是由信號(hào)在信道中傳播耗時(shí)和在解調(diào)系統(tǒng)中的延時(shí)等相疊加而成。在本仿真設(shè)計(jì)中，為使仿真過程清晰，忽略了信道的傳輸延時(shí)等，僅考慮了抽樣判決點(diǎn)選取時(shí)的延時(shí)0.5Tb，因碼元波特率RB=1000Band，碼元寬度Tb=1/Rb=0.001s故0.5Tb=0.0005s，從圖中標(biāo)注可以看出，信號(hào)的起始點(diǎn)為0.0005s.五.課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)2ASK的調(diào)制與解調(diào)方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但在過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動(dòng)手制作，使我掌握的知識(shí)不再是紙上談兵?；仡櫰鸫苏n程設(shè)計(jì)，我感慨頗多，在這段日子里，可以學(xué)到很多