差分碼ASK信號PAM調(diào)制仿真課件

1、 差分碼ASK信號PAM調(diào)制仿真 第頁 共17頁 差分碼ASK信號PAM調(diào)制仿真 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要用matlab/Simulink平臺仿真一個(gè)差分碼ASK信號PAM調(diào)制系統(tǒng)，利用圖形輸入法設(shè)計(jì)相關(guān)電路，用示波器和頻譜模塊分析系統(tǒng)性能。首先根據(jù)原理畫出圖形，構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路，在Simulink中調(diào)出各模塊組成電路，設(shè)置調(diào)制解調(diào)電路各模塊的參數(shù)值并運(yùn)行，把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。通過波形分析，達(dá)到仿真的目的。 關(guān)鍵詞 混合調(diào)制；差分碼；Matlab/Simulink 1 引 言MATLAB的名稱源自Matrix Laboratory，

2、它是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)1。MATLAB將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作。PAM是脈沖振幅調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation）的簡稱，是脈沖載波的幅度隨基帶信號變化的一種調(diào)制方式2。本課程設(shè)計(jì)主要用matlab中的Simulink平臺仿真一個(gè)差分碼ASK信號PAM調(diào)制系統(tǒng)分別在理想信道和非理想信道中運(yùn)行，并把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。1.1 課程設(shè)計(jì)目的通信原理課程設(shè)計(jì)是通信原理理論課程的輔助實(shí)踐環(huán)節(jié)。著重體現(xiàn)學(xué)生

3、對通信原理教學(xué)知識的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)際工程相結(jié)合的能力。以小課題的方式來加深、擴(kuò)展通信原理知識3。通過設(shè)計(jì)差分碼ASK信號PAM調(diào)制仿真系統(tǒng)，并使其在不同的噪聲信道中運(yùn)行，讓學(xué)生進(jìn)一步理解通信系統(tǒng)的基本組成、模擬通信和數(shù)字通信的基礎(chǔ)理論、通信系統(tǒng)發(fā)射端信號的形成原理、通信系統(tǒng)信號傳輸質(zhì)量的檢測等方面的相關(guān)知識，并學(xué)會運(yùn)用這些知識。1.2 課程設(shè)計(jì)的步驟學(xué)習(xí)MATLAB的基本知識，熟悉MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺。利用通信原理中所學(xué)到的相關(guān)知識，在Simulink仿真平臺中設(shè)計(jì)差分碼ASK信號PAM調(diào)制仿真系統(tǒng)。并用示波器觀察調(diào)制與解調(diào)后的波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制與

4、解調(diào)前后的信號頻譜變化。構(gòu)建調(diào)制電路，并用示波器觀察調(diào)制前后的信號波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號頻譜的變化。在混合調(diào)制電路間加上噪聲源，用高斯白噪聲模擬有線信道，模擬信號在高斯白噪聲的信道中傳輸。將噪聲源的方差設(shè)置為1，分析通過高斯白噪聲的模擬有線信道后的接收信號的性能。在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2 基本原理用MATLAB集成環(huán)境中的Simulink仿真平臺，根據(jù)通信原理理論課中學(xué)過的ASK和PAM調(diào)制與解調(diào)的相關(guān)知識，分析ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)性能。2.1 MATLAB及Simulink

5、平臺簡介MATLAB是美國MathWorks公司生產(chǎn)的一個(gè)為科學(xué)和工程計(jì)算專門設(shè)計(jì)的交互式大型軟件，是一個(gè)可以完成各種精確計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強(qiáng)大的計(jì)算工具。它集圖示和精確計(jì)算于一身，在應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化工、機(jī)電工程、醫(yī)藥、金融和其他需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)值計(jì)算的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它不僅是一個(gè)在各類工程設(shè)計(jì)中便于使用的計(jì)算工具，而且也是一個(gè)在數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和工程計(jì)算等課程教學(xué)中的優(yōu)秀的教學(xué)工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各類工業(yè)應(yīng)用中更有不俗的表現(xiàn)。MATLAB可以在幾乎所有的PC機(jī)和大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，適用于Windows、UNIX等各種系統(tǒng)平臺。Simulink是MATLAB中的一種

6、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)的仿真結(jié)果4。Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和

7、測試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB® 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。在過去幾年中，Simulink已經(jīng)成為院校和工程領(lǐng)域中廣大師生和研究人員用來建模和方針動態(tài)系統(tǒng)的軟件包。Simulink鼓勵(lì)人們?nèi)L試，可以用它輕松的搭建一個(gè)系統(tǒng)模型，并設(shè)置模型參數(shù)和方針參數(shù)，并且立即觀察到改變后的方針結(jié)果。2.2 差分碼ASK調(diào)制與解調(diào)原理振幅鍵控調(diào)制是

8、利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率與初始相位保持不變。信號的產(chǎn)生通常有兩種：模擬調(diào)制法和鍵控法。而本課程設(shè)計(jì)采用的是模擬調(diào)制法，模擬調(diào)制法指的是通過相乘器直接將載波和數(shù)字信號相乘得到輸出信號，這種直接利用二進(jìn)制數(shù)字信號的振幅來調(diào)制正弦載波的方式稱為模擬相乘法。原理如圖2-1所示。圖2-1 模擬調(diào)制法其調(diào)制波形如圖2-2所示。圖2-2 模擬調(diào)制波形示意圖差分碼2ASK調(diào)制信號的原理是輸入二進(jìn)制不歸零的基帶信號，經(jīng)過碼反變換器將其絕對碼變成相對碼，然后再乘以一個(gè)載波信號最后輸出的就是差分碼2ASK信號。其調(diào)制模型如圖2-1所示。乘法器碼反變換 圖2-3 差分碼2ASK調(diào)制器原理框圖其中s（

9、t）為二進(jìn)制不歸零的基帶信號，而為載波信號。調(diào)制過程的逆過程叫做解調(diào)。2ASK信號的解調(diào)是把接收到的已調(diào)信號還原成調(diào)制信號。而2ASK的解調(diào)信號也有兩種相干解調(diào)與非相干解調(diào)。而本課程設(shè)計(jì)采用的是非相干解調(diào)的方法對其進(jìn)行解調(diào)。非相干解調(diào)一般由帶通濾波器、包絡(luò)檢波器全波整流器、低通濾波器、抽樣判決器和碼反變換器組成。圖2-4為2ASK信號的非相干解調(diào)的原理框圖抽樣判決器低通濾波器全波整流器帶通濾波器 圖2-4 差分碼2ASK非相干解調(diào)原理框圖對差分碼2ASK進(jìn)行非相干解調(diào)恢復(fù)出相對碼，再經(jīng)碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。差分譯碼得到的絕對碼不會發(fā)生任何倒置的現(xiàn)象，解決了載波

10、相位模糊性帶來的問題。2.3 PAM調(diào)制與解調(diào)原理由于實(shí)際抽樣過程中無法使用真正的沖激函數(shù)，抽樣函數(shù)的寬度和高度是有限的，但可以證明，抽樣定理依然成立。換一個(gè)角度，可以把周期性脈沖序列看作是非正弦載波，而抽樣過程可以看作用模擬信號對它進(jìn)行振幅調(diào)制，這種調(diào)制稱為脈沖振幅調(diào)制，即PAM（類似于AM振幅調(diào)制）。設(shè)脈沖載波以s(t)表示，它是由脈寬為秒、重復(fù)同期為T秒的矩形脈沖串組成，其中T是按抽樣定理確定的，即有T=1/(2)秒。如圖2-5所示。圖2-5 矩形脈沖為載波調(diào)制原理與波形和頻譜PAM信號的解調(diào)類似于AM信號，可以采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方式，相干解調(diào)需要在接受端與載波相乘，即需要同步

11、載波（周期性脈沖序列）。根據(jù)PAM調(diào)制信號的頻譜特點(diǎn)，當(dāng)抽樣頻率滿足條件時(shí)，非相干解調(diào)僅需要通過一個(gè)低通濾波器（如圖2.4（f），就能濾出原始的基帶信號。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1無噪聲差分碼2ASK信號調(diào)制 利用simulink仿真平臺構(gòu)造出差分碼2ASK信號的調(diào)制系統(tǒng)仿真模型如圖3-1，其中由Bernoulli Binary Generator模塊產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制脈沖序列，Sine Wave函數(shù)產(chǎn)生正弦波作為載波。其相乘后的信號經(jīng)過示波器得到波形，從而判斷差分碼2ASK的調(diào)制是否成功。差分碼2ASK調(diào)制仿真電路如圖3-1所示。圖3-1 差分碼2ASK調(diào)制仿真電路圖各模塊參數(shù)設(shè)置如圖3-2所示?；鶐?/p>

12、號參數(shù)圖載波參數(shù)設(shè)置圖3-2 各模塊參數(shù)設(shè)置頻譜圖如圖3-3所示。 基帶信號頻譜 2ASK調(diào)制信號頻譜圖3-3 頻譜圖無噪聲的2ASK調(diào)制波形如圖3-4所示。圖34 無噪聲差分碼2ASK調(diào)制信號波形其顯示波形依次對應(yīng)為數(shù)字基帶信號、基帶信號對應(yīng)的差分碼波形、載波波形、無噪聲的2ASK調(diào)制信號波形?？煽闯霾罘执a二進(jìn)制碼為“1”時(shí)，調(diào)制得出的信號有波形；而為“0”時(shí)，調(diào)制出的信號沒有波形。完全符合2ASK的調(diào)制原理，故調(diào)制是成功的。3.2 差分碼ASK信號與PAM混合調(diào)制利用Simulink仿真平臺構(gòu)造出的差分碼ASK信號與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)如圖3-5所示。圖3-5 差分碼ASK信號與

13、PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)（理想無噪聲）如圖所示，系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)低通濾波器仿真PAM調(diào)制過程以及非相干解調(diào)過程。加入若干頻譜分析模塊，用于比較調(diào)制解調(diào)過程中信號的變化。各模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，調(diào)制過程中各模塊參數(shù)設(shè)置如圖3-6所示。 載波參數(shù) 脈沖參數(shù)圖3-6 參數(shù)設(shè)置調(diào)制過程中的頻譜變化如圖3-7所示。ASK調(diào)制后頻譜 PAM調(diào)制后頻譜圖3-7 頻譜變化對比前面的兩個(gè)信號的頻譜，發(fā)現(xiàn)信號頻譜幾乎一致，存在細(xì)微延時(shí)，說明ASK調(diào)制成功；對比后面兩個(gè)信號的頻譜，發(fā)現(xiàn)信號頻譜幾乎沒有變化，說明PAM取樣成功，并證明了脈沖取樣的可行性。調(diào)制波形圖如圖3-8所示。圖3-8 差分碼ASK與PAM混合調(diào)制

14、解調(diào)波形圖3-10中，通道1是ASK信號原始波形，通道2是差分編碼信號，通道3是載波信號，通道4是差分碼ASK信號調(diào)制后波形，可以看到：差分碼ASK調(diào)制是成功的。通道5是PAM調(diào)制后波形，可以看到：PAM調(diào)制是成功的。3.3 經(jīng)理想信道后的非相干解調(diào)解調(diào)過程的各模塊參數(shù)設(shè)置如圖3-9所示。帶通濾波器參數(shù) 低通濾波器參數(shù)判決門限圖3-9 參數(shù)設(shè)置解調(diào)輸入和解調(diào)輸出的信號頻譜如圖3-10所示 。 解調(diào)前信號頻譜 解調(diào)后信號頻譜圖3-10 解調(diào)過程中信號頻譜解調(diào)后信號的頻譜與原ASK基帶信號基本相同，解調(diào)成功。解調(diào)的波形圖如圖3-11所示。圖3-11 差分碼ASK與PAM混合調(diào)制解調(diào)波形通道1是原始

15、基帶信號，通道2是差分編碼信號，通道3是載波信號，通道4是差分碼ASK調(diào)制信號，通道5是PAM調(diào)制信號，通道6是抽樣判決前的信號，通道7是通抽樣判決的信號，通道8是解調(diào)信號。對比通道2和通道8的信號波形，可以看到兩者波形基本一致，PAM信號的非相干解調(diào)成功。對比通道1和通道7，可以看到非相干解調(diào)得到的波形與原始基帶信號的波形一致（發(fā)生了延時(shí)），理想信道中的系統(tǒng)仿真成功。3.4 加噪聲后的系統(tǒng)仿真在調(diào)制與解調(diào)電路間加上噪聲源，模擬信號在不同信道中傳輸，觀測對比加噪聲后調(diào)制信號與理想信道中調(diào)制信號的頻譜和波形，高斯噪聲方差設(shè)定為1。系統(tǒng)如圖3-12所示。圖3-12 差分碼ASK與PAM混合調(diào)制系統(tǒng)

16、（加入高斯噪聲）輸出信號的頻譜，如圖3-13所示。 理想輸出 加高斯輸出圖3-13 輸出信號的頻譜圖3-14為三種輸出信號的波形對比圖3-14 輸出信號波形通道1為原始基帶信號，通道2為理想輸出信號，通道3為加高斯噪聲后的輸出信號。從輸出波形可以看到，疊加噪聲對信號影響較小，說明信號功率相比噪聲較大，解調(diào)的包絡(luò)與信號基本保持一致。4 仿真電路分析與總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)，我的任務(wù)是用Simulink來實(shí)現(xiàn)差分碼ASK信號與PAM混合調(diào)制仿真，在設(shè)計(jì)過程中我選擇了加入非相干解調(diào)部分。之前在Matlab課上已經(jīng)學(xué)些過相關(guān)的Matlab只是，但是對于Simulink卻是第一次接觸，由于我們使用的Matla

17、b7.0是全英文界面，以致于使用過程中常常會遇到一些模塊找不到。后來通過老師的講解，對函數(shù)庫的分布和內(nèi)容有了初步的認(rèn)識，并在老師的建議下使用了英文詞典查詢相關(guān)術(shù)語，為下面的設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)過程中電路的原理由于已經(jīng)學(xué)過，電路的初步設(shè)計(jì)比較順利，但組合好各模塊后的參數(shù)設(shè)置花了比較大的力氣，很多參數(shù)的微笑變動都會影響最后的結(jié)果，從一個(gè)簡單的抽樣頻率到比較復(fù)雜的判決門限等等，都需要通過不斷的調(diào)試，最終找到一個(gè)合適的結(jié)果。在設(shè)計(jì)調(diào)制電路的過程中，由于PAM調(diào)制只需要用到一個(gè)低通濾波器 ，而差分碼考慮到信號的失真，為了避免混合調(diào)制的信號在信道中受到過多干擾，我去掉了原本ASK調(diào)制解調(diào)電路中的帶通濾波器，

18、選擇只使用一個(gè)低通濾波器，修改前電路如圖4-1所示。圖4-1 有帶通濾波器的調(diào)制與非相干解調(diào)電路此外，我在原本的調(diào)制基礎(chǔ)上添加了非相干解調(diào)電路，由于時(shí)間原因，在加入高斯噪聲后的電路只做了課設(shè)要求中的調(diào)制部分，沒有做非相干解調(diào)?？偟恼f來，本次課程設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的電路基本上能夠仿真差分碼ASK信號與PAM混合調(diào)制過程，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。5 結(jié)束語本次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)兩個(gè)星期，在老師的指導(dǎo)下以及和同學(xué)幫助下，終于順利完成了課程設(shè)計(jì)，使我不僅對通信原理中的相關(guān)知識有了更深刻的了解，同時(shí)對MATLAB/Simulink也有了初步的認(rèn)識，并弄懂了其中一些模塊的作用和參數(shù)設(shè)置。另外，在課程設(shè)計(jì)中也發(fā)現(xiàn)了自己在理論知識上了不足，做設(shè)計(jì)的時(shí)候有遇到了很多困難。在解決困難的過程中，培養(yǎng)并提高了我自主，快速學(xué)習(xí)的能力，對我今后的學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生了非常大的幫助。并且，課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我的動手能力，讓我明白實(shí)踐過程中，不僅需要理論的支持，更