通信原理课程设计

通信原理 课程设计报告

题 目基于Simulink的2ASK仿真实现 学院(部) 电子信息工程学院 专 业 电子信息工程（本） 学生姓名 施斌 学 号 200810312236 年级 2008级 指导教师 石琳 职称 副教授

二〇一〇年十二月

基于Simulink的2ASK仿真实现

摘要：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基础。2ASK就是用二进制数字基带信号控制正弦载波的幅度，使载波振幅随着二进制数字基带信号变化而变化。载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断,这样载波幅度的有或无就可以代表信号中的“1”或“0”，从而得到2ASK信号。2ASK信号的解调有两种方法即相干解调和包络解调，在此次课程设计中采用相干解调法。本课程设计主要是用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个2ASK调制与解调系统,用示波器观察调制前后的信号波形,并对设计出的系统进行一些性能分析。 关键词：二进制数字振幅键控；2ASK；Simulink；调制与解调。

I

目 录

第1章 课程设计的任务说明 ................................................... 1

1.1 课程设计的目的 ....................................................... 1 1.2 课程设计的要求 ....................................................... 1 第2章 2ASK简介 .............................................................. 2

2.1 通信的概念 ........................................................... 2 2.2 2ASK的产生 .......................................................... 3 2.3 2ASK的功率谱和带宽 .................................................. 5 2.4 2ASK信号的解调及抗噪声性能分析 ...................................... 5 第3章 基于Simulink的模型建立和仿真 ......................................... 9

3.1 Simulink简介 ........................................................ 9 3.2 建立模型方框图 ...................................................... 10 3.3 参数设置 ............................................................ 10 3.4 仿真波形图 .......................................................... 15 3.5 不同信噪比下的误码率 ................................................ 15 总结 ........................................................................ 17 致谢 ........................................................................ 18 参考文献 .................................................................... 19

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成都学院(成都大学)课程设计报告 第1章 课程设计的任务说明

1.1 课程设计的目的

（1）通过利用MATLAB Simulink，熟悉MATLAB Simulink仿真工具。 （2）通过课程设计来更好的掌握课本相关知识，熟悉2ASK的调制与解调。

（3）更好的了解通信原理的相关知识，磨练自己分析问题、查阅资料、巩固知识、创

新等各方面能力。

1.2 课程设计的要求

（1）掌握课程设计涉汲到的相关知识、相关概念。 （2）设计合理，仿真结果正确。 （3）按照要求撰写课程设计报告。

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成都学院（成都大学）课程设计报告 第2章 2ASK简介

2.1 通信的概念

通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。

相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。

通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information) 。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。

通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。

通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图2-1所示：

信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源图2-1通信系统一般模型

通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图2-2所示：

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成都学院（成都大学）课程设计报告 信息源信源编码信道编码调制器信道解调器信道解码信源解码受信者噪声源 图2-2 数字通信系统模型

模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图2-3所示：

信息源调制器信道解调器受信者噪声源图2-3 模拟通信系统模型

数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。

2.2 2ASK的产生

二进制振幅调制就是用二进制数字基带信号控制正弦载波的幅度，使载波振幅随着二进制数字基带信号而变化。由于二进制数字信号只有两个不同的码元，因此幅度受控后的正弦波也只有两个不同的振幅，如图2-4所示。s(t)为调制信号，持续时间为Ts在二进制中，码元宽度等于比特宽度，所以在二进制数字调制中有TsTb。S2ASK(t)为已调信号，它的幅度受s(t)控制，也就是说它的幅度上携带有s(t)的信息。

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成都学院（成都大学）课程设计报告 11001s(tTS调制信号 tS2ASK(t)t已调信号

图2-4 二进制振幅调制波形

产生已调信号S2ASK(t)的部件称为2ASK调制器。图2-5是用相乘器实现的2ASK调制器及2ASK信号产生过程的波形示意图。输入是二进制单极性全占空数字基带信号s(t)，载波是c(t)，输出是已调信号S2ASK(t)。

二进制不归零信号乘法器S2ASK(t)cosct

图2-5 2ASK调制器

10110s(t)c(t)S2ASK(t

图2-6 2ASK调制器及2ASK信号的产生

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成都学院（成都大学）课程设计报告 2.3 2ASK的功率谱和带宽

2ASK信号的功率谱示意图如图2-7所示：

PS(f)2fBfB0fB2fBfP2ASK(f)fc2fBfc2fBfcfcfB0fc2fBfc2fBfcfBfcfcfB

fcfB图2-7 ASK信号的功率谱

由图2-7可知，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，其频谱的主要带宽是二进制基带信号频谱主瓣宽度的两倍，即B2ASK2fs，fs是数字基带信号的带宽，在数值上等于数字基带信号的码元速率。

2.4 2ASK信号的解调及抗噪声性能分析

2ASK信号的解调有两种方法即相干解调和包络解调。在此次课程设计中采用相干解调法。

相干解调也称为同步解调，因为这种解调方式需要一个和发送载波同频同相的本地载波。为说明图2-8中的2ASK信号的相干解调器框图中所示部件能从已调2ASK信号中检测出原发送信息，在忽略噪声的情况下画了方框图中各点的波形，如图2-9所示：

BPFLPF抽样判决接收端本地载波定时

图2-8 2ASK信号的相干解调器

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成都学院（成都大学）课程设计报告 1011001s(t)(a)S2ASK(t)cos2fcttttt(b)(c)(d)1t011001tt

(e)图2-9 2ASK相干解调器各点波形示意图

带通滤波器让信号通过的同时尽可能地滤除带外噪声，在不考虑噪声时，带通滤波器输出信号就是接收的2ASK信号。位定时信号由位定时提取电路提供。当取样值大于门限时，判决发送信号为“1”；当取样值小于门限时，判决发送信号为“0”，判决发送信号为“1”；当取样值小于门限时，判决发送信号为“0”，判决得到的信号如图2-9所示。

但实际通信中是有噪声的，噪声会使判决产生错误。下面对噪声引起的误码率进行数学分析。

在此次课程设计中，假设信道为高斯白噪声信道。 下面分两种情况加以讨论。 1) 发“1”码

值为零的高斯白噪声，经带通滤波器后变为窄带高斯噪声，用ni(t)表示为：

发“1”码时，输入的2ASK信号为acos2fct，它能顺利地通过带通滤波器。n(t)为均 ni(t)nI(t)cos2fctnQ(t)sin2fct (2-1) 因此，发“1”码时，带通滤波器的输出为

acos2fctni(t)[anI(t)]cos2fctnQ(t)sin2fct (2-2) 经乘法器，输出为

{[anI(t)]cos2fctnQ(t)sin2fct}cos2fct

(2-3) 111[anI(t)][anI(t)]cos4fctnQ(t)sin4fct2226

成都学院（成都大学）课程设计报告 经低通滤波器滤后，高频成分被滤除。设输出信号为x(t)， 则

x(t)anI(t) (2-4) 其中x(t)用于取样判决。需要说明的是，忽略系数2) 发“0”码

发“0”码时，2ASK信号为0，带通滤波器只输出噪声，所以乘法器的输出为

1不会影响误码率的计算结果。 2{nI(t)cos2fctnQ(t)sin2fct}cos2fct

(2-5) 111nI(t)nI(t)cos4fctnQ(t)sin4fct222忽略系数1/2后，低通滤波器的输出为

x(t)ni(t) (2-6)

此输出用于取样判断。 3）概率密度函数及误码率

由上分析可知，发“0”码和发“1”码时，用于判决的取样值的概率密度函数分别为 f0(x)12n12nx22n2e (2-7)

(xa)22n2 f1(x)e (2-8)

f(x)f0(x)f1(x)a0P(0/1)VTP(1/0)x

图2-10 取样值概率密度函数示意图

当P(0)=P(1)时，最佳门限应选在两条曲线的交点处。由于这两条曲线形状完全相同，所以判决门限VTa。 2根据图2-10及式（2-7）、（2-8）可得2ASK相干解调器的误码率公式为：

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成都学院（成都大学）课程设计报告 111a1rPeaf0(x)dx2f1(x)dxaf0(x)dx2f1(x)dxerfc()erfc()22222222n2aa (2-9)

式（2-9）中，r定义为：

r

a2/22n (2-10)

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成都学院（成都大学）课程设计报告 第3章 基于Simulink的模型建立和仿真

3.1 Simulink简介

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。由于MATLAB和Simulink的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而工作。

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成都学院（成都大学）课程设计报告 3.2 建立模型方框图

2ASK信号调制与解调的模型方框图如图3-1所示，各模块的名称已标注在图上。上半部分为调制部分，下半部分为解调部分。

图3-1系统方框图

3.3 参数设置

建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。 正弦载波参数设置如图3-2所示：

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图3-2正弦载波参数设置

正弦载波是幅度为2，频率为4Hz采样周期为0.002的信号。

设置依据：实际上载波的频率应该很高，但这里为了调制时便于波形的对比观察，故设为4Hz。

伯努利二进制随机数产生器参数设置如图3-3所示：

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图3-3 伯努利二进制随机数产生器参数设置

Bernoulli Random Binary Generator(伯努利二进制随机数产生器)是基于采样的，其幅度设置为2，周期为3，占1比为2/3。

带通滤波器参数设置如图3-4所示：

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图3-4带通滤波器参数设置

带通滤波器参数：带通范围为2~7Hz

设置依据：载波频率为4Hz，而基带号带宽为1Hz，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为2~7Hz。

低通滤波器参数设置如图3-5所示：

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图3-5低通滤波器参数设置

低通滤波器参数设置：截止频率为1Hz

设置依据：二进制序列的带宽为1Hz，故取1Hz。 取样判决器参数设置如图3-6所示：

图3-6取样判决器参数设置

取样判决器参数设置：门限值取为0.5，取样时间为1

设置依据：由前面的理论分析知判决门限为二元信号幅度的一半，故门限值取为0.5。

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成都学院（成都大学）课程设计报告 3.4 仿真波形图

调制部分如图3-7所示，解调部分如图3-8所示。

图3-7 调制部分

图3-8 解调部分

3.5 不同信噪比下的误码率

1) 信噪比设为90，如图3-9所示。

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图3-9信噪比设为90

此时误码率为：

图3-10信噪比设为90的误码率

2）当信噪比设为60时，如图3-11所示：

图3-11信噪比设为60

此时误码率为:

图3-12信噪比为60的误码率

由此可见，随着信噪比的降低，误码率是急剧上升的。

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成都学院（成都大学）课程设计报告 总结

通过理论指导与仿真实践，我完成了这次设计的任务，其运行结果如前面所示，较好的完成了这次课程设计。由于信道干扰及码间干扰的影响，存在着一定的误码率。当信道的信噪比提高时，误码率下降。

这次课程设计使用Simulink对2ASK系统建模仿真，使我对数字键控的概念又有了更深的了解，而且也熟悉了Simulink软件的操作，在此感谢石老师对我的帮助。

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成都学院（成都大学）课程设计报告 致谢

在这次课程设计中，我非常感谢石老师的热心帮助和指导，还要感谢参加本次课程设计的同学提出的宝贵意见和帮助，让我顺利完成这次课程设计。是你们的关怀和教导让我今天有能力完成这个题目的设计内容，在此向您道一声：您辛苦了！

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成都学院（成都大学）课程设计报告 参考文献

[1] 黄葆华，杨晓静等.通信原理.西安：西安电子科技大学出版社，2007 [2] 胡晓冬，董辰辉.MATLAB从入门到精通.北京：人民邮电出版社，2010

[3] 邵玉斌.MATLAB/SIMULINK通信原理建模与仿真实例分析.北京：清华大学出版社，2008 [4] 贾秋玲，袁冬莉.MATLAB7.X/SIMULINK/Stateflow系统仿真、分析及设计.西安：西北

工业大学出版社，2006

[5] 樊昌信.现代通信原理.北京：人民邮电出版社，2009 [6] 高建.现代通信系统.北京：机械工业出版社，2004

[7] 徐东艳，孟晓刚.MATLAB函数库查询辞典．北京：中国铁道工业出版社，2006

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