基于ASK的调制技术研究及其MATLAB仿真文档格式.docx
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映射一般是如此进行的:
先从信息序列
一次提取
个二进制数字形成份组,再从
个肯定的信号波形
当选择一个送往信道传输。
从原理上来讲,信号波形的选择只要适合于信道传输即可。
但实际数字通信系统中,大多数采用正弦信号作为载波,原因是正弦信号形式简单,便于产生和接收。
以正弦信号为载波的数字调制就是用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率或相位,或这些参数中的两个或多个的组合,别离称为数字幅度调制(振幅键控)、数字频率调制(频移键控)、数字相位调制(相移键控)和派生出的多种其它数字调制方式。
幅度键控能够通过乘法器和开关电路来实现。
载波在数字信号1或0的控制下通或断,在信号为1的状态载波接通,现在传输信道上有载波出现;
在信号为0的状态下,载波被关断,现在传输信道上无载波传送。
那么在接收端咱们就可以够按照载波的有无还原出数字信号的1和0。
对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。
振幅键控技术的应用
1.2.1数字调制技术
1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制(PCM)的概念,从此以后通信数字化的时期应该说已经开始了,可是数字通信的高速进展却是20世纪70年代以来的情形。
随着时期的进展,用户再也不知足于听到声音,而且还要看到图像;
通信终端也不局限于单一的电话机,而且还有传真机和运算机等数据终端。
现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。
数字信号的载波调制是信道编码的一部份,咱们之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有必然的限制,未经处置的数字信号源不能适应这些限制。
由于传输信道的频带资源老是有限的,因此提高传输效率是通信系统所追求的最重要的指标之一。
模拟通信很难控制传输效率,咱们最多见到的单边带调幅(SSB)或残留边带调幅(VSB)能够节省近一半的传输频带。
由于数字信号只有"
0"
和"
1"
两种状态,所以数字调制完全能够理解为像报务员用开关电键控制载波的进程,因此数字信号的调制方式就显得较为单纯。
在对传输信道的各个元素进行最充分的利历时能够组合成各类不同的调制方式,而且能够清楚的描述与表达其数学模型。
1.2.2振幅键控技术的应用
常常利用的数字调制技术有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等,频带利用率从1bit/s/Hz~3bit/s/Hz。
更有将幅度与相位联合调制的QAM技术,目前数字微波中普遍利用的256QAM的频带利用率可达8bit/s/Hz,八倍于2ASK或BPSK。
另外,还有可减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术,为某些专门应用环境提供了壮大的工具。
最近几年来,四维调制等高维调制技术的研究也取得了迅速进展,并已应用于高速MODEM中,为进一步提高传输效率奠定了基础。
总之,数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信,调制技术的种类也远远多于模拟通信,大大提高了用户按如实际应用需要选择系统配置的灵活性。
多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式,但由于它的抗噪声能力较差,尤其是抗衰落的能力不强,因此一般只适宜在恒参信道下采用。
第二章MATLABSIMULINK工具箱功能和应用介绍
MATLABSIMULINK工具箱功能
2.1.1MATLABSIMULINK工具箱
MATLAB通信工具箱是一套用于在通信领域进行理论研究、系统开发、分析设计和仿真的专业化工具软件包。
MATIAB通信工具箱由两大部份组成:
通信系统功能函数库和SIMULINK通信系统仿真模型库。
运行MATLAB通信工具箱需要有MATLAB信号处置工具箱支持。
MATLAB通信系统功能函数库由七十多个函数组成,每一个函数有多种选择参数、函数功能覆盖了现代通信系统的方方面面。
这些函数包括:
信号源产生函数、信源编码/解码函数、纠错控制编码/解码函数、调制/解调函数(基带和通带)、滤波器函数、传输信道模型函数(基带和通带)、TDMA、FDMA、CDMA函数、同步函数、工具函数等。
以纠错控制编解码函数为例:
函数库提供了线性分组码、汉明码、循环码、BCH码、里德一索洛蒙码(REED—SOLOMON)、卷积码等6种纠错控制编码,每种编码又有编码、解码、矢量输入输出、序列输入输出等四种形式的函数表达。
在SIMULINK通信系统仿真模型库中,整个通信系统的流程图被归纳为:
信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调。
多址接入方式、滤波器和传输介质的模型。
每一个框图都由一个子仿真模型库组成。
在通信系统中,一般情形下,传输和同意所采用的技术是彼此对应的,因此,能够将发射与接收部份中各个子仿真模型库进行相应的归类。
发射部份的信源编码和接收部份的信源解码所对应的子仿真模型库归类后共有5种信源编解码仿真模型。
另外,为能进行通信的全系统仿真,SIMULINK通信系统仿真模型库提供了通带和基带两种类别的信道模型,其中通带信道有4种模型,基带信道有6种模型。
2.1.2MATLAB的特点
MATLAB软件是美国MathWorks公司开发的用于概念设计,算法开发,建仿照真,实时实现的理想的集成环境。
MATLAB内核及辅助工具箱,二者的挪用组成了MATLAB的壮大功能。
MATLAB语言以数组为大体数据单位,包括控制流语句、函数、数据结构、输入输出及面向对象等特点的高级语言,具有以下主要特点:
1)运算符和库函数极为丰硕,语言简练,编程效率高,MATLAB除提供和C语言一样的运算符号外,还提供普遍的矩阵和向量运算符。
利用其运算符号和库函数可使其程序相当简短,两三行语句就可实现几十行乃至几百行C或FORTRAN的程序功能。
2)既具有结构化的控制语句(如for循环,while循环,break语句,if语句和switch语句),又有面向对象的编程特性。
3)图形功能壮大。
它既包括对二维和三维数据可视化,图像处置,动画制作等高层次的画图命令,也包括能够修改图形及编制完整图形界面的,低层次的画图命令。
4)功能壮大的工具箱。
工具箱可分为两类:
功能性工具箱和学科性工具箱。
功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能,图示建仿照真功能,文字处置功能和与硬件实时交互的功能。
而学科性工具箱是专业性比较强的,如优化工具箱、统计工具箱、控制工具箱、小波工具箱、图象处置工具箱、通信工具箱等。
5)易于扩充。
除内部函数外,所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件,用户可修改源文件和加入自己的文件,它们能够与库函数一样被挪用。
MATLAB包括五个主要部份:
(1)开发环境。
开发环境是帮忙用户利用MATLAB函数和文件的工具的集合,这些工具中许多都是图形用户界面。
开发环境包括MATLAB桌面及其命令窗口、命令记录、帮忙阅读器、工作平台、文件和搜索路径等。
(2)MATLAB数学函数库。
该库搜集了大量的从大体函数(求和、三角运算、复杂算术等)到复杂函数(矩阵求逆、求矩阵特征值、贝塞尔函数和快速傅立叶变换等)的计算算法。
(3)MATLAB语言。
MATLAB语言是一种包括流程控制语句、函数、数据结构、输入/输出和面向对象编程方式的高级矩阵/数组语言,该语言能够通过与其它MATLAB系统组成部份之间的交互来完成超级复杂的计算任务。
(4)图形句柄。
图形句柄即MATLAB的图形系统,该系统既包括二维和三维数据的可视化、图像处置、动画和图形描述等高级命令,又包括允许用户完全自概念图形,并在MATLAB应用程序中成立自己的图形界面的低级命令。
(5)MATLAB应用程序接口API是允许用户编写C、FORTIULN和MATLAB接口程序的系统库,该库中包括一些挪用工具,其它应用程序能够通过动态链接、作为计算引擎、读写MAT文件三种形式来利用这些工具以挪用MATLAB程序。
设计背景及意义
通信的主要任务是靠得住而有效地实现信息的传输。
实际的通信系统一般是复杂的大规模系统,在噪声和各类随机因素的影响下,要完成实际设计的通信系统的实验研究比较困难,有时要改变系统的某一两个参数就可能意味着整个系统需要重做。
为了进行远程传输,必需对数字信号进行载波调制,将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。
因此,大部份现代通信系统都利用数字调制技术。
另外,由于数字通信具有建网灵活,容易采用数字过失控制技术和数字加密,便于集成化,并能够进入综合业务数字网(ISDN网),所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。
随着通信系统的规模和复杂度不断增加,传统的设计方式已经不能适应进展的需要,通信系统的模拟仿真技术愈来愈受到重视。
传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路实验两种,能够取得与真实环境十分接近的结果,但耗时长,方式比较繁杂,而通信系统的运算机模拟仿真技术是介于上述两种方式的一种系统设计方式,它能够让用户在很短的时刻内成立整个通信系统模型,并对其进行模拟仿真。
初期,多采用运算机高级程序语言(FORTRAN、PASCAL、C等)进行仿真,用这些高级程序语言编写系统仿真程序,虽然比上述两种方式加倍便捷,但在程序编写中仍需花费大量时刻精力考虑事件的发生、处置和结果的可视化等因素。
即即是一个简单系统,程序都十分冗长,难于调试。
随着运算机仿真技术的进展,构筑通信系统仿真平台,能够在运算机上显示不同系统的工作原理,进行波形观察、频谱分析和性能分析等,为通信系统设计和研究提供强有力的指导。
由于数字技术的飞速进展与数字器件的普遍利用,数字信号处置在通信系统中的应用已经愈来愈重要。
数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。
频带传输系统也叫数字调制系统,该系统对基带信号进行调制,使其频谱搬移到适合在信道(一般为带通信道)上传输的频带上。
数字调制和模拟调制一样都是正弦波调制,即被调制信号都为高频正弦波。
数字调制信号又称为键控信号,数字调制进程中处置的是数字信号,而载波有振幅、频率和相位3个变量,且二进制的信号只有高低电平两个逻辑量即1和0,所以调制的进程可用键控的方式由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制,最大体的方式有三种振幅调制(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。
基于信号的系统仿真,是通信电子类专业教学和科研常常利用的一种方式。
80年代以来,通信和信号处置系统愈来愈复杂,各类新技术的进展对通信系统的实现起着重大的影响。
通信系统复杂性的增加使得分析与设计所需的时刻和费用也迅速上升,为了节约人力、物力、财力和时刻,就需要进行系统仿真。
Matlab在通信系统仿真中的应用介绍
随着通信系统复杂性的增加,传统的手工分析与电路板实验等分析设计方式已经不能适应进展的需要,通信系统运算机模拟仿真技术日趋显示出其庞大的优越性.。
运算机仿真是按照被研究的真实系统的模型,利用运算机进行实验研究的一种方式.它具有利用模型进行仿真的一系列长处,如费用低,易于进行真实系统难于实现的各类实验,和易于实现完全相同条件下的重复实验等。
Matlab仿真软件就是分析通信系统常常利用的工具之一。
Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。
Matlab的编程功能简单,而且很容易扩展和创造新的命令与函数。
应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。
Matlab具有壮大的Simulink动态仿真环境,能够实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据互换。
Simulink支持持续、离散及二者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速度的多速度系统;
Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相较,更直观、方便和灵活。
用户能够在Matlab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。
用于实现通信仿真的通信工具包(Communicationtoolbox,也叫Commlib,通信工具箱)是Matlab语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟进展、系统设计和分析的功能,能够在Matlab环境下独立利用,也能够配合Simulink利用。
另外,Matlab的图形界面功能GUI(GraphicalUserInterface)能为仿真系统生成一个人机交互界面,便于仿真系统的操作。
因此,Matlab在通信系统仿真中取得了普遍应用,本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。
第三章振幅键控调制系统仿真模型设计和搭建
数字调制系统仿真模型
3.1.1数字调制系统各个环节分析
典型的数字通信系统由信源、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节组成,其框图如图3-1所示:
数字调制是数字通信系统的重要组成部份,数字调制系统的输入端是经编码器编码后适合在信道中传输的基带信号。
对数字调制系统进行仿真时,咱们并非关心基带信号的码型,因此,咱们在仿真的时候能够给数字调制系统直接输入数字基带信号,不用在通过编码器。
3.1.2仿真框图
MATLAB提供的图形界面仿真工具Simulink由一系列模型库组成,包括Sources(信源模块),Sinks(显示模块),Discrete(离散系统模块),Linear(线性环节),Nonlinear(非线性环节),Connections(连接),Blocksets&
Toolboxes(其他环节)。
专门是在Blocksets&
Toolboxes中还提供了用于通信系统分析设计和仿真的专业化模型库CommTbxLibrary。
在这里,整个通信系统的流程被归纳为:
信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调、滤波器和传输介质的模型。
在每一个设计模块中还包括有大量的子模块,它们大体上覆盖了目前通信系统中所应用到的各类模块模型。
通信系统一般都能够成立数学模型。
按照所需仿真的通信系统的数学模型(或数学表达式),用户只要从上述各个模型库中找出所需的模块,用鼠标器拖到模型窗口中组合在一路,并设定好各个模块参数,就可方便地进行动态仿真.从输出模块可实时看到仿真结果,如时域波形图、频谱图等。
每次仿真结束后还能够更改各参数,以便观察仿真结果的转变情形。
另外,对Simulink中没有的模块,可运用S函数生成所需的子模块,而且能够封装和自概念模块库,以便随时挪用。
按照Simulink提供的仿真模块,ASK调制解调系统的仿真模型如图3-2所示的:
图3-2ASK调制解调系统的仿真模型
信号源仿真及参数设置
Simulink通信工具箱中的CommSources/DataSources提供了数字信号源BernoulliBinaryGenerator,这是一个按Bernoulli散布提供随机二进制数字信号的通用信号发生器。
在现实中,对受信者而言,发送端的信号是不可预测的随机信号。
因此,咱们在仿真中能够用BernoulliBinaryGenerator来模拟基带信号发生器。
BernoulliBinaryGenerator模块的作用是产生服从伯努利散布的随机二进制序列。
二进制伯努利散布的特征是若序列中0的概率为P,则输出信号的均值为1-P,方差为P(1-P)。
模块的输出能够是帧结构的矩阵,也能够是数据流形式的行或列向量或一维数组。
其中主要参数的含义为:
Probabilityofazero:
模块产生的信号中出现0符号的概率,是一个介于0-1之间的数字,在仿真的时候一般设成,如此便于频谱的计算;
Initialseed:
控制随机数产生的参数,要求不小于30,而且与后面信道中的Initialseed设置不同的值;
Sampletime:
抽样时刻,这里指一个二进制符号所占的时刻,用来控制号发生的速度,那个参数必需与后面调制和解调模块的Symbolperiod保持一致。
Interpretvectorparametersas1-D:
选中该项后,模块产生一维的输出序列,不然输出二维向量。
具体参数设置如图3-3所示:
图3-3伯努利序列生成器参数设置界面
正弦波发生器
正弦波发生器的作用是产生幅度和频率可调的正弦波。
其具体参数设置如下:
sinetype:
产生正弦波的方式,能够选择基于时刻或基于采样点。
Time:
本处利用模拟时刻
Amplitude:
正弦波的幅度
Bias:
幅度偏移
Frequency
:
角频率,单位为rad/s
phase
初始相位
Sampletime
采样时刻。
写0表示采用默许值。
图3-4正弦波发生器参数设置界面
信道
信道是通信系统的大体环节之一,信道的传输质量直接影响着信号的接收和解调。
这种影响表此刻2个方面:
一是产生噪声;
二是减弱信号的强度和改变信号的形状。
通信系统设计的目的是使接收端能够毫无不同的再现发送端发送的原始数据,因此,在设计通信系统的进程中,信道对传输信号的影响是一个不可或缺的环节。
按照信道中占主导地位的噪声的特点,信道能够分为加性高斯白噪声信道,二进制对称信道等。
Matlab中的信道模块位于CommunicationsBlockset库中Channels库下,包括通信系统中常常利用的AWGN信道模块,多径瑞利衰落信道等。
在本文在搭建仿真通信系统时选择高斯噪声作为系统的噪声来考查,因为这种噪声在现实中比较常见而且容易分析。
Simulink中提供了带有加性高斯白噪声的信道:
AWGNChannel。
仿真时能够用该模块模拟现实中的信道。
若模块的输入信号为实数,则模块产生实数高斯白噪声,输出也为实数。
若输入信号为复数,则模块产生复数高斯白噪声,输出也为复数。
模块的抽样时刻继承自输入信号的抽样时刻。
该模块的主要参数有:
Initialseed:
控制随机数产生的参数,要求不小于30,且与前面信号源中的Initialseed设置不同的值;
当为向量时,其长度应与输入信号的向量长度匹配。
Mode:
产生噪声方差的方式,有以下4个选项。
1)Signaltonoiseratio(Es/No):
信号能量与噪声功率谱密度的比值。
2)Signaltonoiseratio(SNR):
信号和噪声功率比。
3)Variancefrommask:
指定噪声方差,其值必需为一正数。
4)Variancefromport:
从输入端口来肯定噪声方差。
Inputsignalpower:
输入信号的均方根,当Mode选择Es/No或SNR时出现该项。
具体参数设置如图3-5所示:
图3-5加性高斯白噪声信道参数设置界面
误码计算仪
信号通过信道后,由于噪声的干扰,在接收端可能出现误码,Simulink中提供了ErrorRateCalculation模块来计算误码率。
它能够对输入的两个信号进行对比,若输入为二进制序列,则输出误比特率,不然输出误符号率。
值得注意的是,模块只比较两个输入信号的正负关系,而不是具体的比较他们的大小。
模块的Tx输入端口接收发送方的输入信号,他们能够是标量和帧结构的列向量信号,二者也能够不同,这时模块将标量信号和向量信号中的每一个元素进行对比。
其主要参数的设置为:
Receivedelay:
接收延迟,表明在计算误码率时接收到的信号比源信号延迟的码元数,便于准确计算
Outputdata:
数据输出,将误码率、误码数及码元总数输出,有两个选项可选择:
Workspace和Port。
将数据输出到Workspace就是将误码率等数据存在内存中,以便下一步利用,而输出到Port中,则是在误码计算仪后面再接一个模块(比如结果显示模块),将数据传到该模块中(显示出来);
具体参数设置如图3-6所示:
图3-6误码计算仪参数设置界面
示波器
在仿真进程中,必需观察各个环节的时域和频域波形,因此,必需在各个环节加上示波器以观察波形。
另外,还可将示波器的数据输出到Workspace中存储,以便对仿真结果做进一步处置,比如将各个环节的波形对比显示和做频域变换等。
第四章振幅键控调制系统结果分析
振幅键控调制系统仿真流程和主要参数设置
通常,二进制振幅键控信号(2-ASK)的产生方式(调制方式)有两种,如图4-1所示:
2-ASK解调的方式也有两种相应的接收系统组成方框如图4-2所示:
在2ASK调制解调仿真模型中,调制和解调利用了同一个载波,目的是为了保证相干解调的同频同相,虽然这在实际运用中是不可能实现的,可是作为仿真,如此能取得更理想的结果。
仿真模型主要模块参数设置如下:
1.BernoulliBinaryGenerator的参数设置为:
67
1
2.载波频率设为:
50(可调)
3.SampleandDecide模块是一个子系统,其内部结构由抽样和裁决两部份组成,其中,抽样由同步冲激信号(Sychronizingsignal)完成,其参数period(sec)设置和信号源的参数Sampletime维持一致。
裁决模块是一个由M文件编写的S函数,S函数是Simulnk顶用以功能扩展的一个功能,用S函数能够自己编制Simulink库中没有的Simulink模块,从而使Simulink的功能大大增强,本模型中利用的裁决模块就是如此一个应用。
SampleandDecide模块内部结构如图4-3所示:
图4-3SampleandDecide子系统内部结构
4.ErrorRateCalculation的参数设置:
Receivedelay:
2
Outputdata:
Workspace
Variablename:
ErrorVec
振幅键控调制系统结果分析
4.2.1仿真结果时域分析
设信息源发出的是由二进制符号0、1组成的序列,且假定0符号出现的概率为P,1符号出现的概率为1-P,他们彼此独立。
则,2ASK信号的时刻表示式为:
s(t)为随机的单极性矩
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- 关 键 词:
- 基于 ASK 调制 技术研究 及其 MATLAB 仿真