2ASK系统的抗噪声性能分析.docx
- 文档编号:30205954
- 上传时间:2023-08-07
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:843.22KB
2ASK系统的抗噪声性能分析.docx
《2ASK系统的抗噪声性能分析.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2ASK系统的抗噪声性能分析.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
2ASK系统的抗噪声性能分析
2ASK系统的抗噪声性能分析
作者:
郭帅指导老师:
金中朝
摘要:
2ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息的,而其频率和初始相位保持不变。
在2ASK中,载
波的幅度只有两种变化状态,分别对应二进制信息“0”或“1”。
有载波输出时表示发送“1”,无载波
输出时表示发送“0”。
2ASK信号解调的常用方法主要有包络检波法和相干检测法。
虽然2ASK信号中
确实存在着载波分量,原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波,但这会给接收设备增加复
杂性。
因此,实际中很少采用相干解调法来解调2ASK信号。
但是,包络检波法存在门限效应,相干检
测法无门限效应。
所以,一般而言,对2ASK系统,大信噪比条件下使用包络检测,即非相干解调,而
小信噪比条件下使用相干解调。
关键字:
2ASK,数字调制‘systemview
1引言
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。
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。
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。
本文主要分析2ASK数字通信的工作原理,并给出同步检测法和包络检波法的分析模型及系统性能分析。
22ASK调制原理
数字幅度调制又称幅度键控(ASK),二进制幅度键控记作2ASK2ASK是利用代表数字信息“0”或
“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波,使载波时断时续地输出。
有载波输出时表示发送“1”,
无载波输出时表示发送“0”。
借助于幅度调制的原理,2ASK信号可表示为
e°(t)二s(t)cosct(2-1)
式中,-c为载波角频率,s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列
s(t)ang(t-nTb)(2-2)
n
其中,g(t)是持续时间为Tb、高度为1的矩形脉冲,常称为门函数;an为二进制数字
=1,出现槪率为F宀山出现概率为(U
(2-3)
L.
二进制振幅键控信号时间波型如图1所示。
由图1可以看出,2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随
二进制基带信号s(t)通断变化,所以又称为通断键控信号(OOK言号)。
由图1可以看出,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5所示。
2ASK信号非相干解调过程的时间波形如图7所示。
图1二进制振幅键控信号时间波型
在二进制数字振幅调制中,载波的幅度随着调制信号的变化而变化,实现这种调制的方式有两种:
(1)模拟相乘法:
通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号,这种直接利用二进制数字信
号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟相乘法,其电路如图4-a所示。
在该电路中载波信号和二进制
数字信号同时输入到相乘器中完成调制。
(2)数字键控法:
用开关电路控制输出调制信号,当开关接载
波就有信号输出,当开关接地就没信号输出,其电路如图4-b所示。
开关电路
32ASK解调原理
2ASK信号的产生方法(调制方法)有两种,如图4所示。
图(a)是一般的模拟幅度调制方法,不
过这里的s(t)由式(2-2)规定;图(b)是一种键控方法,这里的开关电路受s(t)控制。
图(C)给出
了s(t)及®(t)的波形示例。
二进制幅度键控信号,由于一个信号状态始终为0,相当于处于断开状态,
故又常称为通断键控信号(ooK言号)。
1001
啲□口,
(C)
图42ASK信号产生的方法及波形实例
2ASK信号解调的常用方法主要有两种:
包络检波法和同步检测法。
不计噪声影响时,带通滤波器输出为2ASK信号,即y(t)二e0(t)二s(t)cos・联,包络检波器输出为
s(t)。
经抽样、判决后将码元再生,即可恢复出数字序列2訂。
图52ASK信号的包络检测法的原理方框图
BPF恰好使2ASK信号完整地通过,并经包络检测后输出其包络。
LPF的作用是滤除高频杂波。
抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。
定时抽样脉冲是很窄的脉冲,通常位于每个码元的中央位置,其
重复周期等于码元的宽度。
抽样判决器的作用是:
信号经过抽样判决器,即可确定接收码元是“1”还
是“0”。
假设抽样判决门限为b,当信号抽样值大于b时,判为“1”码;信号抽样值小于b时,判为
“0”码。
为简化设计电路,在调制的输出端没有加带通滤波器,并且假设信道时理想的,所以在解调部分也没有加带通滤波器。
d
图62ASK信号包络解调过程的时间波形
同步检测法的原理方框图如图
7所示。
此系统要求接收机产生一个与发送载波冋频冋相的本地载波
信号,称为同步载波或相干载波。
利用此载波与收到的已调信号相乘,输出为
2
z(t)=y(t)cos,ct=s(t)cos'Ct口
=is(t)-s(t)cos2-ct
22
图72ASK信号的同步检测的原理方框图
Z(t)信号经过低通滤波器后输出s(t)信号。
低通滤波器的截止频率预计带数字信号的最高频率相等。
由于噪声影响及传输特性的不理想,低通滤波器输出波形有真,经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。
虽然2ASK信号中存在载波分量,原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波,但这会给接收设备增加复杂性。
因此,实际中很少采用同步检测法来解调2ASK信号
42ASK信号的功率谱及带宽
前面已经得到,一个2ASK信号e0(t)可以表示成
(4-1)
q(t)=s(t)cosct
这里,s(t)是代表信息的随机单极性矩形脉冲序列。
现设s(t)的功率谱密度为ps(f),e0(t)的功率谱密度为pe(f),则由式(4-1)可以证得
Pe(f)=1Ps(ffc)Ps(f一fc)丨(4-2)
4
2ASK信号功率谱密度推导:
已知e0(t)二'ang(t-nT$)cos復二s(t)cos,s(t)的功率谱为Ps(f)。
ILn」
Fe(f)JPs(ffc)Ps(f-fc)1,
4
fs(1-P)2
Ps(f)=fsP(1—P)G(f)2
G(mfs);(f-mfs),G(f)
sin二fTs
二fTs
16
■(ffc)Ts
sin二(f_fc)Ts
二(f-仁兀
詁(ffc)「(f7)
(4-3)
(4-4)
121P5(f)TbSa2(二fTb)(f)44
代入式(4-2),得2ASK信号功率谱
Pe(f^Tb;Sa^:
(f-fc)Tb1-Sa2'(f-fJTb》161詁—(f-J
其示意图如图8所示。
由图8可见:
(1)
2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。
其中,连续谱取决于数字基带信号s(t)经线性调制后的双边带谱,而离散谱则由载波分量确定。
(2)如同分析过的双边带调制一样,2ASK信号的带宽B2ask是数字基带信号带宽Bs的两倍
(a)
(b)
图82ASK信号的功率谱
(3)
因为系统的传码率RB=1/Tb(Baud),故2ASK系统的频带利用率为
这意味着用
(Hz)。
2ASK方式传送码元速率为Rb的二进制数字信号时,要求该系统的带宽至少为2Rb
52ASK系统的抗噪声性能
通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声的能力。
在数字系统中它通常采用误码率来衡量。
由于加性噪声被认为只对信号的接收产生影响,故分析系统的抗噪声性能只需考虑接收部分。
假定信道噪声为加性高斯白噪声n(t),其均值为0、方差为6:
;接收的信号为
5.1包络检测时2ASK系统的误码率
对于图5所示的包络检测接收系统,其接收带通滤波器BPF的输出为
(5-2)
_{Acos豹ct+nc(t)cosmct-ns(t)sin^ct,发“T
nc(t)cos務ct-ns(t)sin^ct,发“0”
其中,m(t)二nc(t)cos・・ct「ns(t)sin•&为高斯白噪声经BPF限带后的窄带高斯白噪声。
经包络检波器检测,输出包络信号
由式(5-2)可知,发“1”时,接收带通滤波器BPF的输出y(t)为正弦波加窄带高斯噪声形式;
发“0”时,接收带通滤波器BPF的输出y(t)为纯粹窄带高斯噪声形式。
由已知得发“1”时,BPF输出
包络x(t)的抽样值•.的一维概率密度函数f1(X)服从莱斯分布;而发“0”时,BPF输出x(t)包络的抽
样值x的一维概率密度函数f0(x)服从瑞利分布,如图所示。
图9包络检波时误码率的几何表示
x(t)亦即抽样判决器输入信号,对其进行抽样判决后即可确定接收码元是“1”还是“0”。
我们规
定,倘若x(t)的抽样值xUd,则判为“是1码”;若X岂Ud,判为“是0码”。
显然,选择什么样的判决门限电平一;与判决的正确程度(或错误程度)密切相关。
选定的Ud不同,得到的误码率也不同。
这一点可从下面的分析中清楚看到。
存在两种错判的可能性:
一是发送的码元为“1”时,错判为“0”,其概率记为P(0/1);二是发送
的码元为“0”时,错判为“I”,其概率记为P(1/0)。
由图9可知
Ud
p(01)=p(x_Ud)fi(x)d^S|(5-5)
式中,S0、Si分别为图9所示阴影面积。
假设发送“1”码的概率为p
(1),发送“0”码的概率为
P(0),则系统的总误码率Pe为
Pe二P
(1)P(01)P(0)P(10)(5-6)
当p
(1)=p(0)=1/2,即等概时
AA
Pe=2"卩(01)P(10)L2(ScS1)(5-7)
也就是说,Pe就是图9中两块阴影面积之和的一半。
不难看出,当Ud二Ud时,该阴影面积之和最小,
即误码率Pe最低。
称此使误码率获最小值的门限Ud为最佳门限。
采用包络检波的接收系统,通常是工作在大信噪比的情况下,可以证明,这时的最佳门限U;=A/2,系统的误码率近似为
式中,r二A2/(2;「2)为包检器输入信噪比。
由此可见,包络解调2ASK系统的误码率随输入信噪比丫的
增大,近似地按指数规律下降。
必需指出,式(5-8)是在等概、大信噪比、最佳门限下推导得出的,使用时应注意适用条件。
5.2相干解调时2ASK系统的误码率
2ASK信号的相干解调接收系统如图7所示。
图中,接收带通滤波器BPF的输出与包络检波时相同,为
取本地载波为2cosct,则乘法器输出
z(t)=2y(t)cosct
nc(t)为高斯噪声,因此,无论是发送“1”还是“0”,x(t)瞬时值久的一维概率密度"(x)、f0(x)都
是方差为的正态分布函数,只是前者均值为A,后者均值为0,即
其曲线如图10所示。
图10同步检测时误码率的几何表示
类似于包络检波时的分析,不难看出:
若仍令判决门限电平为Ud,则将“0”错判为“I”的
概率P(1/0)及将“1”错判为“0”的概率p(0/1)分别为
p(10)=p(x_Ud)=“f°(x)dx二S0(5-13)
Ud
"Ud
p(0.1)=p(x^Ud)二二f1(x)dx二S1(5-14)
式中,S0、S1分别为图10所示的阴影面积。
假设p(1,则系统的总误码率Pe为
(5-15)
p^p
(1)p(01)p(0)p(10)冷如)pg弓(S0S1)
且不难看出,最佳门限U;二A/2。
综合式(5-11)式(5-15),可以证明,这时系统的误码率为
(5-17)
上式表明,随着输入信噪比的增加,系统的误码率将更迅速地按指数规律下降。
必须注意,式(5-16)的适用条件是等概、最佳门限;式(5-17)的适用条件是等概、大信噪比、最佳门限。
比较式(5-17)和式(5-8)可以看出,在相同大信噪比情况下,2ASK信号相干解调时的误码率总
是低于包络检波时的误码率,即相干解调2ASK系统的抗噪声性能优于非相干解调系统,但两者相差并
不太大。
然而,包络检波解调不需要稳定的本地相干载波,故在电路上要比相干解调简单的多。
另外,包络检波法存在门限效应,相干检测法无门限效应。
所以,一般而言,对2ASK系统,大信
噪比条件下使用包络检测,即非相干解调,而小信噪比条件下使用相干解调。
6二进制振幅键控的仿真仿真实验
6.12ASK调制系统软件仿真线路连接及对比分析
新建实验区,在左侧的器件库中选择随机信号
2ASK调制器、傅里叶变换器,将随机信号、2ASK
调制器和2ASK调制信号经傅里叶变化后连接到信号输出器,如图11所示。
将随机信号输入方式设置
为用户输入,原始数据的码元序列设置为101(用空格隔开)作为2ASK基带输入信号,输出方式设置为连续输出,其他参数保持默认值;2ASK调制器的载波频率设置为5(载波频率设置建议为整数,范
(a)随机信号波形
(b)2ASK调制信号波形
(c)2ASK调制信号频谱图
图12
第9页共9页
6.22ASK解调系统软件仿真线路连接及对比分析
新建实验区,在左侧的器件库中选择2ASK解调器,将2ASK调制器的输出连接到2ASK解调器构成
仿真线路。
将2ASK解调器的载波频率设置为5,输出方式设置为连续输出,其他参数保持默认值。
2ASK
解调模块可由带通滤波器、包络检波器和抽样判决器构成,在虚拟通信实验箱器件库中选择滤波器、包
络检波器和抽样判决器,将选通开关输出的2ASK调制信号连接到滤波器,再经包络检波器连接到抽样
判决器构成仿真线路,对2ASK解调模块进行拆分。
滤波器的滤波类型设置为带通滤波,通带截止频率设置为410,阻带截止频率设置为120,阻带最小衰减设置为10,其他参数保持默认值。
将滤波器、
包络检波器和抽样判决器的输出分别连接到信号输出器
(a)随机信号波形
图132ASK调制系统软件仿真线路图运行仿真线路,得如下输出波形。
1,000
600
600
400
200
0
-400-200Q2Q0400
(b)2ASK解调信号频谱图
(c)2ASK解调信号
(d)选通开关输岀波形
(e)滤波器输出波形
(f)包络检波器输岀形
(g)抽样判决器输波形
7结束语
现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。
作为其关键技术之一的调制解调技术一
直是人们研究的一个重要方向。
从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善,到现在数字调制技术的广泛运
用,使得信息的传输更为有效和可靠。
二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式,也是各种数字调制
的基础。
致谢
在各位领导的悉心关怀下;在金中朝老师的耐心指导下;在各位同学的贴心帮助下,本设计成功完成。
我的毕业设计与论文中无不倾注着金老师辛勤的汗水和心血。
他对教学一丝不苟、认真求实的工作
作风,对指导毕业设计工作默默无闻、积极负责的态度都深深影响着即将走入社会的我。
让我不仅系统
的掌握了专业知识体系,也让我有了正确的态度和坚定的信心去面对未来。
当然我至亲的朋友、同学也
给予了我很多帮助,大家互相鼓励、一起探讨,奋斗了多少个日日夜夜,让我们的毕业设计顺利完成。
参考文献
[1]樊昌信,曹丽娜编著通信原理(第六版)国防工业出版社
[2]王福昌熊兆飞黄本雄编著通信原理[M].清华大学出版社2006.01
[3]樊昌信徐炳祥吴成柯编著通信原理[M].国防工业出版社2001.06
[4]
2ASKantinoiseperformanceofthesystemanalysis
Author:
GuoShuaiguideteacher:
JinZhongchao
Abstract:
2ASKisusedtothechangeofamplitudeofthecarriertransmissionofdigitalinformation,anditsfrequencyandinitialphaseremainsunchanged.In2ASKthecarrieramplitudeisonlytwokindsofstatechange,correspondingbinaryinformation"0"or"1".Whenacarriersaidtosendtheoutputofthe"1",nocarriersaidtosendtheoutputofthe"0".2ASKsignaldemodulationmethodsmainlyhaveenvelopedetectionmethodandthecorrelationtest.however,itdoesnotneedstablelocalcoherentcarrier,sothecircuitmoresimplethancoherentdemodulation.Although2ASKdoesexistcarriercomponentinthesignal,caninprinciplebynarrow-bandfilterorphase-lockedlooptoextractsynchronouscarrier,butthisaddscomplexitytothereceivingdevice.Therefore,theactualisrareinthecoherentdemodulationmethodisadoptedto2ASKsignaldemodulation.Envelopedetectionmethod,however,thethresholdeffect,cohereneeeffecttestimpossibleposition.Therefore,2ASKsystem,ingeneral,thelargerSNRusingenvelopedetection,namelythenoncoherentdemodulation,andlittleuseofcoherentdemodulationSNR.
Keywords:
2ASK,Digitalmodulation,Thesystemview
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- ASK 系统 噪声 性能 分析