数字信号频带传输系统仿真.docx

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数字信号频带传输系统仿真

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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2012年秋季学期

通信系统综合训练

题目：

数字信号频带传输系统的仿真实现

专业班级：

通信四班

姓名：

路人甲

学号：

09250417

指导教师：

陈海燕

成绩：

及格

摘要

在本次综合训练，题目是数字信号频带传输系统设计，我在此次训练运用MATLAB进行

ASK频带传输系统仿真。

生成一段随机的二进制非归零码的频带信号，并对其进行ASK调制后再送入加性高斯白噪声（AWGN）信道传输，在接收端对其进行ASK解调以恢复原信号，观察还原是否成功，改变AWGN信道的信噪比，计算传输前后的误码率。

绘制信噪比-误码率曲线，并与理论曲线比较进行说明。

关键词:

信道传输，ASK调制解调，MATLAB

前言

本次综合训练主要是深入理解和掌握振幅通信系统的各个关键环节。

通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课，是通信工程专业后续专业课的基础。

掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础，可提高处理通信系统问题能力和素质。

由于通信工程专业理论深、实践性强，做好课程设计，对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

模型化图形输入是指Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析[5]。

目录

前言2

第1章基本原理4

1.1Simulink工作原理4

1.2二进制振幅键控原理（2ASK）5

第2章系统设计7

2.1ASK调制与解调7

2.2加入高斯白噪声后的ASK调制与解调11

2.3误码率的计算14

第3章出现的问题及解决方法18

总结19

参考文献20

致谢21

附录Ⅰ：

误码率计算（理论曲线）22

附录Ⅱ：

误码率计算（实际曲线）23

第1章基本原理

1.1Simulink工作原理

（1）模型库

在MATLAB命令窗口输入“Simulink”并回车，就可进入Simulink模型库单击或工具栏上的按钮也可进入。

Simulik模块库按功能进行分为以下8类子库：

Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。

Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构Simulink子模型库中包含了Continous、Discontinus等下一级模型库Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。

图1.1Simulink工具箱

（2）设计仿真模型

在MATLAB子窗口或Simulink模型库的菜单栏依次选择“File”|“New”|“Model”，即可生成空白仿真模型窗口

图1.2新建仿真模型窗口

（3）运行仿真

两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：

在菜单栏中依次选择"Simulation"|"Start"或在工具栏上单击。

命令行方式：

输入“sim”启动仿真进程

比较这两种不同的运行方式：

菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。

命令行方式启动模型后，不能观察仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式[5]。

1.2二进制振幅键控原理（2ASK）

数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。

2ASK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”。

2ASK信号可表示为

（1-1）

式中，

为载波角频率，s（t）为单极性NRZ矩形脉冲序列

（1-2）

其中，g（t）是持续时间

、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；

为二进制数字

（1-3）

2ASK信号的产生方法通常有两种：

模拟调制（相乘器法）和键控法。

本课程设计运用模拟幅度调制的方法，用乘法器实现。

相应的调制如图1-3：

图1.3模拟相乘法

AM信号的解调一样，2ASK信号也有两种基本的解调方法：

非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。

本次训练要求的是相干解调[3]，如图1-4：

图1.4相干解调方式

第2章系统设计

2.1ASK调制与解调

整个ASK的仿真系统的调制与解调过程为：

首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。

在MATLAB下Simulink仿真平台构建了ASK调制与解调仿真电路图如图2.1所示：

图2.1ASK调制与解调仿真电路图

将信号源的码数率设为1B/S,即频率为1Hz。

参数设置如图2.2所示：

图2.2信号源参数设置

在调制解调系统中，载波信号的频率一般要大于信号源的频率。

信号源频率为1Hz，所以将载波频率设置为6Hz，由于在载波参数设置里，频率的单位是rad/sec，所以即为12*pi。

载波信号参数如图2.3所示：

图2.3载波信号参数设置

低通滤波器的频带边缘频率与信号源的频率相同，前面设置信号源频率为1Hz，所以对话框中“Passbandedgefrequency（rads/sec）：

”应填“2*pi”。

参数设置如图2.4所示：

图2.4低通滤波器参数设置

对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2（当P

（1）=P（0）时），它与接受机输入信号的幅度有关。

当接收机输入的信号幅度发生变化，最佳判决门限也将随之改变。

抽样判决器参数设置如图2.5所示：

图2.5抽样判决器的参数设置

量化器抽样频率等于信号源频率。

前面已经设置信号源频率为1Hz，即抽样频率为1Hz，所以对话框中“Sampletime（-1forinherited）:

”应填“1”。

量化器参数设置如图2.6所示：

图2.6量化器参数设置

设置好参数之后，进行仿真，由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在1比特的时延（用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率）。

因而，误码器的可接纳时延为1比特。

其参数设置如图2.7所示：

图2.7误码器的参数设置

经过误码器的1比特时延后，其误码率为0，结果正确。

如图2.8所示：

图2.8误码率的查看

输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形（从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号）第一路为信号源模块波形图，第二路为ASK调制后波形图，第三路为调制信号与载波相乘后波形图，第四路为经过低通滤波器后波形图，第五路为ASK解调波形图。

由各波形可看出该ASK调制解调系统符合训练要求[1]。

如图2.9所示：

图2.9各点信号的波形

2.2加入高斯白噪声后的ASK调制与解调

整个加入高斯白噪声后的ASK仿真系统的调制与解调过程为：

首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，送入加性高斯白噪声（AWGN）信道中传输。

在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。

如图2.10所示：

图2.10ASK调制与解调中加入高斯白噪声仿真图

高斯白噪声的抽样时间设置为0.01，如图2.11所示：

图2.11高斯白噪声的参数设置

带通滤波器的下频应该等于载波频率与调制信号频率之差，上频应该等于载波频率与调制信号频率之和。

前面已设置信号源频率为1Hz，载波频率为6Hz,计算得上、下截止频率分别为7Hz、5Hz，转换成以rads/sec为单位即为14*pi、10*pi。

所以“Lowerpassbandedgefrequency（rads/sec）Upperpassbandedgefrequency（rads/sec）”应填“10*pi、14*pi”。

参数设置如图2.12所示：

图2.12带通滤波器的参数设置

设置好参数之后，进行仿真，由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在0.01秒的时延，即信号时延了2比特（用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率）。

因而，误码器的可接纳时延为2比特。

其参数设置如图2.13所示：

图2.13误码器的参数设置

经过误码器的2比特时延后，其误码率为0。

如图2.14所示：

图2.14误码率的查看

输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形（从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号）第一路为信号源模块波形图，第二路为ASK调制后的波形图，第三路为加入高斯白噪声后的波形图，第四路为经过带通滤波器后的波形图，第五路为经过带通滤波器后与载波相乘后的波形图，第六路为经过低通滤波器后的波形图，第七路为ASK解调后的波形图。

在ASK调制与解调中加入高斯白噪声后，波形出现了失真，解调也有误码存在，系统基本符合训练要求[2]。

如图2.15所示：

图2.15各点信号的波形

2.3误码率的计算

误码率是衡量一个数字通信系统性能的重要指标。

在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达示的形式则取决于解调方式。

ASK调制与解调中计算误码率仿真图如图2.16所示：

图2.16ASK调制与解调中计算误码率仿真图

在绘制信噪比-误码率关系曲线图之前，先将源程序创建M文件，将仿真图及M文件放入MATLAB软件的work文件夹下，并重新设置高斯噪声和误码器模型参数。

高斯白噪声的“Variance（vectorormatrix）”应该设置为“var”。

如图2.17所示：

图2.17高斯白噪声的参数设置

误码器“Outputdata”应该设置为“workspace”。

如图2.18所示：

图2.18误码器的参数设置

二进制数字频带传输系统,误码率与信号形式（调制方式）,与噪声的统计特性,解调及译码判决方式有关。

对于二进制数字频带传输系统,无论采用何种方式,何种检测方法,其共同点都是随着输入信噪比增大时,系统的误码率就降低;反之,当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加[4]。

根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率理论关系曲线图。

源程序见附录Ⅰ，所需M文件如图2.19所示：

图2.19M文件1

信噪比-误码率的理论关系曲线如图2.20所示：

图2.20信噪比-误码率的理论关系曲线图

根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率实际关系曲线图。

源程序见附录Ⅱ，所需M文件如图2.21所示：

图2.21M文件2

信噪比-误码率的实际关系曲线如图2.22所示：

图2.22信噪比-误码率实际关系曲线图

与信噪比-误码率理论关系曲线图相比较类似，由上图可以看出：

随着输入信噪比增大，系统的误码率降低；反之，当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。

符合理论要求，所以此图绘制正确，达到预想结果[4]。

第3章出现的问题及解决方法

在本次综合训练运用了MATLAB软件建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和老师同学的帮助都一一解决，总结分析分析如下：

1、在解调时没有加噪声出现误码率。

解答办法：

出现误码数据时，可以根据示波器的输出波形，合理修改误码器中的receivedelay的数据就可以使误码数据为零。

2、示波器中的波形只出现一部分。

解决办法：

双击示波器，修改datahistory中的limitdatapointstolast的数据，再重新运行Simulink观察示波器即可看到准确图形。

3、解调波形时无失真，但解码后波形严重失真。

解决办法：

这是由于信号经过低通滤波器后会产生时延，而本次课程设计中信号是以帧的形式进行传输，因而在解调输出端若直接使用解调信号，将会产生严重失真。

因而，要在解调输出端加入延时模块，使其延时的比特数恰好等于一帧所含的比特数。

系统的时延可从解调信号的波形图中看出，加入的模块数等于一帧所含的比特数减去系统时延的比特数。

总结

此次综合训练中，在老师的悉心指导下较好地完成了老师所布置的任务，其中遇到了不少困难，得到了同学们的帮助，学到了很多东西。

在通过三周的训练中，现在我较好地完成了既定目标，在试验中我学到了不少东西，也感触很深，本次综合训练主要运用MATLAB进行ASK频带传输系统仿真，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示器结果分析设计的系统性能。

在训练中，目的主要是仿真通信系统中频带传输技术中的ASK调制。

产生一段随机的二进制非归零码的频带信号，对其进行ASK调制后再送入加性高斯白噪声（AWGN）信道传输，在接收端对其进行ASK解调以恢复原信号，观察还原是否成功，改变AWGN信道的信噪比，计算传输前后的误码率，绘制信噪比-误码率曲线，并与理论曲线比较进行说明。

参考文献

[1]宋祖顺.现代通信原理[M].北京：

电子工业出版社，2001，2.

[2]Proakis，张力军.数字通信（第四版）[M].北京：

电子工业出版社，2004，7.

[3]吴玲达，李国辉，杨冰等.计算机通信原理与技术[M].北京：

国防科技大学出版社，2003，3.

[4]孙丽华.信息论与纠错编码[M].北京：

电子工业出版社，2005，3

[5]徐远明.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安：

西安电子科技大学出版社，2005

致谢

感谢陈海燕陈老师在本次训练中的悉心指导。

在本次训练中用计算机仿真电子通信系统，具有广泛的适应性和极高的灵活性。

在软件中只需对相应的参数进行重新设置，同时利用Simulink的可视化建模仿真和MATLAB简单编程的特点，可以实现较为复杂的系统，因此MATLAB/Simulink在通信系统仿真方面具有强大的功能和优越性！

神感动了我们，他还用实际行动告诉我们在工作中要脚踏实地，在思维上要活跃，在学业上要勤奋刻苦。

通过这次课程设计，我对通信系统的仿真有了很大的了解，掌握的设计的方法和思路，提高了对系统的分析能力和解决能力。

在这次课程设计汇总，我也遇到了许多的困难，如参数的设置，如何将不同的功能框图整合一起以实现更强大的功能等等。

由于自己所学知识有限，在这次课程设计中得到了老师的帮助，表示真诚的感谢！

并对各位同学对我的帮助一并表是感谢！

附录Ⅰ：

误码率计算（理论曲线）

%程序名称：

t.m

%程序功能：

绘制信噪比-误码率的理论关系曲线

x=-6:

18;%定义信噪比范围

fori=1:

length（x）;

snr=x（i）;%每次运行信噪比增加1dB

var=0.5/（10.^（0.1*snr））;%计算对应的噪声功率

sim（'tls.mdl'）;%运行模型文件

ebr（i）=ErrorVec

（1）;%保存当次运行误码率

i

end

ebr_th=erfc（sqrt（（-1/3）.^10））;

semilogy（x,ebr,x,ebr_th）%绘制信噪比-误码率曲线，纵坐标为对数标

xlabel（'信噪比r/dB'）;

ylabel（'误码率Pe'）;

title（'误码率与信噪比关系曲线'）;

gridon;

附录Ⅱ：

误码率计算（实际曲线）

%程序名称：

t.m

%程序功能：

绘制信噪比-误码率的实际关系曲线

x=-6:

18;%定义信噪比范围

fori=1:

length（x）;

snr=x（i）;%每次运行信噪比增加1dB

var=0.5/（10.^（0.1*snr））;%计算对应的噪声功率

sim（'tls.mdl'）;%运行模型文件

ebr（i）=ErrorVec

（1）;%保存当次运行误码率

end

i

semilogy（x,ebr）%绘制信噪比-误码率曲线，纵坐标为对数坐标

xlabel（'信噪比r/dB'）;

ylabel（'误码率Pe'）;

title（'误码率与信噪比关系曲线'）;

gridon;