通信原理課程設(shè)計---ask與pam混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真

1、<p>　　ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真</p><p>　　學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師：</p><p>　　摘 要 本課程設(shè)計主要用Simulink平臺仿真一個ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)通信系統(tǒng)，并用圖形輸入法設(shè)計相關(guān)電路，用示波器和頻譜模塊分析系統(tǒng)性能。在課程設(shè)計中，首先根據(jù)原理畫出圖形，然后構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路，再在Simulink中調(diào)出各元件組

2、成電路，接著設(shè)置調(diào)制解調(diào)電路中各個模塊的參數(shù)值并加以運行，并把運行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)置的系統(tǒng)性能 。通過波形分析，了解到本課程設(shè)計非常成功。</p><p>　　關(guān)鍵詞 Simulink；ASK、FAM平臺；仿真</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　MATLAB 的名稱源自 Matrix

3、 Laboratory ，它是一種科學(xué)計算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。 MATLAB 將高性能的數(shù)值計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)計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計工作，而且利用 MATLAB 產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對 MATLAB 的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對問題認(rèn)識的同時，不斷完善 MATLAB 產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競爭能力?？偟膩碚f，該軟件有三大特點。一是功能

4、強(qiáng)大。具有數(shù)值計算和符號計算、計算結(jié)果和編程可視化、數(shù)學(xué)和文字統(tǒng)一處理、離線和在線計算等功能；二是界面友善、語言自然。MATLAB以復(fù)數(shù)處理作為計算單元，指令表達(dá)與標(biāo)準(zhǔn)教科書的數(shù)學(xué)表達(dá)式相近；三是開放性強(qiáng)。當(dāng)學(xué)好MATLAB的同時，會更好的幫助自己去就解決一些難題，而且MATLAB擁有非常好的發(fā)展前途，對我們未來的幫助也是不可限量的。</p><p>　　1.1課程設(shè)計的目的</p><p&g

5、t;　　通過設(shè)計ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)，并使其在不同的噪聲信道中運行，讓我們進(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)射端信號的形成及接收端信號解調(diào)的原理、通信系統(tǒng)信號傳輸質(zhì)量的檢測等方面的相關(guān)知識。</p><p>　　學(xué)會綜合運用這些知識，并把這些知識運用于實踐當(dāng)中，使所學(xué)知識在綜合運用能力上以及分析問題、解決問題能力上得到進(jìn)一步的發(fā)展，讓自己對這些知識有更深的了解

6、。</p><p>　　通過課程設(shè)計培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，認(rèn)真的工作作風(fēng)和團(tuán)隊協(xié)作精神。</p><p>　　1.2課程設(shè)計的要求</p><p>　　（1） 學(xué)習(xí)使用MATLAB下Simulink仿真平臺構(gòu)建相應(yīng)的通信系統(tǒng)。熟練掌握Simulink中的語法結(jié)構(gòu)，編寫方法。</p><p>　?。?） 利用課堂所學(xué)知識，在Simulink仿真平

7、臺中設(shè)計ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)。按照要求運行，檢測系統(tǒng)仿真結(jié)果。</p><p>　　（3） 按照老師要求，認(rèn)真完成課程設(shè)計報告書，加深課堂理論的理解，能夠正確闡述設(shè)計和實驗結(jié)果。</p><p>　?。?） 在老師的指導(dǎo)下，個人獨立完成自己的設(shè)計任務(wù)，嚴(yán)禁抄襲。</p><p><b>　　2 設(shè)計原理</b></p&g

8、t;<p><b>　　2.1通信簡介</b></p><p>　　通信的目的是傳遞消息中所包含的信息。消息是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反應(yīng)，在不同時期具有不同的表現(xiàn)形式。例如，話音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動圖像等都是消息（message）。人們接收消息，關(guān)心的是消息中所包含的有效內(nèi)容，即信息（information）。通信則是進(jìn)行信息的時空轉(zhuǎn)移，即把消息從一方傳送到另一方?；?/p>

9、這種認(rèn)識，“通信”也就是“信息傳輸”或“消息傳輸” [1]。</p><p>　　2.2 工作平臺簡介</p><p>　　MATLAB是美國MathWorks公司生產(chǎn)的一個為科學(xué)和工程計算專門設(shè)計的交互式大型軟件，是一個可以完成各種精確計算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強(qiáng)大的計算工具。它集圖示和精確計算于一身，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)值計算的領(lǐng)域得到廣泛

10、應(yīng)用。它不僅是一個在各類工程設(shè)計中便于使用的計算工具，而且也是一個在數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和工程計算等課程教學(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)和大型計算機(jī)上運行，適用于Windows、UNIX等各種系統(tǒng)平臺[2]。</p><p>　　Simulink作為MATLAB語言上的一個可視化建模仿真平臺，起源于對自動控制系統(tǒng)的仿真需求，它采用

11、方框圖建模的形式，更加貼近于工程習(xí)慣。目前，MATLAB/Simulink的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了數(shù)值計算和控制系統(tǒng)仿真等傳統(tǒng)領(lǐng)域，在幾乎所有理工學(xué)科中形成了為數(shù)眾多的專業(yè)工具庫和函數(shù)庫，日益成為科學(xué)研究和工程設(shè)計中日常計算和仿真實驗的工具[3]。</p><p>　　2.3 ASK調(diào)制與解調(diào)原理</p><p>　　一般來說，數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的基本原理相同，但是數(shù)字信號有離散取值的特點。因

12、此有兩種基本調(diào)制方法：一是可以把數(shù)字信號當(dāng)成特殊的模擬信號處理；二是利用數(shù)字信號的離散取值特點通過開關(guān)鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，稱之為鍵控法[1]。</p><p>　　振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。在2ASK中，載波的幅度有無分別對應(yīng)二進(jìn)制信息“1”和“0”。2ASK信號的產(chǎn)生方法有兩種：模擬調(diào)制法和鍵控法。本次設(shè)計采用模擬調(diào)制。ASK解調(diào)也有兩種方法，分別為非相干解

13、調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測法）[1]。</p><p>　　2.4 FAM調(diào)制與解調(diào)原理</p><p>　　PAM類似于AM，用二進(jìn)制脈沖序列作為載波受控于基帶信號的幅度，就是取樣定理。而解調(diào)只需通過相關(guān)的低通濾波器，濾出基帶信號。</p><p><b>　　3設(shè)計步驟</b></p><p>　　利用Si

14、mulink仿真平臺構(gòu)造出的ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)如3-1所示。</p><p>　　圖3-1 ASK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)仿真圖</p><p>　　如仿真圖所示，系統(tǒng)設(shè)置了四個示波器，分別表示ASK調(diào)制，ASK和PAM混合調(diào)制,ASK與PAM混合調(diào)制后解調(diào)和加入三種噪聲后的輸出信號。此外，系統(tǒng)中在相應(yīng)部分接入若干頻譜分析模塊，便于比較調(diào)制前后的信號的頻譜變化。

15、</p><p>　　仿真系統(tǒng)架構(gòu)，不僅要找對每個對應(yīng)的模塊，還要對每個模塊進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置。在這里主要列舉非相干解調(diào)的三個主要模塊的參數(shù)設(shè)置圖，如圖3-2、3-3、3-4所示。</p><p>　　圖3-2 絕對值參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　圖3-3 低通濾波器參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　圖3-4 抽樣判決器的參數(shù)設(shè)置圖</

16、p><p>　　3.1 ASK與PAM混合調(diào)制</p><p>　　在仿真系統(tǒng)中，用“Bernoulli Binary Generator”模塊產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制脈沖序列；用“Sine Wave”函數(shù)產(chǎn)生正弦波作為載波。此時需將載波頻率設(shè)為相對高頻，本系統(tǒng)設(shè)成5*pi。再從相應(yīng)模塊調(diào)出乘法器“product”。脈沖與載波兩者通過乘法器相乘，即可獲得ASK調(diào)制信號。用“Power Spectral

17、Density”分析，ASK調(diào)制前后的信號頻譜如圖3-5與圖3-6所示；ASK調(diào)制的全過程則通過示波器1觀察，如圖3-7所示。</p><p>　　圖 3-5 ASK調(diào)制前頻譜圖 圖3-6 ASK調(diào)制后頻譜圖</p><p>　　從以上兩幅頻譜圖可以看出，調(diào)制前后的功率譜波形基本一致，但是存在一定的延時，由此可得出結(jié)論：調(diào)制成功。</p><

18、p>　　圖 3-7 ASK調(diào)制波形圖</p><p>　　通道1是ASK信號的原始波形，通道2是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，通道3是調(diào)制后的波形，經(jīng)過對波形的觀察，可以知道該調(diào)制過程是成功的。</p><p>　　因為是混合調(diào)制，所以將ASK調(diào)制信號作為PAM調(diào)制的基帶信號處理。另外從Simulink樹狀圖中調(diào)出“Pulse Generator”，用來產(chǎn)生二進(jìn)制脈沖。兩者通過乘法器相乘后，即可得

19、出混合調(diào)制信號。PAM調(diào)制前后的信號頻譜如圖3-8和3-9所示。混合調(diào)制過程則通過示波器2觀察得出，如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-8 PAM調(diào)制前頻譜圖 圖3-9 PAM調(diào)制后頻譜圖</p><p>　　通過對以上兩幅圖進(jìn)行比較，調(diào)制前后的功率譜波形一致，所以調(diào)制成功。</p><p>　　圖3-10 PAM調(diào)制過

20、程</p><p>　　圖3-7中，通道1 是ASK調(diào)制后的波形圖，通道2是FAM的原始波形圖，通道3是混合調(diào)制波形圖，通道4是混合調(diào)制后的信號經(jīng)過低通濾波器之后的波形，從圖中可以看出該調(diào)制過程很成功。 </p><p>　　3.2 PAM與ASK非相干解調(diào)</p><p>　　非相干解調(diào)只需將混合調(diào)制后的信號通過一個絕對值（Abs），就可以檢出信號包絡(luò)，然后再接一

21、個低通濾波器，再經(jīng)過一個抽樣判決器即可恢復(fù)調(diào)制前的基帶信號。從庫中調(diào)出“Analog Filter Design” ,將濾波器類型設(shè)置為“Lowpass”低通 ，頻率設(shè)置為4*pi即可。解調(diào)前后的頻譜，如圖3-11和3-12所示。示波器觀察得出解調(diào)過程波形變化如圖3-13所示，第5通道為PAM調(diào)制前的基帶信號，與第6通道解調(diào)后的信號進(jìn)行比較，從而可以看出，存在延遲。</p><p>　　圖3-11 解調(diào)前頻譜圖

22、 圖3-12 解調(diào)后頻譜圖</p><p>　　通過對以上兩幅圖的功率譜波形進(jìn)行比較可以知道此次解調(diào)成功。</p><p>　　圖3-13 非相干解調(diào)波形圖</p><p>　　圖3-13中的通道5是調(diào)制前的原始波形，通道6是進(jìn)行非相干解調(diào)后的波形，從圖中可以看出這兩個波形是基本一致的，只是通道6中的波形存在一定的延遲，由此可以

23、斷定，此次系統(tǒng)設(shè)計非常成功。</p><p>　　3.3 疊加噪聲的ASK與PAM混合調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 </p><p>　　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的傳輸，分別為高斯白噪聲、瑞利噪聲、萊斯噪聲。用頻譜模塊分析觀察得各頻譜，分別為圖3-15，圖3-16，圖3-17。圖3-14為理想信道輸出信號的頻譜。用示波器分別觀察各噪聲信道的時域波形如圖3-18，通道1為理

24、想信道輸出，通道2、3、4分別為高斯信道、瑞利信道、萊斯信道輸出。</p><p>　　圖3-14 理想信道輸出頻譜 圖3-15 高斯信道輸出頻譜</p><p>　　圖3-16 瑞利信道輸出頻譜 圖3-17 萊斯信道輸出頻譜</p><p>　　通過對以上四幅圖進(jìn)行比較可以看出，后面三幅圖的功率譜波形

25、和第一幅圖的功率譜波形有一定的出入，而且后兩幅的功率譜波形的尾巴與理想比更高，由此說明這三個噪聲對原始信號有一定的影響，但瑞利噪聲和萊斯噪聲的干擾更大。</p><p>　　圖3-18 各信道輸出時域波形</p><p>　　圖3-18中的通道1是解調(diào)后的波形圖，通道2、3、4分別代表的是高斯、瑞利和萊斯信道的波形圖。從中可以看出三個噪聲產(chǎn)生的影響。</p><p&g

26、t;　　通信系統(tǒng)中的噪聲是疊加在信號上的，沒有傳輸信號時通信系統(tǒng)中也有噪聲，噪聲永遠(yuǎn)存在與通信系統(tǒng)中，稱之為加性干擾。噪聲對信號的傳輸是有害的，它能使模擬信號失真，使數(shù)字信號發(fā)生錯碼，并限制著信息的傳輸效率。</p><p>　　如圖3-15所示，各類噪聲對信道造成了不同程度的影響，其中高斯噪聲影響較小，瑞利和萊斯噪聲對系統(tǒng)信道影響較大。從各信道的頻譜也可以很明顯地看出，后兩種噪聲的頻譜發(fā)生了比較明顯的變化。&l

27、t;/p><p>　　正弦波加窄帶高斯噪聲的包絡(luò)分布與信噪比有關(guān)。由此可見，我們要在可能的條件下盡量地提高系統(tǒng)的信噪比，讓傳輸信號最大不失真。</p><p>　　4 遇到的問題及解決辦法</p><p>　　初次接觸Simulink仿真時不知從何下手，而且又全是英文界面，根本看不懂，以致我不知道到哪里去找相關(guān)模塊。后來經(jīng)過指導(dǎo)老師的介紹，先了解函數(shù)庫的分布和內(nèi)容，并且

28、下載了金山快譯，使我在查找有關(guān)模塊和翻譯不懂的英文時真是得心應(yīng)手。</p><p>　　相關(guān)仿真器件的屬性設(shè)置拿捏不準(zhǔn)，比如濾波器的頻率高低，參數(shù)大小都不確定，不合適的頻率、參數(shù)大小將導(dǎo)致信號失真。調(diào)試時需要自己一個一個的慢慢調(diào)節(jié)，根據(jù)示波器觀察的波形多次改變得出準(zhǔn)確結(jié)果。</p><p>　　在做非相干解調(diào)部分時，沒有區(qū)分相干調(diào)節(jié)和非相干調(diào)節(jié)，同時用到了乘法器和絕對值，從而導(dǎo)致波形失真，

29、無法正確顯示。經(jīng)老師指點，去掉乘法器，通過相應(yīng)的調(diào)節(jié)，改變各元件的參數(shù)，終于得到正確的波形。</p><p>　　觀察波形進(jìn)行比較時，要將所比較的信號放到同一個示波器內(nèi)進(jìn)行觀察，當(dāng)所需的信號波形都一一比較真確后，再從新連好圖形。當(dāng)理想信號和噪音信號在進(jìn)行比較時，也可以用到這種方法。</p><p><b>　　5 結(jié)束語</b></p><p>

30、;　　本次課設(shè)計歷時2個星期，可謂是困難從從，不過在老師的悉心指導(dǎo)下，終于成功地完成了課程設(shè)計，同時對MATLAB/Simulink也有了更深一步的了解。當(dāng)在運用模塊時，應(yīng)該弄明白每個模塊的作用，不懂的問題可以查閱參考書，或者請教其他同學(xué)和老師。養(yǎng)成獨立思考的習(xí)慣，加強(qiáng)自己的動手能力，即充分發(fā)揮主觀能動性。完成一個課程設(shè)計會讓我們自己獲益匪淺，理論用于指導(dǎo)實踐，也必須應(yīng)用于實踐。課設(shè)必須自己動腦動手，這樣加深了對知識的理解，也能使自己對

31、知識的運用更加嫻熟。這次課程設(shè)計就是一次理論結(jié)合實踐的重要表現(xiàn)，讓我把自己所學(xué)的知識更好的實踐相關(guān)聯(lián)，使自己的知識更加穩(wěn)固。 </p><p>　　總的來說，這次所設(shè)計的系統(tǒng)還是比較成功的，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的辛勤的指導(dǎo)下，終于游逆而解，有點小小的成就感，終于覺得平時所學(xué)的知識有了實用的價值，達(dá)到了理論與實際相結(jié)合的目的，不僅學(xué)到了不少知識，而且鍛煉了自己的能力，使自己對以后的路有了更加清楚的認(rèn)識

32、，同時，對未來有了更多的信心。最后，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]樊昌信，曹麗娜.通信原理. 北京：國防工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[2]張圣勤. MATLAB7.0實用教程. 北京：機(jī)械工程出版社，2006</p>