基于MATLAB的2ASK频带传输系统仿真与性能分析汇总

基于MATLAB的ASK频带传输统仿真与性能分析学生姓名：xxx指导老师：xx摘要本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台进行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。设计中，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基带信号，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。关键词Simulink；ASK调制；高斯白噪声（AWGN）；信噪比-误码率1引言这个课程设计主要的主要目的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。随着国际社会和世界经济的发展，通信对人们的生活方式和社会发展产生更加重大和深远影响，对于本专业学生来说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。设计或分析一个简单的通信系统，有助于加深对通信系统原理及组成的理解，便于应用于以后再工作中。1.1设计目的通过设计基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析，让我深入理解和掌握二进制数字调制通信系统的各个关键环节，包括调制、解调、滤波、传输、噪声对通信质量的影响等。在数字信号处理实验课的基础上更加深入的掌握数字滤波器的设计原理及实现方法。是学习者对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。设计或分析一个简单的通信系统，可以进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识。1.2设计平台MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的计算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。MATLAB可以在几乎所有的PC机和大型计算机上运行，适用于Windows、UNIX等各种系统平台[1]。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink[2]。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[3]。2基本原理2.1Simulink工作环境（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2-1Simulink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2-2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。2.2二进制振幅键控原理（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twtsteccos)()(0（2-1）式中，cw为载波角频率，s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列)()(bnnnTtgats（2-2）其中，g(t)是持续时间bT、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；na为二进制数字PPan101，出现概率为，出现概率为（2-3）2ASK/OOK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2-3：图2-3模拟相乘法AM信号的解调一样，2ASK/OOK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）。本课程设计要求的是相干解调，如图2-4：)(2teASK输出tccos定时脉冲图2-4相干解调方式乘法器)(2teASK)(tstccos带通滤波器低通滤波器抽样判决器相乘器3系统设计3.1ASK调制整个ASK的仿真系统的调制首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，由示波器显示出各阶段波形。在MATLAB下Simulink仿真平台构建了ASK调制原理图如图3-1所示：图3-1ASK调制电路图数字基带信号数据设置：基带码元传码率设为4Baud，基带信号设置为二进制单极性信号数据设置如图3-2。图3-2基带信号数据设置由于信号经过远距离传送时，信号频率越高，信号传送的更远，因此在信号调制过程中，载波信号的频率一般要大于信号源的频率。信号源频率为4Hz，所以将载波频率设置为8Hz，参数设置如图3-3。由于在载波参数设置里，频率的单位是rad/sec，所以即为16*pi。实际上载波频率远大于信号院频率，这样设置只是为了更清晰的观察调制信号波形，了解产生原理。图3-3载波信号参数设置对信号源和载波参数设置好后，进行仿真，得到仿真波形图如图3-4所示。图3-4调制产生2ASK波形3.2ASK调制与解调未加噪声的ASK信号产生和解调原理总图如图3-5所示。图3-5ASK调制与解调仿真电路图低通滤波器（Filtertype为Lowpass）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4Hz，所以对话框中“Passbandedgefrequency(rads/sec)：”应填“8*pi”。参数设置如图3-6所示。图3-6低通滤波器数据设置抽样保持器的抽样保持时间应该设为0.25，与基带信号周期时间一致如图3-7。图3-7抽样保持器参数设置对于2ASK系统，当发送“0”和“1”概率相等时，判决器的最佳判决门限为a/2，它与接受机输信号的幅度有关。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3-8所示：图3-8抽样判决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3-9所示：图3-9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3-10所示：图3-10查看误码率未加噪声的ASK信号产生与解调过程中各过程的波形如图3-11所示。图3-11信号调制与解调过程各波形3.3加入高斯白噪声后的ASK调制与解调加性高斯白噪声（AWGN）在信道中传输。故在加载在接收端之前，然后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3-12所示。图3-12ASK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3-13所示图3-13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4Hz，载波频率为8Hz,计算得上、下截止频率分别为4Hz、12Hz，转换成以rads/sec为单位即为8*pi、24*pi。参数设置如图3-14所示：图3-14带通滤波器的参数设置在ASK调制与解调中加入高斯白噪声后各波形图，如图3-15。由图可知在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（原理图中Display显示40各码元里出现了4各误码），系统基本符合设计要求。图3-15各点信号的波形3.4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。数字通信系统中信道噪声有可能是码元产生错误，因此分析数字调制系统的抗噪声性能也就是求系统在信道噪声的干扰下的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[4]。ASK调制与解调中计算误码率仿真图如图3-12所示：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3-16所示。图3-16高斯白噪声的参数设置误码器“Outputdata”应该设置为“workspace”。如图3-17所示。图3-17误码器的参数设置2ASK信号采用相干解调时系统误码率Pb为Pb=)4(21rerfc（3-1）式中：r=222na，为解调器的信噪比。根据信噪比与误码率的关系式，在Matlab编辑运行代码如图3-18所示，由此可以绘制出信噪比-误码率理论关系曲线图3-19。图3-18信噪比-误码率的计算代码图3-19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，用Matlab中命令行窗口执行Sim（‘chenjunjie.mld’）,执行仿真可以绘制出信噪比-误码率理论和实际的关系曲线图如图3-21。源程序见附录Ⅰ，所需M文件如图3-20。图3-20理论和实际信噪比-误码率的代码图3-21信噪比-误码率的理论和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