2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真

《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第1页共30页11引言本课程设计主要是深入理解和掌握振幅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。使我对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。课程要求在MATLAB集成环境下，设计一个2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调通信系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，将解调输出的波形与基带信号波形进行比较，根据显示结果分析所设计的系统性能。根据仿真结果分析系统性能，并且从中分离出影响系统性能的关键因素，找出最优的系统配置方案。1.1课程设计目的能够熟练地运用Simulink对通信系统进行仿真分析，理解2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调基本原理，能够运用通信原理知识优化系统性能。把对通信原理的感性认识提升到理性认识的层次上，培养对通信专业的兴趣。并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使学生在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。同时通过课程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和实际问题的解决能力。1.2课程设计的要求（1）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。（2）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。（3）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a用高斯白噪声模拟有线信道，b用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道，c用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。将三种噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。（4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第2页共30页2学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。1.3设计平台开发平台MATLAB——Simulink。MATLAB是一个专门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、金融和其它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。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。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。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。打开MATLAB7.0，单击，界面如下图2-1所示：图1-1Simulink界面由图可知，Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构；Simulink子模型库中《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第3页共30页3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。设计仿真模型时，从模型库中选中模块，单击鼠标右键，选择Addtountitled，或直接把模块拖到仿真模型中，即可加入模块。Simulink模型库窗口还提供了查找功能，单击按钮，在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字，单击FindNext即可自动搜索整个模型库。在过去几年中，Simulink已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。Simulink鼓励人们去尝试，可以用它轻松的搭建一个系统模型，并设置模型参数和方针参数，并且立即观察到改变后的方针结果。《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第4页共30页42设计原理2.1频分复用原理所谓频分复用(FrequencydivisionMultiplexing-FDM)是指按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中，信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。图2-1频分复用系统组成原理图频分复用系统组成原理图如图2-1所示。图中，各路基带信号首先通过低通滤波器(LPF)限制基带信号的带宽，避免它们的频谱出现相互混叠。然后，各路信号分别对各自的载波进行调制、合成后送入信道传输。在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调信号，解调后恢复出基带信号。频分复用是利用各路信号在频率域不相互重叠来区分的。若相邻信号之间产生相互干扰，将会使输出信号产生失真。为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频率fc1,fc2,…,fcn，并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔。若基带信号是模拟信号，则调制方式可以是DSB-SC、AM、SSB、VSB或FM等，其中SSB方式频带利用率最高。若基带信号是数字信号，则调制方式可以是ASK、FSK、PSK等各种数字调制。复用信号的频谱结构示意图如图2-2所示。图2-2复用信号的频谱结构示意图O123n《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第5页共30页52.2AM调制原理幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。幅度调制器的一般模型如图2-3所示。图2-3幅度调制模型在图2-3中，若假设滤波器为全通网络（＝1），调制信号tm叠加直流0A后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带（AM）调幅.AM调制器模型如图2-4所示图2-4AM调制模型AM信号波形的包络与输入基带信号tm成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足max0tmA，否则将出现过调幅现象而带来失真。AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽信号带宽的两倍。2.3AM非相干解调原理在通信系统中，接收端想要从被调制的高频信号中恢复出原来的数字基带信号，就需要对接收信号进行解调。所谓非相干解调，即不需提取载波信息（或不需恢复出相干载波）的一种解调方法。非相干解调是解调方法的一种，是相对相干解调而言的。非相干解调是通信原理中的一种重要的解调方法，无论在模拟系统和数字系统中都非常重要。非相干解调的优点是可以较少的考虑信道估计甚至略去，处理复杂度降低，实现较为简单，但相比相干解调方法性能下降，从定量角度来看，普遍的结果是非相干解调性能上比相干解调差3dB。AM的非相干解调图如图2-5所示。《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第6页共30页6输入信号r(t)输出信号定时脉冲图2-5AM非相干解调方式2.4ASK调制原理振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为其中:二进制振幅键控信号时间波型如图2-6所示。由图2-6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信号）。图2-6二进制振幅键控信号时间波型由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。2ASK信号功率谱密度的特点如下：(1)由连续谱和离散谱两部分构成，连续谱由信号g(t)经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；(2)已调信号波形的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。2ASK信号功率带通滤波器包络提取低通滤波器抽样判决器《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第7页共30页7谱密度推导：已知tnTtgatecSnncos)()(0ttsccos)(，设)(0te的功率谱为)(fPe，s(t)的功率谱为)(fPs。则)()(41)(fcfPsfcfPsfPe，2)()1()(fGPPffPss2)1(PfsmsmfG)()(smff，sfTjsssefTfTTfGsin)(。22)()(sin)()(sin16)(scscscscseTffTffTffTffTfP)()(161ccffff图2-72ASK信号的功率谱密度示意图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2-8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2-9所示。图2-8模拟相乘法图2-9数字键控法《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第8页共30页82.52ASK解调原理2ASK/OOK信号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），相应的接收系统如图2-10、图2-11所示。图2-10非相干解调方式图2-11相干解调方式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。当本实验为简化设计电路，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。11100000101abcd《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第9页共30页9图2-122ASK信号非相干解调过程的时间波形3设计步聚3.1simulink的工作环境熟悉建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图3-1系统中所需的模块：正弦波模块，示波器模块，乘法器。《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第10页共30页10图3-1正弦仿真电路图正弦波参数设置如图3-2所示：图3-2正弦参数设置系统内的示波器显示的波形如图。《2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调系统仿真》第11页共30页11图3-3单正弦波与平方波的对比结论：两正弦波叠加之后的周期是原周期的1/2,频度是原频度的2倍。3.2理想信道的电路设计（1）按照课程设计的各项要求和2路FDM的原理，以及AM信号和ASK信号的调制解调原理，在仿真模型窗口选择合适的器件并在模块中画出理想信道2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调电路框图，如图3-4所示，并创建模型文件。图3-4理想信道的2路FDM的AM与ASK调制与非相干解调电路框图此系统所用仿真电路模块有:伯努利二进制发生器模块，正弦波发生器模块，功率谱密度模块，脉冲发生器模块，模拟滤波器模块，绝对值模块，常数发生器模块，采样量化编码模块，示波器模块。伯努利二进制发生器模块用于发出源信号，示波器用于观察波形。（2）系统所用模块的参数设置伯努利二进制发生器模块ernoulliBin