武汉理工大学信号分析处理课程设计2.doc
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武汉理工大学信号分析处理课程设计2.doc
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武汉理工大学《信号分析处理》课程设计说明书
课程设计任务书
学生姓名:
李立专业班级:
电信1005班
指导教师:
桂林工作单位:
信息工程学院
题目:
信号分析处理课程设计
-基于MATLAB的二进制振幅键控调制(2ASK)与解调分析
初始条件:
1.Matlab6.5以上版本软件;
2.先修课程:
通信原理等;
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
1、利用MATLAB中的simulink工具箱中的模块进行二进制振幅键控(2ASK)调制与解调,观察波形变化;
2、画出程序设计框图,编写程序代码,上机运行调试程序,记录实验结果(含计算结果和图表等),并对实验结果进行分析和总结;
3、课程设计说明书按学校统一规范来撰写,具体包括:
⑴目录;⑵理论分析;
⑶程序设计;⑷程序运行结果及图表分析和总结;
⑸课程设计的心得体会(至少800字,必须手写。
);
⑹参考文献(不少于5篇)。
时间安排:
周一、周二查阅资料,了解设计内容;
周三、周四程序设计,上机调试程序;
周五、整理实验结果,撰写课程设计说明书。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要 1
1Simulink简介 2
1.1Matlab简介 2
1.2Simulink介绍 2
2二进制振幅键控的基本原理 4
2.1二进制振幅键控的调制原理 4
2.2二进制振幅键控的解调原理 5
3二进制振幅键控电路设计 7
3.1.1无噪二进制振幅键控调制电路设计 7
3.1.2有噪二进制振幅键控调制电路设计 8
3.2.1无噪二进制振幅键控解调电路设计 8
3.2.2有噪二进制振幅键控解调电路设计 10
4二进制振幅键控电路(2ASK)仿真 11
4.1.1无噪二进制振幅键控(2ASK)调制电路仿真 11
4.1.2无噪二进制振幅键控(2ASK)解调电路仿真 12
4.1.3无噪2ASK电路仿真结果分析 13
4.2.1有噪二进制振幅键控(2ASK)调制电路仿真 14
4.2.2有噪二进制振幅键控(2ASK)解调电路仿真 14
4.2.3有噪2ASK电路仿真结果分析 16
5课程设计心得体会 17
6参考文献 18
本科生课程设计成绩评定表 19
摘要
振幅键控(AmplitudeShiftKeying,缩写为ASK)是载波的振幅随着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(2ASK)。
二进制振幅键控信号可以表示成具有一定波形形状的二进制序列(二进制数字基带信号)与正弦型载波的乘积,通常,二进制振幅键控信号的产生方法有两种,一般的模拟幅度调制方法与数字键控方法实现,2ASK信号的波形随着的通断变化,所以又称为通断键控信号(OnOffKeying,缩写为OOK)。
2ASK信号有两种基本的解调方法:
相干解调法和非相干解调法(包络检波法)。
相干解调需要在接收端产生一个本地载波,实现较复杂。
ASK指的是振幅键控方式。
这种调制方式是根据信号的不同,调节正弦波的幅度。
幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。
载波在数字信号1或0的控制下通或断,在信号为1的状态载波接通,此时传输信道上有载波出现;在信号为0的状态下,载波被关断,此时传输信道上无载波传送。
那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。
对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。
幅移键控法(ASK)的载波幅度是随着调制信号而变化的,其最简单的形式是,载波在二进制调制信号控制下通断,此时又可称作开关键控法(OOK)。
多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式,但由于它的抗噪声能力较差,尤其是抗衰落的能力不强,因而一般只适宜在恒参信道下采用。
本次课程设计通过使用Matlab里的Simulink,利用其中不同功能的模块来构建了2ASK的调制电路与解调电路,进行了仿真,得到了仿真波形,并对结果进行了分析总结。
关键词:
二进制振幅键控,Simulink,相干解调,仿真
1Simulink简介
1.1Matlab简介
美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“MatrixLaboratory”(缩写为Matlab)这就是Matlab最早的雏形。
开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。
从Matlab诞生开始,由于其高度的集成性及应用的方便性,在高校中受到了极大的欢迎。
由于它使用方便,能非常快的实现科研人员的设想,极大的节约了科研人员的时间,受到了大多数科研人员的支持,经过一代代人的努力,目前已发展到了7.X版本。
Matlab是一种解释性执行语言,具有强大的计算、仿真、绘图等功能。
由于它使用简单,扩充方便,尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能,使其成为了巨大的知识宝库。
可以毫不夸张的说,哪怕是你真正理解了一个工具箱,那么就是理解了一门非常重要的科学知识。
科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识,这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。
目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面,它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口,同时因为有最丰富的函数库(工具箱),所以计算的功能实现也很简单,进一步受到了科研工作者的欢迎。
另外,,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口,可以方便的实现与其他语言的混合编程,进一步拓宽了Matlab的应用潜力。
可以说,Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一,掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。
1.2Simulink介绍
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。
确切的说,Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,它支持线性和非线性系统,连续、离散时间模型,或者是两者的混合。
系统还可以使多种采样频率的系统,而且系统可以是多进程的。
Simulink工作环境进过几年的发展,已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。
在Simulink环境中,它为用户提供了方框图进行建模的图形接口,采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便,故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模,并可直接进行系统的仿真,快速的得到仿真结果。
它的主要特点在于:
1、建模方便、快捷;2、易于进行模型分析;3、优越的仿真性能。
它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。
Simulink模块库(或函数库)包含有Sinks(输出方式)、Sources(输入源)、Linear(线性环节)、Nonlinear(非线性环节)、Connection(连接与接口)和Extra(其他环节)等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块(或库函数),而且每个子模型库中包含有相应的功能模块,用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。
用Simulink创建的模型可以具有递阶结构,因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。
用户可以从最高级开始观看模型,然后用鼠标双击其中的子系统模块,来查看其下一级的内容,以此类推,从而可以看到整个模型的细节,帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。
在定义完一个模型后,用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。
菜单方式对于交互工作非常方便,而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。
采用Scope模块和其他的显示模块,可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果,若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果,这适用于因果关系的问题研究。
仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。
模型分析工具包括线性化和整理工具,MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。
由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的,因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。
但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。
2二进制振幅键控的基本原理
2.1二进制振幅键控的调制原理
在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。
使载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断,即用载波幅度的有或无来代表信号中的“1”或“0”,这样就可以得到2ASK信号,这种二进制振幅键控方式称为通—断键控(OOK)。
一个二进制的振幅键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘,即:
这里,g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲,而an的取值服从下述关系:
则:
2ASK信号的产生方法比较简单。
首先,因2ASK信号的特征是对载波的“通-断键控”,用一个模拟开关作为调制载波的输出通/断控制门,由二进制序列控制门的通断,=1时开关导通;=0时开关截止,这种调制方式称为通-断键控法。
其次,2ASK信号可视为S(t)与载波的乘积,故用模拟乘法器实现2ASK调制也是很容易想到的另一种方式,称其为乘积法或模拟幅度调制法。
如图2.1和2.2所示。
乘法器
s(t)
cosωct
e0(t)
图2.1模拟幅度调制方法
~
载波
S
开关电路
s(t)
e0(t)
图2.2键控方法
通过调制生成的2ASK波形如图2.3所示:
图2.32ASK信号时域波形
2.2二进制振幅键控的解调原理
2ASK信号有两种基本的解调方式:
非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)。
相应的原理框图如图2.3、2.4.
图2.4非相干解调原理框图
图2.5相干解调原理框图
二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的,也是最简单的。
这种方法最初用于电报系统,但是抗噪声能力比较差,因此在数字通信中使用的不多。
3二进制振幅键控电路设计
3.1.1无噪二进制振幅键控调制电路设计
启动Matlab,点击Matlab工具栏中的Simulink按钮,便可启动Simulink环境,本电路使用的模块如下:
正弦波源,这里使用的是SignalProcessingBlockset\DSPSources\SineWave,设定其幅度为2V,频率为1Hz。
基带信号源,使用的是CommunicationsBlockset\CommSources\RandomDataSources\BernoulliBinaryGenerator,可以产生随机数字波形,设置其Probabilityofazero为0.5,每个方波为1秒。
乘法器,用的是Simulink\MathOperations\Product。
示波器,示波器用的是Simulink\Sinks\Scope。
将示波器的Numberofaxes的参数改为3,即可显示调制信号,载波信号,已调信号。
通过鼠标拖拽即可完成连线。
仿真电路如图3.1。
图3.12ASK调制电路
3.1.2有噪二进制振幅键控调制电路设计
有噪调制电路可以在已经调制好的2ASK信号上加上噪声,此时需要添加一个加噪声的模块AWGNCHANNEL,电路如图3.2
图3.2
3.2.1无噪二进制振幅键控解调电路设计
2ASK解调电路使用相干解调法,解调前需要有调制信号输入,所以解调电路前还要加上前面设计的调制电路,其中正弦波源频率改为50Hz,其余的设置不变。
抽样判决器用的是SignalProcessingBlockset\Quantizers\ScalarQuantizerEncoder,设置其小于0.5V的电压编码为0,大于0.5V就编码为1,设置如图3.2。
图3.3抽样判决器设置
低通滤波器,使用的是SignalProcessingBlockset\Filtering\Filtering\FilterDesigns\DigitalFilterDesign,设置如图3.3所示:
图3.4低通滤波器设置
最后得到2ASK解调电路如图3.4所示:
图3.5
3.2.2有噪二进制振幅键控解调电路设计
有噪解调电路是在有噪调制的电路后设计的,所以前面的有噪调制电路不变,但是后面要加上一个带通滤波器来滤除噪声,带通滤波器设置如图3.5
图3.5
最后设计的有噪电路解调电路如图3.6所示
图3.6
4二进制振幅键控电路(2ASK)仿真
4.1.1无噪二进制振幅键控(2ASK)调制电路仿真
设计好电路后,点击Startsimulation按钮,进行仿真测试,然后双击示波器就可以看见波形。
2ASK调制结果如图4.1到4.3所示:
图4.1正弦波
图4.2基带波型
图4.32ASK波形
4.1.2无噪二进制振幅键控(2ASK)解调电路仿真
2ASK解调电路仿真方法同调制电路,结果如图4.4-4.6:
图4.4正弦波,基带波形,2ASK波形
图4.5低通滤波后波形
图4.6抽样判决后波形
4.1.3无噪2ASK电路仿真结果分析
分析对比基带波形,正弦波形和已调制的波形,在基带波形为1的地方,对应的已调波形有和载波相同的正弦波,基带波形为0处,对应的2ASK波形也为0,与二进制振幅键控的特点相符合,说明该电路实现了2ASK波形的调制。
分析解调结果波形,可以看出,2ASK波形经过与载波相乘,低通滤波后,已经有了基带波形的大致形状,但是有很多纹波,再经过抽样量化之后,就能调制出基带波形了。
调制后波形和调制前一样,说明电路工作正常。
4.2.1有噪二进制振幅键控(2ASK)调制电路仿真
有噪调制的正弦波以及基带波形跟无噪调制是一样的,只是后面的2ASK波形加入了噪声,与无噪的相比是不同的,如图4.7
图4.7
4.2.2有噪二进制振幅键控(2ASK)解调电路仿真
有噪调制电路需要加上一个带通滤波器来滤除噪声,滤除噪声后的波形如图4.8
图4.8
基带波形,通过低通滤波器过后的波形以及解调后的波形如图4.9所示
图4.9
4.2.3有噪2ASK电路仿真结果分析
根据调制电路调制出来的2ASK波形,不像无噪时的那么平滑,证明像调制波形里面加噪成功了。
分析解调部分,有噪的波形经过带通滤波器滤波后,波形变得平滑,最后看输出的解调波形,和原来的基带波形基本是一样的了,虽然局部还是有一点不太平滑,但已达到了有噪解调的效果。
。
5课程设计心得体会
6参考文献
[1]樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理.北京:
国防工业出版社,2001
[2]沈辉.精通SIMULINK系统仿真与控制.北京:
北京大学出版社,2003
[3]黄葆华,杨晓静等.通信原理.西安:
西安电子科技大学出版社,2007
[4]张化光,孙秋野.MATLAB/SIMULINK实用教程.北京:
人民邮电出版社,2009
[5]胡晓冬,董辰辉.MATLAB从入门到精通.北京:
人民邮电出版社,2010
本科生课程设计成绩评定表
姓名
李立
性别
男
专业、班级
电信1005
课程设计题目:
基于MATLAB的二进制振幅键控调制(2ASK)与解调分析
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
20
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- 武汉理工大学 信号 分析 处理 课程设计