多进制振幅调制与解调系统仿真与分析
刘山虎
（陕西理工学院物理与电信工程学院通信081班，陕西 汉中 723003）
指导教师：李翠华
[摘 要] 现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式，也是各种数字调制的基础。本课程设计主要是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个多进制振幅调制与解调系统.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;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。通过Simulink的仿真功能摸拟到了实际中的多进制振幅调制与解调情况。
[关 键 词]多进制振幅；误码率；调制；解调
I
MASK Modulation and Demodulation System
Simulation and Analysis
Liu Shanhu
(Grade08,Class1,Majorof Communication Engineering，School of Physics and telecommunication
Engineering of Shaanxi University of Technology, Han zhong 723003,China)
Tutor: Li Cuihua
[Abstract]Modern correspondence the system request to correspond by letter distance far, the correspondence has great capacity, delivers quality like.Is its making of one of the key techniques solution to adjust a technique have been an important direction that people study.The frequency modulation technical day attains from the earliest emulation rate perfect, make to the number in nowadays technical of extensive usage, make delivering of information more effectively and dependable.Binary system number's flapping a key to control is a kind of ancient make a way, is also various foundation that the number makes.This course designs mainly is make use of MATLAB integrated environment under of Simulink imitate true platform and design much aer enter make to flap to make with solution adjust system.Use to show a machine observation to make front and back signal wave a form;Make the variety of front and back signal frequency chart with the analytical mold piece observation of frequency chart;Plus various Zao voice source, test a mold piece with the mistake code diagraph mistake code rate;Finally analyze the system's function according to movement result and wave form.Through a true function of imitating of Simulink touched draw up physically medium of much enter make to flap to make with solution flirtation condition.
[Key words] MASK; the mistake code leads
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目录
摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 1 绪论.............................................................. 1
1.1通信的概念................................................... 1 1.2 通信技术的发展现状和趋势 .................................... 2 1.3 Simulink简介................................................ 3 1.4 Simulink的启动.............................................. 3 1.5 课设目的及意义 .............................................. 4 2 多进制振幅调制与解调原理.......................................... 5
2.1多进制调制与解调结构......................................... 5 2.2 多进制振幅调制与解调原理 .................................... 5 3系统仿真 .......................................................... 8
3.1 simulink的工作环境熟悉...................................... 8 3.2 二级2ASK调制与解调系统电路图 ............................... 9 总 结.............................................................. 20 致 谢.............................................................. 21 参考文献........................................................... 22
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通 信 工 程 课 程 设 计 Ⅲ
1 绪论
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。
1.1通信的概念
通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现。例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。
相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的(分别如图1所示) ，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的(分别如图2所示) ，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。
通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information) 。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。
通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。
通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图1所示：
信息源发送设备信道接收设备受信者
噪声源
图1 通信系统一般模型
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通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图2所示：
信信源源信道数字制器
数信信字受道源信息编编调 解译译信码器码器道调器码器码器者
噪声源
图2 数字通信系统模型
模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图3所示：
信息源调制器信道解调器受信者
噪声源
图3 模拟通信系统模型
数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。
1.2 通信技术的发展现状和趋势
进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。
（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。 （2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。 （3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。 （4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。
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随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。
1.3 Simulink简介
美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（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。
1.4 Simulink的启动
1、在MATLAB命令窗口中输入simulink
结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。 当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。
2、在MATLAB命令窗口中输入simulink3
结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的Library :simulink3的Simulink模块库窗口。 两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。
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1.5 课设目的及意义
掌握 2ASK 解调原理及其实现方法，了解线性调制时信号的频谱变化。理解 2ASK 的调制和解调原理并用 Simulink软件仿真其实现过程，用 Simulink 分析二进制振幅键控信号频谱的变化。
认识和理解通信系统，掌握信号是如何经过发端处理被送入信道然后在接收端还原。会画出数字通信过程的基本框图，掌握数字通信的2ASK调制方式，学会运用MATLAB来进行通信系统的仿真；
学会2ASK传输系统的二级调制解调结构，测试2ASK传输信号加入噪声后的误码率，分析2ASK传输系统的抗噪声性能。 熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，熟悉2ASK系统的调制解调原理，构建2ASK调制解调仿真图，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的频谱的变化。并观察解调前后频谱有何变化以加深对该信号调制解调原理的理解。在调制与解调电路间加上各种噪声源，用误码测试模块测量误码率,并给出仿真波形，改变信噪比并比较解调后波形，分析噪声对系统造成的影响
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2 多进制振幅调制与解调原理
2.1多进制调制与解调结构
在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。
图 4 数字调制系统的基本结构
数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的三种数字调制方式是：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK 或DPSK)。
2.2 多进制振幅调制与解调原理
多进制数字振幅调制又称多电平振幅调制，它用高频载波的多种振幅去代表数字信息。
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图 5 MASK信号的分解图
图为四电平振幅调制，高频载波有u0(t)、u1(t)、u2(t)、u3(t)四种：振幅为0、1A、2A、3A，分别代表数字信息0、1、2、3或者双比特二进制输入信息 00、01、10、11 进行振幅调制。 已调波一般可表示为：
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图 6 多进制调制与解调
由上图可见，M进制ASK信号是M个二进制ASK信号的叠加。那么，MASK信号的功率谱便是 M个二进制ASK信号功率谱之和。因此，叠加后的MASK信号的功率谱将与每一个二进制ASK信号的功率谱具有相同的带宽。
所以其带宽
实现多电平调制的方框原理如上图所示，它与二进制振幅调制的方框原理非常相似。不同之处是在发信输入端增加了2－M电平变换，相应在接收端应有M－2电平变换。
另外该电路的取样判决器有多个判决电平，因此多电平调制的取样判决电路比较复杂。实际系统中，取样判决电路可与M－2电平变换合成一个部件，它的原理类似于A／ D变换器。多电平解调与二进制解调相似，可采用包络解调或同步解调。
多进制数字振幅调制与二进制振幅调制相比有如下特点： （1）在码元速率相同的条件下，信息速率是二进制的log2M倍。 （2）当码元速率相同时，多进制振幅调制带宽与二进制相同。
（3）多进制振幅调制的误码率通常远大于二进制误码率。当功率受限时，M越大，误码增加越严重。
（4）多进制振幅调制不能充分利用发信机功率
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3系统仿真
3.1 simulink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5。系统中所需的模块：正弦波模块，示波器模块，乘法器；
图 7 正弦仿真电路图
正弦波参数设置如图6所示：
图 8 正弦参数设置
系统内的示波器显示的波形如图。
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图 9 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 二级2ASK调制与解调系统电路图
（1）二级2ASK调制与解调系统的仿真电路图如图8：
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，高斯噪声发生器Gaussian Noise Generator模块，模拟滤波器模块，误码率计算模块，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。
图 10 二级2ASK调制与解调系统的仿真电路图
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（2）系统所用模块的参数设置
伯努利二进制发生器模块ernoulli Binary Generator的参数设置为：Probability of a zero 0概率设为0.5，initial seed设为61， Sample time
抽样时间为1S，Sample per frame是输入信息码为1。
图 11 伯努利二进制发生器模块参数设置
Power Spectral Density的参数设置为：Sample time抽样时间为0.01s
图 12 Power Spectral Density的参数设置
正弦波Sine Wave的参数设置为：频率设为60rad/sec：
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图 13 正弦波Sine Wave的参数设置
Product1模块的参数设置为：输入端数量设为2
图 14 Product1模块的参数设置
Gaussian Noise Generator模块的设置为：Sample time抽样时间为0.01s
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图 15 Gaussian Noise Generator模块的设置
Sum模块的参数设置为：sample time 设为-1
图 16 Sum模块的参数设置
Analog Filter Design2模块的参数设置为：
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图 17 Analog Filter Design2模块的参数设置
Power Spectral Density1模块的参数设置为：Sample time抽样时间为0.01s
图 18 Power Spectral Density1模块的参数设置
Product模块的参数设置为：输入端数量设为2
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图 19 Product模块的参数设置
Analog Filter Design1模块的参数设置为：
图 20 Analog Filter Design1模块的参数设置
Error Rate Calculation模块的参数设置为：延时Receive delay设为2。
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图 21 Error Rate Calculation模块的参数设置
Sampled Quantizer Encode模块的参数设置为：量化分割quantization partition设为[0.2]，量化码quantization codebook设为[0 1]。
图 22 Sampled Quantizer Encode模块的参数设置
Display的参数设定为：
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图 23 Display的参数设定
Scope1的参数设定为：示波器的接口有6个，时间范围是自动调整
图 24 Scope1的参数设定
系统运行示波器的显示为：
不加噪声示波器显示为如图25，由上到下波形所表示为： 1.发出源信号波形。
2.加入正弦波信号后的信号波形。 3.经过带通滤波器后的信号波形。 4.经过低通滤波器后的信号波形。 5.采样量化编码后的输出源信号波形。
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图 25 不加噪声示波器的显示
不加噪声 Display的显示为：
图 26 不加噪声 Display的显示
加入高斯发生器 Gaussian Noise Generator模块，设置为：Sample time抽样时间为0.01s
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图 27 Gaussian Noise Generator模块设置
加入高斯噪声后，示波器显示如图26，由上到下波形所表示为： 1.发出源信号。
2.加入正弦波信号后的信号波形。 3.加入高斯噪声后的波形。
4.经过带通滤波器后的信号波形。 5.经过低通滤波器后的信号波形。 6.采样量化编码后的输出源信号波形。
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图26 加入高斯噪声后示波器的显示
加入高斯噪声后Display的显示为：
图 27 加入高斯噪声后Display的显示
结论：在编码器和解码器模块间加上高斯噪声模块模拟信号在信道中的传输有干涉，所以就有了误码率，并且随着错误率的增大误码率增大。
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总 结
本次课程设计，我的任务是用Simulink来实现2ASK调制解调系统。开始我对2ASK和Simulink了解特别少，通过查阅相关资料，我熟悉了2ASK调制解调原理，弄懂了2ASK与Simulink的关系，加深了对通信原理的认识。经过几天忙碌的课程设计我体会到了很多。
首先通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
其次让我明白谦虚的重要性：课程过程中遇到难题是在所难免的事情，当我们无法解决的时候我们应该问问其他的同学或老师，这样可以节省很多的时间。
最后我认识到理论运用到实践的重要性，正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的。所以在本学期学完通信原理之际，紧接着来一次通信原理的课程设计事很有必要的。这样不仅加深我们对通信原理的认识，而且还及时真正做到了学以致用。
在此要感谢我们的指导老师蔡老师对我们悉心的指导，感谢蔡老师给我们的帮助。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
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致 谢
通过本次课程设计，我在各位指导老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，Simulink领域这对我今后进一步学习计算机方面的知识有极大的帮助。在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位领导和老师。
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参考文献
【1】樊昌信，曹丽娜，通信原理，国防工业出版社，2008
【2】邵玉斌，Matlab/Simulink通信原理建模与仿真实例分析，清华大学出版社，2008
【3】桑林，郝建军，刘丹，数字通信，北京邮电大学出版社，2002 【4】张圣勤，MATLAB7.0实用教程，机器工业出版社，2006 【5】吴伟铃，庞沁华，通信原理，北京邮电大学出版社，2005 【6】苗云长等主编，现代通信原理及应用。电子工业出版社，2005 【7】曹志刚，钱亚生，现代通信原理，清华大学出版社，1992
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