基于MATLABSimulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析

**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第1页共23页基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析学生姓名：**指导老师：胡双红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。在课程设计中，目的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；信噪比-误码率1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。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。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。由于通信工程专业理论深、实践性强，做好课程设计，对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。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。通过课程设计，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。**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第2页共23页1.1课程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。使学生对系统各关键点的信号波形及频谱有深刻的认识。在进行了专业基础课和《通信原理》课程教学的基础上，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。1.2课程设计的要求（1）学习使用MATLAB下Simulink仿真平台构建相应的通信系统。熟练掌握Simulink中的语法结构，编写方法。（2）构建ASK调制解调系统仿真框图，并用示波器观察调制前后的信号波形，根据显示结果分析设计的系统性能。（3）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。（4）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。（5）按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计和实验结果。1.3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]。**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第3页共23页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。**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第4页共23页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[4]。**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第5页共23页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：图2-4相干解调方式乘法器)(2teASK)(tstccos带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器tccos定时脉冲输出)(2teASK**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第6页共23页3系统设计3.1ASK调制与解调整个ASK的仿真系统的调制与解调过程为：首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，在接收端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。在MATLAB下Simulink仿真平台构建了ASK调制与解调仿真电路图如图3-1所示：图3-1ASK调制与解调仿真电路图将信号源的码数率设为1B/S,即频率为1Hz。参数设置如图3-2所示：图3-2信号源参数设置**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第7页共23页在调制解调系统中，载波信号的频率一般要大于信号源的频率。信号源频率为1Hz，所以将载波频率设置为6Hz，由于在载波参数设置里，频率的单位是rad/sec，所以即为12*pi。载波信号参数如图3-3所示：图3-3载波信号参数设置：低通滤波器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1Hz，所以对话框中“Passbandedgefrequency(rads/sec)：”应填“2*pi”。参数设置如图3-4所示：**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第8页共23页图3-4低通滤波器参数设置对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2(当P(1)=P(0)时)，它与接受机输入信号的幅度有关。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3-5所示：图3-5抽样判决器的参数设置量化器抽样频率等于信号源频率。前面已经设置信号源频率为1Hz，即抽样频率为1Hz，所以对话框中“Sampletime(-1forinherited):”应填“1”。量化器参数设置如图3-6所示：**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第9页共23页图3-6量化器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3-7所示：图3-7误码器的参数设置**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第10页共23页经过误码器的1比特时延后，其误码率为0，结果正确。如图3-8所示：图3-8误码率的查看输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形(从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号)第一路为信号源模块波形图，第二路为ASK调制后波形图，第三路为调制信号与载波相乘后波形图，第四路为经过低通滤波器后波形图，第五路为ASK解调波形图。由各波形可看出该ASK调制解调系统符合设计要求。如图3-9所示：图3-9各点信号的波形**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第11页共23页3.2加入高斯白噪声后的ASK调制与解调整个加入高斯白噪声后的ASK仿真系统的调制与解调过程为：首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘，送入加性高斯白噪声（AWGN）信道中传输。在接收端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3-10所示：图3-10ASK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3-11所示：图3-11高斯白噪声的参数设置**《基于MATLAB/Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析》第12页共23页带通滤波器的下频应该等于载波频率与调制信号频