MATLAB/Simulink的2ASK和2FSK 的调制与解调仿真
目录
摘要 ............................................................................................................................................. - 1 - 引言 ............................................................................................................................................. - 1 - 第一章 课程设计的任务说明.................................................................................................... - 1 -
1.1 设计目的 ...................................................................................................................... - 1 - 1.2 设计内容 ...................................................................................................................... - 1 - 第二章 MATLAB/SIMULINK简介 ................................................................................................. - 2 -
2.1 MATLAB简介 ................................................................................................................. - 2 - 2.2 Simulink简介 ............................................................................................................. - 2 - 第三章 通信技术简介 ................................................................................................................ - 3 -
3.1 通信的概念 .................................................................................................................. - 3 - 3.2 通信系统的模型 .......................................................................................................... - 4 - 第四章 2ASK的原理及仿真 ....................................................................................................... - 5 -
4.1 2ASK调制原理 ............................................................................................................. - 5 - 4.2 2ASK解调原理 ............................................................................................................. - 6 - 4.3 2ASK调制与解调与相应仿真图 ................................................................................. - 7 - 4.4 2ASK调制与解调仿真结果 ..................................................................................... - 12 - 第五章 2FSK的原理及仿真 ..................................................................................................... - 15 -
5.1 2FSK调制原理 ........................................................................................................... - 15 - 5.2 2FSK解调原理 ........................................................................................................... - 16 - 5.3 2FSK调制与解调与相应仿真图 ............................................................................... - 16 - 5.4 2FSK调制与解调仿真结果 ..................................................................................... - 22 - 总结 ........................................................................................................................................... - 24 - 参考文献 ................................................................................................................................... - 25 -
摘要
本课程设计是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个2ASK 与2FSK复合调制与解调通信系统，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。本课程设计主要是通过对基带信号进行调制解调后再还原成原来的基带信号，用示波器观察调制前后波形，并在电路中加入频谱分析模块，观察调制前后信号频谱的变换，并在调制与解调过程中加入噪声源后分析接受信号的性能。电路通过运行后，基本达到本课程设计的要求。
关键字：MATLAB Simulink 2ASK 2FSK 调制解调 误码率
引言
本课程设计主要是学会MATLAB的运用，在MATLAB集成环境下的Simulink仿 真平台下，实现2ASK与2FSK的调制与解调通信系统。用示波器对调制前与解调后的波形进行比较，并加入频谱分析模块，分析调制前后信号频谱的变化。
第一章 课程设计的任务说明
1.1 设计目的
通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关2ASK和2FSK调制与解调系统的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力；同时对我们进行良好的独立工作习惯和科学素质的培养，为今后参加科学工作打下良好的基础。
1.2 设计内容
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个2ASK和2FSK的调制与
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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,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
第二章 MATLAB/SIMULINK简介
2.1 MATLAB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。
2.2 Simulink简介
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
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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。
第三章 通信技术简介
3.1 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
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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。
3.2 通信系统的模型
信息源 发送设备 信道 接受设备 信宿 噪声源
图3-1-1通信系统一般模型
信信源源码器
信道码器数字制器信道数字调器信道码器信源码器受者息编编调 解译译信
噪声源 图3-1-2 数字通信系统模型
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第四章 2ASK的原理及仿真
4.1 2ASK调制原理
2ASK二进制振幅调制就是用二进制数字基带信号控制正弦载波的幅度，使载波振幅随着二进制数字基带信号而变化，而其频率和初始相位保持不变。信息比特是通过载波的幅度来传递的。其信号表达式为：
e0(t)S(t)cosct，S(t)
为单极性数字基带信号。由于调制信号只有0或1两个电平，相乘的结果相当于将载频或者关断，或者接通，它的实际意义是当调制的数字信号“1”时，传输载波；当调制的数字信号为“0”时，不传输载波。2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号S(t)通断变化。所以又被称为通断键控信号。典型波形如图4-1-1所示。
图 4-1-1 典型2ASK波形
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3-2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3-3所示。
图4-1-2模拟相乘法 图4-1-3数字键控法
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4.2 2ASK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4-2-1、图4-2-2所示。
图4-2-1非相干解调方式
图4-2-2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。
11001000101
a
bcd图4-2-3
2ASK信号非相干解调过程的时间波形
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4.3 2ASK调制与解调与相应仿真图
本次仿真使用相干解调方式：
2ASK 带通滤波器与 与载波相乘 低通滤波器 抽样判决 输出 高斯白噪声
仿真电路图如下：
ScopeSine WavebutterbutterU SQ CodecIScope3ProductBernoulliBinaryBernoulli BinaryGeneratorGaussianGaussian NoiseGeneratorAnalogFilter Design1Product1AnalogFilter DesignQ(U)Scalar QuantizerEncoderZero-OrderHold31zUnit DelayZero-OrderHold2B-FFTSpectrumScope2Tx Error Rate CalculationRxError RateCalculation0Zero-OrderHoldB-FFTSpectrumScopeDisplayB-FFTZero-OrderSpectrumHold1Scope1Scope2
电路中的各模块的参数设置如下：
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图 4-3-1 正弦波设置
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图 4-3-2 Bernoulli Binary Generator 参数设置
图 4-3-3 高斯白噪声参数设置
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图 4-3-4 带通滤波器参数设置
图 4-3-5 低通滤波器参数设置
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图 4-3-6 抽样判决器参数设置
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4.4 2ASK调制与解调仿真结果
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图 4-4-1 基带波的频谱
图 4-4-2 ASK的频谱
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图 4-4-2 有噪声ASK的频谱
误码率
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第五章 2FSK的原理及仿真
5.1 2FSK调制原理
二进制频率调制是用二进制数字信号控制正弦波的频率随二进制数字信号的变化而变化。由于二进制数字信息只有两个不同的符号，所以调制后的已调信号有两个不同的频率f1和f2，f1对应数字信息“1”，f2对应数字信息“0”。二进制数字信息及已调载波如图3-1所示。
图5-1-1 2FSK信号
图5-1-2 2FSK信号的产生
2FSK信号的解调也有相干解调和包络解调两种。由于2FSK信号可看做是两个2ASK信号之和，所以2FSK解调器由两个并联的2ASK解调器组成。图5-1-3为2FSK相干和包络解调。
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5.2 2FSK解调原理
图5-2-1 2FSK信号解调器
相关调制解调的原理图如图5-2-4所示
图5-2-2 2FSK相干解调原理图
5.3 2FSK调制与解调与相应仿真图
仿真电路图如下：
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butterSine WavebutterProductAnalogFilter DesignNORGaussianGaussian NoiseGenerator1Product2Sine Wave2AnalogFilter Design2<=RelationalOperatorPulseGeneratorLogicalOperatorbutterbutterSine Wave3Product3Sine Wave1Product1AnalogFilter Design1AnalogFilter Design30Constant1Tx Error Rate CalculationRxError RateCalculationDisplay0Scope
电路中的各模块的参数设置如下：
图 5-3-1 Pulse generator 参数设置
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图5-3-2 sine wave 参数设置
图5-3-3 sine wave 1参数设置
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图5-3-4 高斯白噪声参数设置
图5-3-5 带通滤波器1参数设置
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图5-3-6 带通滤波器2参数设置
图5-3-7 sine wave 2 参数设置
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图5-3-8 sine wave 3 参数设置
图5-3-9 低通滤波器1参数设置
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图5-3-10 低通滤波器2参数设置
5.4 2FSK调制与解调仿真结果
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图 5-4-1 基带波的频谱
图 5-4-2 FSK的频谱
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图 5-4-3 有噪声FSK的频谱
误码率
总结
这次2ASK和2FSK设计内容比较多。设计过程中遇到了几个问题。首先由于实验设置的疏忽，将一条支路的相干解调频率设置错误导致解调波形严重失真。这提醒了自己相干解调必须与同频同相的信号相乘，滤波后才能较好的恢复原波形。还有一个问题就是带通滤波器的中心频率设置的问题，为了保证较好的两路2ASK调制波尽量的不受噪声的影响，带通滤波器应该将中心频率设置为f1和f2，即2ASK的载波信号频率相同。
总体来说，设计是比较顺利的，本次设计通过对数字信号的simulink建模仿真，使我数字键控的概念又有了更深的了解，而且也熟悉了simulink软件的操作，
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通过这段时间的亲生经历，我感觉自己学到了：收集、整理资料、共同协作、分析及处理问题等许多方面的知识。
参考文献
[1] 王兴亮 编著，《数字通信原理与技术》，西安电子科技大学出版社，第二版
[2] 徐明远 邵玉斌 编著，《MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用》，西安电子科技大学出版社，2005
[3] 孙屹 吴磊编著, 《Simulink通信仿真开发手册》,国防工业出版社,2003 [4] 陈后金 主编 《数字信号处理》，高等教育出版社，第2版 [5] 樊昌信 曹丽娜 编著 《通信原理》，国防工业出版社，第6版
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