ASK调制解调

基于Simulink的ASK频带传输系统仿真与性能分析

实验目的：

1) 熟悉数字调制系统的的几种基本调制解调方法；

2) 学会运用Matlab、Simulink设计这几种数字调制方法的仿真模型；

3) 通过仿真，综合衡量系统的性能指标。

实验原理及分析：

数字调制可以分为二进制调制和多进制调制，多进制调制是二进制调制的推广，所以本文主要讨论二进制的调制与解调，最后简单讨论一下多进制调制中的MFSK(M元移频键控)和MPSK(M元移相键控)。

最常见的二进制数字调制方式有二进制振幅键控（2-ASK）、移频键控（2-FSK）和移相键控（2-PSK和2-DPSK）等。此次实验二进制振幅键控，即——2—ASK。

典型的数字通信系统由信源、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节构成，其框图如图3.1所示：

数字调制是数字通信系统的重要组成部分，数字调制系统的输入端是经编码器编码后适合在信道中传输的基带信号。对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心基带信号的码型，因此，我们在仿真的时候可以给数字调制系统直接输入数字基带信号，不用再经过编码器。

信息

源

编码器

调制器

信

道

解调器

解码器

受信者

噪声源

图3.1 数字通信系统模型

根据Simulink提供的仿真模块，数字调制系统的仿真可以简化成如图3.2所示的模型：

基带

信号

调制器

信

道

解调器

基带信号

噪声源

图3. 2 数字调制系统仿真框图

通常，二进制振幅键控信号（2-ASK）的产生方法（调制方法）有两种，如图3.3所示：

S(t)

e0(t)

乘法器

cosωct

(a) (b)

图3.3 2-ASK信号产生的两种方法

2-ASK解调的方法也有两种相应的接收系统组成方框如图3.4所示：

根据3.3（a）所示方框图产生2-ASK信号，并用图3.4（b）所示的相干解调法来解调，设计2-ASK仿真模型如图3.5所示：

图3.4 2-ASK信号接收系统组成框图

图3.5 2-ASK模型

在该模型中，调制和解调使用了同一个载波，目的是为了保证相干解调的同频同相，虽然这在实际运用中是不可能实现的，但是作为仿真，这样能获得更理想的结果。

仿真波形及分析：

ASK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3-1 ASK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1 Hz。

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1 Hz，所以将载波频率设置为6 Hz，由于在载波参数设置里，频率的单位是rad/sec，所以即为12*pi。

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1

Hz，所以对话框中“Passband edge frequency (rads/sec)：”应填“2*pi”。

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。

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“Sample time (-1 for inherited):”应填“1”。

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

图3-7 误码器的参数设置

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

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3-10 ASK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。

带通滤波器的下频应该等于载波频率与调制信号频率之差，上频应该等于载波频率与调制信号频率之和。前面已设置信号源频率为1Hz，载波频率为6Hz,计算得上、下截止频率分别为7Hz、5Hz，转换成以rads/sec为单位即为14*pi 、10*pi。所以“Lower passband edge frequency (rads/sec) Upper passband edge

frequency (rads/sec)”应填“10*pi 、14*pi”。

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0.01秒的时延，即信号时延了2比特（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2比特。

经过误码器的2比特时延后，其误码率为0。如图3-14所示：

图3-14 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调制后的波形图，第三路为加入高斯白噪声后的波形图，第四路为经过带通滤波器后的波形图，第五路为经过带通滤波器后与载波相乘后的波形图，第六路为经过低通滤波器后的波形图，第七路为ASK解调后的波形图。在ASK调制与解调中加入高斯白噪声后，波形出现了失真，解调也有误码存在，系统基本符合设计要求。如图3-15所示：

图3-15 各点信号的波形

3.3 误码率的计算

误码率是衡量一个数字通信系统性能的重要指标。在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达示的形式则取决于解调方式。

ASK调制与解调中计算误码率仿真图如图3-16所示：

图3-16 ASK调制与解调中计算误码率仿真图

在绘制信噪比-误码率关系曲线图之前，先将源程序创建M文件，将仿真图及M文件放入MATLAB软件的work文件夹下，并重新设置高斯噪声和误码器模型参数。

高斯白噪声的“Variance（vector or matrix）”应该设置为“var”。

误码器“Output data”应该设置为“workspace”。

二进制数字频带传输系统,误码率与信号形式(调制方式),与噪声的统计特性,解调及译码判决方式有关。对于二进制数字频带传输系统,无论采用何种方式,何种检测方法,其共同点都是随着输入信噪比增大时,系统的误码率就降低;反之,当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。

根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率理论关系曲线图。源程序见附录Ⅰ，所需M文件如图3-19所示：

图3-19 M文件1

信噪比-误码率的理论关系曲线如图3-20所示：

图3-20信噪比-误码率的理论关系曲线图

根据信噪比与误码率的关系式，可以绘制出信噪比-误码率实际关系曲线图。源程序见附录Ⅱ，所需M文件如图3-21所示：

图3-21 M文件2

信噪比-误码率的实际关系曲线如图3-22所示：

图3-22信噪比-误码率的实际关系曲线图

与信噪比-误码率理论关系曲线图相比较类似，由上图可以看出：随着输入信噪比增大，系统的误码率降低；反之，当输入信噪比减小时,系统的误码率就增加。符合理论要求，所以此图绘制正确，达到预想结果。

实验总结（遇到的问题及分析）：

在本次课程设计运用了MATLAB软件建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和老师同学的帮助都一一解决，总结分析分析如下：

1、在解调时没有加噪声出现误码率。

解答办法：出现误码数据时，可以根据示波器的输出波形，合理修改误码器中的receive delay的数据就可以使误码数据为零。

2、示波器中的波形只出现一部分。

解决办法：双击示波器，修改data history中的limit data points to last的数据，再重新运行Simulink观察示波器即可看到准确图形。

3、解调波形时无失真，但解码后波形严重失真。

解决办法：这是由于信号经过低通滤波器后会产生时延，而本次课程设计中信号是以帧的形式进行传输，因而在解调输出端若直接使用解调信号，将会产生严重失真。因而，要在解调输出端加入延时模块，使其延时的比特数恰好等于一帧所含的比特数。系统的时延可从解调信号的波形图中看出，加入的模块数等于一帧所含的比特数减去系统时延的比特数。