通信原理课程设计

《通信原理》

课程设计报告

题目：2ASK数字传输系统仿真专业：通信工程

班级：2011 级

姓名：XXXXXXX

指导教师：XXXXXXXX

二0一三年12月

课程设计的任务说明

课程设计的目的

（1）通过利用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。

（2）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。

（3）更好的了解通信原理的相关知识，磨练自己分析问题、查阅资料、巩固知识、创新等各方面能力。

（4）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

课程设计的要求

（1）掌握课程设计涉汲到的相关知识，相关概念、原理清晰，明了。

（2）仿真图设计合理、能够正确运行。

（3）按照要求撰写课程设计报告。

目录

第一章绪论 (1)

1.1 MATLAB/Smulink的简介 (1)

1.2 通信发展简史 (2)

1.2.1通信的概念 (2)

1.2.2通信的发展史简介 (4)

1.3 通信技术的现状和发展趋势 (4)

第二章2ASK调制与解调原理 (5)

2.1 2ASK调制原理 (5)

2.2 2ASK解调原理 (6)

第三章设计步骤 (8)

3.1 2ASK调制解调系统 (8)

3.2系统所用模块参数设置 (8)

第四章

4.1 仿真结果的波形分析 (11)

4.2调制前后信号频谱的变化 (12)

第五章 2ASK相干解调系统误码率性能分析 (13)

总结 (14)

参考文献 (14)

第一章绪论

1.1MATLAB/Simulink的简介

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。

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。，

1.2通信技术的历史和发展

1.2.1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，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，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1-2-1所示。

→→→→信息源发送设备信道接收设备受信者

↑

噪声源

图1-1信系统一般模型

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1-2-2所示，

→→→→→→→→信数信信数信

信源

道

字受道源字信

息编编调 解译译信

源

码码调码码者

制道

器

器

器

器

器

器

↑

噪声源

图1-2 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1-2-3所示。

→→→→信息源调制器信道解调器受信者

↑

噪声源

图1-3 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。

1.2.2通信的发展史简介

远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。

1.3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。

（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。

第二章 2ASK调制与解调原理

2.1 2ASK调制原理

振幅键控是正弦载波的幅度随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。设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为

2

()()cos()[()]cos ASK c n s c

n

e t s t w t a g t nT w t

==-

∑

(1)

其中：

二

进制振幅键控信号时间波形如图1 所示。由图1 可以看出，2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。

图1 二进制振幅键控信号时间波形

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所示。

图2 模拟相乘法图3 数字键控法

2.2 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、图5所示。

图4 非相干解调方式

图5 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。

图6

2ASK 信号非相干解调过程的时间波形

1

1

100000101

a

b

c d

第三章 设计步骤

3.1 建立2ASK 调制解调系统

通过Simulink 的工作模块建立2ASK 调制解调系统，用示波器观察调制及解调过程中信号的波形。二级2ASK 调制与解调系统的仿真电路图如图7所示。

Sine Wave

Scope

Rician

Rician Noise Generator

Rayleigh

Rayleigh Noise Generator

Quantizing Encoder U

Idx Q(U)Quantizing Encoder

Product1

Product

Power Spectral Density1

Power Spectral

Density

Gaussian Gaussian Noise Generator

Error Rate Calculation Tx

Rx

Error Rate Calculation

0.6667Display

Bernoulli Binary Bernoulli Binary Generator

butter

Analog Filter Design2

butter

Analog Filter Design1

butter

Analog Filter Design

Add

图7 2ASK 调制与解调系统的仿真电路图

将基带信号（Bernoulli 信号）与载波信号（正弦信号）相乘，经过带通滤波器，就完成了调制过程；经过信道传输后，经过带通滤波器，与本地载波（正弦信号）相乘，再经过低通滤波器，最后经过抽样判决起转换成数字信号，就完成了解调过程。

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。第一路波形为基带信号（Bernoulli 信号），第二路波形为载波（正弦信号），第三波形路为调制后的信号，第四路波形为已调信号经过带通滤波器和低通滤波器后所得信号，第五路波形为经过抽样判决器过得到的解调波形。 3.2 系统所用模块的参数设置

在2ASK 调制与解调中，将基带信号（Brenoulli 信号）零出现的概率设为0.5，抽样时间设为1，其参数设定如图8所示。载波频率应比基带信号的频率大，故将载波的频率参数设置为10*pi ，抽样时间为0，其参数图如图9所示。

图8 2ASK基带信号参数设定

图9 2ASK载波信号参数设定

带通滤波器和低通滤波器的参数设定如图10，11所示。

图10 2ASK带通滤波器参数设定

图11 2ASK低滤通波器参数设定

抽样判决器参数设定如图12所示，计算误码率模块参数设定如图13所示。

图12 2ASK抽样判决器参数设定

图13 2ASK误码率计算模块参数设定

第四章仿真结果分析

4.1仿真结果的波形分析

示波器显示的5路信号波形如图14所示。

图14 示波器显示的波形

图中由上到下波形所表示为：

（1）.信号源产生的信号波形

根据3.2中参数的设置，信号源产生的信号是二进制基带信号，信号的幅度为0和1时分别代表二进制信息“0”和“1”，且0、1出现的概率相等。时间轴上单位长度表示码元的持续时间，即为1秒，图中显示了前10秒内信号源产生的信号波形。

（2）.加入的正弦载波的信号波形

正弦信号的幅度设置为1，频率为10*pi，即周期为0.2秒，从图中可以看到，1个码元持续时间内，正弦信号重复5个周期。

（3）.已调信号经过带通滤波器后的信号波形

这就是2ASK信号的时域波形，2ASK信号是基带信号和正弦载波相乘得到的，

其实质是幅度受到基带信号控制的载波，载波幅度的变化即代表了二进制信息。

（4）.相干解调后的信号波形

相干解调是将已调信号和载波相乘，然后通过低通滤波器，得到如图所示的信号波形。

（5）.采样量化编码后的输出源信号波形

量化编码器对相干解调后的信号进行抽样判决，恢复出原基带信号，从图中可以看出，在无噪声的情况下，可以无差错的恢复出原基带信号，只是产生了一定的延时。

4.2 调制前后信号频谱的变化

构建好调制电路，加入频谱分析模块，用频谱分析模块观察调制前后的信号频谱变换。基带信号和调制信号的频谱分别如图15，图16所示。

图15 基带信号频谱

图16 2ASK调制后信号频谱

由图15和图16可以看出，基带信号的功率谱密度集中在低频，已调信号（2ASK 信号）的功率谱密度集中在30Hz附近，并且可以看到2ASK信号的带宽是二进制基带信号带宽的两倍。

第五章2ASK相干解调系统误码率性能分析

由于解调过程中没有噪声，所以误码率相对较小，一般是由于码间干扰或是参数设置的问题，本次系统的误码率为0.0144，由于系统的不准确性和码间影响所以

误码率是存在的

总结

经历了课程设计，我学习到了很多。它使我认识到做课程设计是培养我们综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识运用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力，以前看到书本上的原理图，设计图，没有一个直观的具体的印象。但通过这次的设计实验，我发现，原来书上的原理图，我们能够并且我们有能力将这些原理图变成一个个实际的，生动的仿真实验，可以更好地联系我们的生活实际，更贴近生活。同时我也掌握simulink仿真平台的使用方法以及一些基本通信电路的结构原理，应该说是收益良多。然而，在这次课程设计中，我也发现了很多自身的不足，比如基础知识不扎实，容易烦躁，不细心等等，这些必须在将来的学习生活中慢慢改进，加以克服，从中我懂得真理需要在一次又一次不断的耐心实践中才能获得，不但在知识上，更在人生道路上给我上了重要的一课。

在设计的过程中，不断的尝试，不断的遇到困难，不断的想办法克服困难，以前碰到困难就找别人帮忙，这次独立完成这个课程设计，使我感受颇多，也只有这样不断的向前，才能真正学到、掌握知识。

参考文献

[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理（第六版）[m].北京：国防工业出版社，2007.

[2] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信原理建模与仿真实例分析[m].北京：清华大学出版社，2008.

[3] 贾秋玲，袁冬莉，栾云凤. MATLAB7.X/Simulik/Stateflow系统仿真、分析及设计[m].西安：西北工业大学出版社，2006.

[4] 张圣勤.MATLAB7.0实用教程[m].北京：机器工业出版社，2006.

设计报告成绩

（按照优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师评语：

指导教师（签名）

年月日

说明：指导教师评分后，设计报告交院实验室保存。