四进制振幅键控数字调制仿真和分析

课程设计

课程设计名称：四进制振幅键控（4ASK）

数字调制系统仿真和分析

1 需求分析

在二进制数字调制中每个符号只能表示0和1(+1或-1)。在二进制键控系统中，每个码元知传输1bit信息，其频带利用率不高，而频带资源是极其宝贵和紧缺的。为了提高频带利用率，最有效的办法是使没一个码元传输多个比特的信息。在许多实际的数字传输系统中却往往采用多进制的数字调制方式。第一：在相同的信道码源调制中，每个符号可以携带log2M比特信息，因此，当信道频带受限时可以使信息传输率增加，提高了频带利用率。但由此付出的代价是增加信号功率和实现上的复杂性。第二，在相同的信息速率下，由于多进制方式的信道传输速率可以比二进制的低，因而多进制信号码源的持续时间要比二进制的

宽。加宽码元宽度，就会增加信号码元的能量，也能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。

本次课程设计的任务是四进制振幅键控（4ASK ）数字调制系统仿真和分析。主要内容是对二进制数字信源进行四进制振幅键控（4ASK ）数字调制，画出信号波形及功率谱。并分析其性能。

2 概要设计

实际通信中的许多信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使得载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即正弦载波调制。在数字通信系统中，有二进制数字调制和多进制调制。多进制数字调制与二进制数字调制相比又具有如下两个特点：在相同的码元传输率下，多进制系统的信息传输率比二进制系统的高；在相同的信息速率下，多进制信号码元的持续时间要比二进制的长，因此会增加码元的能量，减小信号特性引起的码间干扰的影响，利用层次化和模块化的设计方法，通过MATLAB 软件平台，设计并实现了多进制幅移键控（M-ary Amplitude-Shift Keying ，MASK ）中的四电平调制（4-ary Amplitude Shift Keying ，4ASK ） 的调制系统和解调系统。本文首先介绍了四电平调制和解调的原理，随后介绍载波产生、振幅调制、振幅判别等功能模块的设计，最后给出了整体调制解调的模块图和仿真波形及在基于VHDL 的EPF10K10LC84硬件平台上的测试结果。 一﹑四进制ASK 信号的表示式

多进制数字幅度调制（4ASK ）又称为四电平调制，它是二进制数字幅度调制方式的推广。四进制幅度调制信号的载波振幅有四种取值，在一个码元期间内，

t

t s t s c MASK ω=cos )()(

发送其中的一种幅度的载波信号。MASK 已调信号的表示式为

这里， 为M 进制数字基带信号 式中， 是高度为1、宽度为的门函数；

有4种取值 0,1,2,3，出现的概率分别为P0,P1,P2,P3,且P0+P1+P2+P3=1. 图1-1（a ）、（b ）分别为四进制数字基带信号和已调信号的波形图。

图1-1

二﹑4ASK 调制解调原理

4ASK 的基带信号只有“0”、“1”、“2”、“3”四个电平值，它与载波相乘的结果相当于将载波关断，或者接通放大。它的实际意义是当调制的数字信号为“3”时，假设传输振幅为126 个量化单位的载波，则当调制的数字信号分别为“2”、“1”、“0”时，传输振幅分别为84、42、0 个量化单位的载波。其典型波形如

)(t s ∑∞

-∞

=-=

n b n

nT t g a

t s )

()()(t g n a

图1 所示。

4ASK 的键控调制原理如图2 所示。载波通过基带信号的控制选择不同的开关，当基带信号是“0”时，调制信号的幅度为0 个量化单位；当基带信号分别是“1”、“2”、“3”时，选择开关接通相应的乘法器，则调制信号的幅度就分别为载波信号幅度的1、2、3 倍。

对于4ASK 的解调，我们采用最高幅值判别的方法，在调制信号中检测出最大幅值，随后根据最大幅值与基带信号的对应关系就可以解调出来。

在软件设计过程中，先设计出二进制基带信号使用语句：

subplot(3,1,1);plot(t,a(ceil((100*t+0.1)/5)));

然后在此基础上生成四进制基带信号，使用语句:sym(n+1)=a(2*n+1)*2+a(2*n+2); subplot(3,1,2); plot(t,sym(ceil(10*t+0.01)));

最后，与载波信号的叠加调制出4ASK信号，使用语句：

t=0:1/1e3:0.999; s=sym(ceil(10*t+0.01)).*cos(2*pi*100*t);

subplot(3,1,3); plot(t,s)

3 运行环境（软、硬件环境）

本次课程设计是在MATLAB上完成软件的设计与仿真的，运用MATLAB 语言实现了数字基带信号的4ASK调制的模拟，并得到二进制基带信号和相应得四进制基带信号以及4ASK调制信号的波形显示，最后给出了整体调制和解调的模块图和仿真波形及在基于VHDL 的EPF10K10LC84硬件平台上的测试结果。

4 开发工具和编程语言

MATLAB的实现

M=4;

>> d=1;

>> t=0:1/1e3:0.999;

>> a=randint(1,20,2);

>> for n=0:9

>>sym(n+1)=a(2*n+1)*2+a(2*n+2);

end

>> s=sym(ceil(10*t+0.01)).*cos(2*pi*100*t);

>> subplot(3,1,1);

>> plot(t,a(ceil((100*t+0.1)/5)));

>> axis([0,1,-0.2,1.2]);

>> subplot(3,1,2);

>> plot(t,sym(ceil(10*t+0.01)));

>> subplot(3,1,3);

>> plot(t,s)

硬件中功能模块的设计：

1.载波信号的产出和调制

设计的程序框图如图3 所示。利用100 进制的计算器循环计数，随后将计数的结果作为载波的采样信号的存储地址。每当计数达到99 时，就会产生一个周期的载波，再根据基带信号确定对载波的乘法系数，从而产生所有基带信号所对应的正弦载波。