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，tt 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 nnT t g at 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。

另外，因为利用可编程逻辑器件，不能产生负电平，且设计系统硬件平台上含有8 位的模数转换器，所以设计时产生的载波信号和调制信号都是在127 个量化单位的基础上累加的，即在程序中的载波信号y(n)的幅度与0 基准电平载波x(n)的幅度有如下关系：y(n) = 127 + x(n) （1）而调制信号的幅度与载波信号之间的幅度有如下关系：式中N＝0，1，2，3，它与基带信号的“0”、“1”、“2”、“3”相对应。

2.解调利用对调制信号幅值的大小持续检测，可以从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号的最大振幅。

在设计过程中对连续的9 个调制信号流进行采样，随后比较是否中间的比两端的大，如果大，说明挑选到了最大振幅。

理论上基带信号“3”、“2”、“1”所对应的最大幅度分别为253 （127＋126）、211 （127＋84）、169（127＋42）。

在实际设计中，考虑到一定的阈值，当最大幅值大于250 时，解调出基带信号“3”，否则当最大幅值大于208 时，解调出基带信号“2”，上述条件不满足的时候，解调出基带信号“1”。

当连续检测的9 个调制信号流等大的时候，说明此时该调制信号对应的是基带信号的“0”。

解调过程的程序框图如图4 所示。

5 详细设计MATLAB语言%M-aryM=4;%Amplitudegap>> d=1;%Duration>> t=0:1/1e3:0.999;>> a=randint(1,20,2);>> for n=0:9sym(n+1)=a(2*n+1)*2+a(2*n+2);end%MASK>> s=sym(ceil(10*t+0.01)).*cos(2*pi*100*t);%Drawing>> 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);硬件结构如图5;载波信号产生器（carry_wave）：产生对应于基带信号“1”的载波，后续的调制可以方便地利用它进行幅度变换。

调制模块（modulation）：输入信号为基带信号和载波信号，根据基带信号的变化改变载波信号的幅度，产生4ASK的调制信号。

解调模块（demodulation）：根据输入的4ASK 信号的局部最大幅度，判断对应的基带信号，最终解调出4ASK 对应的基带信号。

6 调试分析在载波产生和调制方面如果利用级数计算来产生正弦载波，则所耗费的计算量较大。

此处设计时采用了查表法来产生正弦载波，即将一个周期的正弦波通过100 点采样得到时域离散信号，随后将采样得到的数据进行存储，若要产生一个周期的正弦波时，就将存的数据依次读出。

如果除了基带信号“0”以外，其它的基带信号所对应的载波都利用查表法来实现，则需求的硬件资源较大，所以设计时采用只产生一个基带信号所对应的正弦波，而其它的基带信号是在该正弦波的基础上进行幅度改变产生的。

因为载波振幅之间的关系存在着 3 倍关系，而VHDL 不能直接计算除以 3 的运算，所以设计时采用先产生代表基带信号“1”的正弦载波，随后代表基带信号“2”和“3”的载波幅度可以在已产生的载波的前提下分别乘以2和3 来产生。

在解调方面利用对调制信号幅值的大小持续检测，可以从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号的最大振幅。

在设计过程中对连续的9 个调制信号流进行采样，随后比较是否中间的比两端的大，如果大，说明挑选到了最大振幅。

理论上基带信号“3”、“2”、“1”所对应的最大幅度分别为253 （127＋126）、211 （127＋84）、169（127＋42）。

在实际设计中，考虑到一定的阈值，当最大幅值大于250 时，解调出基带信号“3”，否则当最大幅值大于208时，解调出基带信号“2”，上述条件不满足的时候，解调出基带信号“1”。

当连续检测的9 个调制信号流等大的时候，说明此时该调制信号对应的是基带信号的“0”。

7 测试结果图5.1 仿真结果将设计文件下载到EPF10K10LC84 芯片中，为了用示波器观测所得到的波形，将q [7．．0] 连接到D/A 转化器（AD588）上，测试得到的波形如表1 所示。