差分码ASK信号抽样仿真

长沙理工大学
《通信原理》课程设计报告
李秉坤
学 院 城南学院 专 业 通信工程 班 级 通信1104 学 号 201185250429 学生姓名 李秉坤 指导教师 黄红兵 课程成绩
完成日期 2014年1月9日
课程设计成绩评定
学院城南学院专业通信工程
班级通信1104 学号20118525042
学生姓名李秉坤指导教师黄红兵
课程成绩完成日期2014年1月9日指导教师对学生在课程设计中的评价
指导教师对课程设计的评定意见
课程设计任务书
城南学院通信工程专业
差分码ASK信号PAM调制仿真
学生姓名：李秉坤指导老师：黄红兵
摘要本课程设计主要用matlab/Simulink平台仿真一个差分码ASK信号抽样仿真系统，利用图形输入法设计相关电路，用示波器和频谱模块分析系统性能。

首先根据原理画出图形，构建调制解调电路，在Simulink中调出各模块组成电路，设置调制解调电路各模块的参数值并运行，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。

通过波形分析，达到仿真的目的。

关键词抽样仿真；差分码；Matlab/Simulink
1 引言
MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据[1]。

MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。

本课程设计主要用matlab中的Simulink平台仿真一个差分码ASK信号抽样仿真系统分别在理想信道和非理想信道中运行，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。

1.1 课程设计目的
通信原理课程设计是《通信原理》理论课程的辅助实践环节。

着重体现学生对通信原理教学知识的应用，培养学生理论与实际工程相结合的能力。

以小课题的方式来加深、扩展通信原理知识[3]。

通过设计差分码ASK信号抽样仿真系统，并使其在不同的噪声信道中运行，让学生进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识，并学会运用这些知识。

1.2 课程设计的步骤
学习MATLAB的基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台。

利用通信原理中所学到的相关知识，在Simulink仿真平台中设计差分码ASK信号
抽样仿真系统。

并用示波器观察调制与解调后的波形，用频谱分析模块观察抽样与抽样还原前后的信号频谱变化。

构建调制电路，并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。

在混合调制电路间加上噪声源，用高斯白噪声模拟有线信道，模拟信号在高斯白噪声的信道中传输。

将噪声源的方差设置为1，分析通过高斯白噪声的模拟有线信道后的接收信号的性能。

在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。

2基本原理
用MATLAB集成环境中的Simulink仿真平台，根据《通信原理》理论课中学过的ASK 调制与解调的相关知识，分析ASK信号抽样系统性能。

2.1 MATLAB及Simulink平台简介
MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。

它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到广泛应用。

它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的计算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。

MATLAB 可以在几乎所有的PC机和大型计算机上运行，适用于Windows、UNIX等各种系统平台。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果[4]。

Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和
测试。

构架在Simulink 基础之上的其他产品扩展了Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。

Simulink 与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

在过去几年中，Simulink 已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。

Simulink 鼓励人们去尝试，可以用它轻松的搭建一个系统模型，并设置模型参数和方针参数，并且立即观察到改变后的方针结果。

2.2 差分码ASK 调制原理
振幅键控调制是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率与初始相位保持不变。

信号的产生通常有两种：模拟调制法和键控法。

而本课程设计采用的是模拟调制法，模拟调制法指的是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。

原理如图2-1所示。

)
图2-1 模拟调制法
其调制波形如图2-2所示。

101
()
s t 载波
2ASK
图2-2 模拟调制波形示意图
差分码2ASK 调制信号的原理是输入二进制不归零的基带信号，经过码反变换器将
2ASK 信号。

其调制模型如图2-1所示。

图2-3 差分码2ASK 调制器原理框图
其中s （t ）为二进制不归零的基带信号，而t c ωcos 为载波信号。

2.3 抽样与抽样还原原理
离散信号不仅可从离散信号源获得，而且也可从连续信号抽样获得。

抽样信号
()()()S f t f t s t =∙
其中()f t 为连续信号（例如三角波），()s t 是周期为S T 的矩形窄脉冲。

S T 又称抽样间隔，1
S S
f T =
称抽样频率。

()f t 、()s t 、()S f t 波形如图5-1。

t
(a)
t
t
图2-3 连续信号的抽样过程
将连续信号用周期性矩形脉冲抽样而得到抽样信号，可通过抽样器来实现，信号抽样与恢复实验原理如图2-4所示。

)
t
图2-4 信号抽样与恢复实验原理图
抽样信号在一定条件下可以恢复出原信号，其条件是f S B f 2≥，其中S f 为抽
样频率，f B 为原信号占有频带宽度。

由于抽样信号频谱是原信号频谱的周期性延拓，因此，只要通过一截止频率为c f （m S c m f f f f -≤≤,m f 是原信号频谱中的最高频率）的低通滤波器就能恢复出原信号。

如果f S B f 2<，则抽样信号的频谱将出现混迭，此时将无法通过低通滤波器获得原信号。

c
f
图2-5 实际低通滤波器在截止频率附近的频率特性曲线
在实际信号中，仅含有限频率成分的信号是极少的，大多信号的频率成分是无限的，并且实际低通滤波器在截止频率附近频率特性曲线不够陡峭，如图2-5所示，若使f S B f 2=，f m c B f f ==，恢复出的信号难免有失真。

为了减小失真，应将抽样频率S f 取高（f S B f )5~3(>），低通滤波器满足m S c m f f f f -≤≤。

为了防止原信号的频带过宽而造成抽样后频谱混法，实验中常采用前置低通滤波器滤除高频分量，如图2-6所示。

)
t ('
图2-6加上前置低通滤波器抽样还原实验原理图
本实验采用有源低通滤波器，如图5-7所示。

若给定截止频率c f ，并取2
1
=Q
（为避免幅频特性出现峰值），R R R ==21，则电容的取值为
R
f Q
C c π=
1 QR
f C c π41
2=
3 系统设计
3.1无噪声差分码2ASK 信号调制
利用simulink 仿真平台构造出差分码2ASK 信号的调制系统仿真模型如图3-1，其中由Bernoulli Binary Generator 模块产生随机二进制脉冲序列，Sine Wave 函数产生正弦波作为载波。

其相乘后的信号经过示波器得到波形，从而判断差分码2ASK 的调制是否成功。

差分码2ASK 调制仿真电路如图3-1所示。

图3-1 差分码2ASK 调制仿真电路图
各模块参数设置如图3-2所示。

基带信号参数图
载波参数设置
图3-2 各模块参数设置
频谱图如图3-3所示。

基带信号频谱 2ASK 调制信号频谱
图3-3 频谱图
无噪声的2ASK 调制波形如图3-4所示。

图3—4 无噪声差分码2ASK 调制信号波形
其显示波形依次对应为数字基带信号、基带信号对应的差分码波形、载波波形、无噪声的2ASK调制信号波形。

可看出差分码二进制码为“1”时，调制得出的信号有波形；而为“0”时，调制出的信号没有波形。

完全符合2ASK的调制原理，故调制是成功的。

3.2 差分码ASK信号抽样
利用simulink仿真平台构造出差分码2ASK信号的抽样系统仿真模型如图3-5所示
差分码ASK信号抽样仿真电路图
本图是利用一个乘法器，将调试出来的差分码2ASK信号与周期性矩形脉冲从而实现对信号进行抽样。

对矩形窄脉冲模块参数设置如图3-6所示
图3—6 矩形窄脉冲模块参数设置
差分码2ASK信号抽样波形如图3-7所示。

其显示波形依次对应为矩形窄脉冲波形，无噪声的差分码2ASK信号波形，差分码2ASK抽样信号。

可以看出差分码2ASK调制信号与矩形窄脉冲信号相乘，得到差分码2ASK抽样信号。

3.3 差分码ASK信号抽样还原
利用Simulink仿真平台构造出的差分码ASK信号抽样还原系统仿真模型如图3-8所示
图3—8 差分码2ASK信号抽样还原模型
抽样还原就是抽样的逆过程，用低通滤波器进行滤波后经过抽样判决器，
各模块参数设置如图3-9所示。

载波参数设置低通滤波器1参数设置
低通滤波器2参数设置
零阶保持器参数设置
量化编码器（判决门）参数设置
差分码还原器参数设置
图3-9各模块参数设置
如图所示电路图，低通滤波器1将抽样信号先进行还原，之后得到的信号再经过乘法器与载波信号相乘，再通过低通滤波器2将信号滤出初始信号，之后经过由零阶保持器和量化编码器组成的抽样判决器最后把信号由差分码还原器还原为基带信号。

差分码2ASK信号抽样还原波形如图3-10所示。

图3-10 差分码2ASK信号抽样还原波形
其显示波形依次对应为基带信号，抽样信号经过低通滤波器1后的信号波形，载波波形，经过抽样信号经过低通滤波器1后的信号和载波信号经过乘法器得出的波形，抽样还原信号波形。

可以从图看出抽样还原信号与之前的基带信号只是稍有延时，但是在波形方面保持一致，从此可以得出抽样还原是成功的。

3.4 加噪声后的系统仿真
在差分码基带信号后加上高斯白噪声，并用通过高斯白噪声的信号进行差分码ASK 信号的调制，然后重复上述的抽样和抽样还原的步骤，观察经过高斯白噪声之后的差分码2ASK信号抽样和理想状态下差分码2ASK信号抽样之间存在的差别，系统如图3-11所示。

加入高斯白噪声之后的系统抽样如图3-12所示
图3-12加入高斯白噪声之后的系统抽样波形图
其显示波形依次对应为加入高斯白噪声后的差分码2ASK信号波形，矩形窄脉冲波形，加入高斯白噪声后的差分码2ASK抽样信号。

加入高斯白噪声后的差分码2ASK信号波
形与矩形窄脉冲波形经过乘法器相乘，得出抽样信号。

加入高斯白噪声之后的抽样还原波形如图3-13所示
图3-13
其显示波形依次对应为经过差分编码之后的基带信号，理想状态下抽样还原波形图，加入高斯白噪声之后的差分码基带信号，基带信号，加入高斯白噪声之后的抽样还原波形。

从此来对比高斯白噪声加入后对整个图形的影响。

频谱图如图3-3所示。

加高斯输出理想输出
图3-14
图2-15加入高斯白噪声之后的误码率
图2-16高斯白噪声的参数设置
3.4 抽样仿真中各元器件的意义和作用
Bernoulli Binary Generator：产生基带信号
Averaging Power Spectral Density：平均功率谱密度，频谱仪
Differential Encoder：差分编码器，对基带信号进行差分编码
Sine Wave：正弦波，产生一个载波信号
Product：乘法器，使两个信号相乘
Pulse Generator：脉冲发生器，从而产生一个周期矩形窄脉冲，与差分码2ASK信号相乘从而得到抽样信号
Scope：显示器，用来观察各个步骤所做出来的波形
Analog Filter Design：模拟滤波器，通过频率滤除不需要的信号
Zero-Order Hold：零阶保持器的意思，就是输入的信号帮你保持一段时间，经过这个模块后的信号会有阶梯状的感觉。

如果前后两个模块的采样频率不一样的话，就要在两者中间加入Rate Transition，否则就会报错。

假如前级的采样频率大，而后级的采样频率小的话，它的作用就是Zero Order Hold，以保证数据的完整性。

Quantizing Encoder：量化编码器，相当于抽样判决器，使抽样还原信号更加稳定。

Differential Decoder：差分译码器，将差分码信号还原为原始的基带信号。

Gaussian Noise Generator：高斯白噪声，所谓高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。

Error Rate Calculation：用来计算接收信号的差错率。

Display：展示出之前所计算出来的差错率
4 仿真电路分析与总结
本次课程设计，我的任务是差分码ASK信号抽样仿真，以此来进行为期2周的课程设计。

《通信原理》课程设计要求我们应用Matlab软件中的Simulink对课题进行设计仿真，在之前的Matlab课程上我已经对Matlab软件又一个初步的了解，但是只停留在用程序进行仿真，而此次利用Simulink模块来设计是我第一次接触，并且我们使用的Matlab7.0软件是全英文的，很多东西我看不懂是什么意思，之后老师对我们所用的模块进行了讲解，同时我利用网络找到了一些材料，使我明白了我的课题到底要做什么，到底要怎么做。

利用翻译软件，查找到我自己需要的元器件加入到图里，做出自己想要做到的东西。

电路的设计就和之前所做的电子电路实习有点类似，只是把元器件按照自己的想法连接起来便可以做到，但是参数的设置使我摸不着头脑，有许多的参数不知道如何去设置，纵使仿真的步骤和方法我在大脑里已经有了思路，但是由于参数的错误设置导致我的图形经过抽样还原永远还原不出基带信号的模样，最后在老师的帮助下，告诉了我每个元器件的参数如何的设定，低通滤波器如何的设定，从而使我完成了对信号的抽样与抽样还原，对下次做此应用充满了信心。

信号抽样说真的刚接到这个课设题目的时候我真的不知道抽样是怎么做的，如何用元器件队以一个信号进行抽样，但是最终从网上查找的资料我明白了抽样信号就是利用乘法器，使差分码ASK信号与一个矩形窄脉冲相乘得到的信号。

从而使我完成了对信
差分码ASK抽样信号仿真
号的抽样。

总的说来，本次课程设计所设计的电路基本上能够仿真差分码ASK信号抽样仿真过程，基本达到了设计目的。

4结束语
本次历时两周的课程设计让我们又回到了当初做通信电子线路实习时候的感觉，虽然每一个人的课题都不相同，但是我们还是相互合作，同学之间互相讨论，找到大家的统一问题进行讨论，最后得出结果，实在无法弄明白的问题我们回去请教老师的教导，通过老师的指导，每个人对自己的问题结合自己的思考都有了一个不同的理解，最后做出的东西都经过了无数次的尝试，来回更改参数的设置，从而得出了正确的结论。

同时在本次的课程设计上，我发现了自己很多的不足，很多的知识点我没有掌握，最开始的时候自己不知道怎么做，也不查书，也不去查找资料，二十一味的想从老师那里寻找到自己想要的答案。

最后老师告诉我们，先自己去弄明白自己做的是什么，是通过什么东西来实现自己的课题的，之后还有不懂得再来问老师。

那时起我们就自己开始动手查找资料，自己翻书去查找所需要的知识，大大的提高了我们所有人的动手能力，不会坐着等别人告诉你答案是什么。

这次的课程设计，让我受益匪浅，不光学会了如何去应用Simulink模块进行仿真，同时还巩固了我自己对通信原理知识点的巩固。

最后感谢这两周来一直陪着我们的老师，到了冬天同学们都有不想起床的习惯，但是老师基本每天的早晨都回来指导学生，让同学们了解所欠缺的知识。

参考文献
[1] 张化光, 孙秋野. MATLAB/Simulink实用教程. 北京：人民邮电出版社，2009
[2] 樊昌信，曹丽娜. 通信原理（第六版）. 北京：国防工业出版社，2006
[3] 达新宇．通信原理实验与课程设计．北京：北京北京邮电大学出版社，2003
院讲义，1999
[4] 姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真基础.西安：西安电子科技大学出版社，2002
18。