【论文】2ask数字频带传输系统设计.doc

安徽建筑工业学院
电子与信息工程学院

《综合课程设计》任务书

课程名称 ： 通信电子线路

题 目 ： 2ASK数字频带传输系统设计

专业班级 ： 08通信工程（1）班

学生姓名 ： 周正华

学 号 ： 08205040108

指导教师 ： 冯俊 高翠云 夏义全 邵慧

设计周数 ： 19-20周（2周）

目 录

一、设计任务与要求和分工...................3

二、二进制振幅键控（2ASK）基本原理………….4

三、用protel 99SE设计硬件电路和PCB………..9

四、Matlab程序实现及运行...................12

五、使用Simulink实现2ASK模型仿真...........15

六、使用SystemView实现2ASK模型仿真.........16

七、设计总结................................20

八、参考文献...............................21

（一） 设计任务与要求

1.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；
2.认识和理解通信系统，掌握信号是如何经过发端处理被送入信道然后在接收端还原。
3.利用所学《通信原理》的基本知识以及相关学科的知识，来设计一2ASK数字调制器和解调器。完成对2ASK的调制和解调仿真电路设计，并对仿真结果进行分析。

（二）实验分工

本组由沈志鑫，计豪，何游，周正华四人组成。
本人主要完成protel 的pcb版图设计，matlab程序的设计。
沈志鑫主要完成matlab程序的编程以及protel 99se 的电路图设计。
计豪主要完成matlab的仿真，systemview的设计。
何游主要完成protel的电路设计，matlab simlink仿真。

(二) 二进制振幅键控（2ASK）基本原理
（1）数字调制的概念
用二进制（多进制）数字信号作为调制信号，去控制载波某些参量的变化，这种把基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。
（2）数字调制的分类
在二进制时分为：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。其中，ASK 属于线性调制，FSK、PSK 属于非线性调制。
（3）数字调制系统的基本结构

（4）ASK调制波形与方框图：

2.二进制幅移键控(ASK)
（1）ASK 信号的产生

图为 ASK 信号的产生原理
一个二进制的ASK 信号可视为一个单极性脉冲序列与一个高频载波的乘积，即ASK 的时域表达式为：

也可写成：

（2）ASK 信号的功率谱特性
ASK 信号的自相关函数为：

（3）ASK 信号的功率谱密度为:

式中, ps ( f )为基带信号S(t)的功率谱密度
当0、1 等概出现时，单极性基带信号功率谱密度为:

则2ASK 信号的功率谱密度为:

ASK 信号谱,形状为 ps ( f ),双边带加载频谱线 pE ( f )
ASK 信号传输带宽

（取主瓣宽度）
带宽利用率

（4）ASK 信号的解调方式
解调也可以分成相干解调与非相干解调两类。其中相干解调要求接收端提供相干载波。非相干解调，就是在接收端不需要相干载波，而根据已调信号本身的特点来解调
2ASK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。

非相干解调方式

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。

非相干解调过程的时间波形

ＡＳＫ硬件电路设计

1. 滤波电路环节设计

本设计采用一阶滤波电路，由于采用了脉冲周期：PER=10us（f=1/10us=100kHz） 的高频方波载波信号，故此处所用滤波器的时间常数=1/f=10us ，因此先选定电阻 R1=5k ,与之对应选择电容 C1=0.002uF,即可满足此时间常数要求。
2. 比较电路环节设计
其中 LM324 与 R2、R3 构成一个反向器，LM324 工作的正端电压设置为5Vdc。其电路如下图所示

5.电压判决电路环节设计
该处电压抽样判决器中负端工作电压由 V6 处的 5Vdc 经 R4、R5构成的电压取样电路取得 1Vdc 与 LM３３９的正端输入电压信号比较，当输入信号大于 1Vdc 时，LM３３９ 输出为高电平，否则为低电平。从而将原低频调制信号解调还原出来。电路如下图所示

ASK 调制解调仿真电路PCB图

ASK 调制解调仿真电路综合设计
Matlab程序实现
clc;
clear all;
close all;
%信源
a=randint(1,15,2);
t=0:0.001:0.999;
m=a(ceil(15*t+0.01));
subplot(511)
plot(t,m);
axis([0 1.2 -0.2 1.2]);
title('信源');
%载波
f=150;
carry=cos(2*pi*f*t);
%2ASK调制
st=m.*carry;
subplot(512);
plot(t,st)
axis([0 1.2 -1.2 1.2])
title('2ASK信号')
%加高斯噪声
nst=awgn(st,70);
%解调部分
nst=nst.*carry;
subplot(513)
plot(t,nst)
axis([0 1.2 -0.2 1.2]);
title('乘以相干载波后的信号')
%低通滤波器设计
wp=2*pi*2*f*0.5;
ws=2*pi*2*f*0.9;
Rp=2;
As=45;
[N,wc]=buttord(wp,ws,Rp,As,'s');
[B,A]=butter(N,wc,'s');
%低通滤波
h=tf(B,A); %转换为传输函数
dst=lsim(h,nst,t);
subplot(514)
plot(t,dst)
axis([0 1.2 -0.2 1.2]);
title('经过低通滤波器后的信号');
%判决器
k=0.25;
pdst=1*(dst>0.25);
subplot(515)
plot(t,pdst)
axis([0 1.2 -0.2 1.2]);
title('经过抽样判决后的信号')
%频谱观察
%调制信号频谱
T=t(end);
df=1/T;
N=length(st);
f=(-N/2:N/2-1)*df;
sf=fftshift(abs(fft(st)));
figure(2)
subplot(411)
plot(f,sf)
title('调制信号频谱')
%信源频谱
mf=fftshift(abs(fft(m)));
subplot(412)
plot(f,mf)
title('信源频谱')
% 乘以相干载波后的频谱
mmf=fftshift(abs(fft(nst)));
subplot(413)
plot(f,mmf)
title('乘以相干载波后的频谱')
%经过低通滤波后的频谱
dmf=fftshift(abs(fft(dst)));
subplot(414)
plot(f,dmf)
title('经过低通滤波后的频谱');

建立模型描述
使用Simulink实现2ASK模型仿真
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，丰富的可扩充的预定义模块库。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink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。
在此次设计中，使用Simulink实现模拟调制法和两种解调方法（相干解调和非相干解调），同时在信道传输中加入高斯噪声。原理图如图所示。

Simulink仿真原理图
使用SystemView实现2ASK模型仿真
SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。
利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。
在此次设计中，使用SystemView实现两种调制方法和两种解调方法（相干解调和非相干解调），同时在信道传输中加入高斯噪声。在结果分析中，对使用模拟相乘法调制的信号所进行的两种不同解调方式的误码率，眼图，功率谱密度做了比较。原理图如图所示。

调制模块
模拟调制法在SystemView上使用的元件如图10所示。各元器件编号，图符，名称，功能及参数如表1所示。通过参数可以发现，1000HZ的基带信号由2000HZ的载波进行调制。模拟调制法中，直接将载波与基带信号相乘，这里载波输出为COS波形。

SystemView调制模块

表1 SystemView调制模块元件参数表
编号
图符
名称
功能
参数
26

伪随机序列
(PN Seq)
产生一个按设定速率、由不同电平幅度脉冲组成的伪随机序列(PN)信号
Amp=0.5，Off=0.5，Rate=1000，NO=2
0

余弦波
(Sinusoid)
产生一个余弦波：y(t)=Acos(2*pi*f*t)
Amp=1，Fre=2000Hz
续表1 SystemView调制模块元件参数表
编号
图符
名称
功能
参数
30

乘法器

6,29

系统观察
SystemView
SystemView的标准观察窗口，可在系统运行结束后于系统窗口中显示输出波形
信道模块
在信道中加入高斯噪声，如图11所示。其中编号7为加法器，编号8为高斯噪声，参数为Con=Std，Std=0.3V，sink20 为高斯白噪声波形。

信道模块
解调模块
解调使用了相干解调和非相干解调两种方式，如图12所示。相干解调经过带通—相乘—低通—抽样判决后输出。非相干解调经过带通—全波整流—低通—抽样判决后输出。

SystemView解调模块

各元件具体情况见表2。
表2 SystemView解调元件参数表

编号
图符
名称
功能
参数
10

带通滤波器

BP=3,LOW=1000,HI=3000
1

正弦波
(Sinusoid)
提供同步载波
Amp=1，Fre=2000
23

乘法器

22

缓冲器
Buffer
判决
Gate=0，Threshold=0.3V，True=1，False=0
12，24

低通滤波器

BP=3,LOW=3000
18，25

采样器
Sample
按设定的采样率采样，输出的结果是输入信号在采样宽度内的线性组合
Sam=6000
20，27

分析
Analysis
SystemView的基本信号接收器。该接收器平时无显示，必须进入系统分析窗口才能观察和分析输出结果。
32，34

系统观察
SystemView
SystemView的标准观察窗口，可在系统运行结束后于系统窗口中显示输出波形

设计总结
这次我们要在学校考试周内完成一个课程设计，边复习微波边做课程设计压力是很大的。但是俗话说得好，有压力就有动力。但在查阅大量资料和通过小组协作以及同学之间的讨论，最终完成了通信电路课程设计。就2ASK设计而言，我们这组成功实现了使用Matlab编程和仿真，protel99se的设计，以及学习用SystemView仿真，也可以说有些小小的成就感。
这次课程设计，给我影响最深的就是再次感受到了Matlab的强大功能和广泛应用。通信原理等课程的应用都可以借助于Matlab来实现，在大二的课程设计中我们曾经利用matlaB做了高频放大器和语音信号滤波器。
我感觉这次的难点是protel的仿真上。在原有计算的数据的基础上进行仿真。发现失真非常严重。这说明现实和理论还是有很大差距的。然后进行数据的调整。调整许多次最终才得到相对满意的结果。
总的来说， 经过这次课程设计学到了不少实用的东西，也真正体会到了各门课程之间的紧密联系。一句话，将所学的所有知识联系起来，融会贯通，必将发现，原来一切并不难，难在我们没有这样的意识。

参考文献
[1] 曹志刚，钱亚生编著，现代通信原理，清华大学出版社，1992。
[2] 罗伟雄，韩力，原东昌编著，通信原理与电路，北京理工大学出版社，1999。
[3] 樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯. 通信原理(第五版) [M] . 北京:国防工业出版社,2002。
[4]付家才.电子实验与实践[M].北京:高等教育出版社,2004,7-11
[5]林理明. 数字通信技术[M].北京:高等教育出版社,2006,66-68.
[6]潘松，EDA技术实用教程(第二版)，科学出版社

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