计算机与通信学院

2013年春季学期

通信系统仿真训练 课程设计

题 目： 4ASK载波调制信号的调制解调与性能分析

姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩：

专业班级： 通信工程四班

摘要

本次课程设计四进制振幅键控（4ASK）载波调制信号的调制解调与性能分析。通过对二进制数字信源进行四进制振幅键控（4ASK）数字调制，并画出信号波形及功率谱，分析其性能。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，给出了整体调制和解调的模块图和仿真波形，通过调试代码，观察2ASK与4ASK的不同，最后根据二进制振幅键控的原理来设计四进制振幅键控的调制与解调两个过程，从而对其性能进行进一步的分析总结。

关键字：4ASK 相干解调 基带信号

目录

一、设计概要 ............................................................................................................................................................ 1 二、 MATLAB/SIMULINK简介 ................................................................................................................................... 2 三、 通信技术的历史和发展 .................................................................................................................................. 4

3.1通信的概念 ................................................................................................................................................. 4 3.2 通信的发展史简介 .................................................................................................................................... 5 3.3通信技术的发展现状和趋势 ..................................................................................................................... 5 四、设计原理 ............................................................................................................................................................ 7

4.1 4ASK信号的原理 ....................................................................................................................................... 7 4.2 4ASK调制解调原理 ................................................................................................................................... 8 五、设计步骤 .......................................................................................................................................................... 11

5.1载波信号的调制 ....................................................................................................................................... 11 5.2调制信号的解调 ....................................................................................................................................... 11 5.3调试分析 ................................................................................................................................................... 11 5.4开发工具和编程语言 ............................................................................................................................... 12 5.5测试结果及图形说明 ............................................................................................................................... 13 总结 .......................................................................................................................................................................... 15 参考文献 .................................................................................................................................................................. 16 致谢 .......................................................................................................................................................................... 17

一、设计概要

本次课设主要通过研究4ASK信号的调制解调，首先通过对二进制2ASK的分析来研究出四进制4ASK的变化，对2ASK的基带信号和传输的载波信号，以及其波形图进行分析，从而掌握多进制的振幅键控（MASK）调制解调的原理及其实现方法，然后利用MATLAB7.0仿真实现4ASK的调制与解调，并仿真4ASK载波信号在高斯白噪声下的误码率和误比特率的性能，同时给出调制信号、载波信号及已调信号的波形图和频谱图。最后根据仿真的波形图来分析4ASK的性能特点，以及对以后信道的传输有更重要的意义和频带利用率，资源有效充分利用，全方面的来考虑4ASK的用途。

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二、 MATLAB/SIMULINK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

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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。

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三、 通信技术的历史和发展

3.1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3-1所示。

噪声 图3-1 通信系统一般模型

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3-2所示

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图3-2 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3-3所示。

图3-3 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。

3.2 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。

3.3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。

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（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。

随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。

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四、设计原理

4.1 4ASK信号的原理

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。 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，发送其中的一种幅度的载波信号。MASK已调信号的表示式为

s(t)?n????a?ng(t?nTb) (4.1)

s(t)这里为进制数字基带信号 式中，g(t)是高度为1、宽度为的门函数；an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（a）、（b）分别为四进制数字基带信号和已调信号的波形图。

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图4-1 字基带信号和已调信号

4.2 4ASK调制解调原理

基带信号输入调制器信道解调器基带信号输出噪声源

图4-2 数字调制系统的基本结构

数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的三种数字调制方式是：振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK 或DPSK）。

多进制数字振幅调制又称多电平振幅调制，它用高频载波的多种振幅去代表数字信息。MASK调制方式就是使载波的幅值随着基带信号的变化而变化。MASK的表达式如式2-1所示。 UMASK(t)?[?Ang(t?nTS]cos?0t (4.2)

n????

其中An为基带信号的电平，ω0为载波频率。由上式可以看出，如果其中电平是0的多进

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制信号，只要让载波信号与多进制信号通过乘法器即可调制完成。如果两个电平都不是0，只要让载波信号的振幅固定，通过乘法器与多进制信号相乘就行。

图4-3 MASK信号的分解波形图

四电平振幅调制，高频载波有u0（t）、u1（t）、u2（t）、u3（t）四种：振幅为0、1A、2A和3A，分别代表数字信息0、1、2、3或者双比特二进制输入信息 00、01、10、11 进行振幅调制。

而解调的两种方法包络检波和相干解调的原理图如图3和图4所示。

eASK(t)带通滤波器a全波整流器b低通滤波器c抽样判决器定时脉冲d输出

图4-4 包络检波法示意图

eASK(t)带通滤波器相乘器 coswc低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出

图4-5 相干法解调示意图

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

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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).

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五、设计步骤

5.1载波信号的调制

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，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) （5.1）

而调制信号的幅度与载波信号之间的幅度有如下关系：

Y127?N[y(n)?127,y(n)?127?n??{N127?N[127?y(n),y(n)?127

(5.2)

式中N＝0，1，2，3，它与基带信号的“0”、“1”、“2”、“3”相对应。

5.2调制信号的解调

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”。

5.3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

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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”。

5.4开发工具和编程语言

1.基带信号的调制过程 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) 2解调过程 %M-ary M=4;

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d=1;

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

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)

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。调制过程：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。解调过程：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。

5.5测试结果及图形说明

基带信号调制图形如下图所示：

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图5-1 基带信号调制图形

图5-2 基带信号的调制解调对比图

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总结

通过本次课程设计，我们主要了解4ASK调制与解调原理，特别是4ASK调制解调电路的MATLAB实现与调制性能分析，把本学期学的通信原理等通信类科目的内容应用到本课程设计中来，进一步巩固复习通信原理，MATLAB等课程，以达到融汇贯通的目的。

通过对通信系统原理和MATLAB的学习，在通过硬件实现时会时不时地会出现一些问题，利用将一个大而复杂的系统分解转化为多个小而简单的模块的思想，在进行整合、连接，将复杂的问题简单化。了解了更多关于通信的知识，对以后的学习和工作又了莫大的帮助。通过本次课程设计，加强了对通信系统原理的理解，学会查寻资料、方案比较，以及设计计算及仿真等环节，进一步提高了分析解决实际问题的能力。在学习通信原理理论后进行一次电子设计与制作，锻炼了分析、解决电子电路问题的实际本领。找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，学习内容提供实践依据。

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参考文献

[1] 张智江．3G 业务技术及应用[M]．人民邮电出版社，2007

[2] 诺基亚（中国）投资有限公司．透视3G 市场最终用户需求[J]．电子质量，2002，(05) [3] 上海贝尔阿尔卡特股份有限公司．聚焦3G 应用[J]．电信技术，2003，(11) [4] 陈致樑．中国传统移动运营商3G 发展策略研究[J]．当代通信，2004，(15) [5] 钱国良，蒋纯波．建设有竞争力的3G 网络[J]．移动通信，2003，(10) [6] 樊昌信，曹丽娜.通信原理.国防工业出版社.2006

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致谢

本次设计是在李老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

我还要感谢帮助过我的同学们，正是由于他们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本设计的顺利完成。

最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！

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