四进制振幅键控数字调制仿真和分析

四进制振幅键控数字调制仿真和 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 四进制振幅键控数字调制仿真和分析 课 程 设 计 课程名称: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 1 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， sMASK(t)?s(t)cos?ct 2 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为)M进制数字基带信号 这里， s(t)? —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ g(t是高度为)式中， 1、宽度为的门函数; n????a?ng(t?nTb) 出现的概率分别为P0,P1,P2,P3,且P0+P1+P2+P3=1. 图n有4种取值 0,1,2,3， 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。 a 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 3 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); 4 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。 5 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。 6 5 详细设计 MATLAB语言 %M-ary M=4; %Amplitudegap >> d=1; %Duration >> 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 %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))); 7 >> 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。 8 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 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 9 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。 从图6 的仿真图形和表1 的测试波形都可以看出，4ASK 调制解调采用的设计是正确的，且解调信号相对基带信号有31 个全局时钟信号(clock)周期的延迟。 10 8参考文献 [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 11 心得体会 。。。。。。。。。。。。。。。。。。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 12 ——————————————————————————————————————