4ASK载波调制信号的调制解调与性能分析解析
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专业班级：通信⼯程四班
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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
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。
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
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。
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。
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
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。
（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。
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
)()(b n n
nT t g a
t s -=
∑∞
-∞
= (4.1)
)(t s 这⾥为进制数字基带信号式中，)(t g 是⾼度为1、宽度为的门函数；n a 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。
图4-1 字基带信号和已调信号
4.2 4ASK 调制解调原理
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。 t nT t g A t U S n n MASK 0cos ]([)(ω-=∑∞
-
∞= (4.2)
其中A n 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
进程间通信信号制信号，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u 0（t ）、u 1（t ）、u 2（t ）、u 3（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。
图4-4 包络检波法⽰意图
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
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：