基于聲波的2ASK通信系統(tǒng)實驗設(shè)計

吾米提·尤努斯 汪烈軍

摘 要 通信原理課程在電子信息工程專業(yè)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，占有很重要的地位。合理設(shè)計一些有趣的通信實驗，不僅可以大大提高學(xué)生的學(xué)習興趣，而且可以加深學(xué)生對基礎(chǔ)通信知識的理解。在數(shù)字鍵控體制中，了解2ASK的調(diào)制與解調(diào)原理是關(guān)鍵。運用計算機，聲卡、揚聲器、麥克風等簡單設(shè)備，設(shè)計基于聲波的2ASK通信系統(tǒng)實驗平臺，并詳細介紹實驗設(shè)計方法和MATLAB仿真。該實驗既可以滿足教學(xué)要求，又可用于學(xué)生的簡單的應(yīng)用開發(fā)。

關(guān)鍵詞 2ASK；通信原理課程；通信實驗；MATLAB

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）04-0026-04

Abstract In electronic information engineering specialty， communi-cation principle as a professional basic course occupies very impor-tant position. Reasonable design of some interesting communication experiments， not only can greatly improve the students interest in learning， but also deepen students understanding of basic commu-nication knowledge. In digital communication systems， the under-standing of the principle of 2ASK modulation and demodulation is the key. In this paper， acoustic 2ASK communication system is de-signed through the computer， sound card， peakers， microphones and other simple equipment. Also， the design of the experimental method and MATLAB simulation are introduced. The experiment not only can satisfy the requirement of teaching， but also can be used in sim-ple exploit.

Key words 2ASK； communication theory course； communication experiment； MATLAB

1 前言

電子信息工程專業(yè)的教學(xué)過程中，通信原理課程占有很重要的地位。因此，如何教好通信基礎(chǔ)知識也就變得尤其重要。為了培養(yǎng)動手能力和應(yīng)用能力強的電子信息專業(yè)優(yōu)秀學(xué)生，設(shè)計合理而有趣的通信實驗，不僅可以大大提高學(xué)生的學(xué)習興趣，而且有助于學(xué)生生動地理解通信系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，進一步開闊他們的思維，提高動手能力和創(chuàng)新能力。

與模擬通信相比，數(shù)字通信有很多優(yōu)點：由于數(shù)字信號的可能取值是可數(shù)的，也就是有限個，因此，產(chǎn)生的失真在允許范圍內(nèi)的時候，不影響接收端的最后判決；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，可采用差錯控制技術(shù)，從而提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，可以采用數(shù)字加密技術(shù)，從而提高系統(tǒng)的保密度；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，可以傳輸各種不同類型的消息，包括語音、文字、圖形、圖像等，而且便于存儲和處理；數(shù)字通信設(shè)備和模擬通信設(shè)備相比，設(shè)計制造更加容易，體積小，重量輕；數(shù)字信號可通過信源編碼進一步進行壓縮，從而達到減小冗余度、提高信道利用率的目的。數(shù)字通信由于具有諸多優(yōu)點，因此得到廣泛應(yīng)用[1]。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在廣播、電視、電信等很多領(lǐng)域，模擬通信已經(jīng)被數(shù)字通信所取代，數(shù)字通信設(shè)備隨處可見。因此在通信原理課程中，數(shù)字通信教學(xué)是很關(guān)鍵的。

2ASK作為數(shù)字通信系統(tǒng)中最基本的鍵控方式，理解其調(diào)制解調(diào)原理是必須的。2ASK也是理解2PSK和2FSK等其他鍵控體制的基礎(chǔ)。2ASK信號可以看作加上載波的2PSK信號，而2PSK信號可以看作抑制載波的2ASK信號。同樣，2FSK信號也可以看成是兩個不同載波頻率的2ASK信號之和。因此，無論是分析2PSK或者是2FSK調(diào)制，都可以將信號分解成簡單的2ASK信號進行分析和討論[1-2]。由此決定設(shè)計合理的實驗，進一步提高學(xué)生對整個2ASK通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認識。

在無線信道中，通常用電磁波傳輸信號。從波的性質(zhì)上看，電磁波和聲波都是波，它們都具有反射、投射、衍射和繞射等性質(zhì)。因此，為了方便，決定用聲波代替電磁波。在無線通信中，通過發(fā)射天線發(fā)射電磁波信號，用接收天線接收從空間傳播過來的電磁波信號。因為此系統(tǒng)用的是聲波信號，揚聲器可以替換發(fā)射天線達到發(fā)射信號的目的，而麥克風可以替換接收天線達到接收聲波信號的目的。這樣仿真更接近實際的通信系統(tǒng)。

在空氣中，聲波是一種縱波，這時媒質(zhì)質(zhì)點的振動方向與聲波的傳播方向一致。與之對應(yīng)，將其點振動方向與聲波傳播方向相互垂直的波稱為橫波。在固體和液體中既可能存在縱波，也可能存在橫波。媒質(zhì)中的振動遞次由聲源向外傳播。這種傳播是需要時間的，即傳播的速度是有限的。這種振動狀態(tài)在媒質(zhì)中的傳播速度稱為聲速，記為c，單位為米/秒（m/s）。在空氣中，c=331.45+0.61t（m/s）其中，t是空氣的溫度（℃）?？梢姡曀賑隨溫度會有一些變化，但是一般情況下，這個變化不大，實際計算時常取c為340米/秒。

2 操作原理

通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在發(fā)送端，計算機負責產(chǎn)生信源信號，并對其信號進行調(diào)制；揚聲器替代發(fā)送天線，負責信號的發(fā)送。在接收端，麥克風負責聲波信號的接收，并將信號送入計算機的聲卡進行模數(shù)變換；計算機負責信號的采集、解調(diào)和分析等信號處理部分。

下面詳細介紹信號的調(diào)制和解調(diào)。在二進制數(shù)字振幅調(diào)制中，載波的幅度隨著調(diào)制信號的變化而變化，實現(xiàn)這種調(diào)制的方法有相乘法和開關(guān)法兩種[1-2]。在此實驗中采用相乘法。相乘法是通過相乘器直接將載波和數(shù)字信號相乘得到輸出信號。這種直接利用二進制數(shù)字信號的振幅來調(diào)制正弦載波的方式稱為相乘法，其電路如圖2所示。在該電路中，載波信號和二進制數(shù)字信號同時輸入相乘器中完成調(diào)制。

S2ASK（t）=A（t）cos（2πfct） （1）

式（1）表示已調(diào)2ASK信號。在式（1）中，A（t）代表基帶信號；cos（2πfct）代表載波信號，是已調(diào)2ASK信號。已調(diào)2ASK信號通過計算機的聲卡送入圖1所示揚聲器，揚聲器用來將已調(diào)聲波信號發(fā)射到空間。在接收端，圖1所示麥克風負責接收聲波已調(diào)2ASK信號，并將信號送入計算機的聲卡進行模數(shù)變換。在接收端，信號解調(diào)采用圖3所示相干解調(diào)。因為此實驗中只采用單一頻率的載波信號進行調(diào)制，不存在多路復(fù)用，所以接收端的帶通濾波器可加也可不加。在接收端為了方便理解原理，考慮理想情況，發(fā)送信號和接收信號一樣是S2ASK（t）。那么如圖3所示，相乘電路的輸出是S2ASK（t）和相干載波cos（2πfct）的乘積：

x（t）=S2ASK（t）cos（2πfct） （2）

式（2）中，x（t）表示相乘電路的輸出。將式（1）中S2ASK（t）帶入式（2）可得：

通過低通濾波器，可濾除高頻分量，再放大2倍就可以獲得基帶信號A（t）。最后可通過抽樣判決恢復(fù)信源信號。

實驗設(shè)備如表1所示，聲卡采用M-Audio 1010t，頻率響應(yīng)為22 Hz～40 kHz；麥克風采用Takstar E-340，靈敏度為-54 dB±3 dB，頻率響應(yīng)為80 Hz～15 kHz；揚聲器采用Takstar E180M，頻率響應(yīng)是80 Hz～12 kHz，最大輸出頻率為12 W。

3 實驗過程

美國MathWorks公司于1967年推出矩陣實驗室Matrix Laboratory（縮寫為MATLAB），這就是MATLAB最早的雛形。MATLAB是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。時至今日，經(jīng)過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺的功能強勁的大型軟件。在國外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具，成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問題[3]。在此實驗中利用MATLAB進行編程，可鍛煉學(xué)生的編程計算能力。

下面詳細介紹實驗部分。在實際通信中，因發(fā)送端的信源信號帶有不確定性，可以看作隨機信號。因此，先利用計算機產(chǎn)生圖4所示隨機的二進制信號，然后對每一個二進制碼進行展寬，使得每一個二進制碼元具有圖5所示的0.5秒的碼元持續(xù)時間。這里取碼元寬度為0.5秒，是為了觀察波形的方便，更好地理解此實驗的實驗過程。當然這個間隔可以取的更小，再將相應(yīng)參數(shù)改一下，可以達到更高的碼元傳輸速率。然后將已展寬的二進制信號和圖6所示的頻率為1000 Hz的載波信號相乘，產(chǎn)生圖7所示2ASK已調(diào)信號。

在一般的通信系統(tǒng)中，除了載波同步和位同步外，還需要更高層次的同步，統(tǒng)稱為群同步。載波同步在此實驗中較容易實現(xiàn)，因為發(fā)射端采用的載波頻率是1000 Hz，因此在接收端也可使用同頻同相的載波信號。群同步的功能是將接收的碼元分組，以構(gòu)成有意義的消息。此外，在有多個用戶的通信網(wǎng)內(nèi)，還有使網(wǎng)內(nèi)各點之間保持同步的網(wǎng)同步問題。因為此實驗中只有單一用戶，所以不需要網(wǎng)同步。

因為信號在信道傳播過程中會產(chǎn)生一定的時延，而這種時延幾乎是隨著通信距離隨機變化的，所以在接收端為了準確找到信號的起始時刻，需要進行相應(yīng)的時間同步。為了進行同步，可以在信號的前端插入相關(guān)性很好的chirp信號[4-5]。下面介紹chirp信號的產(chǎn)生方法和同步原理。

首先，利用計算機MATLAB編程環(huán)境，產(chǎn)生如下線性調(diào)頻信號（chirp信號）：

p（t）=Asin（2πf0t+πkt2） （4）

選擇線性調(diào)頻波是因為它具有非常好的相關(guān)特性。式（4）中A是信號振幅，f0是最低頻率，k是頻率增加率，t是時間。

為了更好地理解，給出圖8所示chirp信號的波形。從圖8中可以看到，chirp信號的瞬時頻率隨著時間線性變化。可以選擇1000～4000 Hz的頻率變化區(qū)域，然后將此chirp信號插入2ASK信號的前端，這樣發(fā)送端的信號產(chǎn)生部分就結(jié)束了。可以將已插入同步信號的已調(diào)2ASK信號描述為S（t）。將插入同步信號的已調(diào)2ASK信號通過聲卡送入揚聲器，此時可以從揚聲器聽到聲波信號。下面介紹接收端的操作過程。

麥克風負責將接收信號送入計算機的聲卡。聲卡對接收的模擬信號進行模/數(shù)（A/D）變換之后存入計算機。然后對接收數(shù)據(jù)s′（t）和chirp信號p（t）求式（5）所示相關(guān)運算：

最終，通過計算機對接收信號和發(fā)射信號進行相關(guān)運算，可獲得尖脈沖信號。圖9給出chirp信號的自相關(guān)波形，可看到波形是個尖脈沖。從尖脈沖最大值出現(xiàn)的位置可以獲得信號的延遲時間，從而從延遲時間可計算出信號的頭部。然后從信號中除去同步信號長度的部分之后，留下的就是帶有信息的信號部分。再將此部分和同步載波相乘，通過低通濾波器之后可以得到基帶信號。最后的部分是判決部分，在此部分對接收到的采樣數(shù)據(jù)進行歸一化。然后，碼元間隔內(nèi)的所有采樣數(shù)據(jù)求平均之后，如果大于門限0.5，則此碼元間隔判決為1，否則判決為0。

圖10給出解調(diào)后的信號波形。最終，通過比較圖5所示發(fā)送端的基帶信號和圖10所示接收端的基帶信號，就可知道信號的傳送是成功的。

4 結(jié)語

本文通過計算機、揚聲器、麥克風等簡單設(shè)備，利用相關(guān)計算方法，設(shè)計出易操作的2ASK聲波通信實驗。因設(shè)備簡單、便宜，此實驗的設(shè)計成本較低。詳細介紹2ASK通信系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程，并進一步介紹實驗設(shè)計方法和同步過程。學(xué)生可以通過動手實驗，理解2ASK通信原理。本文設(shè)計的2ASK聲波通信系統(tǒng)，既可以滿足教學(xué)要求，又可用于簡單的工程研究，具有一定的實用價值。

參考文獻

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