基于声波的2ASK通信系统实验设计

吾米提·尤努斯 汪烈军

摘 要 通信原理课程在电子信息工程专业作为专业基础课，占有很重要的地位。合理设计一些有趣的通信实验，不仅可以大大提高学生的学习兴趣，而且可以加深学生对基础通信知识的理解。在数字键控体制中，了解2ASK的调制与解调原理是关键。运用计算机，声卡、扬声器、麦克风等简单设备，设计基于声波的2ASK通信系统实验平台，并详细介绍实验设计方法和MATLAB仿真。该实验既可以满足教学要求，又可用于学生的简单的应用开发。

关键词 2ASK；通信原理课程；通信实验；MATLAB

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：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

电子信息工程专业的教学过程中，通信原理課程占有很重要的地位。因此，如何教好通信基础知识也就变得尤其重要。为了培养动手能力和应用能力强的电子信息专业优秀学生，设计合理而有趣的通信实验，不仅可以大大提高学生的学习兴趣，而且有助于学生生动地理解通信系统基础知识，进一步开阔他们的思维，提高动手能力和创新能力。

与模拟通信相比，数字通信有很多优点：由于数字信号的可能取值是可数的，也就是有限个，因此，产生的失真在允许范围内的时候，不影响接收端的最后判决；在数字通信系统中，可采用差错控制技术，从而提高整个系统的抗干扰能力；在数字通信系统中，可以采用数字加密技术，从而提高系统的保密度；在数字通信系统中，可以传输各种不同类型的消息，包括语音、文字、图形、图像等，而且便于存储和处理；数字通信设备和模拟通信设备相比，设计制造更加容易，体积小，重量轻；数字信号可通过信源编码进一步进行压缩，从而达到减小冗余度、提高信道利用率的目的。数字通信由于具有诸多优点，因此得到广泛应用[1]。

随着通信技术的发展，在广播、电视、电信等很多领域，模拟通信已经被数字通信所取代，数字通信设备随处可见。因此在通信原理课程中，数字通信教学是很关键的。

2ASK作为数字通信系统中最基本的键控方式，理解其调制解调原理是必须的。2ASK也是理解2PSK和2FSK等其他键控体制的基础。2ASK信号可以看作加上载波的2PSK信号，而2PSK信号可以看作抑制载波的2ASK信号。同样，2FSK信号也可以看成是两个不同载波频率的2ASK信号之和。因此，无论是分析2PSK或者是2FSK调制，都可以将信号分解成简单的2ASK信号进行分析和讨论[1-2]。由此决定设计合理的实验，进一步提高学生对整个2ASK通信系统结构的认识。

在无线信道中，通常用电磁波传输信号。从波的性质上看，电磁波和声波都是波，它们都具有反射、投射、衍射和绕射等性质。因此，为了方便，决定用声波代替电磁波。在无线通信中，通过发射天线发射电磁波信号，用接收天线接收从空间传播过来的电磁波信号。因为此系统用的是声波信号，扬声器可以替换发射天线达到发射信号的目的，而麦克风可以替换接收天线达到接收声波信号的目的。这样仿真更接近实际的通信系统。

在空气中，声波是一种纵波，这时媒质质点的振动方向与声波的传播方向一致。与之对应，将其点振动方向与声波传播方向相互垂直的波称为横波。在固体和液体中既可能存在纵波，也可能存在横波。媒质中的振动递次由声源向外传播。这种传播是需要时间的，即传播的速度是有限的。这种振动状态在媒质中的传播速度称为声速，记为c，单位为米/秒（m/s）。在空气中，c=331.45+0.61t（m/s）其中，t是空气的温度（℃）。可见，声速c随温度会有一些变化，但是一般情况下，这个变化不大，实际计算时常取c为340米/秒。

2 操作原理

通信系统的结构如图1所示。在发送端，计算机负责产生信源信号，并对其信号进行调制；扬声器替代发送天线，负责信号的发送。在接收端，麦克风负责声波信号的接收，并将信号送入计算机的声卡进行模数变换；计算机负责信号的采集、解调和分析等信号处理部分。

下面详细介绍信号的调制和解调。在二进制数字振幅调制中，载波的幅度随着调制信号的变化而变化，实现这种调制的方法有相乘法和开关法两种[1-2]。在此实验中采用相乘法。相乘法是通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号。这种直接利用二进制数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为相乘法，其电路如图2所示。在该电路中，载波信号和二进制数字信号同时输入相乘器中完成调制。

S2ASK（t）=A（t）cos（2πfct） （1）

式（1）表示已调2ASK信号。在式（1）中，A（t）代表基带信号；cos（2πfct）代表载波信号，是已调2ASK信号。已调2ASK信号通过计算机的声卡送入图1所示扬声器，扬声器用来将已调声波信号发射到空间。在接收端，图1所示麦克风负责接收声波已调2ASK信号，并将信号送入计算机的声卡进行模数变换。在接收端，信号解调采用图3所示相干解调。因为此实验中只采用单一频率的载波信号进行调制，不存在多路复用，所以接收端的带通滤波器可加也可不加。在接收端为了方便理解原理，考虑理想情况，发送信号和接收信号一样是S2ASK（t）。那么如图3所示，相乘电路的输出是S2ASK（t）和相干载波cos（2πfct）的乘积：

x（t）=S2ASK（t）cos（2πfct） （2）

式（2）中，x（t）表示相乘电路的输出。将式（1）中S2ASK（t）带入式（2）可得：

通过低通滤波器，可滤除高频分量，再放大2倍就可以获得基带信号A（t）。最后可通过抽样判决恢复信源信号。

实验设备如表1所示，声卡采用M-Audio 1010t，频率响应为22 Hz～40 kHz；麦克风采用Takstar E-340，灵敏度为-54 dB±3 dB，频率响应为80 Hz～15 kHz；扬声器采用Takstar E180M，频率响应是80 Hz～12 kHz，最大输出频率为12 W。

3 实验过程

美国MathWorks公司于1967年推出矩阵实验室Matrix Laboratory（缩写为MATLAB），这就是MATLAB最早的雏形。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。时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外，MATLAB已经经受多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具，成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题[3]。在此实验中利用MATLAB进行编程，可锻炼学生的编程计算能力。

下面详细介绍实验部分。在实际通信中，因发送端的信源信号带有不确定性，可以看作随机信号。因此，先利用计算机产生图4所示随机的二进制信号，然后对每一个二进制码进行展宽，使得每一个二进制码元具有图5所示的0.5秒的码元持续时间。这里取码元宽度为0.5秒，是为了观察波形的方便，更好地理解此实验的实验过程。当然这个间隔可以取的更小，再将相应参数改一下，可以达到更高的码元传输速率。然后将已展宽的二进制信号和图6所示的频率为1000 Hz的载波信号相乘，产生图7所示2ASK已调信号。

在一般的通信系统中，除了载波同步和位同步外，还需要更高层次的同步，统称为群同步。载波同步在此实验中较容易实现，因为发射端采用的载波频率是1000 Hz，因此在接收端也可使用同频同相的载波信号。群同步的功能是将接收的码元分组，以构成有意义的消息。此外，在有多个用户的通信网内，还有使网内各点之间保持同步的网同步问题。因为此实验中只有单一用户，所以不需要网同步。

因为信号在信道传播过程中会产生一定的时延，而这种时延几乎是随着通信距离随机变化的，所以在接收端为了准确找到信号的起始时刻，需要进行相应的时间同步。为了进行同步，可以在信号的前端插入相关性很好的chirp信号[4-5]。下面介绍chirp信号的产生方法和同步原理。

首先，利用计算机MATLAB编程环境，产生如下线性调频信号（chirp信号）：

p（t）=Asin（2πf0t+πkt2） （4）

选择线性调频波是因为它具有非常好的相关特性。式（4）中A是信号振幅，f0是最低频率，k是频率增加率，t是时间。

为了更好地理解，给出图8所示chirp信号的波形。从图8中可以看到，chirp信号的瞬时频率随着时间线性变化。可以选择1000～4000 Hz的频率变化区域，然后将此chirp信号插入2ASK信号的前端，这样发送端的信号产生部分就结束了。可以将已插入同步信号的已调2ASK信号描述为S（t）。将插入同步信号的已调2ASK信号通过声卡送入扬声器，此时可以从扬声器听到声波信号。下面介绍接收端的操作过程。

麦克风负责将接收信号送入计算机的声卡。声卡对接收的模拟信号进行模/数（A/D）变换之后存入计算机。然后对接收数据s′（t）和chirp信号p（t）求式（5）所示相关运算：

最终，通过计算机对接收信号和发射信号进行相关运算，可获得尖脉冲信号。图9给出chirp信号的自相关波形，可看到波形是个尖脉冲。从尖脉冲最大值出现的位置可以获得信号的延迟时间，从而从延迟时间可计算出信号的头部。然后从信号中除去同步信号长度的部分之后，留下的就是带有信息的信号部分。再将此部分和同步载波相乘，通过低通滤波器之后可以得到基带信号。最后的部分是判决部分，在此部分对接收到的采样数据进行归一化。然后，码元间隔内的所有采样数据求平均之后，如果大于门限0.5，则此码元间隔判决为1，否则判决为0。

图10给出解调后的信号波形。最终，通过比较图5所示发送端的基带信号和图10所示接收端的基帶信号，就可知道信号的传送是成功的。

4 结语

本文通过计算机、扬声器、麦克风等简单设备，利用相关计算方法，设计出易操作的2ASK声波通信实验。因设备简单、便宜，此实验的设计成本较低。详细介绍2ASK通信系统的调制和解调过程，并进一步介绍实验设计方法和同步过程。学生可以通过动手实验，理解2ASK通信原理。本文设计的2ASK声波通信系统，既可以满足教学要求，又可用于简单的工程研究，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]樊昌信.通信原理教程[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2]王兴亮.数字通信原理与技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[3]陈怀琛，吴大正，高西全.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4]承德宝.雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2008.

[5]姜义成.无线电定位原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.