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MATLAB 2022a

1、算法描述

窄带通信系统是指带宽较小、频谱利用效率较低的通信系统。与宽带通信系统相比，窄带系统的特点是信号的带宽相对较窄，因此需要更精确的调制技术来实现有效的通信。在窄带通信中，常见的调制方式包括幅度调制、相位调制等。4ASK（四阶幅度键控）是一种常用的调制方式，它将信息编码到不同幅度的载波上，通过不同幅度的信号传输信息，具有较好的抗噪声性能和较高的频谱效率。

本文将详细描述4ASK窄带通信系统的工作原理、系统组成以及信号处理流程。

一、4ASK调制概述

4ASK调制是一种幅度键控调制技术，在这种调制方式下，信息通过四个不同幅度的信号进行编码。具体来说，4ASK将每两个比特编码成四种不同的符号，符号的幅度分别为0、1、2和3，对应的二进制比特序列为00、01、10和11。

4ASK调制的核心思想是在每个符号时隙内选择一个特定的幅度值来表示不同的二进制比特序列。4ASK的优点在于相对于更高阶的调制方式（如16QAM），它具有较低的解调复杂度，尤其适用于信号质量较差的环境。其缺点则是频谱效率相对较低，每个符号携带的比特数较少。

二、4ASK窄带通信系统结构

一个完整的4ASK窄带通信系统通常包括发送端、信道和接收端。系统的各个部分通过串行通信链路连接，共同完成信号的生成、传输和恢复。

1. 发送端（TX）

发送端的主要任务是将输入的比特流经过调制，转换为可通过信道传输的信号。4ASK调制的过程主要包括以下几个步骤：

1. 比特生成与分组： 发送端首先生成随机的比特流，这些比特流通常是二进制随机数。为了进行调制，比特流需要被分组，每一组包含两个比特。每组比特通过映射到不同的符号（幅度）上，形成对应的调制符号。

2. 符号映射： 在4ASK调制中，两个比特组成一个符号，并映射到四个可能的幅度上。具体来说，两个比特值（00、01、10、11）分别对应幅度值0、1、2、3。这样，每个符号的幅度就决定了它代表的比特对。

3. I/Q信号生成： 为了在无线信道中传输，调制后的数据需要通过调制到载波上，形成I路（同相分量）和Q路（正交分量）信号。I/Q信号是通过在时域上生成正弦和余弦波形来实现的，通常选择频率较低的载波（例如1/20的载波频率）。通过将调制符号与I/Q载波相乘，生成调制后的传输信号。

4. 信号发射： 最终，生成的调制信号（包括I/Q信号）通过发射机发送出去。这个信号包含了调制后的信息，可以通过空中传输到接收端。

2. 信道模型

信道是指信号从发送端传输到接收端的媒介。在实际的通信系统中，信道通常受到噪声和衰减的影响。为了简化模型，通常假设信道为加性高斯白噪声（AWGN）信道。在AWGN信道中，传输的信号会受到高斯白噪声的干扰，这会导致接收信号的质量下降，进而影响解调过程中的错误率。

在窄带通信系统中，由于带宽限制，信号的传输路径相对较短，信号的衰减较小。因此，AWGN信道模型适用于描述这些系统中的噪声影响。

3. 接收端（RX）

接收端的任务是接收来自信道的信号，并通过解调过程恢复出原始的比特流。4ASK解调过程主要包括以下几个步骤：

1. 信号接收与噪声干扰： 接收端首先接收到通过信道传输的信号。在AWGN信道中，接收到的信号将受到噪声的干扰，这可能导致信号的幅度发生变化，从而影响解调的准确性。接收信号通常会进行归一化处理，以确保其幅度在一定范围内，便于后续的解调。

2. 幅度判决与符号判定： 解调过程的核心在于根据接收到的信号幅度进行符号判决。由于在4ASK中每个符号对应一个特定的幅度，接收端根据接收到的信号幅度来判定它属于哪一个符号。具体来说，接收信号的幅度会与预设的阈值进行比较，根据幅度值选择最接近的符号，并恢复对应的比特对。

3. 符号到比特的映射： 在完成符号判决后，接收端将符号映射回原始的二进制比特。例如，幅度为0的符号映射到比特对00，幅度为1的符号映射到比特对01，幅度为2的符号映射到比特对10，幅度为3的符号映射到比特对11。

4. 误码率计算： 经过解调后，接收端会计算误码率（BER）来评估系统的性能。误码率是指接收端恢复出的比特流与发送端原始比特流之间的差异。误码率是衡量通信系统性能的一个重要指标，通常随着信噪比（SNR）的增加而降低。

三、系统性能分析

在4ASK窄带通信系统中，误码率（BER）是衡量系统性能的一个关键指标。BER受到多个因素的影响，其中最主要的因素是信噪比（SNR）。信噪比是信号功率与噪声功率的比值，SNR越高，信号质量越好，误码率通常越低。

1. 信噪比与误码率关系

对于4ASK调制系统，随着SNR的增大，系统的误码率通常呈指数下降的趋势。在低SNR情况下，噪声对信号的影响较大，导致接收信号的幅度发生较大偏移，从而增加了判决错误的概率；而在高SNR情况下，噪声对信号的影响较小，接收信号的幅度接近于理想值，误码率较低。

具体来说，4ASK调制的误码率可以通过以下公式近似表示：

该公式表明，在高SNR情况下，误码率呈指数下降。

2. 系统性能优化

为了提高系统的性能，可以采取多种优化方法，例如：

• 增大发送功率：提高发送信号的功率可以有效提高信噪比，从而降低误码率。

• 信号处理技术：如信道均衡、前向纠错（FEC）等，可以有效降低噪声对系统的影响。

• 抗干扰技术：通过提高系统的抗干扰能力，如使用更强的抗噪声编码方法，可以进一步提升系统在恶劣环境下的性能。

四、总结

4ASK窄带通信系统是一种通过幅度键控（ASK）调制方式实现信息传输的通信系统。在发送端，数据通过映射到不同的幅度符号进行调制，经过I/Q调制后通过信道传输；在接收端，通过对接收信号的幅度判决来恢复原始数据流。系统性能主要受信噪比（SNR）的影响，在低SNR时误码率较高，随着SNR的提高，误码率逐渐降低。通过合理的信号处理和优化手段，可以提高系统的性能，降低误码率，达到更高的通信质量。

2、仿真结果演示

3、关键代码展示

略

4、MATLAB 源码获取

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