基于MATLABsimulink的2FSK系統(tǒng)的仿真課程設(shè)計報告

1、課程設(shè)計課程設(shè)計班班 級：級： 姓姓 名：名： 學(xué)學(xué) 號：號： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 成成 績：績： 原理原理數(shù)字?jǐn)?shù)字課程設(shè)計報告課程設(shè)計報告電子與信息工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院信息與通信工程系信息與通信工程系課程設(shè)計評分標(biāo)準(zhǔn)課程設(shè)計評分標(biāo)準(zhǔn)評分項目得分具有題目、摘要、目錄、正文、參考文獻（5 分）報告書寫及格式正文格式，圖、表、參考文獻引用等正確，排版美觀（5 分）報告中是否體現(xiàn)被仿真系統(tǒng)的原理以及原理框圖（5 分）基礎(chǔ)原理仿真目的，仿真方法，仿真結(jié)果的意義表述清楚（5 分）做出信源，調(diào)制信號，解調(diào)信號波形（10 分）m 文件仿真仿真參量豐富（如對頻譜，信噪比，誤碼率等的分析） ，仿真波形直

2、觀。 （10 分）是否實現(xiàn)設(shè)計功能，各個模塊的設(shè)計參數(shù)是否清晰（10 分）框圖直觀，有對不同參數(shù)條件下的仿真對比及結(jié)論（10 分）simulink 仿真仿真參量豐富（如對頻譜，信噪比，誤碼率等的分析） ，仿真波形直觀。 （10 分）是否存在抄襲（10 分）對所仿真系統(tǒng)原理的提問回答情況（10 分）答 辯對仿真過程提問的回答情況（10 分）總分基于 matlab/simulink 的 2fsk 系統(tǒng)的仿真一、摘要本文是基于 matlab 和 simulink 環(huán)境下對信號的調(diào)制與解調(diào)過程的仿真，通過仿真，對系統(tǒng)的誤碼率的分析，以及理論與仿真結(jié)果的比較，二、關(guān)鍵字：目錄1 背景知識背景知識.11.

3、1 通信簡介.11.2 仿真系統(tǒng)的簡介：.21.3 2fsk 的調(diào)制與解調(diào)的原理：.31.3.1 2fsk的產(chǎn)生.41.3.2 2fsk濾波器的解調(diào)及抗噪聲性能.61.3.3 由相關(guān)調(diào)制解調(diào)的原理圖.82 仿真系統(tǒng)模型的設(shè)計：仿真系統(tǒng)模型的設(shè)計：.92.1 仿真框圖.92.2 仿真目的和意義：.92.3 仿真思路.92.4 m 文件和仿真結(jié)果.92.5 simulink仿真模型圖：.152.6 結(jié)果分析：.202.6.1 matlab仿真結(jié)果分析.202.6.2.213 心得體會：心得體會：.214 參考文獻參考文獻.2101 背景知識背景知識1.1 通信簡介通信簡介通信就是克服距離上的障礙，

4、從一地向另一地傳遞和交換消息。消息是信息源所產(chǎn)生的，是信息的物理表現(xiàn)，例如，語音、文字、數(shù)據(jù)、圖形和圖像等都是消息。消息有模擬消息（如語音、圖像等）以及數(shù)字消息（如數(shù)據(jù)、文字等）之分。所有消息必須在轉(zhuǎn)換成電信號（通常簡稱為信號）后才能在通信系統(tǒng)中傳輸。所以，信號是傳輸消息的手段，信號是消息的物質(zhì)載體。相應(yīng)的信號可分為模擬信號和數(shù)字信號，模擬信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是連續(xù)的，如電話機、電視攝像機輸出的信號就是模擬信號。數(shù)字信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是離散的，如電船傳機、計算機等各種數(shù)字終端設(shè)備輸出的信號就是數(shù)字信號。通信的目的是傳遞消息，但對受信者有用的是消息中包含

5、的有效內(nèi)容，也即信息。消息是具體的、表面的，而信息是抽象的、本質(zhì)的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量來度量。通信技術(shù)，特別是數(shù)字通信技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速，它的應(yīng)用越來越廣泛。通信從本質(zhì)上來講就是實現(xiàn)信息傳遞功能的一門科學(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息無失真，高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。當(dāng)今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有儲存、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學(xué)技術(shù)的一個重要組成部分。通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和，包括信息源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備和信宿(受信者) ，它的一般模型如圖 1 所示。信息源發(fā)送設(shè)備信道接

6、收設(shè)備受信者 噪聲源圖 1 通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)可分為數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖 2 所示，1信數(shù)信信數(shù)信信源道字受道源字信息編編調(diào) 解譯譯信源碼碼調(diào)碼碼者制道器器器器器 器 噪聲源圖 2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖 3 所示。信息源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者 噪聲源圖 3 模擬通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)較模擬通信系統(tǒng)而言，具有抗干擾能力強、便于加密、易于實現(xiàn)集成化、便于與計算機連接等優(yōu)點。因而，數(shù)字通信更能適應(yīng)對通信技術(shù)的越來越高的要求。近二十年來，數(shù)字通信發(fā)展十分迅速，在整個通信領(lǐng)域中

7、所占比重日益增長，在大多數(shù)通信系統(tǒng)中已代替模擬通信，成為當(dāng)代通信系統(tǒng)的主流。在當(dāng)前飛速發(fā)展的信息時代，隨著數(shù)字通信技術(shù)計算機技術(shù)的發(fā)展，以及通信網(wǎng)絡(luò)與計算機網(wǎng)絡(luò)的相互融合，信息技術(shù)已成為 21 世紀(jì)社會國際化的強大動力。信息作為一種資源，只有通過廣泛的傳播與交流，才能差生利用價值，促進社會成員之間的合作，推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。而信息的傳播和交流，是依靠各種通信方式和技術(shù)來實現(xiàn)的。學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代通信理論和技術(shù)是信息社會每一位成員，尤其是未來通信工作著的迫切要求。1.2 仿真系統(tǒng)的簡介：仿真系統(tǒng)的簡介：matlab 是由 math works 公司于 1984 年推出的一種面向

8、科學(xué)與工程的計算軟件，通過matlab 和相關(guān)工具箱，工程師、科研人員、數(shù)學(xué)家和教育工作者可以在統(tǒng)一的平臺下完成相應(yīng)的科學(xué)計算工作。 matlab 本身包含了 600 余個用于數(shù)學(xué)計算、統(tǒng)計和工程處理的函數(shù)，這樣，就可以迅速完成科學(xué)計算任務(wù)而不必進行額外的開發(fā)。業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的工具箱算法極大的擴展了 matlab 的應(yīng)用領(lǐng)域，所以 matlab 自推出以來就受到廣泛的關(guān)注。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。由于它使用簡單，擴充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴充 matlab 的功能，使其成為了巨大的知識寶庫。目前的 ma

9、tlab 版本已經(jīng)可以方便的設(shè)計漂亮的界面，它可以像 vb 等語言一樣設(shè)計漂亮的用戶接口，同時因為有最豐富的函數(shù)庫（工具箱） ，所以計算的功能實現(xiàn)也很簡單，2進一步受到了科研工作者的歡迎。另外，,matlab 和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便的實現(xiàn)與其他語言的混合編程，進一步拓寬了 matlab 的應(yīng)用潛力。 ，matlab 的仿真對通信原理的學(xué)習(xí)有很大的幫助和促進作用，彌補了工科學(xué)習(xí)中實踐環(huán)節(jié)的短板。可以說，matlab 的仿真對通信原理的學(xué)習(xí)掌握這門工具對學(xué)習(xí)各門學(xué)科有非常重要的推進作用 matlab 特點: 一,數(shù)值計算功能,在 matlab 中，每個數(shù)值元素都視為復(fù)數(shù)，而且只有

10、雙精度（64 位）一種數(shù)據(jù)格式，省去多種的設(shè)置，雖然在運行速度和內(nèi)存消耗方面付出了代價，卻使matlab 的編程大大簡化。matlab 的數(shù)值計算基本功能包括：矩陣運算、多項式和有理分式計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及數(shù)值分析等。二,符號計算功能,在實際應(yīng)用中，除了數(shù)值計算外，還需要得到方程的解析解，簡化和展開多項式和函數(shù)表達，求解函數(shù)值等，所有這些均屬于符號計算的領(lǐng)域。三,便棧式的編程語言,與 fortran 和 c 等高級語言相比，matlab 的語法規(guī)則更簡單，更貼近人的思維方式和表達習(xí)慣，使得編寫程序就像在便棧上列寫公式和演算一樣。四,強大而簡易的作圖功能,能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定坐標(biāo)繪圖。五,高

11、智能化,繪圖時自動選擇最佳坐標(biāo)，大大方便了用戶自動檢測。matlab 語言由于其語法的簡潔性，代碼接近于自然數(shù)學(xué)描述方式，以及具有豐富的專業(yè)函數(shù)庫等諸多優(yōu)點，吸引了眾多科學(xué)研究工作者，越來越成為科學(xué)研究、數(shù)值計算、建模仿真，以及學(xué)術(shù)交流的事實標(biāo)準(zhǔn)。simulink 作為 matlab 語言上的一個可視化建模仿真平臺，起源于對自動控制系統(tǒng)的仿真需求，它采用方框圖建模的形式，更加貼近于工程習(xí)慣。simulink 是基于 matlab 的框圖設(shè)計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能夠用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進行建模，如航空航天動力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信

12、系統(tǒng)、船舶及汽車等，其中包括了連續(xù)、離散、條件執(zhí)行、事件驅(qū)動、單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。simulink 提供了利用鼠標(biāo)拖動的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且 simulink 還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用 simulink 幾乎可以做到不用寫一行代碼完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。 隨著 matlab/simulink 通信、信號處理專業(yè)函數(shù)庫和專業(yè)工具箱的成熟，它們逐漸為廣大通信技術(shù)領(lǐng)域的專家學(xué)者和工程師所熟悉，在通信理論研究、算法設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、建模仿真和性能分析驗證等方面的應(yīng)用也更加廣泛。simulink 可視化仿真工具能夠以非常直觀的方框圖方式形象地對通信系統(tǒng)進

13、行建模，并以“實時”和動畫的方式來將模型仿真結(jié)果（如波形、頻譜、數(shù)據(jù)曲線等）顯示出來，更便于對通信系統(tǒng)的物理概念和運行過程的直觀理解，所以近年來在通信工程專業(yè)中得到了廣大師生的重視和廣泛應(yīng)用，在理論教學(xué)、課程實踐環(huán)節(jié)以及理論和技術(shù)前沿的研究中發(fā)揮了重要作用。 目前，matlab/simulink 的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了數(shù)值計算和控制系統(tǒng)仿真等傳統(tǒng)領(lǐng)域，在幾乎所有理工學(xué)科中形成了為數(shù)眾多的專業(yè)工具庫和函數(shù)庫，已成為科學(xué)研究和工程設(shè)計中日常計算和仿真試驗的工具。1.3 2fsk 的調(diào)制與解調(diào)的原理：的調(diào)制與解調(diào)的原理： 二進制頻率調(diào)制是用二進制數(shù)字信號控制正弦波的頻率隨二進制數(shù)字信號的變化而變化。由

14、于二進制數(shù)字信息只有兩個不同的符號，所以調(diào)制后的已調(diào)信號有兩個不同的頻率 f1 和 f2，f1 對應(yīng)數(shù)字信息“1”，f2 對應(yīng)數(shù)字信息“0”。二進制數(shù)字信息及已調(diào)載波如圖 4 所示。3 圖 4 2fsk 信號1.3.1 2fsk 的產(chǎn)生的產(chǎn)生在 2fsk 信號中，當(dāng)載波頻率發(fā)生變化時，載波的相位一般來說是不連續(xù)的，這種信號稱為不連續(xù)2fsk 信號。相位不連續(xù)的 2fsk 通常用頻率選擇法產(chǎn)生，如圖 2-2 所示：圖 5 2fsk 信號調(diào)制器兩個獨立的振蕩器作為兩個頻率發(fā)生器，他們受控于輸入的二進制信號。二進制信號通過兩個與門電路，控制其中的一個載波通過。調(diào)制器各點波形如圖 5 所示：4 圖 6

15、 2fsk 調(diào)制器各點波形由圖 6 可知，波形 g 是波形 e 和 f 的疊加。所以，二進制頻率調(diào)制信號 2fsk 可以看成是兩個載波頻率分別為 f1 和 f2 的 2ask 信號的和。由于“1”、“0”統(tǒng)計獨立，因此，2fsk 信號功率譜密度等于這兩個 2ask 信號功率譜密度之和，即 （2-1）2fsk 信號的功率譜如圖 7 所示：圖 7、2fsk 信號的功率譜5由圖 7 看出，2fsk 信號的功率譜既有連續(xù)譜又有離散譜，離散譜位于兩個載波頻率 f1 和 f2 處，連續(xù)譜分布在 f1 和 f2 附近，若取功率譜第一個零點以內(nèi)的成分計算帶寬，顯然 2fsk 信號的帶寬為 （2-2）為了節(jié)約頻

16、帶，同時也能區(qū)分f1 和f2，通常取|f1-f2|=2fs，因此 2fsk 信號的帶寬為 （2-3）當(dāng)|f1-f2|=fs 時，圖 2-4 中 2fsk 的功率譜由雙峰變成單峰，此時帶寬為 （2-4）對于功率譜是單峰的 2fsk 信號，可采用動態(tài)濾波器來解調(diào)。此處介紹功率譜為雙峰的 2fsk 信號的解調(diào)。1.3.2 2fsk 濾波器的解調(diào)及抗噪聲性能濾波器的解調(diào)及抗噪聲性能2fsk 信號的解調(diào)也有相干解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)兩種。由于 2fsk 信號可看做是兩個 2ask 信號之和，所以2fsk 解調(diào)器由兩個并聯(lián)的 2ask 解調(diào)器組成。如圖 8 為 2fsk 的相干解調(diào)和非相干解調(diào)： 圖 8 2fsk

17、 信號調(diào)解器6相干 2fsk 抗噪聲性能的分析方法和相干 2ask 很相似?，F(xiàn)將收到的 2fsk 信號表示為 （2-5）當(dāng)發(fā)送數(shù)字信息為“1”時，2fsk 信號的載波頻率為f1，信號能通過上支路的帶通濾波器。上支路帶通濾波器的輸出是信號和窄帶噪聲ni1(t)的疊加(噪聲中的下標(biāo) 1 表示上支路窄帶高斯噪聲)，即 （2-6）此信號與同步載波 cos2f1t相乘，再經(jīng)低通濾波器濾除其中的高頻成分，送給取樣判決器的信號為 （2-7）上式中未計入系數(shù) 1/2。與此同時，頻率為f1 的 2fsk 信號不能通過下支路中的帶通濾波器，因為下支路中的帶通濾波器的中心頻率為f2，所以下支路帶通濾波器的輸出只有窄

18、帶高斯噪聲，即 （2-8）此噪聲與同步載波 cos2f2t 相乘，再經(jīng)低通濾波器濾波后輸出為 （2-9）上式中未計入系數(shù) 1/2。定義 （2-10）取樣判決器對x(t)取樣，取樣值為 （2-11）其中，ni1、 ni2 都是均值為 0、方差為的高斯隨機變量，所以x是均值為a、方差為的高斯隨機變量，x的概率密度函數(shù)為 （2-12）概率密度曲線如圖 9 所示：7圖 9、 判決值的函數(shù)示意圖判決器對x進行判決，當(dāng) x0 時，判發(fā)送信息為“1”，此判決是正確的； 當(dāng)x0 時，判決發(fā)送信息為“0”，顯然此判決是錯誤的。由此可見，x=st2(i)時，則 st=0，否則st=st2(i).其中 st=st1

19、+st2。使用 matlab 編程（m 文件）完成系統(tǒng)的仿真2.4 m 文件和仿真結(jié)果文件和仿真結(jié)果m 文件如下：91011仿真圖像如下：1213142.5 simulink 仿真模型圖：仿真模型圖：2fsk 信號產(chǎn)生的 simulink 仿真模型圖如下所示：其中 sin wave 和 sin wave1 是兩個頻率分別為 f1 和 f2 的載波，pulse generator 模塊是信號源，not 實現(xiàn)方波的反相，最后經(jīng)過相乘器和相加器生成 2fsk 信號，15參數(shù)設(shè)置載波 f1 的參數(shù)設(shè)置：其中幅度為 2，f1=1hz,采樣時間為 0.002s 在此選擇載波為單精度信號f2 的參數(shù)設(shè)置16

20、載波是幅度為 2，f2=2,采樣時間.為 0.002 的單精度信號。信號源參數(shù)設(shè)置：本來信號源 s(t)序列是用隨機的 0 1 信號產(chǎn)生，在此為了方便仿真就選擇了基于采樣的 pulse generator信號模塊其參數(shù)設(shè)置如下：17其中方波是幅度為 1，周期為 3，占 1 比為 1/3 的基于采樣的信號。其中 from file 是一個封裝模塊，就是 2fsk 信號的調(diào)制模塊，兩個帶通濾波器分別將2fsk 信號上下分頻 f1 和 f2 ,后面就和 2ask 信號的解調(diào)過程相同，各參數(shù)設(shè)置如下： 18經(jīng)過以上參數(shù)的設(shè)置后就可以進行系統(tǒng)的仿真，其各點的時間波形如下：19由仿真系統(tǒng)中的誤碼率計算可知

21、，此系統(tǒng)的誤碼率為 0.63642.6 結(jié)果分析：結(jié)果分析：2.6.1 matlab 仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析 2fsk信號的調(diào)制解調(diào)原理是通過帶通濾波器將2fsk信號分解為上下兩路2fsk信號后分別解調(diào)，然后進行抽樣判決輸出信號。本實驗對信號2fsk采用相干解調(diào)進行解調(diào)。對于2fsk系統(tǒng)的抗噪聲性能，本實驗采用同步檢測法。設(shè)“1”符號對應(yīng)載波頻率f1， “0”符號對應(yīng)載波頻率f2。在原理圖中采用兩個帶通濾波器來區(qū)分中心頻率分別為f1和f2的信號。中心頻率為f1的帶通濾波器之允許中心頻率為f1的信號頻譜成分通過，濾除中心頻率為f2的信號頻譜成分。 接收端上下支路兩個帶通濾波器的輸出波形中h1,

22、h2。在h1,h2波形中在分別含有噪聲n1,n2，其分別為高斯白噪聲ni經(jīng)過上下兩個帶通濾波器的輸出噪聲窄帶高斯噪聲，其均值同為0，方差同為(n)2,只是中心頻率不同而已。 其抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小，可以不專門設(shè)置門限。判決規(guī)制應(yīng)與調(diào)制規(guī)制相呼應(yīng)，調(diào)制時若規(guī)定“1”符號對應(yīng)載波頻率f1，則接收時上支路的抽樣較大，應(yīng)判為“1” ，反之則判為“0” 。 在（0，ts）時間內(nèi)發(fā)送“1”符號（對應(yīng)1） ，則上下支路兩個帶通濾波器輸出波形h1,h2。h1,h2分別經(jīng)過相干解調(diào)（相乘低通）后，送入抽樣判決器進行判決。比較的兩路輸入波形分別為上支路st1=a+n1,下支路st2=n2，其中a

23、為信號成分；n1和n2均為低通型高斯噪聲，其均值為零，方差為（n）2。當(dāng)st1的抽樣值st1(i)小于st2的抽樣值st2(i),判決器輸出“0”符號，造成將“1”判為“0”的錯誤。202.6.2 3 心得體會：心得體會： 課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。下面我對整個課程設(shè)計過程做一下簡單的總結(jié)。第一，查資料室做課程設(shè)計的前期準(zhǔn)備工作，好的開端就相當(dāng)于成功了一半，到圖書館或上網(wǎng)找相關(guān)資料雖說是比較原始的方式，但也有可取之處。不管通過哪種方式查的資料都是有利用價值的，要一一記錄下來以備后用。第二，通過上面的過程，已經(jīng)積累了不少資料，對所給的課程也大概有了一些了解，這一步就在這樣的基礎(chǔ)上，綜合已有的資料來更透徹的分析題目。第三，有了研究方向，就該動手實現(xiàn)了。其實以前的兩步都是為這一步作的鋪墊。本次課程設(shè)計主要涉及到了通信原理和 matlb 的相關(guān)知識與運用，主要有基帶信號的調(diào)制原理及方法、低通和帶通濾波器等等，加深了對上述相關(guān)知識的了解，使自己更深