基于MATLAB2FSK調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì),小龍

1、課程設(shè)計(jì)(論文)題 目 名 稱(chēng) 2FSK調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 課 程 名 稱(chēng) 專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 劉齋 學(xué) 號(hào) 1141303084 系 、專(zhuān) 業(yè) 信息工程系通信工程 指 導(dǎo) 教 師 何海浪 2014 年 11 月10日摘 要2FSK是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式.本文主要簡(jiǎn)述了2FSK的設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)結(jié)果及分析.設(shè)計(jì)原理包括了2FSK的介紹,調(diào)制原理和解調(diào)原理;設(shè)計(jì)步驟包括了2FSK信號(hào)的產(chǎn)生,調(diào)制和解調(diào);設(shè)計(jì)結(jié)果及分析則包括了2FSK信號(hào)產(chǎn)生,調(diào)制和解調(diào)每一步的結(jié)果分析和用matlab實(shí)現(xiàn)上述的結(jié)果.2FSK在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。所謂FSK就是用數(shù)字

2、信號(hào)去調(diào)制載波的頻率。關(guān)鍵字:2FSK；載波；調(diào)制解調(diào)目 錄第1章 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求11.1 2FSK簡(jiǎn)介11.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)11.3 課程設(shè)計(jì)的要求1第2章 課程設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)22.1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本模型22.2 2FSK調(diào)制解調(diào)基本原理2第3章 2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)43.1 方案提出43.2 方案比較5第4章 2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)64.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)64.2 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇74.3系統(tǒng)整體電路圖7第5 章 2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真和調(diào)試85.1 仿真軟件介紹85.2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)95.3 系統(tǒng)測(cè)試105.4 數(shù)據(jù)分析11第6章 總結(jié)13致

3、 謝14參考文獻(xiàn)15附錄 源程序16第1章 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.1 2FSK簡(jiǎn)介數(shù)字信號(hào)的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸。然而，實(shí)際中的大多數(shù)信道因具有帶通特性而不能直接傳送基帶信號(hào)。為了使數(shù)字信號(hào)在帶通系統(tǒng)中傳輸，必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波，把數(shù)字基帶信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為數(shù)字調(diào)制。在接收端，通過(guò)解調(diào)器把帶通信號(hào)還原為數(shù)字基帶信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為數(shù)字解調(diào)。數(shù)字調(diào)制的基本方式有三種：振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）。本文介紹的就是二進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控系統(tǒng)（2FSK）。移頻鍵控（FSK）是數(shù)據(jù)通信中最常

4、用的一種調(diào)制方式。FSK方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并且解調(diào)不需要恢復(fù)本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性能較強(qiáng)。缺點(diǎn)是占用頻帶較寬，頻帶利用不夠經(jīng)濟(jì)。FSK主要應(yīng)用于低中速數(shù)據(jù)傳輸，以及衰落信道和頻帶較寬的信道中。1.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)1.學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)建立通信系統(tǒng)仿真模型的基本方法及基本技能，學(xué)會(huì)利用仿真的手段對(duì)于實(shí)用通信系統(tǒng)的基本理論、基本算法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。2.通過(guò)系統(tǒng)仿真加深對(duì)通信課程理論的理解。3.用MATLAB7.0 設(shè)計(jì)一種2FSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。1.3 課程設(shè)計(jì)的要求用MATLAB7.0進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，本次是設(shè)計(jì)一個(gè)2FSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。其中包括:（1）設(shè)計(jì)方案分析及系統(tǒng)原理圖

5、。（2）2FSK已調(diào)信號(hào)的解調(diào)方法及原理圖。第2章 課程設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)2.1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本模型從消息傳輸角度看,該系統(tǒng)包括了兩個(gè)重要交換,即消息與數(shù)字基帶信號(hào)之間的交換,數(shù)字基帶信號(hào)與信道信號(hào)之間的交換.通常前一種交換由發(fā)收端設(shè)備完成.而后一種交換則由調(diào)制和解調(diào)完成。信息源編碼器信息源 信道 解調(diào)器 解碼器受信者噪聲源圖2.1.1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型2.2 2FSK調(diào)制解調(diào)基本原理在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化,則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)(2FSK信號(hào)).二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形如圖2.1.1所示,圖中波形g可分解為波形e和波形f,即二進(jìn)制

6、移頻鍵控信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的疊加。若二進(jìn)制基帶信號(hào)的1符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率f1，0符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率f2,則二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 （1-1） 式中 （1-2） （1- 3）圖2.2.1 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形由圖 2.2.1可看出,bn是an的反碼,即若an=1,則bn=0, 若an=0,則bn=1,于是bn=，n和分別代表第n個(gè)信號(hào)碼元的初始相位.在二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)中,和n不攜帶信息,通?？闪詈蚽為零。因此,二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可簡(jiǎn)化 （1-4）二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)生,可以采用模擬調(diào)頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以采用數(shù)字鍵控的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。17第

7、3章 2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1 方案提出3.1.1 2FSK數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制方法(1)數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào),2FSK調(diào)制就是使用兩個(gè)不同的頻率的載波信號(hào)來(lái)傳輸一個(gè)二進(jìn)制信息序列。可以用二進(jìn)制“1”來(lái)對(duì)應(yīng)于載頻f1，而“0”用來(lái)對(duì)應(yīng)于另一相載頻w2的已調(diào)波形，而這個(gè)可以用受矩形脈沖序列控制的開(kāi)關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立的頻率源w1、f2進(jìn)行選擇通。如下原理圖：振蕩器2振蕩器1選通開(kāi)關(guān)相加器反相器選通開(kāi)關(guān)基帶信號(hào)圖3.1.1 數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)(2) 模擬法，即用數(shù)字基帶信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻，如下原理圖：調(diào)頻器2FSK信號(hào)圖3.1.2 模擬法調(diào)制3.1.2 2FS

8、K數(shù)字系統(tǒng)的解調(diào)方法2FSK的解調(diào)方式有兩種:相干解調(diào)方式和非相干解調(diào)方式.下面我們將詳細(xì)的介紹（1）非相干解調(diào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號(hào)通過(guò)兩個(gè)頻率不同的帶通濾波器f1、f2濾出不需要的信號(hào)，然后再將這兩種經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)分別通過(guò)包絡(luò)檢波器檢波，最后將兩種信號(hào)同時(shí)輸入到抽樣判決器同時(shí)外加抽樣脈沖，最后解調(diào)出來(lái)的信號(hào)就是調(diào)制前的輸入信號(hào)。其原理圖如下圖所示：帶通濾波器抽樣脈沖包絡(luò)檢波器帶通濾波器包絡(luò)檢波器抽樣判決器輸入輸出F1F2圖3.1.3 非相干解調(diào)（2）相干解調(diào)根據(jù)已調(diào)信號(hào)由兩個(gè)載波f1、f2調(diào)制而成，則先用兩個(gè)分別對(duì)f1、f2帶通的濾波器對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行濾波，然后再分別將濾波后的信號(hào)與相

9、應(yīng)的載波f1、f2相乘進(jìn)行相干解調(diào)，再分別低通濾波、用抽樣信號(hào)進(jìn)行抽樣判決器即可。原理圖如下：LPF相乘器LPFLPF相乘器LPF抽樣判決抽樣脈沖輸入輸出帶通濾波器F1圖3.1.4 相干解調(diào)3.2 方案比較3.2.1 2FSK的調(diào)制方式使用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)，即由電子開(kāi)關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成，這樣的相鄰碼元之間相位不一定連續(xù)，本系統(tǒng)采用調(diào)頻法。3.2.2 2FSK的解調(diào)方式相干解調(diào)對(duì)接受設(shè)備的復(fù)雜程度比非相干解調(diào)較高，相干解調(diào)在大多數(shù)情況下解調(diào)結(jié)果要好，本系統(tǒng)采用相干解調(diào)。第4章 2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)調(diào)制模塊：把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電話(huà)線(xiàn)上傳輸?shù)哪?/p>

10、擬信號(hào)圖4.1.1 調(diào)制模塊解調(diào)模塊：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)圖4.1.2 解制模塊4.2 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇正弦載波f 1是幅度為2頻率為5Hz采樣周期為0.002的信號(hào)。設(shè)置依據(jù)：實(shí)際上載波的頻率應(yīng)該很高，但這里為了調(diào)制時(shí)便于波形的對(duì)比觀察，故設(shè)為5HZ。f2=10Hz的設(shè)置同理。本設(shè)計(jì)中濾波器據(jù)選擇的是Analog Filter Design,選用的均是巴爾沃斯濾波器，至于低通和帶通的區(qū)別只要把參數(shù)設(shè)置好就可以了,噪聲選擇的是高斯白噪聲AWEN channel。同時(shí)選用了5個(gè)示波器scope，四個(gè)載波sine wave，四個(gè)相乘器product，以及relational oper

11、ator，移相器unit delay和加法器等。4.3系統(tǒng)整體電路圖圖4.3.1 系統(tǒng)整體電路圖第5 章 2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真和調(diào)試5.1 仿真軟件介紹Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MAT

12、LAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線(xiàn)性系統(tǒng)、非線(xiàn)性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶(hù)可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)

13、計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪(fǎng)問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。5.2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)1.2FSK調(diào)制輸出波形圖5.2.1 調(diào)制輸出波形2.加入高斯白噪聲后波形圖5.2.2 高斯白噪聲波形3. 經(jīng)過(guò)帶通濾波

14、器并與F1相乘所得圖5.2.3 帶通濾波器并與F1相乘波形4.經(jīng)過(guò)帶通濾波器并與F2相乘所得圖5.2.4 帶通濾波器并與F2相乘波形5解調(diào)出的波形圖5.2.5 解調(diào)出的波形5.3 系統(tǒng)測(cè)試在MATLAB的simulink環(huán)境中，利用設(shè)計(jì)好的電路圖可看到2FSK的調(diào)制和解調(diào)的全過(guò)程，通過(guò)改變f1和f2的值可以得到不同的結(jié)果，選取多組數(shù)據(jù)可以更好地檢驗(yàn)調(diào)制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣：f1(Hz)51001000f2(Hz)102002000表5.3.1 載波數(shù)值5.4 數(shù)據(jù)分析參數(shù)設(shè)置f1=5Hz,f2=10Hz 圖5.4.1 載波參數(shù)圖5.4.2 延遲采樣周期參數(shù)圖5.4.3 高斯白噪聲參數(shù) （a）帶通濾波

15、器參數(shù) （b）帶通濾波器參數(shù) (c)低通濾波器參數(shù) (d)低通濾波器參數(shù)圖5.4.4 濾波器參數(shù)圖5.4.5 關(guān)系運(yùn)算符參數(shù)以上為整個(gè)電路主要器件的參數(shù)設(shè)置，通過(guò)設(shè)置這些參數(shù)，可以使系統(tǒng)體現(xiàn)的功能與預(yù)先的設(shè)計(jì)要求相符合，從解調(diào)出的圖形與調(diào)制的圖形基本一致即可看出。第6章 總結(jié)在本次課程設(shè)計(jì)中，我、陸超、李小龍三人一組。陸超負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)部分，李小龍負(fù)責(zé)軟件設(shè)計(jì)部分，我負(fù)責(zé)系統(tǒng)仿真及論文的編寫(xiě)。在系統(tǒng)仿真時(shí)我們需要將數(shù)據(jù)率調(diào)在低于1200bps，這樣實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在論文編寫(xiě)的過(guò)程中，我首先對(duì)本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，然后根據(jù)陸超、李小龍和我各自負(fù)責(zé)的內(nèi)容進(jìn)行匯總編排。

16、通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)課本上數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)特別是二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）有了重新的認(rèn)識(shí)。對(duì)2FSK調(diào)制數(shù)字基帶信號(hào)加深了理解。對(duì)于使用調(diào)頻法產(chǎn)生2FSK信號(hào)、添加高斯白噪聲、使用相干解調(diào)、抽樣判決等，我比較系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)了數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)。本課程設(shè)計(jì)使用的Simulink仿真環(huán)境，通過(guò)使用Simulink仿真環(huán)境，我可以直觀地放置相應(yīng)的模塊，搭建通信系統(tǒng)，并能夠動(dòng)態(tài)的顯示仿真結(jié)果，使學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)不再枯燥。這次的課程設(shè)計(jì)使我收益頗豐，對(duì)通信原理有了新的認(rèn)識(shí)。體會(huì)到理論和實(shí)際是有好大不同的，實(shí)踐離不開(kāi)理論，理論只有應(yīng)用于實(shí)踐才能發(fā)揮其作用。學(xué)過(guò)的東西，只有自己實(shí)際去做了才能更熟悉，才能對(duì)其本質(zhì)更了解。

17、在將理論用各種方法實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，我們也在不斷的搜集資料，不斷的學(xué)習(xí)，獲得更多的相關(guān)知識(shí)。致 謝在此次設(shè)計(jì)中，何海浪老師作為我的指導(dǎo)老師，至始至終都給予我了不少幫助，從下任務(wù)書(shū)開(kāi)始，就幫我制定規(guī)劃，提醒我應(yīng)注意的問(wèn)題，借給我資料和實(shí)驗(yàn)器材，和我一起調(diào)程序，并提出了很多的修改意見(jiàn)以及完善方案。此外還認(rèn)真批閱了我的論文，指出其中很多瑕疵和不清晰的地方，更重要的是在我遇到困難時(shí)對(duì)我的鼓勵(lì)，讓我不懈怠、不退縮、也讓我更有信心，可以說(shuō)我的每一點(diǎn)進(jìn)展都與黃老師的付出是分不開(kāi)的。當(dāng)然還在此，我向身邊關(guān)心我的老師、同學(xué)致以誠(chéng)摯的謝意！有其他老師和同學(xué)都幫了我不少忙，在此不再贅述。謹(jǐn)祝老師們工作順利，萬(wàn)事如意，桃李

18、滿(mǎn)天下；同學(xué)們學(xué)業(yè)有成，前程似錦！參考文獻(xiàn)1樊昌信，曹麗娜.通信原理（第6版）.國(guó)防工業(yè)出版社，2009.52邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析.清華大學(xué)出版社，20083趙靜，張瑾.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真.北京.北京航空航天大學(xué)出版社，20074王興亮.數(shù)字通信原理與技術(shù)(第二版).西安電子科技大學(xué)出版社，20065徐明遠(yuǎn).MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，20056孫屹，吳磊編著.Simulink通信仿真開(kāi)發(fā)手冊(cè).國(guó)防工業(yè)出版社，20037王秉鈞，王少勇，王彥杰.通信原理基本教程.北京.北京郵電大學(xué)出版社，20058王興

19、亮 編著.數(shù)字通信原理與技術(shù)（第二版）.西安電子科技大學(xué)出版社,20069胡曉冬，董辰輝主編.MATLAB 從入門(mén)到精通.人民郵電出版社，201010黃葆華，楊曉靜等.通信原理. 西安電子科技大學(xué)出版社，2007附錄 源程序fs=2000;%抽樣頻率dt=1/fs;f1=20;%載波1頻率f2=50;%載波2頻率a=round(rand(1,10);%隨機(jī)信號(hào)g1=a;g2=a;%信號(hào)反轉(zhuǎn)，和g1反向g11=(ones(1,2000)*g1;%抽樣g1a=g11(:);g21=(ones(1,2000)*g2;g2a=g21(:);t=0:dt:10-dt;t1=length(t);fsk1=

20、g1a.*cos(2*pi*f1.*t);fsk2=g2a.*cos(2*pi*f2.*t);fsk=fsk1+fsk2;%產(chǎn)生的信號(hào)no=0.01*randn(1,t1);%噪聲sn=fsk+no;subplot(311);plot(t,no);%噪聲波形title(噪聲波形)ylabel(幅度)subplot(312);plot(t,fsk);title(產(chǎn)生的波形)ylabel(幅度)subplot(313);plot(t,sn);title(將要通過(guò)濾波器的波形)ylabel(幅度的大小)xlabel(t)figure(2)%FSK解調(diào)b1=fir1(101,1/80020/800);b2=fir1(101,40/80060/800);%設(shè)置帶通參數(shù)H1=filter(b1,1,sn);H2=filter(b2,1,sn);%經(jīng)過(guò)帶通濾