差分碼FSK調(diào)制及非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真

1、 差分碼FSK調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真 第頁 共23頁 差分碼FSK調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行差分碼FSK調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真。在本次課程設(shè)計(jì)中先進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換，即將基帶信號(hào)的絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換為差分碼（相對(duì)碼），再根據(jù)FSK調(diào)制與解調(diào)原理構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路，從Simulink工具箱中找所各元件，合理設(shè)置好參數(shù)并運(yùn)行，其中可以通過不斷的修改優(yōu)化得到需要信號(hào)，之后加入高斯、瑞利噪聲，并分析對(duì)信號(hào)的影響，最后通過對(duì)輸出波形和功率譜的分析得出差分碼FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真是否成功。 關(guān)鍵詞 差分碼；2FS

2、K；調(diào)制；非相干解調(diào)；Simulink 1 引 言本次課程設(shè)計(jì)主要利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)差分碼FSK調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，分別在理想信道和非理想信道中運(yùn)行，即為加噪聲和加高斯、瑞利噪聲，將三種噪聲源的方差均設(shè)置相同，并把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析比較通過三種不同信道后的接收信號(hào)的系統(tǒng)性能。1.1 課程設(shè)計(jì)目的通信原理是通信工程專業(yè)的一門骨干的專業(yè)課，是通信工程專業(yè)后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)。掌握通信原理課程的知識(shí)可使學(xué)生打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，可提高處理通信系統(tǒng)問題能力和素質(zhì)。由于通信工程專業(yè)理論深、實(shí)踐性強(qiáng)，做好課程設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生掌握本專業(yè)的

3、知識(shí)、提高其基本能力是非常重要的。 通信課程設(shè)計(jì)的目的是為了學(xué)生加深對(duì)所學(xué)的通信原理知識(shí)理解，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)，提高利用通信原理知識(shí)處理通信系統(tǒng)問題的能力，為今后的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作打下良好的基礎(chǔ)。使學(xué)生能比較扎實(shí)地掌握本專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論，掌握數(shù)字通信系統(tǒng)及有關(guān)設(shè)備的分析、開發(fā)等基本技能，受到必要工程訓(xùn)練和初步的科學(xué)研究方法和實(shí)踐訓(xùn)練，增強(qiáng)分析和解決問題的能力，了解本通信專業(yè)的新發(fā)展。1.2 課程設(shè)計(jì)的步驟（1）構(gòu)建調(diào)制電路，并用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變化。（2）再以調(diào)制信號(hào)為輸入，構(gòu)建解調(diào)電路，用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形，用

4、頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變化。（3）在調(diào)制與解調(diào)電路間加上噪聲源，模擬信號(hào)在不同信道中的傳輸：a 用高斯白噪聲模擬有線信道，b 用瑞利噪聲模擬有直射分量的無線信道。將兩種噪聲源的方差均設(shè)置相同，分析比較通過兩種不同信道后的接收信號(hào)的性能。（4）在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.3 設(shè)計(jì)平臺(tái)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，無需大量書寫程序，而只需要通過簡(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

5、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Simulink1。Simulink是MATLAB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)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(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)

6、建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(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，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulik是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指Simulik提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析

7、。2 基本原理2.1 差分碼2FSK的調(diào)制與解調(diào)（1）碼型轉(zhuǎn)換先對(duì)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，即把表示數(shù)字信息序列的絕對(duì)編碼變成相對(duì)碼（差分碼），然后根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相，從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相移鍵控信號(hào)。（2）2FSK的調(diào)制原理在二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）中，當(dāng)傳送“1”碼時(shí)對(duì)應(yīng)于載波頻率，傳送“0”碼時(shí)對(duì)應(yīng)于載波頻率。其中，為頻率為的載波的初始相位，為頻率為的載波的初始相位。令為的反碼，即則有:當(dāng)時(shí)，;當(dāng)時(shí)，。    則2FSK信號(hào)可表示為:其中，我們?cè)诜治鲋屑僭O(shè)為單個(gè)矩形脈沖序列，其表達(dá)式為:由式上式可知，相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)

8、2ASK調(diào)幅信號(hào)之和。二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)生,可以采用模擬調(diào)頻電路來實(shí)現(xiàn),也可以采用數(shù)字鍵控的方法來實(shí)現(xiàn). 圖 2-3 是數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖, 圖中兩個(gè)振蕩器的輸出載波受輸入的二進(jìn)制基帶信號(hào)控制,在一個(gè)碼元Ts期間輸出f1或f2兩個(gè)載波之一.。圖 2 3 數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖圖 2- 4 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形從圖中可以看出b是a的反碼即若a=1,則b=0, 若a=0,則b=1;c為載波f1，d為載波f2，g為2FSK的調(diào)制出的信號(hào)。（3）2FSK的解調(diào)原理經(jīng)過調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號(hào)通過兩個(gè)頻率不同的帶通濾波器w1、w2濾出不需要的信號(hào)，然后

9、再將這兩種經(jīng)過濾波的信號(hào)分別通過包絡(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)出來的信號(hào)就是調(diào)制前的輸入信號(hào)。本設(shè)計(jì)要求非相干解調(diào)，其原理圖如下圖所示：圖 2 5 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)解調(diào)器原理圖圖 2 6 2FSK非相干解調(diào)時(shí)間波形圖（4）解差分碼：此為碼型變換的逆過程。3 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)3.1 差分碼2FSK信號(hào)調(diào)制與解調(diào)（1）差分碼2FSK的調(diào)制與解調(diào)打開simulink工具箱，點(diǎn)擊file圖標(biāo)，選擇新建中的model，新建一個(gè)仿真空白模型，將2FSK信號(hào)調(diào)至所需要的模塊拖入空白模型中。下圖中Bernoulli Binary Generator模塊為信號(hào)產(chǎn)生器，

10、它能產(chǎn)生二進(jìn)制的數(shù)字基帶信號(hào)。Sine wave1，Sine wave2為頻率為f1和f2載波模塊，Differential Encoder模塊為差分碼轉(zhuǎn)換模塊，Product為乘法器模塊，Scope為示波器模塊，NOT為反相器模塊，Power Spectral是功率譜模塊。2FSK信號(hào)是由頻率分別為Sine wave1和Sine wave2的兩個(gè)載波對(duì)信號(hào)源進(jìn)行頻率上的控制而形成的，其中Sine wave1和Sine wave2是兩個(gè)頻率有明顯差別的且都遠(yuǎn)大于信號(hào)源頻率的載波信號(hào)。Analog Filter Design模塊為帶通濾波器，Abs模塊為絕對(duì)值，其作用等同于包絡(luò)檢測(cè)器， Subt

11、ract模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行加法或減法運(yùn)算， Zero order hold模塊的功能為零階保持模塊，Quantizing Encoder為量化編碼器模塊，Zero order hold和Quantizing Encoder的作用等同于在定時(shí)脈沖下的抽樣判決器，Differential Decoder模塊為差分碼解碼模塊，Error RateCalculation模塊是用來計(jì)算誤碼率，并由Display顯示出來。調(diào)制解調(diào)模型圖如下圖所示：圖 3 1 差分碼2FSK信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的simulink模型方框圖（2）差分碼2FSK的調(diào)制與解調(diào)參數(shù)設(shè)置 a、載波：f1，f2是幅度為3；頻率分別為4*pi和8

12、*pi；采樣時(shí)間為1/500的信號(hào)。圖 3 2 載波sin wave1的參數(shù)設(shè)置圖 3 3 載波sin wave2的參數(shù)設(shè)置b、信號(hào)產(chǎn)生器：產(chǎn)生二進(jìn)制的數(shù)字基帶信號(hào)圖 3-4 基帶信號(hào)Bernoulli Binary Generator信號(hào)模塊參數(shù)設(shè)置c、帶通濾波器：由于載波f1和f2的頻率分別為4*pi和8*pi，基帶信號(hào)的采樣時(shí)間為1，所以其頻率為1HZ，1HZ等于2*pi，又因?yàn)?FSK的帶通濾波器取值就是載波頻率加減基帶信號(hào)的頻率，而通帶范圍最好要比原通帶大一點(diǎn)，則帶通濾波器1的取值范圍是6*pi到11*pi，帶通濾波器2的取值范圍是14*pi到17*pi。圖 3-5帶通濾波器1參數(shù)設(shè)

13、置圖 3-6帶通濾波器2參數(shù)設(shè)置d、零階保持模塊：采樣時(shí)間設(shè)置必須與基帶信號(hào)的采樣時(shí)間保持一致。圖 3-7 零階保持模塊的參數(shù)設(shè)置 e、量化編碼器圖 3-8量化編碼器的參數(shù)設(shè)置f、Error Rate Calculation：有一個(gè)單位的延時(shí)圖 3-9 Error Rate Calculation的參數(shù)設(shè)置（3）差分碼2FSK的調(diào)制與解調(diào)仿真以及功率譜分析經(jīng)過以上參數(shù)的設(shè)置后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，其各點(diǎn)的時(shí)間波形如下：圖 3-10 差分碼2FSK調(diào)制與解調(diào)波形圖調(diào)制前后頻譜分析如下圖：圖3-11 基帶信號(hào)頻譜分析圖3-12調(diào)制后的頻譜分析圖 3-13解調(diào)后的頻譜分析從上圖可以看出，經(jīng)過非相干解

14、調(diào)后，除去由于系統(tǒng)誤差產(chǎn)生延遲外，其他解調(diào)后信號(hào)功率譜與原信號(hào)功率譜是能一一對(duì)應(yīng)的。圖3-11是原基帶信號(hào)的頻譜圖，可見其最值所對(duì)的頻率在2.5Hz左右，經(jīng)過調(diào)制后其頻進(jìn)行了移動(dòng)，移至了12.5Hz左右，而解調(diào)后，該頻率再次回到2.5Hz左右，大體上實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。（4）誤碼率：可見理想信道內(nèi)，其誤碼率為0。由上可見，此次模型的設(shè)計(jì)是成功的，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能3.2 加入噪聲的差分碼2FSK非相干解調(diào)（1）加入噪聲高斯噪聲：它的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類噪聲。在理想信道調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)上，在調(diào)制信號(hào)上加入高斯噪聲，把Simulink噪聲源下的高斯噪聲模塊（Gaussian

15、 Noise Generator）加入到模型中。噪聲參數(shù)設(shè)置、模型與波形圖如下：圖 3-14 差分碼2FSK加入高斯噪聲模型瑞利噪聲：它的概率密度函數(shù)服從瑞利分布的一類噪聲。在理想信道調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)上，在調(diào)制信號(hào)上加入瑞利噪聲，把Simulink噪聲源下的瑞利噪聲模塊（Rayleigh Noise Generator）加入到模型中。噪聲參數(shù)設(shè)置、模型與波形圖如下：圖 3-15 差分碼2FSK加入瑞利噪聲模型（2）參數(shù)設(shè)置：圖 3-16高斯躁聲Variance參數(shù)設(shè)置為100圖 3-16高斯躁聲Variance參數(shù)設(shè)置為500圖 3-17瑞利躁聲Sigma參數(shù)設(shè)置為100（3）波形比較圖 3-

16、18方差為100時(shí)候的高斯躁聲下的差分碼2FSK調(diào)制與解調(diào)圖圖 3-19方差為100時(shí)候的瑞利躁聲下的差分碼2FSK調(diào)制與解調(diào)圖（3）功率譜比較高斯噪聲：a、噪聲方差為100： 圖3-20方差為100時(shí)候基帶信號(hào)頻譜分析圖3-21方差為100時(shí)候調(diào)制后的頻譜分析圖3-22方差為100時(shí)候解調(diào)后的頻譜分析b、噪聲方差為500： 圖3-23噪聲方差為500時(shí)候基帶信號(hào)頻譜分析圖3-24噪聲方差為500時(shí)候調(diào)制后的頻譜分析圖3-25噪聲方差為500時(shí)候解調(diào)后的頻譜分析瑞利噪聲： 圖3-26基帶信號(hào)頻譜分析圖3-27調(diào)制后的頻譜分析圖3-28解調(diào)后的頻譜分析如圖所示，圖3-21、圖3-24為加入高斯噪

17、聲的波形圖3-27為加入瑞利噪聲的波形，可通過修改參數(shù)表中的方差來改變加入噪聲的大小，與理想信道的輸出波形相比較可以看出，波形出現(xiàn)不同程度的失真。從上圖可以看出，經(jīng)過非相干解調(diào)后，除去由于系統(tǒng)誤差產(chǎn)生延遲外，其他解調(diào)后信號(hào)功率譜與原信號(hào)功率譜是能一一對(duì)應(yīng)的。圖3-20、圖3-23、圖3-26是原基帶信號(hào)的頻譜圖，加入噪聲后，其頻譜有了一些差別，在同種噪聲下，如高斯噪聲，其方差取值為100、500，最后頻譜有了明顯的不同。大體上實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。（4）誤碼率高斯噪聲：圖3-27 高斯噪聲誤碼率瑞利噪聲：圖3-28 瑞利噪聲誤碼率高斯噪聲誤碼率為0.1，瑞利噪聲誤碼率為0.5，可見瑞利噪聲出

18、現(xiàn)嚴(yán)重失真。由上可見，此次模型的設(shè)計(jì)大體上是成功的。噪聲能對(duì)信道產(chǎn)生不同程度的影響，不同的噪聲使信號(hào)發(fā)生失真的參數(shù)各不相同。在現(xiàn)實(shí)生活中，無處不存在著噪聲，因此研究如何減小噪聲對(duì)信道的影響有著重大意義。4 仿真電路分析與總結(jié)4.1 異常處理在本次課程設(shè)計(jì)運(yùn)用了MATLAB軟件下Simulink建立工作模型，在仿真的過程中遇到了各種不同的問題，通過自己的探索和在老師和同學(xué)的幫助下總算得以解決，總結(jié)分析分析如下：（1）運(yùn)行后如沒有出現(xiàn)波形、出現(xiàn)多路波形的混合或是出現(xiàn)波形的幅度過小或過大，可以點(diǎn)擊scope菜單欄的或者點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇autoscale即可出現(xiàn)清晰波形。（2）若出現(xiàn)波形很差，可以把

19、修正因子（默認(rèn)為1）加大，具體步驟為選擇模型菜單中的“Simulink|configuration parameters|Data import/export”修改Decimation中數(shù)據(jù)（默認(rèn)為1），可加大為50或100。（3）調(diào)制模塊中，如調(diào)制結(jié)果不明顯，可以加大載波頻率，一般來說載波頻率要比基帶頻率大得多。（4）若波形出錯(cuò)，可以把濾波器級(jí)數(shù)(默認(rèn)為8)適當(dāng)減小，使濾波器精確度變小，允許誤差變大，便于波形的輸出。（5）在選擇帶通濾波器的參數(shù)時(shí)候要嚴(yán)格按照需要的頻率范圍取值，通過計(jì)算載波和基帶信號(hào)的頻率可以得出該頻率范圍取值。 （6）在整個(gè)仿真過程中，各模塊的參數(shù)設(shè)置十分重要，一定要設(shè)置合適的