基于matlab環(huán)境下FSK的調(diào)制與解調(diào)的分析

1、基于matlab環(huán)境下FSK的調(diào)制與解調(diào)的分析王濤（學(xué)號(hào)：200412110）（物理與電子信息學(xué)院 04級(jí)電子信息工程班,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）指導(dǎo)教師:劉美玲摘要:本文是基于matlab環(huán)境下對(duì)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)和誤碼率的分析，以及硬件實(shí)驗(yàn)與理論仿真實(shí)驗(yàn)的比較。方法是通過matlab軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模軟件編程使模擬仿真成功，而硬件實(shí)驗(yàn)是利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)二者在各個(gè)方面不同的特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短應(yīng)用于教學(xué)之中。關(guān)鍵詞: Matlab；環(huán)境；調(diào)制；解調(diào)；分析中圖分類號(hào)： TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B1引言 MATLAB是由MATH WORKS公司于1984年推出的一種面向科學(xué)與工程

2、的計(jì)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(tái)下完成相應(yīng)的科學(xué)計(jì)算工作。MATLAB 本身包含了 600 余個(gè)用于數(shù)學(xué)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和工程處理的函數(shù)，這樣，就可以迅速完成科學(xué)計(jì)算任務(wù)而不必進(jìn)行額外的開發(fā)。業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的工具箱算法極大的擴(kuò)展了 MATLAB 的應(yīng)用領(lǐng)域，所以MATLAB自推出以來(lái)就受到廣泛的關(guān)注。MATLAB特點(diǎn): 一,數(shù)值計(jì)算功能,在MATLAB中，每個(gè)數(shù)值元素都視為復(fù)數(shù)，而且只有雙精度（64位）一種數(shù)據(jù)格式，省去多種的設(shè)置，雖然在運(yùn)行速度和內(nèi)存消耗方面付出了代價(jià)，卻使MATLAB的編程大大簡(jiǎn)化。MATLAB的數(shù)值計(jì)算基本功能包括：矩陣運(yùn)

3、算、多項(xiàng)式和有理分式計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及數(shù)值分析等。二,符號(hào)計(jì)算功能,在實(shí)際應(yīng)用中，除了數(shù)值計(jì)算外，還需要得到方程的解析解，簡(jiǎn)化和展開多項(xiàng)式和函數(shù)表達(dá)，求解函數(shù)值等，所有這些均屬于符號(hào)計(jì)算的領(lǐng)域。三,便棧式的編程語(yǔ)言,與Fortran和C等高級(jí)語(yǔ)言相比，MATLAB的語(yǔ)法規(guī)則更簡(jiǎn)單，更貼近人的思維方式和表達(dá)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(qiáng)大而簡(jiǎn)易的作圖功能,能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)確定坐標(biāo)繪圖。五,高智能化,繪圖時(shí)自動(dòng)選擇最佳坐標(biāo)，大大方便了用戶。自動(dòng)檢測(cè)和顯示程序錯(cuò)誤，減輕編程和調(diào)試的工作量。六,豐富實(shí)用的工具箱,MATLAB軟件包括基本部分和擴(kuò)展部分。擴(kuò)展部分成為工具箱

4、。工具箱分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能，可視建摸仿真功能以及文字處理功能等。學(xué)科性工具箱專業(yè)性比較強(qiáng)，如控制系統(tǒng)工具箱、信號(hào)處理工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、最優(yōu)化工具箱、金融工具箱、小波工具箱等。MATLAB6.x的集成環(huán)境,在Windos桌面，雙擊MATLAB圖標(biāo)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入MATLAB6.x的工作環(huán)境。MATLAB6.x的集成環(huán)境由桌面平臺(tái)以及組件組成。它包括8個(gè)組成部分：指令窗口、歷史指令窗口、工作臺(tái)及工具箱窗口、當(dāng)前工作目錄窗口、工作空間窗口、矩陣編輯器、程序編輯器和幫助瀏覽器。 MATLAB幫助系統(tǒng),MATLAB為用戶提供了三種幫助功能：一

5、.利用幫助菜單獲取幫助信息。單擊MATLAB工作窗口的菜單欄Help菜單項(xiàng)，彈出幫助菜單項(xiàng)。選擇Help Window 選項(xiàng)，可以打開MATLAB的主題窗口。選擇Help Desk選項(xiàng)，可以打開MATLAB幫助工作臺(tái)。二.通過指令窗口獲取幫助信息，用戶可以在指令窗口直接鍵入幫助指令來(lái)獲得幫助。三.使用演示功能（Demo）。MATLAB帶有生動(dòng)直觀的演示程序，可以幫助用戶形象直觀地學(xué)習(xí)和理解MATLAB的使用方法和強(qiáng)大的功能。啟動(dòng)演示程序有下面幾種方法：(一)在工作臺(tái)和工具箱窗口中，列出了MATLAB和已經(jīng)安裝的各種工具箱。單擊欲學(xué)習(xí)的工具箱前面的“+”號(hào)，在打開的功能項(xiàng)中，雙擊Demos，即可

6、打開演示程序。(二)選擇Help菜單Demos選項(xiàng)，可以打開MATLAB的演示窗口。(三)在指令窗口中鍵入指令demo,同樣可以打開MATLAB演示窗口。2 FSK在硬件實(shí)驗(yàn)下的分析2.1 FSK的硬件實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果FSK的調(diào)制與解調(diào)的硬件實(shí)驗(yàn)是采用中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)研制的HD8611D型號(hào)的通信原理實(shí)驗(yàn)箱（如下圖2-1所示）和雙蹤示波器共同完成的。實(shí)驗(yàn)原理是：傳輸信息中只有0，1兩種代碼，在調(diào)制時(shí)數(shù)字信息0對(duì)應(yīng)載頻w1，數(shù)字信息1對(duì)應(yīng)載頻w2，而且w1和w2的改變是瞬間的。在解調(diào)時(shí)采用相干或非相干其中一種方法，然后再通過抽樣判決器便可輸出原始信息。實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果是：（1） 通過clk電碼

7、32KHz的方波（如下圖2-2所示）和16KHz的方波（如下圖2-3所示）。圖2-1 圖2-2 圖2-3 圖2-4 圖2-5 圖2-6 圖2-7 圖2-8 圖2-9 圖2-10 圖2-11 圖2-12（2） 使兩路信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成32KHz的正弦波（如下圖2-4所示）和16KHz的正弦波（如圖2-5所示）。（3） 并且clk電碼產(chǎn)生了調(diào)制信號(hào)1110010的隨機(jī)信號(hào)（如下圖2-6所示），產(chǎn)生了調(diào)制信號(hào)的反碼（如下圖2-7所示）。（4）通過模擬開關(guān)和相加器進(jìn)行調(diào)制，0對(duì)應(yīng)載頻是16KHz的正弦波，1對(duì)應(yīng)載頻是32KHz的正弦波，得到了調(diào)制后的信號(hào)（如下圖2-8所示），以及輸入解調(diào)系統(tǒng)信號(hào)

8、（如下圖2-9所示）。將輸入解調(diào)系統(tǒng)的信號(hào)展開，可以清晰地看到兩個(gè)不同信息的碼元頻率不同（如下圖2-10所示）。（5） 調(diào)制信號(hào)與解調(diào)電路的工作時(shí)鐘（如上圖2-11所示）同時(shí)輸入4046鎖相環(huán)解調(diào)和整形電路，調(diào)節(jié)電位器W903或W904和改變CA901的電容值，使得信號(hào)得到解調(diào)（如下圖2-12所示）。2.2 FSK的硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 通過上面的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果與理論過程與結(jié)果對(duì)比分析，以上這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。通過解調(diào)信號(hào)圖2-12與調(diào)制信號(hào)圖2-6的比較，二者波形相同就是存在一些時(shí)移，這是由于信號(hào)通過低通濾波器所造成的。2.3 FSK硬件實(shí)驗(yàn)的優(yōu)劣 根據(jù)對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)FSK的調(diào)制與解調(diào)的測(cè)量過

9、程和結(jié)果分析，總結(jié)出了些硬件實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)如下： 優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)器材要求比較簡(jiǎn)單。 （2）通過實(shí)驗(yàn)操作，須親自調(diào)試才得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更容易鞏固和加深對(duì)知識(shí)的理解。 （3）由于實(shí)驗(yàn)箱已經(jīng)把實(shí)驗(yàn)電路集成，所以測(cè)量和調(diào)試比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：（1）調(diào)制信號(hào)和載頻都已經(jīng)被固定，沒有隨機(jī)性，說(shuō)服力不強(qiáng)。（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備不具有在課堂演示的功能。（3）實(shí)驗(yàn)箱一旦發(fā)生故障，實(shí)驗(yàn)將不能進(jìn)行。3 FSK在matlab環(huán)境下的分析3.1 FSK在matlab環(huán)境下過程與結(jié)果FSK的模擬仿真是采用的matlab軟件，其在電腦運(yùn)行環(huán)境如圖3-1所示。實(shí)驗(yàn)過程是在窗口點(diǎn)擊matlab快捷方式，使其運(yùn)行，將FSK調(diào)制與解調(diào)的程序輸入

10、框中，點(diǎn)擊回車即可運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果后面進(jìn)行分析。圖3-1 在matlab環(huán)境下調(diào)制與解調(diào)的程序如下: （百分號(hào)后為程序注釋）function FSKFc=10; %載頻Fs=40; %系統(tǒng)采樣頻率Fd=1; %碼速率N=Fs/Fd;df=10;numSymb=25; %進(jìn)行仿真的信息代碼個(gè)數(shù)M=2; %進(jìn)制數(shù)SNRpBit=60; %信噪比SNR=SNRpBit/log2(M);seed=12345 54321;numPlot=15; %產(chǎn)生25個(gè)二進(jìn)制隨機(jī)碼x=randsrc(numSymb,1,0:M-1); %產(chǎn)生25個(gè)二進(jìn)制隨機(jī)碼figure(1)stem(0:numPlot-1,x(1

11、:numPlot),bx);title(二進(jìn)制隨機(jī)序列)xlabel(Time);ylabel(Amplitude); %調(diào)制y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,fsk,M,df);numModPlot=numPlot*Fs;t=0:numModPlot-1./Fs;figure(2)plot(t,y(1:length(t),b-);axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title(調(diào)制后的信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude); %在已調(diào)信號(hào)中加入高斯白噪聲r(shí)andn(state,seed(2);y=awgn(y,SNR-10*log10(0.

12、5)-10*log10(N),measured,dB);%在已調(diào)信號(hào)中加入高斯白噪聲figure(3)plot(t,y(1:length(t),b-); %畫出經(jīng)過信道的實(shí)際信號(hào)axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title(加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude); %相干解調(diào)figure(4)z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye,M,df);title(相干解調(diào)后的信號(hào)的眼圖) %帶輸出波形的相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(5)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);ho

13、ld on;stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),ro);hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title(相干解調(diào)后的信號(hào)原序列比較)legend(原輸入二進(jìn)制隨機(jī)序列,相干解調(diào)后的信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude); %非相干解調(diào)figure(6)z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye/noncoh,M,df);title(非相干解調(diào)后的信號(hào)的眼圖) %帶輸出波形的非相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(7)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);hold on;

14、stem(0:numPlot-1,z2(1:numPlot),ro);hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title(非相干解調(diào)后的信號(hào))legend(原輸入二進(jìn)制隨機(jī)序列,非相干解調(diào)后的信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude); %誤碼率統(tǒng)計(jì)errorSym ratioSym=symerr(x,z1);figure(8)simbasebandex(0:1:5);title(相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計(jì))errorSym ratioSym=symerr(x,z2); figure(9)simbasebandex(0:1:5);title(非相干

15、解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計(jì)) %濾除高斯白噪聲Delay=3;R=0.5;PropD=0; %滯后3s 程序的運(yùn)行過程是：首先產(chǎn)生25個(gè)隨機(jī)序列碼（如圖3-2所示 注：此序列為隨機(jī)序列，每一次運(yùn)行程序所產(chǎn)生的序列都不同），然后通過調(diào)用函數(shù)對(duì)該序列進(jìn)行調(diào)制（如圖3-3所示）。在調(diào)制信號(hào)中加入高斯白噪聲（如圖3-4所示）。在通過調(diào)用函數(shù)讓函數(shù)通過相干解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)信號(hào)（如圖3-5所示）。在通過調(diào)用函數(shù)讓調(diào)制信號(hào) 圖3-2 圖3-3 圖3-4 圖3-5通過非相干解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)信號(hào)（如圖3-6所示）。圖3-7是相干解調(diào)后的誤碼率統(tǒng)計(jì)，圖3-8是非相干解調(diào)的誤碼率統(tǒng)計(jì)。 圖3-6 圖3-7 圖3-

16、8 (注釋： 圖3-7, 圖3-8中右上角的意思為，Theoretical SER 理論軟件錯(cuò)誤率;Theoretical BER 理論二進(jìn)制誤碼率 ;Simulated SER 模擬軟件錯(cuò)誤率; Simulated BER 模擬二進(jìn)制誤碼率。)3.2 FSK在matlab環(huán)境下實(shí)驗(yàn)的優(yōu)劣優(yōu)點(diǎn): (1)調(diào)制信號(hào)和載頻都具有隨機(jī)性，而且具有在課堂演示的功能。(2)實(shí)驗(yàn)程序已經(jīng)編好，不易發(fā)生故障，多會(huì)都可進(jìn)行。(3)進(jìn)行了相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方式的比較，(4)解調(diào)后對(duì)相干解調(diào)和非相干解調(diào)的誤碼率統(tǒng)計(jì)缺點(diǎn): (1)不能通過實(shí)驗(yàn)操作調(diào)試出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(2)前期編程和數(shù)學(xué)建模工作也比較復(fù)雜。4 教學(xué)中

17、的應(yīng)用4.1 教學(xué)中的使用范圍根據(jù)上面對(duì)FSK硬件實(shí)驗(yàn)與模擬仿真實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，得出了在教學(xué)中的適用范圍如下所述：基于matlab的FSK的調(diào)制與解調(diào)模擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)該應(yīng)用于通信原理的課堂教學(xué)當(dāng)中，因?yàn)楫?dāng)前多媒體教學(xué)已經(jīng)逐步走進(jìn)了大學(xué)課堂，所以完全有條件在課堂上為學(xué)生們演示調(diào)制與解調(diào)的全過程，這樣可以把抽象的知識(shí)轉(zhuǎn)化成比較現(xiàn)實(shí)的過程，使學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)更容易理解。而且在課堂上做這樣的仿真實(shí)驗(yàn)，可以打破常規(guī)的單一的沉悶的課堂氣氛，可以使學(xué)生有耳目一新的感覺。 FSK的調(diào)制與解調(diào)的硬件實(shí)驗(yàn)更適用于通信原理的實(shí)驗(yàn)課上，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)課是一個(gè)實(shí)際操作的過程，必須讓學(xué)生充分了解信號(hào)從產(chǎn)生，到調(diào)制，再到解調(diào)的全過程。

18、而且還必須讓學(xué)生知道現(xiàn)實(shí)的調(diào)制與解調(diào)的電路和模塊到底是什么樣的，每一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量都必須由學(xué)生親自調(diào)試，這樣不僅可以使理論與實(shí)際相結(jié)合，而且可以增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和鞏固學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識(shí)。5 總結(jié) 本篇論文是關(guān)于通信原理當(dāng)中FSK的硬件實(shí)驗(yàn)與軟件模擬仿真實(shí)驗(yàn)的對(duì)比。首先則是對(duì)FSK的調(diào)制與解調(diào)理論知識(shí)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，然后則是對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了理論上的研究，比如硬件實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)箱原理、示波器正確使用方法和matlab的安裝方法、基本編程方法。通過對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使自己具有該方面的技能，然后開始實(shí)驗(yàn)。硬件實(shí)驗(yàn)主要是使用實(shí)驗(yàn)箱和示波器完成對(duì)每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，然后由該點(diǎn)的理論波形進(jìn)行比較，比較的方法是首先判斷所