數(shù)字帶通傳輸2FSK系統(tǒng)設計報告

1、參考文獻通信系統(tǒng)課程設計報告 數(shù)字帶通傳輸2FSK系統(tǒng)摘 要 本課程設計主要運用MATLAB集成環(huán)境下的simulink仿真平臺設計進行差分碼2FSK調制與非相干解調系統(tǒng)仿真。在本次課程設計中先根據(jù)2FSK調制與解調原理構建調制解調電路，從Simulink工具箱中找所各元件，合理設置好參數(shù)并運行，其中可以通過不斷的修改優(yōu)化得到需要信號，之后加入高斯，并分析對信號的影響，最后通過對輸出波形和功率譜的分析得出差分碼2FSK調制解調系統(tǒng)仿真是否成功。 關鍵詞: Simulink；2FSK調制；差分碼2FSK；相干解調目錄1 引言- 1 -1.1課程設計的目的- 1 -1.2課程設計的基本任務和要求-

2、 1 -1.3 設計平臺- 1 -2 基本原理- 2 -2.1 數(shù)字帶通傳輸- 2 -2.2 2FSK系統(tǒng)- 2 -2.3 2FSK數(shù)字系統(tǒng)的調制原理- 3 -2.4 2FSK的解調方式- 4 -2.4.1 非相干解調- 4 -2.4.2 相干解調- 4 -3 差分碼2FSK系統(tǒng)組成- 5 -3.1 差分碼2FSK的調制部分- 5 -3.1.1 差分碼2FSK調制模塊結構模型- 5 -3.1.2 差分碼2FSK的調制部分參數(shù)設置- 6 -3.2 差分碼FSK信號解調- 7 -3.2.1 差分碼FSK的解調部分- 7 -3.2.2 差分碼2FSK的調制部分參數(shù)設置- 8 -3.3 加入高斯噪聲的

3、差分碼2FSK相干解調- 9 -3.4 系統(tǒng)2FSK的誤碼率計算模塊- 11 -3.5 系統(tǒng)整體結構- 11 -4 仿真結果- 11 -4.1 2FSK調制模塊仿真- 11 -4.2 2FSK的解調部分仿真- 12 -4.3 2FSK加入高斯白噪聲后的仿真- 13 -4.4 2FSK誤碼率計算- 14 -4.5 結果分析- 14 -5 出現(xiàn)的問題- 14 -6 總結- 14 -參考文獻- 15 -1 引言本次課程設計主要運用MATLAB軟件，在Simulink平臺下建立仿真模型。實現(xiàn)模擬基帶信號經(jīng)差分碼FSK調制與非相干解調的傳輸過程，通過分析比較調制解調輸出波形以及功率譜特征，理解差分碼FS

4、K調制原理。在分別加入高斯噪聲，觀察對波形的影響，并對其進行分析總結。 1.1課程設計的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。掌握通信原理課程的知識可使學生打下一個堅實的專業(yè)基礎，可提高處理通信系統(tǒng)問題能力和素質。由于通信工程專業(yè)理論深、實踐性強，做好課程設計，對學生掌握本專業(yè)的知識、提高其基本能力是非常重要的。 通信課程設計的目的是為了學生加深對所學的通信原理知識理解，培養(yǎng)學生專業(yè)素質，提高利用通信原理知識處理通信系統(tǒng)問題的能力，為今后的專業(yè)課程的學習、畢業(yè)設計和工作打下良好的基礎。使學生能比較扎實地掌握本專業(yè)的基礎知識和基本理論，掌握數(shù)字通信系統(tǒng)及有

5、關設備的分析、開發(fā)等基本技能，受到必要工程訓練和初步的科學研究方法和實踐訓練，增強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課程設計的基本任務和要求本次課程設計是用simulink仿真實現(xiàn)一個數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)： 1）信源：產(chǎn)生二進制隨機比特流，數(shù)字基帶信號任選，例如單極性、雙極性數(shù)字信號，可以是矩形波、三角波等數(shù)字基帶信號波形。 2）調制：可以選擇簡單的二進制數(shù)字調制方式，例如二進制振幅鍵控(2ASK)、二進制相移鍵控(2PSK)、二進制頻移鍵控(2FSK)，也可以選擇其它高效的調制方式，例如多進制數(shù)字振幅鍵控等。 3）信道：假定信道屬于加性高斯信道。 4）結果：仿真出該數(shù)字傳輸系

6、統(tǒng)的性能指標，即該系統(tǒng)的誤碼率，并畫出SNR（信噪比）和誤碼率的曲線圖。1.3 設計平臺 Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(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，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計

7、環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，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)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，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)的仿真結果。 Simulik是MATLAB軟件的擴展，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，

8、其結果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建，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)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調用，再將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析。 2 基本原理2.1 數(shù)字帶通傳輸數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)：通常把包括調制和解調過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)。數(shù)字信號的傳輸方式分為基帶傳輸（baseband transmission）和帶通傳輸（bandpass transmission）。然而，實際中的大多數(shù)信道（如無線信道）因具有帶通特性而不能

9、直接傳送基帶信號，這是因為數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻分量。為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號（已調信號）的過程稱為數(shù)字調制（digital modulation）。在接收端通過解調器把帶通信號還原成數(shù)字基帶信號的過程稱為數(shù)字解調（digital demodulation）。通常把包括調制和解調過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)。一般來說，數(shù)字調制與模擬調制的基本原理相同，但是數(shù)字信號有離散取值的特點。因此數(shù)字調制技術有兩種方法：（1）利用模擬調制的方法去實現(xiàn)數(shù)字式調制

10、，即把數(shù)字調制看成是模擬調制的一個特例，把數(shù)字基帶信號當作模擬信號的特殊情況處理；（2）利用數(shù)字信號的離散取值特點通過開關鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調制。這種方法通常稱為鍵控法，比如對載波的振幅、頻率和相位進行鍵控，便可獲得振幅鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK）、頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）和相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）三種基本的數(shù)字調制方式。2.2 2FSK系統(tǒng)頻移鍵控是利用載波的頻率來傳遞數(shù)字信號，在2FSK中，載波的頻率隨著二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。2FSK信號的產(chǎn)生方法主要有兩種。一

11、種可以采用模擬電匝來實現(xiàn)；另一種可以采用鍵控法來實現(xiàn)，即在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關對兩個不同的獨立源進行先通，使其在每一個碼元期間輸出f1和f2兩個載波之一。這兩種方法產(chǎn)生2FSK信號的差異在于：由調頻法產(chǎn)生的2FSK信呈在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的，而鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號，是由電子開關在兩個獨立的頻率源之間轉換形成，故相鄰碼元之間的相位不一不定期連續(xù)。頻移鍵控是利用載波的頻移變化來傳遞數(shù)字信息的。在2FSK中，載波的頻率隨基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。故其表達式為： 典型波形如下圖所示。由圖2.1可見。 圖2.1 2FSK信號的調制過程原理圖2FSK信號可以看作

12、兩個不同載頻的ASK信號的疊加。因此2FSK信號的時域表達式又可以寫成：2.3 2FSK數(shù)字系統(tǒng)的調制原理2FSK調制就是使用兩個不同的頻率的載波信號來傳輸一個二進制信息序列?？梢杂枚M制“1”來對應于載頻f1，而“0”用來對應于另一相載頻w2的已調波形，而這個可以用受矩形脈沖序列控制的開關電路對兩個不同的獨立的頻率源w1、f2進行選擇通。如圖2.2為調制原理圖：圖2.2 2FSK的調制原理圖2.4 2FSK的解調方式2FSK的解調方式有兩種:相干解調方式和非相干解調方式.下面我們將詳細的介紹:2.4.1 非相干解調經(jīng)過調制后的2FSK數(shù)字信號通過兩個頻率不同的帶通濾波器f1、f2濾出不需要的

13、信號，然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號分別通過包絡檢波器檢波，最后將兩種信號同時輸入到抽樣判決器同時外加抽樣脈沖，最后解調出來的信號就是調制前的輸入信號。其原理圖如圖2.3所示：圖2.3 2FSK信號的非相干解調方式2.4.2 相干解調根據(jù)已調信號由兩個載波f1、f2調制而成，則先用兩個分別對f1、f2帶通的濾波器對已調信號進行濾波，然后再分別將濾波后的信號與相應的載波f1、f2相乘進行相干解調，再分別低通濾波、用抽樣信號進行抽樣判決器即可。原理圖如下：圖2.4 2FSK信號的相干方式解調原理圖3 差分碼2FSK系統(tǒng)組成3.1 差分碼2FSK的調制部分3.1.1 差分碼2FSK調制模塊結構模型 2

14、FSK信號是由頻率分別為Sine wave和Sine wave1的兩個載波對信號源進行頻率上的控制而形成的，其中Sine wave和Sine wave1是兩個頻率有明顯差別的且都遠大于信號源頻率的載波信號。調制模型圖如圖3.1.1所示：圖3.1.1 2FSK信號調制模塊3.1.2 差分碼2FSK的調制部分參數(shù)設置載波sin wave1的參數(shù)設置圖3.1.2 載波sine wave1的參數(shù)設置載波sin wave2的參數(shù)設置圖3.1.3 載波sine wave1的參數(shù)設置基帶信號模塊Bernoulli Binary Generator其參數(shù)設置如下：圖3.1.4 基帶信號參數(shù)設置3.2 差分碼F

15、SK信號解調3.2.1 差分碼FSK的解調部分 打開simulink工具箱，點擊file圖標，選擇新建中的model，新建一個仿真空白模型，將2FSK信號調至所需要的模塊拖入空白模型中，也可點擊鼠標左鍵單擊“add to untitled”。 下圖中From File模塊為調制部分的封裝To File模塊，Analog Filter Design模塊為帶通濾波器，Abs模塊為絕對值，其作用等同于保羅檢測器，Scope模塊為示波器，Subtract模塊對信號進行加法或減法運算，Power Spectral模塊是功率譜，Zero order hold模塊的功能為零階保持模塊，Quantizing

16、Encoder為量化編碼器模塊，Zero order hold和Quantizing Encoder的作用等同于在定時脈沖下的抽樣判決器。解調模型圖如圖3.2.1所示：圖3.2.1 2FSK信號解調模塊3.2.2 差分碼2FSK的調制部分參數(shù)設置 在帶通濾波器的參數(shù)設置中，帶通濾波器1參數(shù)設置圖3.2.2帶通濾波器1參數(shù)設置帶通濾波器2參數(shù)設置圖3.2.3帶通濾波器2參數(shù)設置零階保持模塊的參數(shù)設置圖3.2.4 零階保持器參數(shù)設置3.3 加入高斯噪聲的差分碼2FSK相干解調 高斯噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類噪聲。在理想信道調制與解調的基礎上，在調制信號上加入高斯噪聲，

17、把Simulink噪聲源下的高斯噪聲模塊（Gaussian Noise Generator）加入到模型中。噪聲參數(shù)設置、模型與波形圖如下：圖3.3.1 差分碼2FSK加入高斯噪聲高斯噪聲參數(shù)設置圖3.3.2 高斯噪聲參數(shù)設置3.4 系統(tǒng)2FSK的誤碼率計算模塊圖3.4.1 2FSK系統(tǒng)的誤碼率計算模塊3.5 系統(tǒng)整體結構圖3.5.1 整體結構4 仿真結果4.1 2FSK調制模塊仿真經(jīng)過以上參數(shù)的設置后就可以進行系統(tǒng)的仿真，仿真結果如圖4.1所示：圖4.1 2FSK的調制模塊仿真其中第1段圖形為基帶信號的波形圖；第2段圖形為載波1與基帶信號差分碼波形圖；第3段為基帶信號的差分碼波形圖；第4段為載

18、波2與基帶信號的差分碼波形圖；第4段圖形為FSK調制信號。4.2 2FSK的解調部分仿真 經(jīng)過以上參數(shù)的設置后就可以進行系統(tǒng)的仿真，仿真結果如圖4.2所示：圖4.2 2FSK的解調模塊仿真4.3 2FSK加入高斯白噪聲后的仿真 圖4.3 加入高斯噪聲后的波形4.4 2FSK誤碼率計算圖4.4 2FSK誤碼率的計算4.5 結果分析 表1 信噪比與誤碼率的關系信噪比1030507090誤碼率6.36E-016.36E-016.36E-016.36E-016.36E-01由上表可以看出不論信噪比如何改變，誤碼率恒不變。分析可知由于我們在仿真的過程中采樣次數(shù)是有限的，而在有限的次數(shù)內(nèi)，它采樣的數(shù)值是恒定的，非0即1，則在改變信噪比之后，它的取值也只能是這兩個值，因此誤碼率是恒定的。5 出現(xiàn)的問題 在本次課程設計運用了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的幫助下總算得以解決，總結分析分析如下：（1）若波形出錯，可以把濾波器級數(shù)(默認為8)適當減小，使濾波器精確度變小，允許誤差變大，便于波形的輸出。 （2）在選擇帶通濾波器的參數(shù)時候要