基于MATLAB的二進(jìn)制移頻鍵控調(diào)制(2FSK)與解調(diào)分

武漢理工大學(xué)《信號(hào)分析處理》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄第一章軟件簡(jiǎn)介 21.1Matlab簡(jiǎn)介 21.2Simulink介紹 2第二章FSK基本知識(shí) 32.1通信系統(tǒng)模型 32.2FSK的時(shí)域分析 42.3FSK信號(hào)的頻譜特性： 52.42FSK數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制方法 52.5FSK數(shù)字系統(tǒng)的解調(diào)方法 62.6方案比較 7第三章Matlab仿真 83.1仿真思路 83.2仿真程序 83.3輸出波形及結(jié)果分析 113.4結(jié)果分析 17第四章用Simulink仿真FSK調(diào)制解調(diào) 174.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì) 174.2電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇 184.3系統(tǒng)整體電路圖 194.4系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn) 194.5系統(tǒng)測(cè)試 214.6參數(shù)設(shè)置 22心得體會(huì) 25參考文獻(xiàn) 27第一章軟件簡(jiǎn)介1.1Matlab簡(jiǎn)介Simulink是Matlab中的一部分，首先簡(jiǎn)單介紹一下Matlab。Matlab是MatrixLaboratory的縮寫，意為矩陣實(shí)驗(yàn)室。它具有強(qiáng)大的矩陣處理功能和繪圖功能，進(jìn)還能進(jìn)行文字處理，繪圖，建模仿真等功能。Matlab已經(jīng)發(fā)展成為多學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大的大型軟件。Matlab的幫助功能很強(qiáng)大，自帶有詳細(xì)的幫助手冊(cè)，基于HTML的完整的幫助功能，也可以用help命令來(lái)得到幫助信息。程序語(yǔ)法與C語(yǔ)言類似，設(shè)計(jì)自由度大，方便我們編程。Matlab有高級(jí)的程序環(huán)境，但程序環(huán)境很簡(jiǎn)單易用。Matlab源程序具有很大的開(kāi)放性。Matlab有強(qiáng)大的的圖形繪制功能。Matlab還擁有功能強(qiáng)大的各種工具箱。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無(wú)需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高，精，尖的研究，能極大地促進(jìn)我們的學(xué)習(xí)研究工作。1.2Simulink介紹Simulink是Matlab中一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。Simulink提供了一種圖形化的交互環(huán)境來(lái)建模、分析和仿真各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，只需用鼠標(biāo)拖動(dòng)的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫一行代碼。使用簡(jiǎn)單方便。Simulink框圖提供了交互性很強(qiáng)的仿真環(huán)境，既可以通過(guò)下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過(guò)命令行進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行一大類仿真如蒙特卡羅仿真非常有用。Simulink的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB、FORTRAN和C代碼生成自定義模塊庫(kù)，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進(jìn)來(lái)，或者購(gòu)買使用第三方開(kāi)發(fā)提供的模塊庫(kù)進(jìn)行更高級(jí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與分析。Simulink的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB、FORTRAN和C代碼生成自定義模塊庫(kù)，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進(jìn)來(lái)，或者購(gòu)買使用第三方開(kāi)發(fā)提供的模塊庫(kù)進(jìn)行更高級(jí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與分析。由于Simulink可以直接利用MATLAB的諸多資源與功能，因而用戶可以直接在Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過(guò)程自動(dòng)化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級(jí)的設(shè)計(jì)和分析能力可以融入仿真過(guò)程。Simulink具有以下特點(diǎn)：(1)基于矩陣的數(shù)值計(jì)算。(2)高級(jí)編程語(yǔ)言。(3)圖形與可視化。第二章FSK基本知識(shí)2.1通信系統(tǒng)模型通信系統(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2-1所示。圖2-1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(hào)來(lái)傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖2-2所示。圖2-2數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞消息的通信系統(tǒng)，模型如圖2-3所示。圖2-3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(qiáng)、便于加密、易于實(shí)現(xiàn)集成化、便于與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)。因而，數(shù)字通信更能適應(yīng)對(duì)通信技術(shù)的越來(lái)越高的要求。近二十年來(lái)，數(shù)字通信發(fā)展十分迅速，在整個(gè)通信領(lǐng)域中所占比重日益增長(zhǎng)，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。2.2FSK的時(shí)域分析在二進(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f1，傳送“0”碼時(shí)對(duì)應(yīng)于載波頻率f0。（2-1）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，即利用Matlab對(duì)FSK的調(diào)制過(guò)程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。(2-2)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:（2-4）由式(2-3)可知，相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)2ASK調(diào)幅信號(hào)之和。2FSK信號(hào)波形可看作兩個(gè)2ASK信號(hào)波形的合成。下圖是相位連續(xù)的2FSK信號(hào)波形圖2-4相位連續(xù)的2FSK波形2.3FSK信號(hào)的頻譜特性：由于相位離散的2FSK信號(hào)可看成是兩個(gè)2ASK信號(hào)之和，所以，這里可以直接應(yīng)用2ASK信號(hào)的頻譜分析結(jié)果，比較方便，即2FSK信號(hào)帶寬為式中，是基帶信號(hào)的帶寬。2.42FSK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?？梢杂枚M(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：圖2-5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：圖2-6模擬法調(diào)制2.5FSK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：圖2-7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：圖2-8相干解調(diào)2.6方案比較FSK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。FSK的解調(diào)方式：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)。第三章Matlab仿真3.1仿真思路1.首先要確定采樣頻率fs和兩個(gè)載波頻率的值f1，f2。2.寫出輸入已經(jīng)信號(hào)的表達(dá)式S(t)。由于S(t)中有反碼的存在，則需要將信號(hào)先反轉(zhuǎn)后在從原信號(hào)和反轉(zhuǎn)信號(hào)中進(jìn)行抽樣。寫出已調(diào)信號(hào)的表達(dá)式S(t)。3.在2FSK的解調(diào)過(guò)程中，信號(hào)首先通過(guò)帶通濾波器，設(shè)置帶通濾波器的參數(shù)，后用一維數(shù)字濾波函數(shù)filter對(duì)信號(hào)S(t)的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。輸出經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的信號(hào)波形。由于已調(diào)信號(hào)中有兩個(gè)不同的載波（ω1,ω2）,則經(jīng)過(guò)兩個(gè)不同頻率的帶通濾波器后輸出兩個(gè)不同的信號(hào)波形H1,H2。4.經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的2FSK信號(hào)再經(jīng)過(guò)相乘器（cosω1，cosω2），兩序列相乘的MATLAB表達(dá)式y(tǒng)=x1.*x2→SW=Hn.*Hn，輸出得到相乘后的兩個(gè)不同的2FSK波形h1,h2。5.經(jīng)過(guò)相乘器輸出的波形再通過(guò)低通濾波器，設(shè)置低通濾波器的參數(shù)，用一維數(shù)字濾波函數(shù)filter對(duì)信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行新的一輪的濾波處理。輸出經(jīng)過(guò)低通濾波器后的兩個(gè)波形（sw1,sw2）。6.將信號(hào)sw1和sw2同時(shí)經(jīng)過(guò)抽樣判決器，分別輸出st1,st2。其抽樣判決器輸出的波形為最后的輸出波形st。對(duì)抽樣判決器經(jīng)定義一個(gè)時(shí)間變量長(zhǎng)度i，當(dāng)st1(i)>=st2(i)時(shí)，則st=0，否則st=st2(i).其中st=st1+st2。3.2仿真程序%程序如下：%2FSK仿真程序clc;clear;set(findobj('Color',[0.8000.8000.800]),'Color','w');%設(shè)置背景白fs=2000;%采樣頻率dt=1/fs;f1=20;f2=120;%兩個(gè)信號(hào)的頻率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=g1a.*cos(2*pi*f1.*t);fsk2=g2a.*cos(2*pi*f2.*t);fsk=fsk1+fsk2;%產(chǎn)生的信號(hào)no=0.0*randn(1,t1);%噪聲sn=fsk+no;subplot(311);plot(t,no);title('噪聲波形');ylabel('噪聲幅度');%噪聲波形subplot(312);plot(t,fsk);title('信號(hào)');ylabel('信號(hào)幅度');subplot(313);plot(t,sn);title('疊加有噪聲的信號(hào)');ylabel('幅度A');xlabel('時(shí)間t');figure(2);b1=fir1(101,[10/80020/800]);b2=fir1(101,[90/800110/800]);%設(shè)置帶通參數(shù)H1=filter(b1,1,sn);H2=filter(b2,1,sn);%經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的信號(hào)subplot(211);plot(t,H1);title('經(jīng)過(guò)帶通濾波器后f1的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,H2);title('經(jīng)過(guò)帶通濾波器后f2的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')sw1=H1.*H1;sw2=H2.*H2;%經(jīng)過(guò)相乘器figure(3)subplot(211);plot(t,sw1);title('經(jīng)過(guò)相乘器h1后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,sw2);title('經(jīng)過(guò)相乘器h2后的波形');ylabel('?幅度');xlabel('t')bn=fir1(101,[2/80010/800]);%經(jīng)過(guò)低通濾波器figure(4)st1=filter(bn,1,sw1);st2=filter(bn,1,sw2);subplot(211);plot(t,st1);title('經(jīng)過(guò)低通濾波器sw1后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,st2);title('經(jīng)過(guò)低通濾波器sw2后的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')%判決fori=1:length(t)if(st1(i)>=st2(i))st(i)=0;elsest(i)=st2(i);endendfigure(5)subplot(211);plot(t,st);title('經(jīng)過(guò)抽樣判決器后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,sn);title('原始的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')%加入噪聲后no=0.3*randn(1,t1);%噪聲sn=fsk+no;figure(6)subplot(311);plot(t,no);title('噪聲波形');ylabel('噪聲幅度');%噪聲波形subplot(312);plot(t,fsk);title('信號(hào)');ylabel('信號(hào)幅度');subplot(313);plot(t,sn);title('疊加有噪聲的信號(hào)');ylabel('幅度A');xlabel('時(shí)間t');figure(7);b1=fir1(101,[10/80020/800]);b2=fir1(101,[90/800110/800]);%設(shè)置帶通參數(shù)H1=filter(b1,1,sn);H2=filter(b2,1,sn);%經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的信號(hào)subplot(211);plot(t,H1);title('經(jīng)過(guò)帶通濾波器后f1的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,H2);title('經(jīng)過(guò)帶通濾波器后f2的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')sw1=H1.*H1;sw2=H2.*H2;%經(jīng)過(guò)相乘器figure(8)subplot(211);plot(t,sw1);title('經(jīng)過(guò)相乘器h1后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,sw2);title('經(jīng)過(guò)相乘器h2后的波形');ylabel('?幅度');xlabel('t')bn=fir1(101,[2/80010/800]);%經(jīng)過(guò)低通濾波器figure(9)st1=filter(bn,1,sw1);st2=filter(bn,1,sw2);subplot(211);plot(t,st1);title('經(jīng)過(guò)低通濾波器sw1后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,st2);title('經(jīng)過(guò)低通濾波器sw2后的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')%判決fori=1:length(t)if(st1(i)>=st2(i))st(i)=0;elsest(i)=st2(i);endendfigure(10)subplot(211);plot(t,st);title('經(jīng)過(guò)抽樣判決器后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,sn);title('原始的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')set(findobj('Color',[0.8000.8000.800]),'Color','w');%設(shè)置背景白%程序完；3.3輸出波形及結(jié)果分析對(duì)于噪聲強(qiáng)度系數(shù)為0（未加噪聲）時(shí)，執(zhí)行上述程序得到以下5個(gè)圖形。圖3-1（a）沒(méi)有噪聲時(shí)的波形圖3-1（b）帶通濾波后的波形圖3-1（c）相乘后的波形圖3-1（d）低通濾波后的波形圖3-1（e）判決后的波圖3-1噪聲為0（沒(méi)有噪聲）時(shí)的波形而對(duì)于噪聲強(qiáng)度系數(shù)（方差）為0.3時(shí)，執(zhí)行上述程序又可得到另外5個(gè)圖形。圖3-2（a）沒(méi)有噪聲時(shí)的波形圖3-2（b）帶通濾波后的波形圖3-2（c）相乘后的波形圖3-2（d）低通濾波后的波形圖3-2（e）判決后的波形圖3-2噪聲方差為0.3時(shí)的波形3.4結(jié)果分析2FSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)原理是通過(guò)帶通濾波器將2FSK信號(hào)分解為上下兩路2FSK信號(hào)后分別解調(diào)，然后進(jìn)行抽樣判決輸出信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)信號(hào)2FSK采用相干解調(diào)進(jìn)行解調(diào)。對(duì)于2FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能，本實(shí)驗(yàn)采用同步檢測(cè)法。設(shè)“1”符號(hào)對(duì)應(yīng)載波頻率f1，“0”符號(hào)對(duì)應(yīng)載波頻率f2。在原理圖中采用兩個(gè)帶通濾波器來(lái)區(qū)分中心頻率分別為f1和f2的信號(hào)。中心頻率為f1的帶通濾波器之允許中心頻率為f1的信號(hào)頻譜成分通過(guò)，濾除中心頻率為接收端上下支路兩個(gè)帶通濾波器的輸出波形中H1,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(guò)上下兩個(gè)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(σn)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(hào)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(shí)若規(guī)定“1”符號(hào)對(duì)應(yīng)載波頻率f1，則接收時(shí)上支路的抽樣較大，應(yīng)判為“1”，反之則判為“在（0，Ts）時(shí)間內(nèi)發(fā)送“1”符號(hào)（對(duì)應(yīng)ω1），則上下支路兩個(gè)帶通濾波器輸出波形H1,H2。H1,H2分別經(jīng)過(guò)相干解調(diào)（相乘—低通）后，送入抽樣判決器進(jìn)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為信號(hào)成分；n1和n2均為低通型高斯噪聲，其均值為零，方差為（σn）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(hào)，造成將“1”第四章用Simulink仿真FSK調(diào)制解調(diào)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)換成電話線上傳輸?shù)哪M信號(hào)圖4-1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4-2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f1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AnalogFilterDesign,選用的均是切比雪夫?yàn)V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