二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設計-2FSK系統(tǒng)

武漢理工大學《專業(yè)課程設計3（通信原理）》課程設計說明書TOC\o"1-4"\h\z\u目錄1技術指標 12基本原理 12.12FSK的基本原理 12.22FSK的調制原理 22.32FSK的解調原理 32.3.12FSK相干解調 32.3.22FSK非相干解調 33建立模型描述 43.1基于SystemView的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計 43.2基于simulink的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計 53.3基于m語言的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計 74模型組成模塊功能描述（或程序注釋） 74.1基于SystemView的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計模塊的功能描述 74.1.12FSK的調制與相干解調 74.1.22FSK的調制與非相干解調 84.2基于simulink的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計模塊的功能描述 94.2.12FSK的調制與相干解調 94.2.22FSK的調制與非相干解調 104.3基于m語言的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計的程序注釋 105調試過程及結論 145.1基于Sytemview的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計的過程和結果 145.1.12FSK調制與相干解調過程和結果 145.1.22FSK調制與非相干解調過程和結果 155.2基于simulink的2FSK系統(tǒng)仿真設計的過程和結果 175.2.12FSK的調制與相干解調過程和結 175.2.22FSK調制與非相干解調的過程和結果 195.3基于m語言程序的2FSK仿真設計的結果 206心得體會 227參考文獻 23

二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設計——2FSK系統(tǒng)1技術指標設計一個2FSK數(shù)字調制系統(tǒng)，要求：（1）設計出規(guī)定的數(shù)字通信系統(tǒng)的結構；（2）根據(jù)通信原理，設計出各個模塊的參數(shù)（例如碼速率，濾波器的截止頻率等）；（3）用Matlab或SystemView實現(xiàn)該數(shù)字通信系統(tǒng)；（4）觀察仿真并進行波形分析；（5）系統(tǒng)的性能評價。2基本原理2.12FSK的基本原理頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號和兩個頻率點間變化。故其表達式為典型波形如圖2-1所示。圖2-12FSK信號的時間波形由圖可見，2FSK信號的波形可以分解成兩個波形，也就是說，一個2FSK信號可以看成是兩個不同的2ASK信號的疊加。因此，2FSK信號的時域表達式又可以寫成在頻移鍵控中，和不攜帶信息，通常可令其為零。2.22FSK的調制原理2FSK信號的產(chǎn)生方法主要有兩種。一種可以采用模擬調頻電路阿里實現(xiàn)；另一種可以采用鍵控法來實現(xiàn)，即在二進制基帶舉行脈沖序列的控制下通過開關電路對兩個不懂的獨立頻率源進行選通，使其在每一個碼元時間輸出或兩個載波之一，如圖2-2所示。基帶信號2FSK信號振蕩器1反相器選通開關振蕩器2相加器選通開關選通開關振蕩器1相加器振蕩器2反相器選通開關基帶信號2FSK信號振蕩器1反相器選通開關振蕩器2相加器選通開關選通開關振蕩器1相加器振蕩器2反相器選通開關圖2-2鍵控法產(chǎn)生2FSK信號的原理圖這兩種方法產(chǎn)生2FSK信號的差異在于：由調頻法產(chǎn)生的2FSK信號在相鄰碼元之間的相位是變化連續(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定連續(xù)。2.32FSK的解調原理2FSK信號的常用解調方法是非相干解調（包絡檢波）和相干解調。其解調原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調，然后進行判決。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值得大小，可以不專門設置門限。判決規(guī)則應與調制規(guī)則相呼應，調制時若規(guī)定“1”符號對應載波頻率，則接收時上支路的樣值較大，應判為“1”；反之則判為“0”。2.3.12FSK相干解調已調信號由兩個載波、調制而成，則先用兩個分別對、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、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。其原理如圖2-3所示。圖2-32FSK相干解調原理圖圖2-32FSK相干解調原理圖2.3.22FSK非相干解調調制后的2FSK數(shù)字信號通過兩個頻率不同的帶通濾波器、濾出不需要的信號，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2-4所示。圖2-42FSK非相干解調原理圖圖2-42FSK非相干解調原理圖3建立模型描述3.1基于SystemView的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計SystemView是美國ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具。它界面友好，使用方便。SystemView是一個信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設計、仿真，是一個強有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設計、直到復雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設計、仿真要求。它可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌霞岸嗨俾氏到y(tǒng)，可用于各種線性、非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真。SystemView以模塊化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個嵌入式的分析引擎。使用SystemView你只需要關心項目的設計思想和過程，而不必花費大量的時間去編程建立系統(tǒng)仿真模型。用戶只需使用鼠標器點擊圖標即可完成復雜系統(tǒng)的建模、設計和測試，而不必學習復雜的計算機程序編制，也不必擔心程序中是否存在編程錯誤。SystemView仿真系統(tǒng)的特點：1.能仿真大量的應用系統(tǒng)；2.速方便的動態(tài)系統(tǒng)設計與仿真；3.在報告中方便地加入SystemView的結論；4.提供基于組織結構圖方式的設計；5.多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng)；6.完備的濾波器和線性系統(tǒng)設計；7.先進的信號分析和數(shù)據(jù)塊處理；8.可擴展性；9.完善的自我診斷功能。根據(jù)2FSK的原理圖進行SystemView的設計與制作，首先通過學習這款軟件來掌握基礎操作知識和技能，然后在進行具體的設計與制作。如圖3-1和圖3-2分別表示2FSK鍵控調制與相干解調和2FSK模擬調制與非相干解調原理圖。圖3-12FSK模擬調制與相干解調圖3-22FSK模擬調制與非相干解調3.2基于simulink的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計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是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(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。Simulink的特點：富的可擴充的預定義模塊庫；交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖；以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理；通過ModelExplorer導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼；提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成；使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型；圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為；交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖；8.可訪問MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。根據(jù)2FSK系統(tǒng)原理結合Simulink的學習設計并制作了如下圖3-3和圖3-4的2FSK模擬調制與相干解調和2FSK模擬調制與非相干解調原理圖。圖3-32FSK模擬調制與相干解調圖3-42FSK模擬調制與非相干解調3.3基于m語言的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計用rand函數(shù)模擬二進制信號源，ellipord和ellip函數(shù)求得橢圓低通濾波器階數(shù)，filter函數(shù)實現(xiàn)濾波功能，plot函數(shù)繪圖，eyediagram函數(shù)繪制眼圖，simbasebandex函數(shù)用于誤碼率的計算。同時m文件的可編譯性使得程序的調試，特別是低通濾波器的參數(shù)設置（程序中的fp，fs以及Fs）十分方便。4模型組成模塊功能描述（或程序注釋）4.1基于SystemView的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計模塊的功能描述4.1.12FSK的調制與相干解調圖4-1為2FSK的調制模塊，采用鍵控法產(chǎn)生2FSK調制信號。隨機比特流的頻率為100Hz，信號源1的頻率為1000Hz，信號源2的頻率為2000Hz。圖4-2為2FSK的相干解調與濾波模塊，帶通濾波器的值分別設為700Hz——1300Hz，1700Hz——2200Hz；低通濾波器的值都為100Hz；圖4-3為2FSK的抽樣比較模塊，抽樣判決器的抽樣頻率為1000Hz,比較器的值設為a小于等于b.圖4-1調制模塊圖4-2相干解調與濾波模塊圖4-3抽樣與判決模塊4.1.22FSK的調制與非相干解調調制部分與上面相同，都是采用鍵控法產(chǎn)生2FSK調制信號，解調過程不同，這是采用非相干解調，如圖4-4所示。圖4-4非相干解調過程中依然有帶通濾波、低通濾波、抽樣判決的過程，與相干解調相似，具體數(shù)據(jù)也大部分相同，但是這里的判決條件是a大于等于b。4.2基于simulink的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計模塊的功能描述4.2.12FSK的調制與相干解調圖4-5為系統(tǒng)調制模塊。實驗中通過模擬調制產(chǎn)生2FSK調制信號。隨機比特流的頻率為100Hz，信號源1的頻率為1000Hz，信號源2的頻率為2000Hz。圖4-6為系統(tǒng)信道模塊。實驗中的信道為加了加性高斯白噪聲的信道。圖4-7為相干解調模塊。實驗中帶通濾波器的值分別設為800Hz——1200Hz，1800Hz——2200Hz；低通濾波器的值都為100Hz；抽樣判決器的抽樣頻率為100Hz。圖4-8為誤碼率計算模塊。評估系統(tǒng)設計的好壞。圖4-5系統(tǒng)調制模塊圖4-6系統(tǒng)信道模塊圖4-7系統(tǒng)相干解調模塊圖4-8誤碼率計算模塊4.2.22FSK的調制與非相干解調2FSK調制與非相干解調過程的信號調制模與信道模塊以及誤碼率計算模塊與2FSK調制與相干解調過程的一樣，不同之處在于解調模塊，如圖4-9所示，帶通濾波器低通濾波器及抽樣判決器的參數(shù)值與相干解調一樣，Abs為全波整流器。圖4-9非相干解調4.3基于m語言的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計的程序注釋Fc=20;%載頻Fs=100;%系統(tǒng)采樣頻率Fd=1;%碼速率N=Fs/Fd;df=10;numSymb=50;%進行仿真的信息代碼個數(shù)M=2;%進制數(shù)SNRpBit=100;%信噪比SNR=SNRpBit/log2(M);%60seed=[1234554321];numPlot=15; x=randsrc(numSymb,1,[0:M-1]);%產(chǎn)生50個二進制隨機碼figure(1)stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),'bx');title('二進制比特流')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,'fsk',M,df);%數(shù)字帶通調制numModPlot=numPlot*Fs;t=[0:numModPlot-1]./Fs;figure(2)plot(t,y(1:length(t)),'b-');axis([min(t)max(t)-1.51.5]);title('調制后的信號')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');%加入高斯白噪聲randn('state',seed(2)); y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),'measured',[],'dB');%加入高斯白噪聲figure(3)plot(t,y(1:length(t)),'b-');axis([min(t)max(t)-1.51.5]);title('加入高斯白噪聲后的已調信號')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');%相干解調figure(4)z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye',M,df);title('相干解調后信號的眼圖')%帶輸出波形的相干M元頻移鍵控解調figure(5)stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),'bx');holdon;stem([0:numPlot-1],z1(1:numPlot),'ro');holdoff;axis([0numPlot-0.51.5]);title('相干解調后信號與原信號的比較')legend('原輸入二進制比特流','相干解調后的信號')xlabel('Time');ylabel('Amplitude'); %非相干解調figure(6)z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye/noncoh',M,df);title('非相干解調后信號的眼圖')figure(7)stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),'bx');holdon;stem([0:numPlot-1],z2(1:numPlot),'ro');holdoff;axis([0numPlot-0.51.5]);title('非相干解調后的信號')legend('原輸入二進制比特流','非相干解調后的信號')xlabel('Time');ylabel('Amplitude'); %誤碼率統(tǒng)計[errorSymratioSym]=symerr(x,z1);figure(8)simbasebandex([0:1:5]);title('相干解調后誤碼率統(tǒng)計')[errorSymratioSym]=symerr(x,z2);figure(9)simbasebandex([0:1:5]);title('非相干解調后誤碼率統(tǒng)計') %濾除高斯白噪聲Delay=3;R=0.5;PropD=0;%滯后3s[yf,tf]=rcosine(Fd,Fs,'fir',R,Delay);[yo2,to2]=rcosflt(y,Fd,Fs,'filter',yf);t=[0:numModPlot-1]./Fs;figure(10)plot(t,y(1:length(t)),'r-');holdon;plot(to2,yo2,'b-');%濾出帶外噪聲holdoff;axis([030-1.51.5]);xlabel('Time');ylabel('Amplitude');legend('加入高斯白噪聲后的已調信號','經(jīng)過升余弦濾波器后的已調信號')title('升余弦濾波前后波形比較')eyediagram(yo2,N);%眼圖title('加入高斯白噪聲后已調信號的眼圖')5調試過程及結論5.1基于Sytemview的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計的過程和結果5.1.12FSK調制與相干解調過程和結果圖5-12FSK調制波形圖5-22FSK相干解調上支路波形圖5-32FSK相干解調下支路波形圖5-4調制與相干解調后的對比波形5.1.22FSK調制與非相干解調過程和結果圖5-52FSK調制波形圖5-62FSK非相干解調上支路波形圖5-72FSK非相干解調下支路波形圖5-82FSK調制與非相干解調的對比波形5.2基于simulink的2FSK系統(tǒng)仿真設計的過程和結果5.2.12FSK的調制與相干解調過程和結圖5-92FSK調制波形圖5-102FSK加噪聲信號對比圖圖5-112FSK相干解調上支路波形圖5-122FSK相干解調下支路波形圖5-132FSK調制與相干解調波形5.2.22FSK調制與非相干解調的過程和結果圖5-142FSK調制波形圖5-152FSK加噪波形圖5-162FSK非相干解調上支路波形圖5-172FSK非相干解調下支路波形圖5-182FSK調制與非相干解調波形5.3基于m語言程序的2FSK仿真設計的結果圖5-19二進制序列圖5-202FSK調制信號圖5-21加入高斯噪聲后的調制信號圖5-22相干解調后信號眼圖圖5-23相干解調后信號與原始比較圖5-24非相干解調后眼圖圖5-25非相干解調后信號與原始信號對比圖5-26相干解調后誤碼率圖5-27非相干解調后誤碼率圖5-28升余弦濾波前后波形圖5-29加入高斯噪聲后調制信號眼圖6心得體會這是大學第三次課設了，感覺一點都不陌生了，因為有了前面兩次的經(jīng)驗，