数字带通传输2FSK系统 设计报告.docx

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数字带通传输2FSK系统设计报告

通信系统课程设计报告

数字带通传输—2FSK系统

摘要

本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的simulink仿真平台设计进行差分码2FSK调制与非相干解调系统仿真。

在本次课程设计中先根据2FSK调制与解调原理构建调制解调电路，从Simulink工具箱中找所各元件，合理设置好参数并运行，其中可以通过不断的修改优化得到需要信号，之后加入高斯，并分析对信号的影响，最后通过对输出波形和功率谱的分析得出差分码2FSK调制解调系统仿真是否成功。

关键词:

Simulink；2FSK调制；差分码2FSK；相干解调

1引言

本次课程设计主要运用MATLAB软件，在Simulink平台下建立仿真模型。

实现模拟基带信号经差分码FSK调制与非相干解调的传输过程，通过分析比较调制解调输出波形以及功率谱特征，理解差分码FSK调制原理。

在分别加入高斯噪声，观察对波形的影响，并对其进行分析总结。

1.1课程设计的目的

通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课，是通信工程专业后续专业课的基础。

掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础，可提高处理通信系统问题能力和素质。

由于通信工程专业理论深、实践性强，做好课程设计，对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。

通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解，培养学生专业素质，提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力，为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。

使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知识和基本理论，掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能，受到必要工程训练和初步的科学研究方法和实践训练，增强分析和解决问题的能力，了解本通信专业的新发展。

1.2课程设计的基本任务和要求

本次课程设计是用simulink仿真实现一个数字带通传输系统：

1）信源：

产生二进制随机比特流，数字基带信号任选，例如单极性、双极性数字信号，可以是矩形波、三角波等数字基带信号波形。

2）调制：

可以选择简单的二进制数字调制方式，例如二进制振幅键控（2ASK）、二进制相移键控（2PSK）、二进制频移键控（2FSK），也可以选择其它高效的调制方式，例如多进制数字振幅键控等。

3）信道：

假定信道属于加性高斯信道。

4）结果：

仿真出该数字传输系统的性能指标，即该系统的误码率，并画出SNR（信噪比）和误码率的曲线图。

1.3设计平台

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulik是MATLAB软件的扩展，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

所谓模型化图形输入是指Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。

2基本原理

2.1数字带通传输

数字带通传输系统：

通常把包括调制和解调过程的数字传输系统。

数字信号的传输方式分为基带传输（basebandtransmission）和带通传输（bandpasstransmission）。

然而，实际中的大多数信道（如无线信道）因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。

为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。

这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程称为数字调制（digitalmodulation）。

在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调（digitaldemodulation）。

通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。

一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。

因此数字调制技术有两种方法：

（1）利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况处理；

（2）利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。

这种方法通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）、频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）和相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）三种基本的数字调制方式。

2.22FSK系统

频移键控是利用载波的频率来传递数字信号，在2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。

2FSK信号的产生方法主要有两种。

一种可以采用模拟电匝来实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关对两个不同的独立源进行先通，使其在每一个码元期间输出f1和f2两个载波之一。

这两种方法产生2FSK信号的差异在于：

由调频法产生的2FSK信呈在相邻码元之间的相位是连续变化的，而键控法产生的2FSK信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一不定期连续。

频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。

在2FSK中，载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化。

故其表达式为：

典型波形如下图所示。

由图2.1可见。

图2.12FSK信号的调制过程原理图

2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。

因此2FSK信号的时域表达式又可以写成：

2.32FSK数字系统的调制原理

2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。

可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频w2的已调波形，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源w1、f2进行选择通。

如图2.2为调制原理图：

图2.22FSK的调制原理图

2.42FSK的解调方式

2FSK的解调方式有两种:

相干解调方式和非相干解调方式.下面我们将详细的介绍:

2.4.1非相干解调

经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f1、f2滤出不需要的信号，然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波，最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲，最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。

其原理图如图2.3所示：

图2.32FSK信号的非相干解调方式

2.4.2相干解调

根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成，则先用两个分别对f1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干

解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。

原理图如下：

图2.42FSK信号的相干方式解调原理图

3差分码2FSK系统组成

3.1差分码2FSK的调制部分

3.1.1差分码2FSK调制模块结构模型

2FSK信号是由频率分别为Sinewave和Sinewave1的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中Sinewave和Sinewave1是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号。

调制模型图如图3.1.1所示：

图3.1.12FSK信号调制模块

3.1.2差分码2FSK的调制部分参数设置

载波sinwave1的参数设置

图3.1.2载波sinewave1的参数设置

载波sinwave2的参数设置

图3.1.3载波sinewave1的参数设置

基带信号模块BernoulliBinaryGenerator其参数设置如下：

图3.1.4基带信号参数设置

3.2差分码FSK信号解调

3.2.1差分码FSK的解调部分

打开simulink工具箱，点击file图标，选择新建中的model，新建一个仿真空白模型，将2FSK信号调至所需要的模块拖入空白模型中，也可点击鼠标左键单击“addtountitled”。

下图中FromFile模块为调制部分的封装ToFile模块，AnalogFilterDesign模块为带通滤波器，Abs模块为绝对值，其作用等同于保罗检测器，Scope模块为示波器，Subtract模块对信号进行加法或减法运算，PowerSpectral模块是功率谱，Zeroorderhold模块的功能为零阶保持模块，QuantizingEncoder为量化编码器模块，Zeroorderhold和QuantizingEncoder的作用等同于在定时脉冲下的抽样判决器。

解调模型图如图3.2.1所示：

图3.2.12FSK信号解调模块

3.2.2差分码2FSK的调制部分参数设置

在带通滤波器的参数设置中，带通滤波器1参数设置

图3.2.2带通滤波器1参数设置

带通滤波器2参数设置

图3.2.3带通滤波器2参数设置

零阶保持模块的参数设置

图3.2.4零阶保持器参数设置

3.3加入高斯噪声的差分码2FSK相干解调

高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。

在理想信道调制与解调的基础上，在调制信号上加入高斯噪声，把Simulink噪声源下的高斯噪声模块（GaussianNoiseGenerator）加入到模型中。

噪声参数设置、模型与波形图如下：

图3.3.1差分码2FSK加入高斯噪声

高斯噪声参数设置

图3.3.2高斯噪声参数设置

3.4系统2FSK的误码率计算模块

图3.4.12FSK系统的误码率计算模块

3.5系统整体结构

图3.5.1整体结构

4仿真结果

4.12FSK调制模块仿真

经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，仿真结果如图4.1所示：

图4.12FSK的调制模块仿真

其中第1段图形为基带信号的波形图；第2段图形为载波1与基带信号差分码波形图；第3段为基带信号的差分码波形图；第4段为载波2与基带信号的差分码波形图；第4段图形为FSK调制信号。

4.22FSK的解调部分仿真

经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，仿真结果如图4.2所示：

图4.22FSK的解调模块仿真

4.32FSK加入高斯白噪声后的仿真

图4.3加入高斯噪声后的波形

4.42FSK误码率计算

图4.42FSK误码率的计算

4.5结果分析

表1信噪比与误码率的关系

信噪比

10

30

50

70

90

误码率

6.36E-01

6.36E-01

6.36E-01

6.36E-01

6.36E-01

由上表可以看出不论信噪比如何改变，误码率恒不变。

分析可知由于我们在仿真的过程中采样次数是有限的，而在有限的次数内，它采样的数值是恒定的，非0即1，则在改变信噪比之后，它的取值也只能是这两个值，因此误码率是恒定的。

5出现的问题

在本次课程设计运用了MATLAB软件下Simulink建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和在老师和同学的帮助下总算得以解决，总结分析分析如下：

（1）若波形出错，可以把滤波器级数（默认为8）适当减小，使滤波器精确度变小，允许误差变大，便于波形的输出。

（2）在选择带通滤波器的参数时候要严格按照需要的频率范围取值，通过计算载波和基带信号的频率可以得出该频率范围取值。

（3）在整个仿真过程中，各模块的参数设置十分重要，一定要设置合适的参数，才会得出所需要的信号。

6总结

经过为期两周的课程设计，在同学和老师的帮助下我顺利的完成了任务。

不同于在教室里上的理论，这次的课程设计需要将我们平时所学习的知识运用到实践之中，将知识学以致用。

因为是以所学理论为基础，所以在课程设计的过程中，我又重温了2FSK的调制与解调等知识，更加熟悉了MATLAB里的Simulink工具箱，学会了独立建立模型，分析调制与解调结果，加入噪声之后的情况，通过自己不断地调试，更好的理解加入噪声对信道的影响。

通过这次课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了实际操作能力，综合素质也得到了提高，进一步加深了了我们对专业的认识和激发了我们对专业的兴趣。

参考文献

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国防工业出版社，2006

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西安电子科技大学出版社，2005

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