基于MATLAB的2FSK数字通信系统的误码率分析.docx
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基于MATLAB的2FSK数字通信系统的误码率分析
摘要
FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是:
实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。
在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
数字频率调制又称为频移键控，记作FSK（FrequencyShiftKeying），二进制频移键控记作2FSK。
数字频移键控是用载波的频率来传送数字信息的，即用所传送的数字消息控制载波的频率，由于数字只有有限个取值。
那么，2FSK信号
对应与载波，而符号"0"对应于载频（与不同的另一个载频）的便是符号"1"
已调波形，而且1与0之间的改变是瞬间来完成的。
从原理上讲调频可用模拟调频来实现，也可用键控法来实现，后者较为简便。
调制后可以可以相干解调也可以非相干解调。
基于MATLAB仿真可用于分析FSK调制在AWGN信道中的误码性能。
并通过与理论分析值进行比较，验证模型的准确性。
关键字:
2FSK，调制解调,MATLAB,误码率，BER
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1绪论.......................................................................41.1.通信技术的历史与发展.....................................................41.1.1通信的概念.............................................................51.2.模拟通信系统.............................................................61.2.1模拟通信系统概述......................................................61.2.2模拟通信系统的模型.....................................................71.2.3模拟通信系统的调制方式................................................71.2.4模拟通信系统的应用.....................................................81.2.5模拟通信系统的优点与缺点...............................................81.3.数字通信系统.............................................................91.3.1数字通信系统的概述.....................................................91.3.3数字通信系统的模型.....................................................91.3.3数字通信系统优点与缺点...............................................101.3.4数字通信的发展概况....................................................101.3.5数字通信系统发展的主要技术............................................111.3.6数字通信系统的调制方式................................................122.二进制频移键控（2FSK）.....................................................132.1.2FSK的概念............................................................132.2.2FSK产生方法..........................................................142.32FSK信号的调制方式.....................................................142.42FSK的解调方式与抗噪性能...............................................153.2FSK的仿真...............................................................163.1MATLAB软件的介绍.......................................................163.2MATLAB产生的历史背景...................................................163.3仿真思路................................................................173.4MATLAB程序实现.........................................................183.5MATLAB仿真结果.........................................................21结论........................................................................25参考文献....................................................................26
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1绪论
1.1.通信技术的历史与发展
远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。
为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。
1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。
1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。
1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。
1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。
20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。
在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。
数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。
通信的发展趋向分为四个阶段:
（1）古代通信:
利用自然界的基本规律和人的基础感官（视觉，听觉等）可达性建立通信系统，是人类基于需求的最原始通信方式。
（2）近现代通信:
以电磁技术为起始，是电磁通信和数字时代的开始。
19世纪中叶以后，随着电报、电话的发有，电磁波的发现，人类通信领域产生了根本性的巨大变革，从此，人类的信息传递可以脱离常规的视听觉方式，用电信号作为新的载体，同此带来了一系列铁技术革新，开始了人类通信的新时代。
（3）当代通信:
移动通信和互联网通信时代
这个时代的特征是，在全球范围内，形成数字传输、程控电话交换通信为主，其他飞云因通信为辅的综合电信通信系统;电话网向移动方向延伸，并日益与计算机、电视等技术融合。
进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。
特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电
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子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。
（1）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。
（2）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。
（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。
（4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合人们将世界变成了地球村。
（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。
例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。
根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。
（4）未来通信:
大融合时代
电信网络发展进入网络融合发展的历程，随后，以思科为代表的设备制造商推出了“统一通信”的理念，未来的通信可能沿着融合2G、3G以及4G和WLAN，宽带网络的方向发展，但是不管如何，绝不会脱离现在科学技术的发展，依照其内在规律来发展，期待着未来移动与宽带等的统一、融合以及演进，可以说“一切，皆有可能”。
随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。
随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。
到那时人们的生活将越来越离不开通信。
1.1.1通信的概念
通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。
消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息。
消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。
所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。
所以，信号是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。
相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。
数
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字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。
通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息。
消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。
通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。
通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。
当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。
通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿（受信者），它的一般模型如图1-1所示。
信息源发送设备信道接收设备接收方
噪声源
图1-1通信系统一般模型
通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。
数字通信系统是利用数字信号传
递消息的通信系统.数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。
因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。
1.2.模拟通信系统
1.2.1模拟通信系统概述
在实际的通信中，由于通信业务的多样性，消息的来源也是多种多样的，但基本可以分为两大类:
连续的和离散的。
连续的消息如话音，声波振动的幅度是随时间连续变化的。
若把它转换为随时间连续变化的电压信号，信号幅度是时间连续函数。
这样的信号称作模拟信号;而离散消息，如打字机产生的消息，输出的消息符号个数是有限的。
如信号的参数与离散消息对应而离散取值，这就是数字信号。
再比如在电话通信中，用户线上传送的电信号是随着用户声音大小的变化而变化的。
这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信
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号称为模拟信号。
所以根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。
例如电话通信中这种在用户线上传输模拟信号的通信方式即称为模拟通信。
模拟通信，既利用正弦波的幅度、频率或相位的变化，或者利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号，以达到通信的目的，称为模拟通信。
可以把它定义为采用模拟信号传送信息的通信方式，也可以说是用模拟信号作为载体来传
或用模拟信号对载波进行模拟调制后再传输的通信方式。
而模拟信号在输信息，
日常生活中是经常遇到的。
例如语音信号、干扰信号、噪声、电视摄像管产生的图像电流信号等等。
其共同特点为:
幅度随时间作连续变化。
1.2.2模拟通信系统的模型
通信系统一般可以分为信号的发送、信号的传输以及信号的接受3个组成部分。
其目的是完成信号的无线电传输。
模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，常用的模拟通信系统包括中波/短波无线电广播、模拟电视广播、调频立体声广播等通信系统。
虽然当前通信技术发展的主流是数字通信技术，但是在实际应用中还有大量的模拟通信系统，并且模拟通信系统是数字通信系统的基础。
在模拟通信系统中，必须完成信号由低频段向高频段的搬移，也就是说要实现调制。
在接收端还需要将信号进行混频、谐振放大、解调、低频放大等相关处理，最终完成通信系统的基本过程。
模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2所示。
信道信息源调制器解调器信宿
信息源
噪声源
图1-2模拟通信系统模型
在模拟系统中存在两种变换:
第一种，将原来的信息转变成系统设备能够设别与传递的信息，如图形到电信号，此功能隐含有心信息源（信宿）模块完成;第二中，频率很低的原始电信号转化为适合信道传输的较高频率的信号，此功能由调制（解调）模块完成。
1.2.3模拟通信系统的调制方式
模拟调制是指用连续的模拟基带信号对正弦载波进行调制，使载波的参数随调制信号的作用而变化。
用于传递信号的载波一般采用正弦波，正弦波的主要参数有幅值、频率、相位，根据受控制载波参数的不同，模拟调制可以分为幅度调制（AM）和角度调制（包括频率调制（FM）和相位调制（PM））。
模拟调制主要应用于广播电视系统以及第一代移动通信系统。
1）幅度调制（AM）
幅度调制（AM）是指使载波的幅值随调制信号的作用而变化，这是一种线性调制技术，实现了调制信号频谱的线性搬移。
2）角度调制
角度调制是指载波的角度随着调制信号而变化，角度调制包括频率调制（FM）
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和相位调制（PM）。
频率调制（FM）指载波的瞬时角频率偏移随调制信号的变化而线性变化，相位调制（PM）指载波的瞬时相位偏移是调制信号的线性函数。
正弦波的相位的变化会引起频率的变化，同样，频率的变化也会引起相位的变化，两者的变化都会引起角度的变化，所以频率调制（FM）和相位调制（PM）统称为角度调制。
第一代的模拟蜂窝移动通信系统采用的是调频（FM）方式。
1.2.4模拟通信系统的应用
模拟通信的应用领域包括电话、模拟电视、模拟广播，还有即时的、广泛的时空服务。
网点的局限高模拟电话业、电报业、广播电视业，还可以传递话音信息，传输电报、传真、低速数据、图像等“非话信息”。
模拟通信是一种以模拟信号传输信息的通信方式。
非电的信号（如声、光等）输入到变换器（如送话器、光电管），使其输出连续的电信号，使电信号的频率或振幅等随输入的非电信号而变化。
例如普通电话所传输的信号即为模拟信号。
电话通信是最常用的一种模拟通信。
模拟通信系统主要由用户设备、终端设备和传输设备等部分组成。
其工作过程是:
在发送端，先由用户设备将用户送出的非电信号转换成模拟电信号，再经终端设备将它调制成适合信道传输的模拟电信号，然后送往信道传输。
到了接收端，经终端设备解调，然后由用户设备将模拟电信号还原成非电信号，送至用户。
1.2.5模拟通信系统的优点与缺点
模拟通信的优点:
是直观且容易实现，不需要复杂的实现过程。
直观且容易实现不需要任何复杂的过程或装置，占用频带窄。
体积更小、功能更多、用电更少、封装更好、成本更低，等等
模拟通信的缺点是:
1.保密性差
模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。
因为模拟信号本身的波形已经反映了话音信号的变化,只要得到模拟信号就可以获取其中的信息。
2.抗干扰能力弱
电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。
线路越长，噪声的积累也就越多。
3.设备不易大规模集成化
模拟通信中,为了调制解调要用到较多的电感器件和滤波器,这些器件都是不能集成的。
4.不适于飞速发展的计算机通信要求
不能适应数字通信网的需要，如不能直接和计算机联网，只能采用数模兼容的方式。
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1.3.数字通信系统
1.3.1数字通信系统的概述
数字通信系统是信源发出和新宿接收的是模拟信号，而信道传输的是数字信号的通信过程或方式。
因此数字通信系统可以说是信道中传输数字信号的系统成为能称为数字通信系统。
数字通信已广泛应用于各个频段和各种通信方式中,成为当今通信发展的一种必然趋势。
所谓数字通信即用数字信号传送信息进行通信,也可以说通信的数字化。
数字通信的主要优点在于用数字信号传送信息易于再生,可减小传输中的失真易于用脉冲数字电路来实现,设备可做到体积小、重量轻可以引入计算技术,应用微处理器及单片微机,发挥各种数字信号处理及智能化控制功能数字信号易于加密便于采用纠错编码和扩频技术,提高抗干扰能力。
数字通信之所以取得迅速的发展不是偶然的现象,有其理论上、技术上和客观需求上的基础从理论分析开始,人们早就认识到数字通信在理论上比模拟通信具有一系列优点。
除上述各点外,在频带和功率的有效利用方面也更为有利计算技术和微电子学的进展为通信的数字化提供了坚实的技术基础人们在社会生活中对多种功能综合服务的需要是数字通信发展的强大动力
1.3.3数字通信系统的模型
信信信数数信信息源道字信字道源接源编编调解解译收
码码制道调码码方
器器器器器器
噪
声
源
图1-3数字通信系统模型
其中:
信源编/译码器——实现模拟信号与数字信号之间的转换;
信道编/译码器——实现差错控制功能，用以对抗由于信道条件造成的误码;
调制/解调器——实现数字信号的发射与接受。
现在通信系统进行研究的主要内容就是研究数字通信系统的功能的具体实现方法。
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1.3.3数字通信系统优点与缺点
数字通信系统的优点:
1）由于数字信号的可能取值数目有限所以在失真没有超过给定值的条件下不
影响接收段的正确判决。
2）在数字通信系统中，可以采用纠错编码等差错控制技术，从而大大提高的抗
干扰性。
3）在数字通信系统中,可以采用保密性极高的数字加密技术,从而大大提高系
统的保密度。
4）在数字通信系统中,可以综合传输各种模拟和数字输入消息,包括语音,文字,
图像,心灵3等;并且便于存储和处理（包括编码,变换等）。
5）数字通信系统和模拟通信系统设备相比,设计和制造更容易,体积更小,重量
更轻。
6）数字信号可以通过信源编码进行压缩,以减少多余度,提高信道的利用率。
相对于模拟通信来说，数字通信主要有以下两个缺点:
（1）频带利用率不高
系统的频带利用率，可用系统允许最大传输带宽（信道的带宽）与每路信号的有效带宽之比来表征，及为每路信号的频带宽度;为系统在其带宽内最多能容纳（传输）的话路数。
值愈大，系统利用率愈高。
数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例，一路模拟电话通常只占据4kHz带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据20,60kHz的带宽。
因此，如果系统传输带宽一定的话，模拟电话的频带利用率要高出数字电话的5,15倍。
（2）系统设备比较复杂
数字通信中，要准确地恢复信号，接收端需要严格的同步系统，以保持收端和发端严格的节拍一致、编组一致。
因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。
不过，随着新的宽带传输信道（如光导纤维）的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。
随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用，数字通信在今后的通信方式中必将逐步取代模拟通信而占主导地位
1.3.4数字通信的发展概况
目前数字通信在短波通信、移动通信、微波通信、卫星通信以及光纤通信中都得到了广泛的应用。
现简要分述其发展近况。
1.数字短波通信
由于人们认识到未来战争中的星球大战使通信卫星易于被击毁,短波通信经过被冷落一段时间后又出现了“复苏”现象,重新引起各方面的重视。
近年来除了对衰落多径信道的研究外,短波通信数据传输的研究更是注意的焦点。
为
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了克服严重的码间干扰,采用了一系列自适应技术,包括自适应实时选频自适应信道均衡、自适应干扰对消,以及由它们组合而成的自适应通信系统。
此外尚有功率自适应、速率自适应、天线调谐自适应和自组织自适应通信网等。
目前多音并行体制的调制解调器已广为应用,正大力进行单音串行体制调制解调器的研制。
此外,在短波数字通信中采用扩频跳频技术,自适应接收和瞬时快速通信技术等的研究都在进行中。
2.数字移动通信
当前各国都在大力开展新一代数字式移动通信系统的研制。
数字化是目前国际上移电信科学年动通信的主要发展方向。
实现移动通信数字化带来的好处是能适应各种数字业务传输的需要,提高频带利用率,提高系统的抗干扰能力,便于设备小型化和降低造价。
3.数字微波通信
随着数字技术的发展,数字微波已成为发展的主流,各国已有20多年的历史。
大容量数字微波的发展遭遇到数字短波通信同样的技术难题,即微波在地面传播也存在多径效应和衰落现象。
数字微波也需要采用一整套自适应技术来抗多径衰落引起的码间干扰。
4.数字卫星通信
早期的时分多址卫星系统就是数字式的。
我国卫星通信的发展也将以数字卫星通信为主。
5.数字光纤通信
光纤通信具有频带极宽、通信容量极大、传输损耗小、保密性好不易被窃听,以及能抗电磁干扰、且体积小重量轻等一系列优点,已在国内外得到极大发展和应用。
光纤通信的宽频带特性,为实现宽带创造了十分有利的条件。
当前的主要矛盾是应大力研制和开发数字通信终端及交换设备,以便与光纤传输系统相连接,否则将阻碍光纤通信的应用和发展。
此外,人们还正在开发路和路的高速系统。
1.3.5数字通信系统发展的主要技术
各个频段、各种用途的数字通信虽然千差万别,但归纳起来,采用现代通信
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技术构成的典型的数字通信系统包括数字信号形成、调制与解调、同步系统、收发信机和信道。
信号的处理和变换部分,包括信源编码与解码、加密与解密、信道编码与解码、多路分解与合成、扩频与解扩、多址技术等。
除了上述5个主要技术问题外,还有多路及多址技术、调节与解调技术、扩展频谱技术、同步系统、有数字通信收发信机及数字信号在多径衰落信道传输的分析等问题。
1.3.6数字通信系统的调制方式
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。
为了使数字信号在带通信道中传输，必须使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的过程称为数字调制。
通常使用键控法来实现数字调制
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