差分码FSK调制与非相干解调系统仿真.docx
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差分码FSK调制与非相干解调系统仿真
差分码FSK调制与非相干解调系统仿真
学生姓名:
指导老师:
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FSK调制与非相干解调系统仿真。
在本次课程设计中先进行码型转换,即将基带信号的绝对码转换为差分码(相对码),再根据FSK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、瑞利噪声,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FSK调制解调系统仿真是否成功。
关键词差分码;2FSK;调制;非相干解调;Simulink
1引言
本次课程设计主要利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个差分码FSK调制与非相干解调系统仿真系统,分别在理想信道和非理想信道中运行,即为加噪声和加高斯、瑞利噪声,将三种噪声源的方差均设置相同,并把运行仿真结果输入显示器,根据显示结果分析比较通过三种不同信道后的接收信号的系统性能。
1.1课程设计目的
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课程设计的步骤
(1)构建调制电路,并用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
(2)再以调制信号为输入,构建解调电路,用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
(3)在调制与解调电路间加上噪声源,模拟信号在不同信道中的传输:
a用高斯白噪声模拟有线信道,b用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道。
将两种噪声源的方差均设置相同,分析比较通过两种不同信道后的接收信号的性能。
(4)在老师的指导下,要求独立完成课程设计的全部内容,并按要求编写课程设计学年论文,能正确阐述和分析设计和实验结果。
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[1]。
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差分码2FSK的调制与解调
(1)码型转换
先对二进制数字基带信号进行差分编码,即把表示数字信息序列的绝对编码变成相对码(差分码),然后根据相对码进行绝对调相,从而产生二进制差分相移键控信号。
(2)2FSK的调制原理
在二进制频移键控(2FSK)中,当传送“1”码时对应于载波频率
,传送“0”码时对应于载波频率
。
其中
,
,
为频率为
的载波的初始相位,
为频率为
的载波的初始相位。
令
为
的反码,即
则有:
当
时,
;当
时,
。
则2FSK信号可表示为:
其中,我们在分析中假设
为单个矩形脉冲序列,其表达式为:
由式上式可知,相位不连续的2FSK信号可以看成是两个2ASK调幅信号之和。
二进制移频键控信号的产生,可以采用模拟调频电路来实现,也可以采用数字键控的方法来实现.图2-3是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图,图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制,在一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一.。
图2–3数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图
图2-4二进制移频键控信号的时间波形
从图中可以看出b是a的反码即若a=1,则b=0,若a=0,则b=1;c为载波f1,d为载波f2,g为2FSK的调制出的信号。
(3)2FSK的解调原理
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w1、w2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。
本设计要求非相干解调,其原理图如下图所示:
图2–5二进制移频键控信号解调器原理图
图2–62FSK非相干解调时间波形图
(4)解差分码:
此为码型变换的逆过程。
3系统仿真设计
3.1差分码2FSK信号调制与解调
(1)差分码2FSK的调制与解调
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。
下图中BernoulliBinaryGenerator模块为信号产生器,它能产生二进制的数字基带信号。
Sinewave1,Sinewave2为频率为f1和f2载波模块,DifferentialEncoder模块为差分码转换模块,Product为乘法器模块,Scope为示波器模块,NOT为反相器模块,PowerSpectral是功率谱模块。
2FSK信号是由频率分别为Sinewave1和Sinewave2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的,其中Sinewave1和Sinewave2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。
AnalogFilterDesign模块为带通滤波器,Abs模块为绝对值,其作用等同于包络检测器,Subtract模块对信号进行加法或减法运算,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,DifferentialDecoder模块为差分码解码模块,ErrorRate
Calculation模块是用来计算误码率,并由Display显示出来。
调制解调模型图如下图所示:
图3–1差分码2FSK信号调制与解调的simulink模型方框图
(2)差分码2FSK的调制与解调参数设置
a、载波:
f1,f2是幅度为3;频率分别为4*pi和8*pi;采样时间为1/500的信号。
图3–2载波sinwave1的参数设置
图3–3载波sinwave2的参数设置
b、信号产生器:
产生二进制的数字基带信号
图3-4基带信号BernoulliBinaryGenerator信号模块参数设置
c、带通滤波器:
由于载波f1和f2的频率分别为4*pi和8*pi,基带信号的采样时间为1,所以其频率为1HZ,1HZ等于2*pi,又因为2FSK的带通滤波器取值就是载波频率加减基带信号的频率,而通带范围最好要比原通带大一点,则带通滤波器1的取值范围是6*pi到11*pi,带通滤波器2的取值范围是14*pi到17*pi。
图3-5带通滤波器1参数设置
图3-6带通滤波器2参数设置