信号分析处理课程设计.docx

信号分析处理课程设计.docx

《信号分析处理课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号分析处理课程设计.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

信号分析处理课程设计

目录

摘要1

Abstract2

12FSK调制与解调原理3

1.1数字通信系统的基本模型3

1.22FSK调制原理3

1.32FSK解调原理5

1.3.1相干解调5

1.3.2非相干解调6

22FSK调制解调系统方案7

2.1调制模块设计7

2.2解调模块设计7

32FSK调制解调系统设计8

3.1各单元模块功能介绍及电路设计8

3.2元器件属性介绍9

3.3系统整体电路图13

42FSK调制解调系统仿真和调试14

4.1仿真工具介绍14

4.1.1MATLAB14

4.1.2Simulink14

4.2系统仿真实现15

4.2.12FSK调制仿真波形15

4.2.22FSK解调仿真波形16

4.32FSK结果分析16

5心得体会18

参考文献19

摘要

FSK主要应用于低中速数据传输，以及衰落信道和频带较宽的信道中。

移频键控（FSK）是数据通信中最常用的一种调制方式。

方法简单易于实现，并且解调不需要恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能较强。

缺点是占用频带较宽，频带利用不够经济。

MATLAB中的通信工具箱可以用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。

利用MATLAB建立了FSK仿真模型，在研究FSK调制解调原理的基础上设计了调制解调电路。

关键词：

调制解调；FSK；MATLAB；仿真

Abstract

FSKismainlyusedinlowandmedium-speeddatatransmission,aswellaswide-bandfadingchannelandachannel.Frequencyshiftkeying（FSK）isadatacommunicationisthemostcommonlyusedmodulation.Methodissimpleandeasytoimplement,anddonotneedtorestorethelocalcarrierdemodulationcanbeasynchronoustransmission,anti-noiseandanti-fadingperformanceisstrong.Disadvantageisoccupiedbandwidebandunderutilizedeconomy.CommunicationtoolboxinMATLABcanbeusedforcommunicationsresearch,development,systemdesignandsimulation.FSKestablishedusingMATLABsimulationmodel,FSKmodulationanddemodulationprincipleinthestudybasedonthedesignofmodulationanddemodulationcircuit.

Keywords:

modulationanddemodulation；FSK;MATLAB;simulation

12FSK调制与解调原理

1.1数字通信系统的基本模型

从消息传输角度看,该系统包括了两个重要交换,即消息与数字基带信号之间的交换,数字基带信号与信道信号之间的交换.通常前一种交换由发收端设备完成.而后一种交换则由调制和解调完成。

图1.1数字通信系统模型

1.22FSK调制原理

二进制频移键控信号码元的“1”和“0”分别用两个不同频率的正弦波形来传送，而其振幅和初始相位不变。

故其表达式为：

典型波形如图1.2所示，由图可见，2FSK信号的波形（a）可以分解为波形（b）和波形（c）,也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。

2FSK信号的产生方法有两种：

模拟法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频。

如图1-3（a）所示。

键控法，用数字基带信号

及其反

相分别控制两个开关门电路，以此对两个载波发生器进行选通。

如图1-3（b）所示。

这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的，而键控法产生的2FSK信号，则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。

图1.2二进制移频键控信号的时间波形

图1.3（a）调频法2FSK信号产生原理图

图1.3（b）键控法2FSK信号产生原理图

由键控法产生原理可知，一位相位离散的2FSK信号可看成不同频率交替发送的两个2ASK信号之和，即

其中

是脉宽为

的矩形脉冲表示的NRZ数字基带信号。

1.32FSK解调原理

2FSK信号的解调也分为2FSK信号的接收也分为相干解调和非相干解调接收两类。

1.3.1相干解调

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。

原理图如图1.4所示：

图1.4相干解调原理框图图

1.3.2非相干解调

非相干解调接收经过调制后的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1.5所示：

图1.5非相干解调原理框图

22FSK调制解调系统方案

2.1调制模块设计

方案一：

使用键控法产生2FSK信号，即由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，所以本系统采用键控法。

根据二进制频移键控调制的原理，了解MATLAB软件中的仿真工具Smulink中各个模块的功能后，根据调制的原理框图，使用pulsegenerator产生信号，用幅度为1，频率为100rad/s载波表示“1”，用幅度为1，频率为20rad/s载波表示“0”。

采用键控法，在Smulink文件中调用相关模块，连线后对信号进行调制产生2FSK信号。

方案二：

使用键控法产生2FSK信号，即由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，这样的相邻码元之间相位不一定连续，故采用调频法，用数字基带信号作为调制信号进行调频。

本次课设选择两种不同2FSK调制方案进行比较。

2.2解调模块设计

相干解调在大多数情况下解调结果要好，本系统采用相干解调。

利用FSK相干解调方法对调制的FSK信号进行解调。

根据相干解调的原理框图，经调制后的2FSK信号经信道中加高斯白噪声后信号进行相干解调。

在Smulink中调用相应的模块，连接各个模块，设置各个模块的参数，并用scope显示仿真波形。

32FSK调制解调系统设计

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

仿真过程中用PulseGenerator产生二进制01信号，调用俩个SineWave模块产生频率分别为100和20的两个载波正弦信号，将此三个信号输入到Switch模块中，从而通过键控输出调制后的FSK波形。

输出的波形经两路经过带通滤波器，再分别与先前定义的俩个不同频率的正弦载波信号相乘，经过低通滤波器后抽样判决完成对FSK信号的解调。

图3.1和图3.2即为调制与解调电路。

图3.1（a）方案一调制模块

图3.1（b）方案二调制模块

图3.2解制模块

3.2元器件属性介绍

1、正弦波发生器，用于产生正弦波信号，正弦载波信号参数设置如图3.3所示：

图3.3高频载波和低频载波参数设置

2、脉冲信号发生器，用于产生固定间隔的脉冲模拟二进制信号，具体参数设置如图3.4所示：

图3.4脉冲信号发生器模块参数设置

3、选择开关，在两个输入此模块的载波信号之间切换。

当输入方波信号的幅值大于1时，切换到高频率的载波信号上，小于1时，切换到低频率的载波信号上，从而完成2FSK调制。

具体参数设置如图3.5所示：

图3.5键控开关参数设置

4、滤波器，可以设置为低通、高通、带通、带阻滤波器，提取出某频率范围内信号，具体设置参数如图3.6所示：

图3.6

（1）带通滤波器参数的设置

图3.6

（2）低通滤波器参数的设置

5、比较运算器，可设置为<=（小于等于）、>=（大于等于）、<（小于）、>（大于）等运算关系。

用于抽样判决，解调出FSK信号。

属性设置如图3.7所示。

图3.7比较运算模块参数的设置

6、示波器模块，用来显示仿真过程中信号的波形，可通过修改属性中Numberofaxes的值设置输入信号的个数。

设置显示如图3.8所示。

图3.8示波器参数设置及波形显示

3.3系统整体电路图

图3.9系统整体电路图

42FSK调制解调系统仿真和调试

4.1仿真工具介绍

4.1.1MATLAB

MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

4.1.2Simulink

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。

对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

.

　　构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。

Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

其特点为：

1、丰富的可扩充的预定义模块库。

2、交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。

3、以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。

4、通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。

5、提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成

6、使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。

7、使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式（Normal,Accelerator,RapidAccelerator）来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。

8、图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。

9、可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。

4.2系统仿真实现

4.2.12FSK调制仿真波形

图4.1信源信号

图4.2高频载波波形

图4.3低频载波波形

图4.4方案一调制产生的FSK信号

图4.5方案二调制产生的FSK信号

4.2.22FSK解调仿真波形

图4.6带通滤波器1后的波形

图4.7带通滤波器2后的波形

图4.8解调后得到的波形

4.32FSK结果分析

调制前信号波形与解调后信号波形比较：

图4.9未调制信号波形

图4.10FSK信号解调后的信号波形

从实验仿真波形上来看，实验结果是正确的，二进制数字信号“1”对应载波频率100rad/s,二进制数字信号“0”对应载波频率20rad/s，方案一实现了对数字信号的频移键控调制。

方案二实现了对数字信号的调频调制，其对频率有严格要求，故移频键控法较为方便简单，但其缺点是容易造成相邻码元之间相位不一定连续，解调出的数字基带信号也是正确的，相对于原本输入的基带信号在时域上有延时。

5心得体会

FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式，也是数字通信中用得较广的一种方式。

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，适合中低速数据的传输的应用。

通常数据率在低于1200bps时使用FSK方式。

在衰落信道中传输数据时，它也被广泛采用。

相干解调对接受设备的复杂程度比非相干解调较高。

通过本次课程设计，我对课本上数字通信传输系统特别是二进制频移键控（2FSK）有了重新的认识。

对2FSK调制数字基带信号加深了理解。

对于使用调频法产生2FSK信号、添加高斯白噪声、使用相干解调、抽样判决等，我比较系统地认识了数字通信传输系统。

本课程设计使用的Simulink仿真环境，通过使用Simulink仿真环境，我可以直观地放置相应的模块，搭建通信系统，并能够动态的显示仿真结果，使学习设计不再枯燥。

学习过程中，遇到过许多困难，比如参数设置的不理想因此总是会出现波形失真的现象等问题。

但是通过上网查找资料和查询参考书能够让我更好的完成此次设计。

通过进行设计我发现，没有熟悉的理论知识搞设计是困难的。

在设计每一步时，必须搞清楚每一步是干什么的，怎么进行，这些都需要理论进行指导。

当哪一步不会弄时，我就去查书，将书中的理论细细研读，这样通过本课程设计我又把书中相关的部分细细看了几遍，对书中的理论有了更深的认识。

因为多次调试，结果越来越接近理论情况下的结果，可见实验其实就是对理论的验证。

所以，清楚地掌握理论是进行设计的关键步骤。

另外，我也明白了用计算机仿真电子通信系统，具有广泛的适应性和极高的灵活性。

在硬件试验中改变硬件的参数设置就意味着重做硬件，而在软件中只需对相应的参数进行重新设置，同时利用Simulink的可视化建模仿真和MATLAB简单编程的特点，可以实现较为复杂的系统，因此MATLAB/Simulink在通信系统仿真方面具有强大的功能和优越性！

这次的课程设计使我收益颇丰，对数字分析与处理有了新的认识。

体会到理论和实际是有好大不同的，实践离不开理论，理论只有应用于实践才能发挥其作用。

学过的东西，只有自己实际去做了才能更熟悉，才能对其本质更了解。

在将理论用各种方法实现的同时，我们也在不断的搜集资料，不断的学习，获得更多的相关知识。

参考文献

[1]王兴亮.数字通信原理与技术（第二版）.西安电子科技大学出版社，2006

[2]徐明远.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安电子科技大学出版社，2005

[3]孙屹，吴磊编著.Simulink通信仿真开发手册.国防工业出版社，2003

[4]王秉钧，王少勇，王彦杰.通信原理基本教程.北京.北京邮电大学出版社，2005

[5]王兴亮编著.数字通信原理与技术（第二版）.西安电子科技大学出版社,2006

[6]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第6版）.国防工业出版社，2009.5