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2FSK数字通信系统课程设计
数字通信系统的设计与实现
摘要：
数字频带系统作为一切数字通信传输的基础，无论在多么复杂的数字通信传输中数字频带系统永远都会存在，2FSK是利用数字基带信号控制载波的频率来传送信息，是数字通信中使用较早的一种调制方式。
本设计为实现2FSK数字通信系统，设计中利用SystemView仿真软件，采用2FSK的设计方法对基带信号进行调制解调，完成整个传输系统仿真。
仿真过程旨在对传输系统各模块的参数设置包括码速率，滤波器的截止频率等，观察并分析波形。
最后达到对该传输系统的一个全面性能分析。
关键词：
2FSK；SystemView；系统仿真
第1章引言
1.1背景和意义
随着科学技术的发展，信息时代快速的来到了人们的生活中了，而实现这一切的信息靠的都是通信系统的。
通信系统的设计已经成为当今社会一门非常重要的学科，其带动了信息社会的发展，在电话通信、军事、航天等众多领域起着无比重要的作用，已经于人们的生活息息相关，可以说离开了通信系统，社会将无法正常运行。
在通信系统中分为模拟通信和数字通信，模拟通信系统传输的是状态连续变化的模拟信号，数字通信系统传输的是状态离散的数字信号。
目前，不论是模拟通信还是数字通信，在实际的通信业务总都得到了广泛的应用。
不过，近年来随着数字通信的迅速发展，数字通信在整个通信领域中所占的比重日益增长。
与模拟通信相比，数字通信有许多优点，归纳起来主要有以下几点：
（1）抗噪声性能好。
数字通信传送的信号时数字信号，它的取值有限，因此，在有噪声的情况下，接收端易于识别。
尤其在远距离传输过程中，各中继站可以对数字信号波形进行整形再生儿消除噪声的积累。
此外，还可以采用各种差错控制编码方法，使抗噪声性能进一步得到提高。
（2）便于使用现代计算机技术对所传输的信息进行处理，接口问题也容易解决。
（3）数字信号易于进行加密，有利于实现通信保密。
（4）数字通信可以传递各种消息，使通信系统变得通用、灵活。
（5）数字通信系统中绝大部分部件采用数字电路，而近年来，由于生产技术的迅速发展，大规模集成电路已被广泛应用，因而数字通信设备容易做到体积小，功耗低，制造简单，可靠性高。
数字基带信号是低通型信号，其功率谱集中在零频附近，它可以直接在低通型信道中传输，然而，实际信道很多是带通型的，数字基带信号无法直接通过带通型信道。
因此，在发送端需要把数字基带信号的频谱搬移到带通信道的通带范围内，以便信号在带通型信道中传输，这个频谱的搬移过程称为数字调制，相应地，在接受端需要将已调信号搬回来，还原为基带信号，这个反搬移过程叫数字解调。
本课程设计目的在于熟悉2FSK调制及相干解调过程，通过SystemView软件予以仿真测试验证，并作一定的误码分析。
1.2本课程设计的主要内容及结构安排
1.2.1主要内容
本次课程设计主要研究内容如下：
（1）设计出2FSK数字通信系统的结构，包括信源，调制，发送滤波器模块，信道，接受滤波器模块以及信宿；
（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数；
（3）用SystemView实现该数字通信系统；
（4）观察仿真并进行波形分析；
（5）系统的性能评价。
1.2.2本次设计的结构安排
第1章是引言部分，介绍本次设计的背景、意义和主要内容。
第2章是介绍2FSK的调制和解调原理。
第3章是2FSK的设计内容、设计步骤及设计结果。
第4章是对本次课程设计的总结。
第2章2FSK基本原理
2.12FSK的基本原理
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咱来实现；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，是邮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。
故其表达式为：
（2-1）
典型波形如图2-1所示。
图2-12FSK信号的时间波形
由图可见，2FSK信号的波形可以分解成两个波形，也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同的2ASK信号的叠加。
因此，2FSK信号的时域表达式又可以写成:
（2-2）
2.22FSK的调制原理
2FSK信号的产生方法主要有两种。
一种可以采用模拟调频电路阿里实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带举行脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不懂的独立频率源进行选通，使其在每一个码元时间输出或两个载波之一，如图2-2所示。
图2-2键控法产生2FSK信号的原理图
这两种方法产生2FSK信号的差异在于：
由调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是变化连续变化的。
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定连续。
2.32FSK的解调原理
2FSK信号的常用解调方法是非相干解调（包络检波）和相干解调。
其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。
这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值得大小，可以不专门设置门限。
判决规则应与调制规则相呼应，调制时若规定“1”符号对应载波频率
，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。
2.3.12FSK相干解调
已调信号由两个载波
、
调制而成，则先用两个分别对
、
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
、
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。
其原理如图2-3所示。
图2-3相干方式原理图
2.3.22FSK非相干解调
调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器
、
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2-4所示。
图2-4非相干方式原理图
第3章2FSK系统设计
3.1基于SystemView的2FSK信号系统仿真设计
SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。
它界面友好，使用方便。
SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。
它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。
SystemView以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。
使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。
用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。
SystemView仿真系统的特点：
1.能仿真大量的应用系统；
2.速方便的动态系统设计与仿真；
3.在报告中方便地加入SystemView的结论；
4.提供基于组织结构图方式的设计；
根据2FSK的原理图进行SystemView的设计与制作，首先通过学习这款软件来掌握基础操作知识和技能，然后在进行具体的设计与制作。
如图3-1表示2FSK键控调制与相干解调原理图。
图3-12FSK模拟调制与相干解调
3.22FSK调制部分仿真设计
根据第2章所提到的2FSK的调制原理，设计出2FSK调制部分设计图如下图3-1所示：
图3-12FSK调制部分设计图
基带信号在经过整流之后就变成了单极性码，用高频信号调制后用加法器合并还原信号完整内容。
各器件备注如下：
Token0：
基带信号（电平=
1V；频率=4Hz，偏移=0）；
其波形如下图3-2所示：
图3-2基带信号的波形图
Token1：
波形观察窗（示波器）；
Token2：
半波整流器（门限电压=0V）；
当基带信号通过半波整流器后，其波形图如下图3-3所示：
图3-3基带信号通过半波整流器后的波形
由上图可以看出，基带信号通过半波整流器后，其电平小于0V的部分被整流成0V输出。
Token3：
载波正弦信号发生器（f1；电平=1V；频率=10Hz）；
其波形图如下图3-4所示：
图3-4载波正弦信号（f1），频率10Hz
Token4：
乘法器；
被整流后的波与载波信号f1相乘后的波形如下图3-5所示：
图3-5基带信号通过半波整流后与载波信号f1相乘后的波形
Token5：
反相器；
Token6：
半波整流器（门限电压=0V）；
Token7：
载波正弦信号发生器（f2；电平=1V；频率=20Hz）；
其波形图如下图3-6所示：
图3-6载波正弦信号（f2），频率20Hz
Token8：
乘法器；
基带信号通过反相器、半波整流器后，与载波信号f2相乘后的波形图如图3-7所示：
图3-7基带信号通过反相器、半波整流器后，与载波信号f2相乘后的波形图
Token9：
波形观察窗（示波器）；
Token27：
波形观察窗（示波器）；
Token34：
波形观察窗（示波器）；
Token35：
加法器；
通过加法器后，即是调制成功后的波形，如图3-8所示：
图3-82FSK调制成功的波形
3.32FSK解调部分仿真设计
根据第一章所提到的2FSK的解调原理，设计出2FSK调制部分设计图如下图3-9所示：
图3-92FSK解调部分设计图
2FSK信号的解调原理是通过带通滤波器将2FSK信号分解为上下两路2FSK信号后分别解调，然后进行抽样判决输出信号。
各器件备注如下：
Token32：
带通滤波器（主要是过滤出与载波f1频率相同的波形）；
2FSK调制后的波形，通过带通滤波器后的波形如图3-10所示：
图3-102FSK通过带通滤波器后的波形
Token14：
载波正弦信号发生器（f1；电平=1V；频率=10Hz）；
Token12：
乘法器；
通过带通滤波器器后与其载波正弦信号f1相乘后的波形如图3-11所示：
图3-11通过带通滤波器器后与其载波正弦信号f1相乘后的波形
Token16：
低通滤波器；
通过低通滤波器后的波形如图3-12所示：
图3-12通过低通滤波器后的波形
Token36：
带通滤波器（主要是过滤出与载波f2频率相同的波形）；
2FSK调制后的波形，通过带通滤波器后的波形如图3-13所示：
图3-132FSK通过带通滤波器后的波形
Token15：
载波正弦信号发生器（f2；电平=1V；频率=20Hz）；
Token13；乘法器；
通过带通滤波器器后与其载波正弦信号f2相乘后的波形如图3-14所示：
图3-14通过带通滤波器器后与其载波正弦信号f2相乘后的波形
Token19：
低通滤波器；
Token20：
反相器；
通过低通滤波器后再反向的波形如图3-15所示：
图3-15通过低通滤波器后再反向的波形
Token21：
加法器；
通过加法器后的波形如图3-16所示：
图3-16通过加法器后的波形
Token31：
信号发生器，在此为0电平输出，作为比较器的比较信号；
Token30：
判决器（参数设置为输入信号大于比较信号时，输出高电平=1V；输入信号小于比较信号时，输出低电平=-1V）；
其通过判决器后的输出波形如图3-17所示：
图3-17解调后的波形
3.4仿真结果
各部分搭建完成后，运行程序。
可得仿真结果如下图3-18所示，第一子图为基带信号，第二子图为调制结果图，第三子图为解调结果图。
图3-182FSK仿真结果
3.5系统性能分析
对于数字传输系统而言，最重要的性能指标就是误码率。
在白色高斯噪声信道中，误码率决定于监控体制和接收端的信噪比
。
对于2FSK调制与解调系统，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率。
其中，相干检测法的误码率为：
（3-1）
根据上面式子，可以计算出本系统的相干检测法的误码率。
但本系统在仿真过程中，因抽样判决存在一些问题，导致误码率较高，而理论上相干调解性能优良，误码率很低。
第4章结束语
有了前面一次课程设计的经验，这次就没有以前对于课设的迷茫和害怕。
端正了态度，调整好心态去面对课设。
开始，又是一次自己选择课题，其实也不知道哪一个好或者说适合自己，所以就对所有的题目都看了看，大致了解下，然后选择了2FSK这个题目，因为我自己对于通信原理的学习以及掌握的并不好，很多知识运用的也不熟练，所以太难的我怕自己做不好，还不如选个有些挑战而且自己还能有不错的发挥的题目。
个人觉得2FSK相对2ASK要复杂些，有点挑战性，而相对2DPSK有简单些，不会太难对我来说。
既然选好了题目，就开始了查阅各种资料，上网查，各种书籍，还到图书馆借些书来看。
老师在出题之时说过可以自己随便选择要使用的软件，通过各种方法找到一些资料，发现主要使用的有三种软件，而我感觉SystemView仿真软件更模块化，更容易理解，同时也更形象化，所以经过再三思考，我才选择了此软件，初步学习后发现此软件简单好用而且易于通信系统仿真。
在设计2FSK信号系统的过程中，通过查看课本及其他资料，更加深了我对2FSK通信系统的理解，并且对整个通信系统有了一个整体到部分的认识，同时也学习了如何判定通信系统的优缺点及其性能指标。
参考文献
[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第六版）.北京：
国防工业出版社，2007.
[2]黄葆华，等.通信原理基础教程.北京：
机械工业出版社，2008.
[3]樊昌信，曹丽娜著．通信原理．北京：
国防工业出版社，2007.
[4]谢希仁著．计算机网络第4版．北京：
电子工业出版社，2003.
[5]翁剑枫，叶志前.MATLABLabViewSystemView仿真分析基础.北京：
机械工业出版社，2005.
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