扩频信号FSK的调制与差分解调.docx
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扩频信号FSK的调制与差分解调
长沙理工大学
《通信原理》课程设计报告
学院计算机与通信工程专业通信工程
班级学号
学生姓名指导教师
课程成绩完成日期2011年12月16日
课程设计任务书
计算机与通信工程学院通信工程专业
课程名称
通信原理
时间
2011．12.12—2011.12.23
学生姓名
指导老师
吴志敏
题目
扩频信号FSK的调制与差分解调
主要内容：
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个扩频信号FSK调制与差分解调系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。
要求：
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，c用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。
将三种噪声源的方差均设置为相同，分析比较通过三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。
应当提交的文件：
（1）课程设计学年论文。
（2）课程设计附件。
课程设计成绩评定
学院专业
班级学号
学生姓名指导教师
课程成绩完成日期
指导教师对学生在课程设计中的评价
评分项目
优
良
中
及格
不及格
课程设计中的创造性成果
学生掌握课程内容的程度
课程设计完成情况
课程设计动手能力
文字表达
学习态度
规范要求
课程设计论文的质量
指导教师对课程设计的评定意见
综合成绩指导教师签字2007年1月19日
扩频信号FSK调制与差分解调仿真
学生姓名：
指导老师：
吴志敏
摘要本课程设计主要利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个扩频信号的FSK调制与差分解调系统。
观察FSK调制前后的信号波形,并对调制前后信号的频谱进行分析,再以调制信号为输入，构建差分检波解调系统电路，观察解调前后的信号波形，并对解调前后信号的频谱进行分析。
加入噪声分析通过三种不同信道FSK信号差分检波系统接受信号的性能。
仿真结果，基本达到课程设计要求。
关键词matlab；Simulink；FSK；调制；差分解调；系统仿真
1引言
1.1课程设计目的
通信原理课程设计是重要地实践性教学环节。
在进行了专业基础课和《通信原理》课程教学的基础上，设计或分析一个简单的通信系统，有助于加深对通信系统原理及组成的理解。
本课程设计指导书适用通信工程专业及其相近专业的本科学生。
学生通过课程设计，可以进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识。
并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使学生在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。
同时通过课程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和团队协作精神。
1.2本课程设计的主要内容
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个扩频信号的FSK调制与差分解调系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。
1.3本课程设计的步骤
（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，c用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。
将三种噪声源的方差均设置为相同，分析比较通过三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。
2基本原理
用MATLAB集成环境中的Simulink仿真平台，根据《通信原理》理论课中学过的,频移键控是利用载波的频率变化来传递信息。
在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在在f1和f2两个频率点之间变化。
其表达式为：
（2-1）
式中g（t）—单个矩形脉冲
—脉冲持续时间；
（2-2）
（2-3）
分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位，通常可令其为零。
因此，2FSK信号的表达式可化简为
（2-4）
其中
（2-5）
（2-6）
图2-1
2FSK的产生方法主要有两种。
一种是采用模拟调频电路实现；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电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一。
2FSK常用的解调方法是相干解调和非相干解调，如下图所示
定时脉冲输出
图2-2（a）相干解调
（t）
定时脉冲输出
图2-2（b）相干解调
其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路信号分别进行解调，然后进行判决。
判决规则与调制规则相呼应。
除此之外，2FSK还有其他的解调方法，2FSK信号除此之外还有其他解调方法，如鉴频法、过零检测法及差分检波法等。
本课程设计用到的是差分检波法。
其原理图下图。
输入输出
图2-3差分解调法原理方框图
观察上面的差分原理框图可知:
输入信号经接收滤波器带外无用信号后将分成两路,一路直接送到乘法器,另一路经时延τ送到乘法器，相乘后再经低通滤波器提取信号。
解调的原理如下：
设输入为Acos（ω0+ω）t,它与延时τ之波形的乘积为
Acos（ω0+ω）t.Acos（ω0+ω）（t-τ）=（A2/2）cos（ω0+ω）+（A2/2）cos[2（ω0+ω）t-（ω0+ω）τ]（2-7）
若用低通滤波器除去倍频分量，则其输出为
V=A2/2cos（ω0+ω）τ（2-8）
可见，V是角频率偏移ω的函数，但却不是一个
简单的函数关系。
现在我们适当地选择τ，使cosω0τ=0则有sinω0τ=±1.故此时有
V=-A2/2sinωτ 当ω0τ=π/2
或 V=+A2/2sinωτ 当ω0τ=-π/2 （２－９）
若角频率较小，即ωτ«1，则有
V≈-A2/2ωτ 当ω0τ=π/2
V≈+A2/2ωτ 当ω0τ=-π/2 （２－１０）
由此可见。
当满足条件cosωτ=0及ωτ«1时，输出电压V将与角频偏ω呈线形关系。
这正是鉴频特性所要求的。
差分解调法基于输入信号与其延迟τ的信号相比较，信道上的延迟失真将同时影响相邻信号，故不影响最终的鉴频效果。
实践表明，当延迟失真为零时，这时方法的检测性能不如普通鉴频法；但当有教严重延迟失真时，它的性能要比鉴频法优越。
不过差分检波法的实现将受条件cosω0τ=0的限制。
3系统仿真设计
3.1扩频信号2FSK调制与差分解调电路仿真的设计
（1）信号扩频
首先将原序列进行双极性转换，然后与一个PN序列的双极性信号相乘，对信号进行扩频。
然后将扩频后的双极性信号转换为单极性信号，以便后面进行FSK调制。
图3-1PN序列模块设置
（2）FSK调制
2FSK信号是由频率分别为ω1和ω2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中ω1和ω2两个频率有明显差别，分别设为16*pi和8*pi，用NOT模块实现方波的反相，最后经过相乘器和相加器生成2FSK信号。
图3-2两路载波参数设置如下图
（3）差分解调
将调制信号作为输入，并与其延时信号相乘，然后经过一个低通滤波器，再进行抽样判决，得到解调出的信号。
（a）延时模块的设置（b）Zero-order模块的设置
图3-3
（4）信号解扩
先将解调出来的单极性信号转换为双极性信号，再与PN双极性信号相乘，进行信号解扩。
然后再将解扩出来的双极性信号转换转换为源信号。
图3-4Simulink设计图
（a）误码率设置模块（b）误码率结果
图3-5
图3-6示波器显示图形
上图一为源信号，图二为源信号的双极性信号与PN序列的双极性信号相乘结果，即为扩频结果，是双极性信号，为了后面的FSK调制，需把扩频后的双极性信号转换为单极性信号，即为图三。
图四、图五分别为两个载波，图六为调制后的2FSK信号。
图七为解调信号，可以看出它相对于调制前的信号有一个单元的延时，所以解扩时需要把PN的双极性信号延时一个单元。
图八、图九分别为解扩信号和最终恢复出的源信号，也可以看出有一个单元的延时。
所以误码率计算模块设置也需延时一个单元，如图3-5（a）。
下图分别为调制前、调制后、解调后的时域图波形，平均功率以及平均功率的幅度图
（a）调制前（b）调制后（c）调制后
图3-7
由上图可以得出，信号经过调制后，平均功率的主瓣从接近零频的地方搬移到了比高的频带。
信号经过解调后，时域信号发生了一点延时，平均功率的主瓣基本没发生变化。
再结合图3-5（b）的误码率有为零，图3-6所显示的原始信号与最后解扩后的波形图，可以得出此simulik设计图是成功的。
3.22FSK解调电路加入高斯噪声后的分析
图3-82FSK信号加载Gaussian噪声的Simulink模型图
图3-9（a）加Gaussian噪声（方差为0.1）后各时刻波形图
图3-9（b）加Gaussian噪声（方差为1）后各时刻波形图
图3-9（c）加Gaussian噪声（方差为50）后各时刻波形图
（a）方差为0.1时的误码率（b）方差为1时的误码率（c）方差为50时的误码率
图3-10
下图为高斯噪声取不同方差时调制后与解调后的时域图，平均功率以及其幅度图
（a）方差为0.1（b）方差为1（c）方差为50
图3-11
由信噪比公式
（3-1）
可计算出不同噪声时的信噪比为（a取值为2）
，
，
从图3-9各图可以看出，信噪比越小，调制后波形越乱，接受波形与源信号波形相差越大。
从图3-10各图可以看出，信噪比越小，误码率更大；而当信噪比足够大时，噪声对接收信号产生的影响很小，可忽略不计。
对比图3-11与3-7各图可以看出，信噪比越小，调制后的时域波形失真更严重，功率谱波形也失真更严重；解调后，方差为1时的时域波形与未经过信道时的延时一样，但是方差为5和10时的延时就更多了。
所以，要减小信道对传输信息的影响，就可以提高信噪比。
3.32FSK解调电路加入莱丝,瑞利噪声后的分析
图3-122FSK信号加载Rician噪声的Simulink模型图
图3-132FSK信号加载Rayleigh噪声的Simulink模型图
（a）加莱丝噪声前后波形图（Sigma=1）
（b）加瑞利噪声前后波形图（Sigma=1）
图3-14
（a）加莱丝噪声（Sigma=1）误码率（b）加瑞利噪声（Sigma=1）误码率
图3-15
下面两个图为加莱丝噪声和瑞利噪声后各时刻的时域图，平均功率谱及其幅度图
（a）源信号（ｂ）调制信号 （ｃ）接受信号
图3-16加莱丝噪（Siama=1）
（a）源信号（ｂ）调制信号 （ｃ）接受信号
图3-1７加瑞利噪声（Siama=1）
由图３－１４，３－１５，３－１６和３－１７可以得出，在相同条件下，莱丝噪声比瑞利噪声对信道的影响更大。
但是相比于高斯噪声，瑞利噪声对信道的影响又要大。
所以，在相同条件下，高斯噪声对信道传输信息影响最小，莱丝噪声对信道的影响最大。
4仿真电路分析与总结
4.1FSK信号差分检波系统分析
（1）首先，对信号进行扩频时一定要先进性极性转换，将原序列信号和PN序列都转换为双极性的，之后还要注意把扩频后的双极性信号转换为单极性的再去进行FSK调制，因为FSK调制只能对单极性的信号进行调制，否则不能正确解调，解扩的时候也要注意先将单极性的解调信号转换为双极性的，然后再去进行解扩。
（2）然后，一定要注意各个模块参数的设置，如两个载波模块，延时模块，抽样判决模块，极性转换模块等等，以及这些参数相互之间的关系，设置不恰当会直接影响实验结果，这就需要对原理的深刻了解以及不断的测试。
4.2FSK信号差分检波系统总结
在2FSK的解调中要使已调有效的恢复出调制信号，在Simulink仿真中没有引入信道和噪声，所以不涉及系统的抗噪性能，而且没有噪声对误码率的影响。
而在加入不同噪声后，出现了不同程度的时延和误码,2FSK信号差分检波系统在加入高斯噪声后，在方差很小的条件下，系统能正常解调，在加入瑞利噪声后，系统解调出现部分误码，在加入莱丝噪声后，系统解调误码更多。
由此可知，2FSK信号差分检波系统对高斯噪声的抗噪声性能最好，对瑞利噪声的抗噪声性能次之，对莱斯噪声的抗噪声性能最差。
5结束语
通过在Simulink平台对扩频信号FSK的调制与差分解调系统的仿真，我学习了数字信号扩频，对调制与解调又有了进一步了解，并且加深了对通信系统原理及组成的理解，熟悉了ｍａｔｌａｂ软件中Simulink平台的操作。
在设计电路的时候遇到了的阻碍，但是在老师的指导和同学的帮助，以及自己查找资料的情况下问题一一解决了，并且在解决这些问题的同时，自己也熟练了查找、整理资料，并且锻炼了自己的耐心、细心，以及思考问题时的全面性。
总之，在这次通信原理课程设计的整个过程中，我学到了很多，各方面的能力都有所提高，这离不开老师的指导和跟同学的交流，我真诚感谢这期间老师给予我的全力帮助，细心指导，以及同学对我的帮助。
在设计和论文中的不足之处，希望老师指出并改正。
参考文献
[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第6版）[M].国防工业出版社，2011.
[2]扩频技术．豆丁网．
[3]孙屹，吴磊.Simulink通信仿真开发手册[M].国防工业出版社,2003
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