通信原理课程设计差分码FSK信号的相干解调系统仿真.docx

1、通信原理课程设计差分码FSK信号的相干解调系统仿真 差分码FSK信号的相干解调系统仿真 学生姓名：* 指导老师： 摘 要 本次课程设计是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个差分码FSK信号的相干解调仿真系统，并把运行仿真过程中各点的波形结果输入显示器，根据显示结果分析验证差分码FSK信号的相干解调。之后加入高斯噪声、莱斯噪声、瑞利噪声等噪声源，并观察解调后波形变化，得出不同噪声源以及加入噪声的大小对解调波形的影响。 关键词 差分码；FSK；Simulink；调制；相干解调1 引 言本次课程设计的目的是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个差分码

2、FSK信号的相干解调仿真系统，分析验证差分码FSK信号的相干解调。之后加入高斯噪声、莱斯噪声、瑞利噪声等噪声源，并观察解调后波形变化，得出不同噪声源以及加入噪声的大小对解调波形的影响。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

3、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 课程设计基本要求本次课程设计的要求包括熟悉掌握差分码FSK信号的相干解调的原理及实现，同时学习MATLAB的基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台的特点、规范及语法结构、编写方法。利用通信原理中学习的内容，在Simulink 仿真平台中设计差分码FSK信号的调制与解调系统、基带传输系统、A/D-D/A系统或差错控制编解码系统，并按题目要求运行、检测系统仿真结果。1.3 课程设计内容 本次课程

4、设计的内容是利用MATLAB软件的Simulink模块进行差分码FSK信号的相干解调系统仿真，并加入不同噪声源，观察其对调制后波形的影响。2 基本原理2.1 FSK数字信号的产生FSK信号是利用数字基带信号控制载波的频率来传送信息。例如，1码用频率f1来传输，0码用f2来传输，而其振幅和初始相位不变，所以其表达式为 FSK信号的产生方法有两种：（1）模拟法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频。如图2-1所示。（2）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2-2所示。这两种方法产生的FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的FSK信

5、号在相邻码元之间的相位是连续的，而键控法产生的FSK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2-1 模拟法产生FSK信号原理图图2-2 键控法产生FSK信号原理图由键控法产生原理可知，一位相位离散的FSK信号可看成不同频率交替发送的两个ASK信号之和，即其中，g(t)是脉冲宽度为T的矩形脉冲表示的NRZ数字基带信号。2.2 FSK信号的频谱特性 由于相位离散的FSK信号可看成两个ASK信号之和，所以，这里可以直接应用ASK信号的频谱分析结果比较方便，即本次课程设计产生FSK信号采用的是键控法。2.3 差分码FSK原理差分码FSK信号发生的方式是利

6、用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对频移键控，假设为当前码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息与之间的关系为=0 表示数字信号“0”=1 表示数字信号“1”于是可以将一组二进制信息与其对应的差分码FSK信号的载波相位关系示例如下：二进制数字信息： 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0差分码FSK (0) 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0图2-3 差分码FSK信号波形3 系统设计3.1 差分码生成利用MATLAB的Simulink模块将信号进行差分原理连线如图3-1所示图3-1 差分码生成接线图产生的差分码如图3-2所示图3-2 产生的示例差分码波形图3.2

7、 差分码FSK信号的调制及其相干解调利用MATLAB的Simulink模块连接成的差分码FSK信号的调制及其相干解调如图3-3所示图3-3 差分码FSK信号的调制及其相干解调模块接线图差分码FSK信号的调制过程：差分的FSK信号的调制采用的是键控法产生，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。在调制模块中，基带信号Bernoulli Binary Generator、载波1 sine wave1、载波2 sine wave2、选通开关 Switch、差分模块Logical Operator、Unit Delay、Data Type Conversion参数

8、设置分别如图3-4、3-5、3-6、3-7、3-8、3-9、3-10所示图3-4 基带信号Bernoulli Binary Generator参数设置图3-5 载波1 sine wave1参数设置图3-6 载波2 sine wave2参数设置3-7 选通开关 Switch参数设置图3-8 Logical Operator参数设置图3-9 Unit Delay参数设置3-10 Data Type Conversion参数设置差分码FSK信号调制波形如图3-11所示图3-11 差分码FSK信号调制仿真波形图中，第一个波形是基带信号波形，第二个是载波1波形，第三个是载波2波形，第四个是基带信号差分码

9、波形，第五个是差分码的FSK调制波形。差分码FSK信号的相干解调过程：FSK信号的常用解调方法是采用非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将FSK信号分解为上下两路ASK信号分别进行解调。然后进行判决（decision）。这里的抽样判决是直接比较两路信号值抽样的大小，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f1，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。FSK信号相干解调原理如图3-12所示图3-12 FSK信号相干解调原理图信号解调过程中，上路带通滤波器及低通滤波器参数设置如3-13、3-14所示图3-13 上路带通滤波器参数

10、设置图3-14 上路低通滤波器参数设置下路带通滤波器及低通滤波器参数设置如3-15、3-16所示图3-15 下路带通滤波器参数设置图3-16 下路低通滤波器参数设置乘法器参数设置如下图3-17 （a）Main /(b)Signal Attributes (a) Main (b) Signal Attributes图3-17 乘法器参数设置加减法器参数设置如图3-18所示图3-18 加减法其参数设置Zero-Order Hold模块参数设置见图3-19图3-19 Zero-Order Hold模块参数设置Quantizing Encoder模块参数设置如图3-20图3-20 Quantizing

11、 Encoder模块参数设置差分码FSK信号的相干解调过程中，解差分部分的模块与差分部分的模块参数设置一样，再次不再列举。示波器参数设置如下图3-21图3-21 示波器参数设置在所有模块连接正确，并正确设置各模块参数后，进行Simulink仿真，能在示波器上得到已解调波形，并可以在误码率模块看出解调的误码率。经过解调后，得到的解调信号如图3-22所示图3-22 解调仿真波形图中，第一个为基带信号，第二个为基带信号的差分信号，第三个为载波1的波形，第四个为载波2的波形，第五个为调制后的差分FSK信号，第六个为解调后的信号。3.3 解调信号误码率分析为了对信号解调后进行误码分析，在解调信号后加入误

12、码率模块，误码率模块部分由Error Rate Calculation模块和Display模块组成。其参数设置分别如图3-23及图3-24所示图3-23 Error Rate Calculation模块参数设置图3-24 Display模块参数设置经信号解调后，得到的误码率如图3-25所示图3-25 误码率有输出结果可知，此次解调在没有加入噪声信号的情况下误码率为0.025。3.3 差分的FSK信号调制及相干解调的频谱分析在差分的FSK信号调制及相干解调simulink仿真图里加入频谱分析模块，得到的模块连接图如图3-26所示图3-26 差分的FSK信号调制及相干解调频谱分析连线图图中，Pow

13、er SpectralDensity1模块对基带信号进行频谱分析，Power SpectralDensity2模块对调制后的信号进行频谱分析，Power SpectralDensity3模块对解调后的信号进行频谱分析。Power SpectralDensity模块的参数设置如下图3-27图3-27 Power SpectralDensity模块的参数设置进行仿真后，基带信号频谱分析图（Power SpectralDensity1）如图3-28所示图3-28 基带信号频谱分析图（Power SpectralDensity1）调制后信号频谱分析图（Power SpectralDensity2）如图

14、3-29所示图3-29 调制后信号频谱分析图（Power SpectralDensity2）解调后信号频谱分析图（Power SpectralDensity3）如图3-30所示图3-30 解调后信号频谱分析图（Power SpectralDensity3）3.3 加入噪声源的差分码FSK调制及其相干解调分析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。a 信道中加入高斯噪声电路图如图3-31所示图3-31 信道中加入高斯噪声电路图高斯噪声发生器参数设置如图3-32所示图3-32

15、高斯噪声发生器参数设置加入高斯噪声后的仿真波形及其误码率如图3-33和3-34所示图3-33 加入高斯噪声后的仿真波形图图3-34 加入高斯噪声后的仿真波形误码率由此可知，在加入高斯噪声之后，误码率提高为0.125在调节高斯噪声发生器中variance值为100后，得到的误码率如图3-35所示图3-35 variance值为100时误码率由此可见，在提高高斯噪声的方差后，解调后的误码率明显加大。b信道中加入瑞利噪声电路图如图3-36所示图3-36 信道中加入瑞利噪声电路图瑞利噪声发生器参数设置如图3-37所示图3-37 瑞利噪声发生器参数设置加入瑞利噪声后的仿真波形及其误码率如图3-38和3-

16、39所示图3-38 加入瑞利噪声后的仿真波形图3-39加入瑞利噪声后的仿真波形误码率调节瑞丽噪声发生器sigma值为100后，得到的误码率如图3-40所示图3-40 sigma值为100时误码率由此可见，在提高瑞丽噪声的sigma后，解调后的误码率明显加大。c信道中加入莱斯噪声的电路图如图3-41所示图3-41 信道中加入莱斯噪声的电路图莱斯噪声发生器参数设置如图3-42所示图3-42 莱斯噪声发生器参数设置加入莱斯噪声后的仿真波形及其误码率如图3-43和3-44所示图3-43 加入莱斯噪声后的仿真波形图3-44 加入莱斯噪声后误码率调节瑞丽噪声发生器sigma值为100后，得到的误码率如图3

17、-45所示图3-45 sigma值为100时误码率由此可见，在提高莱斯噪声的sigma后，解调后的误码率明显加大4 仿真电路分析与总结4.1 出现的问题1 在差分码FSK信号的相干解调电路连接过程中，上下两路信号不能同时连入抽样判决器。2 各带通滤波器和低通滤波器设置不正确，导致无法正确的到波形图。3 示波器在仿真完后，总是只显示后面一段。4 抽样时间没有设置成同一值，导致无法正确得到解调波形。4.2 解决方法1 上下两路信号应有一个加减法其相连，加入加减法器后，两信号正确连接在一起。2 通过测试通过各滤波器各波形的频谱，根据数据，正确设置相关参数，最后得出正确波形。3 在示波器参数设置中，将

18、“只保留最后5000个抽样点”去掉，再重新进行仿真后，就能完整现实整个时间段的波形了。4 经过反复检查，将抽样时间设置为同一值后，问题解决，得到正确波形。5 结束语经过这次为期2周的通信原理课程设计，不仅是对我理论知识的一个考验，也是对我独立思考、动手能力的一个考验。在这两周的时间里我真真切切的学到了很多东西，不仅提高了自己用 MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台进行实际操作能力，也大大巩固了对所学知识的理解与运用。在这两周，从开始对待题目的茫然，到如今报告完成的喜悦，自己也是感概颇多。通过不断地从书本，网络等地方查找资料，我学习到了很多课堂上无法学习到的东西。到后来的实际操作MA

19、TLAB，我也是困难重重，几乎对Simulink模块是一无所知，也是通过自己去查看相关书籍以及动手摸索，一步一步地将问题解决了，只有在自己努力后解决了问题，才能体会到那种成功的喜悦。再后来的一些小细节上，我也由于不细心，导致了很多不必要的错误，比如参数设置不完整，抽样时间设置不统一等等问题，经过仔细检查才得以发现问题、解决问题。让我无形当中让我学会了对待任何事情都要细心，不得马虎。总之，这次课程设计让我学习了很多，也收获了很多。这次课程设计的圆满完成，也多亏了指导老师的悉心指导与同学们的不吝帮助，正是由于他们，才让我顺利解决一个一个难题，最后得到正确结果，在这里，向他们一致表示感谢！参考文献1 邓华.MATLAB通信仿真及应用实例详解.人民邮电出版社，2003.92 樊昌信 曹丽娜 编著通信原理（第六版）.北京：国防工业出版社，2008.33 邵玉斌 编著 Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析 北京.清华大学出版社.2008.64 达新宇 林家薇 杜思深 编著. 通信原理.陕西.西北工业大学出版社，2003.5 黄载禄，殷蔚华.通信原理m.北京：科学出版社，2005.