MFSK的調(diào)制與解調(diào)

1、塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院課程設(shè)計目錄前言1正文12.1 課程設(shè)計的目的及意義12.2 多進制數(shù)字調(diào)制12.3 MFSK簡介12.4 MFSK信號的頻譜、帶寬及頻帶利用率22.5 MFSK調(diào)制與解調(diào)的原理33 仿真結(jié)果與分析33.1 八進制的隨機序列33.2 調(diào)制后的信號53.3 加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號63.4 MFSK的解調(diào)73.4.1 濾除高斯白噪聲73.4.2 相干解調(diào)后的信號73.4.3 非相干解調(diào)后的信號83.5 MFSK系統(tǒng)的抗噪聲性能83.5.1 相干解調(diào)時的誤碼率83.5.2 非相干解調(diào)時的誤碼率9課程設(shè)計總結(jié)10致謝10參考文獻10附錄11前言MFSK多進制數(shù)字頻率調(diào)制，簡稱

2、多頻制，是2FSK方式的推廣。它是用不同的載波頻率代表各種數(shù)字信息。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)占有非常重要的地位。隨著MATLAB技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信技術(shù)與MATLAB的結(jié)合體現(xiàn)了現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)展的一個趨勢。文中介紹了MFSK調(diào)制解調(diào)的原理，并基于MATLAB實現(xiàn)MFSK調(diào)制解調(diào)的程序代碼設(shè)計，仿真結(jié)果表明設(shè)計方案是可行的。正文2.1 課程設(shè)計的目的及意義本次課程設(shè)計我所做的課題是一個多進制頻移鍵控MFSK的調(diào)制與解調(diào)項目，這就要求我們需要完成信號的調(diào)制解調(diào)以及抗噪聲性能的分析等問題。通過我們對這次項目的學(xué)習(xí)和理解，綜合運用課本中所學(xué)到的理論知識完成一個多進制頻移鍵控MFSK的調(diào)

3、制與解調(diào)項目的課程設(shè)計。以及鍛煉我們查閱資料、方案比較、團結(jié)合作的能力。學(xué)會了運用MATLAB編程來實現(xiàn)MFSK調(diào)制解調(diào)過程，并且輸出其調(diào)制及解調(diào)過程中的波形，并且討論了其調(diào)制和解調(diào)效果，分析了抗噪聲性能，增強了我的動手能力，為以后學(xué)習(xí)和工作打下了基礎(chǔ)。2.2 多進制數(shù)字調(diào)制二進制鍵控調(diào)制系統(tǒng)中，每個碼元只傳輸1b信息，其頻帶利用率不高。而頻率資源是極其寶貴和緊缺的。為了提高頻帶利用率，最有效的辦法是使一個碼元傳輸多個比特的信息。這就是將要討論的多進制鍵控體制。多進制鍵控體制可以看作是二進制鍵控體制的推廣。這時，為了得到相同的誤碼率，和二進制系統(tǒng)相比，接要用更大的發(fā)送信號功率。這就是為了傳輸更

4、多信息量所要付出的代價。由二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較可得知，各種鍵控體制的誤碼率都決定于信噪比：r=a22n2 （r表示信號碼元收信號信噪比需要更大，即需碼元功率a22和噪聲功率n2之比）。現(xiàn)在，設(shè)多進制碼元的進制數(shù)為M,一個碼元中包含信息K比特，則有k=log2M；若想把碼元功率a22平均分配給每比特，則每比特分得的功率為Pb=a22k；這樣每比特的信噪功率比為：rb=rk；在M進制中，由于每個碼元包含的比特數(shù)K和進制數(shù)M有關(guān)，所以在研究不同M值下的錯誤率時，適合用rb為單位來比較不同體制的性能優(yōu)劣。所謂多進制數(shù)字調(diào)制，就是利用多進制數(shù)字基帶信號去調(diào)制高頻載波的某個參量，如幅度、頻率或相位

5、的過程。根據(jù)被調(diào)參量的不同，多進制數(shù)字調(diào)制可分為多進制幅度鍵控（MASK）、多進制頻移鍵控（MFSK）以及多進制相移鍵控（MPSK或MDPSK）。也可以把載波的兩個參量組合起來進行調(diào)制，如把幅度和相位組合起來得到多進制幅相鍵控（MAPK）或它的特殊形式多進制正交幅度調(diào)制（MQAM）等。2.3 MFSK簡介多進制數(shù)字頻率調(diào)制（MFSK）簡稱多頻制，是2FSK方式的推廣。它是用不同的載波頻率代表不同種數(shù)字信息。多進制頻移鍵控（MFSK）的基本原理和2FSK是相同的，其調(diào)制可以用頻率鍵控法和模擬調(diào)頻電路來實現(xiàn)，不同之處在于使用鍵控法的時候供選的頻率有M個。MFSK（多進制頻移鍵控），是一種在各種頻率

6、離散音頻脈沖爆發(fā)傳送數(shù)字信息的信號調(diào)制方法。它原來是歐洲和英國政府機構(gòu)在20世紀中葉使用。在那時它叫做Piccolo，一種樂器的名字，這種樂器的聲音音調(diào)很高，就像一個MFSK信號經(jīng)過收音機的喇叭時發(fā)出的聲音。MFSK的主要缺點是信號占用較寬的頻帶，信道頻帶利用率不高。因此MFSK一般用于調(diào)制速率(1TB) 不高的衰落信道傳輸場合。2.4 MFSK信號的頻譜、帶寬及頻帶利用率鍵控法產(chǎn)生的MFSK信號，可以看作由M個幅度相同、載頻不同、時間上互不重疊的2ASK信號疊加的結(jié)果。設(shè)MFSK信號碼元的寬度為TB，即傳輸速率fB=1TB（Baud），則MFSK信號的帶寬為B=fM-f1+f；式中為fM最高

7、選用載頻，f1為最低選用載頻。f為單個碼元的帶寬。MFSK信號功率譜P(f)如圖2-4所示:圖2-4 MFSK信號的功率譜若相鄰載頻之差等于，即相鄰頻率的功率譜主瓣剛好互不重疊，這時的MFSK信號的帶寬及頻帶利用率分別為：BMFSK=2MfB n=KfBBMFSK=K2M=log2M2M式中M=2K，K=2,3，。可見，MFSK信號的帶寬隨頻率數(shù)的增大而線性增寬，頻帶利用率明顯下降。因此，MFSK多用于調(diào)制速率較低及多徑延時比較嚴重的信道，如無線短波信道。2.5 MFSK調(diào)制與解調(diào)的原理圖2-5 多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)的組成方框圖MFSK調(diào)制原理和2FSK的基本相同。串/并變換器和邏輯電路1將

8、一組組輸入的二進制碼（每K個碼元為一組）對應(yīng)地轉(zhuǎn)換成有M（M=2K）種狀態(tài)的一個個多進制碼。這M個狀態(tài)分別對應(yīng)M個不同的載波頻率（f1,f2fm）。要求載頻之間的距離足夠大，以便用濾波器分離不同頻率的譜。當某組K位二進制碼到來時，邏輯電路1的輸出一方面接通某個門電路，讓相應(yīng)的載頻發(fā)送出去，另一方面同時關(guān)閉其余所有的門電路。于是當一組二進制碼元輸入時，經(jīng)相加器組合輸出的便是一個M進制調(diào)頻波形。多進制頻移鍵控的解調(diào)部分由M個帶通濾波器BPF、包絡(luò)檢波器及一個抽樣判決器、邏輯電路2組成。各帶通濾波器的中心頻率分別對應(yīng)發(fā)送端的各個載波頻率。因而，當某一已調(diào)信號到來時，在任一碼元持續(xù)時間內(nèi)，只有與發(fā)送端

9、頻率相應(yīng)的一個帶通濾波器能收到信號，其它帶通濾波器只有噪聲通過。抽樣判決器的任務(wù)是比較所有檢波器輸出的電壓，并選出最大者作為輸出，這個輸出是一位與發(fā)送端載波頻率相應(yīng)的進制數(shù)M。邏輯電路2把這個M進制數(shù)譯成K位二進制并行碼，并進一步做并/串變換恢復(fù)二進制信息輸出，從而完成數(shù)字信號的傳輸。3 仿真結(jié)果與分析3.1 八進制的隨機序列在本次課程設(shè)計中M=8，所以是每3個碼元為一組，這8個狀態(tài)分別對應(yīng)8個不同的載波頻率。8FSK采用8種不同的頻率分別表示三比特信息。如圖3-1所示：圖3-1 二進制隨機序列的產(chǎn)生程序的運行過程是：首先產(chǎn)生隨機序列碼（如圖3-1所示 注：此序列為隨機序列，每一次運行程序所產(chǎn)

10、生的序列都不同。）對應(yīng)表3-1，當時間等于某一值時，可根據(jù)縱坐標碼元的值對照表3-1得出其信息序列。碼元01234567比特000001010011100101110111表3-1 M=8時的碼元3.2 調(diào)制后的信號圖3-2-1 調(diào)制后的信號已調(diào)信號的眼圖如3-2-1圖所示圖3-2-2 未加入高斯白噪聲已調(diào)信號的眼圖由圖3-2-2可知眼圖的線跡是比較清晰的帶狀的線，線條較細，清晰，“眼睛”張開的大，說明未加入高斯白噪聲的已調(diào)信號碼間串擾比較小。3.3 加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號然后通過調(diào)用函數(shù)對隨機序列進行調(diào)制，如圖3-3-1所示。在調(diào)制信號中加入高斯白噪聲如圖 6所示。圖3-3-1 加入高斯

11、白噪聲的已調(diào)信號在實際中，只要噪聲的功率譜均勻分布的頻率范圍遠遠大于通信系統(tǒng)的工作頻帶，我們就可以把它視為白噪聲。如果白噪聲取值的概率服從高斯分布，則稱為高斯白噪聲。加入高斯白噪聲后已調(diào)信號的眼圖如下圖3-3-2所示：圖3-3-2 加入高斯白噪聲后已調(diào)信號的眼圖由圖可知眼圖的線跡是比較模糊的帶狀的線，線條較粗，模糊，“眼睛”張開的小，說明加入高斯白噪聲的已調(diào)信號噪聲大，碼間串擾比較大。3.4 MFSK的解調(diào)3.4.1 濾除高斯白噪聲圖3-4-1 升余弦濾波器前后波形比較圖3-4-1中紅線表示：加入高斯白噪聲的已調(diào)信號；藍線表示：經(jīng)過升余弦濾波器后的已調(diào)信號。升余弦濾波器本質(zhì)上是一個低通濾波器，

12、濾除了高頻成分，減小了碼間串擾和噪聲。只不過是他的滾降因子會對波形的幅度產(chǎn)生一定影響，一般是降低了波形的幅度并且低通。減小了碼間串擾和噪聲。3.4.2 相干解調(diào)后的信號在通過調(diào)用函數(shù)讓函數(shù)通過相干解調(diào)方式進行解調(diào)，解調(diào)信號如圖3-4-2所示圖3-4-2 相干解調(diào)后的信號原序列比較因為MFSK信號占用較寬的帶寬，頻帶利用率不高，所以MFSK一般用于調(diào)制速率不高的衰落信號的傳輸場合，這些信道會引起信號的相位和振幅隨機抖動和起伏。余弦滾降濾波器只能減小碼間串擾和定時誤差的影響，不能完全消除噪聲，所以相干解調(diào)后的信號與原信號存在誤差。3.4.3 非相干解調(diào)后的信號在通過調(diào)用函數(shù)讓函數(shù)通過非相干解調(diào)方式

13、進行解調(diào)，解調(diào)信號如圖3-4-3所示圖3-4-3 非相干解調(diào)后的信號原序列比較因為MFSK信號占用較寬的帶寬，頻帶利用率不高，所以MFSK一般用于調(diào)制速率不高的衰落信號的傳輸場合，這些信道會引起信號的相位和振幅隨機抖動和起伏。余弦滾降濾波器只能減小碼間串擾和定時誤差的影響，不能完全消除噪聲，所以非相干解調(diào)后的信號與原信號也存在誤差。3.5 MFSK系統(tǒng)的抗噪聲性能3.5.1 相干解調(diào)時的誤碼率圖3-5-1 相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計注釋： 圖3-5-1中右上角的意思為： 綠線表示二進制誤碼率和信噪比之間的關(guān)系，紅線表示八進制誤碼率和信噪比之間的關(guān)系。在相同誤碼率的情況下，隨著進制數(shù)M的增大信噪比減小

14、；在相同信噪比的情況下，隨著進制數(shù)M的增大誤碼率減小。MFSK信號采用相干解調(diào)（相干檢波器）時系統(tǒng)的誤碼率為上界公式為：PeM-1erfc(r)；可以看出，多頻制誤碼率隨M增大而減小，但與多電平調(diào)制相比增加的速度要小的多。所以MFSK信號在相干解調(diào)時的設(shè)備復(fù)雜，應(yīng)用較少。3.5.2 非相干解調(diào)時的誤碼率圖3-5-2 非相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計注釋： 圖3-5-2中右上角的意思為： 綠線表示二進制誤碼率和信噪比之間的關(guān)系，紅線表示八進制誤碼率和信噪比之間的關(guān)系。在相同誤碼率的情況下，隨著進制數(shù)M的增大信噪比減小；在相同信噪比的情況下，隨著進制數(shù)M的增大誤碼率減小。MFSK信號采用非相干解調(diào)時（包絡(luò)檢

15、波器）系統(tǒng)的誤碼率為：PeM-12e-r2；式中r為平均信噪比。rb=rlog2M為每比特的信噪功率比。M=8,K=3,如表3-1所示，在任一一列中均有4個“0”和4個“1”。所以在給定的比特位置上的信息和其他（2K-1-1）種碼元在同一位置上的信息相同，和其他2k-1種碼元在同一位置上的信息則不同。所以比特錯誤率Pb和碼元錯誤率Pe之間的關(guān)系為：Pb=2k-12k-1Pe=Pe21-12k;當K很大時，PbPe2。對于給定的誤碼率，所需的信號功率隨M的增大而下降。但是由于M的增大，MFSK信號占據(jù)的帶寬也隨之增大，頻帶利用率下降。比較相干和非相干解調(diào)的誤碼率，當log2M>7時，誤碼率

16、的上界都可以表示為：PeM-12e-A24n2 課程設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計我做的課題是多進制頻移鍵控MFSK的調(diào)制與解調(diào)項目，并且通過運用Matlab語言進行實現(xiàn)，通過這次課程設(shè)計，讓我重新復(fù)習(xí)了MFSK的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，并通過編程Matlab語言的實現(xiàn)讓我也加深了對調(diào)制與解調(diào)的理解，與此同時，在程序的運行和實現(xiàn)的一遍又一遍的重復(fù)中，也讓我基本熟悉掌握了Matlab的使用方法。通過這次的練習(xí)，不僅讓我加深了對課本內(nèi)容的理解，讓課本內(nèi)容與實踐相結(jié)合，更重要的是又讓我提高了動手與思考的能力。這也是我在以后的的學(xué)習(xí)和生活中所需要和慢慢培養(yǎng)的。通過這次課程設(shè)計，我們學(xué)會了很多，收獲了很多，并且加強了我們

17、的自主能力、動手能力和獨立思考、團結(jié)協(xié)作的能力。致謝通過這次為期一周的通信課程設(shè)計，我的題目是多進制頻移鍵控MFSK的調(diào)制與解調(diào)。這就要求我們需要完成信號的調(diào)制解調(diào)以及抗噪聲性能的分析等問題。通過我們對這次項目的學(xué)習(xí)和理解，綜合運用課本中所學(xué)到的理論知識完成一個多進制頻移鍵控MFSK的調(diào)制與解調(diào)項目的課程設(shè)計。以及鍛煉我們查閱資料、方案比較、團結(jié)合作的能力。學(xué)會了運用MATLAB編程來實現(xiàn)MFSK調(diào)制解調(diào)過程，并且輸出其調(diào)制及解調(diào)過程中的波形，并且討論了其調(diào)制和解調(diào)效果，分析了抗噪聲性能，增強了我的動手能力，為以后學(xué)習(xí)和工作打下了基礎(chǔ)。在設(shè)計中也得到很多見識，獲得或理解知識時的欣喜與在一個問題

18、上的糾結(jié)都是很寶貴的，在這種情緒的反復(fù)中，認識到學(xué)習(xí)就是這樣一個過程。不管過程怎樣，以小見大的反射出以后學(xué)習(xí)的態(tài)度?；ハ嘟涣骺梢约由顚W(xué)習(xí)，找出問題，相互彌補不足，在資料的采集方面提高了不少效率，也提高的每個個體的興奮度，真切體會集體學(xué)習(xí)給我們帶來的益處，學(xué)習(xí)是快樂的。 這次課程設(shè)計帶給我的不僅僅是學(xué)識上的精進還有個人能力素養(yǎng)的提升，也督促培養(yǎng)了個人獨立思考、善于查閱并應(yīng)用相關(guān)資料書籍的能力。經(jīng)過這次課程設(shè)計，我收獲很多。我會在以后的學(xué)習(xí)生活中繼續(xù)保持這種求真務(wù)實的精神，努力學(xué)好理論知識，更好的為實踐服務(wù)。最后也感謝蔣霞老師和張樹艷老師的指導(dǎo)！參考文獻1 樊昌新，曹麗娜通信原理國防工業(yè)出版社，2

19、0112 郭文彬 桑林編. 通信原理-基于MATLAB的計算機仿真. 北京郵電大學(xué)出版社. 2006.23 王華 李有軍編. MATLAB電子仿真與應(yīng)用教程(第二版). 國防工業(yè)出版社. 2007.3附錄 Fc=10; %載頻 Fs=40; %系統(tǒng)采樣頻率 Fd=1; %碼速率 N=Fs/Fd; df=10; numSymb=25;%進行仿真的信息代碼個數(shù) M=8; %進制數(shù) SNRpBit=60;%信噪比 SNR=SNRpBit/log2(M); seed=12345 54321;%seed是產(chǎn)生隨機數(shù)的一個種子，如果不設(shè)置seed那么，rand每次產(chǎn)生的隨機數(shù)都是一樣的，因為種子是一樣的，

20、所以要想產(chǎn)生不一樣的隨機數(shù)就要設(shè)置seed numPlot=15; %產(chǎn)生八進制隨機碼（對應(yīng)表1，當時間等于某一值時，可根據(jù)縱坐標碼元的值對照表一得出其信息序列） x=randsrc(numSymb,1,0:M-1);%產(chǎn)生八進制隨機碼 figure(1) stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx'); title('八進制隨機序列') xlabel('Time'); ylabel('碼元'); %調(diào)制 y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,'fsk',M,df);%dmod是數(shù)字調(diào)制函數(shù)，

21、這句就是實現(xiàn)fsk調(diào)制的 numModPlot=numPlot*Fs; t=0:numModPlot-1./Fs; figure(2) plot(t,y(1:length(t),'b-'); axis(min(t) max(t) -2 2); title('調(diào)制后的信號') xlabel('Time'); ylabel('Amplitude'); %在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲 randn('state',seed(2);%matlab是偽隨機數(shù)生成器 seed設(shè)置的是種子 根據(jù)這個種子生成第一個隨機數(shù)，state是

22、設(shè)置的隨機數(shù) y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),'measured','dB');%在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲,awgn：在某一信號中加入高斯白噪聲 figure(3) plot(t,y(1:length(t),'b-');%畫出經(jīng)過信道的實際信號 axis(min(t) max(t) -2 2); title('加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號') xlabel('Time'); ylabel('Amplitude'); %相干解調(diào) figure(4) z1=

23、ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye',M,df);%帶輸出波形的相干M元頻移鍵控解調(diào)，函數(shù)dmod實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，相應(yīng)的解調(diào)函數(shù)為：ddemod stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx'); hold on; stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),'ro'); hold off; axis(0 numPlot 0 8); title('相干解調(diào)后的信號原序列比較') legend('原輸入二進制隨機序列','相干解調(diào)后的信號') x

24、label('Time'); ylabel('Amplitude'); %非相干解調(diào) figure(5) z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye/noncoh',M,df);%ddemod(x,Fc,Fd,Fs,'fsk',M,df) ,x是一個隨機序列，F(xiàn)d為碼元速率，F(xiàn)c為載頻，F(xiàn)s為采樣頻率，fsk表示為頻移鍵控調(diào)制。 stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx'); hold on; stem(0:numPlot-1,z2(1:numPlot),'ro'); hold off; axis(0 numPlot 0 8); title('非相干解調(diào)后的信號') legend('原輸入二進制隨機序列','非相干解調(diào)后的信號') xlabel