數(shù)字帶通傳輸2FSK系統(tǒng)設(shè)計報告

1、參考文獻(xiàn)通信系統(tǒng)課程設(shè)計報告 數(shù)字帶通傳輸2FSK系統(tǒng)摘 要 本課程設(shè)計主要運用MATLAB集成環(huán)境下的simulink仿真平臺設(shè)計進(jìn)行差分碼2FSK調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真。在本次課程設(shè)計中先根據(jù)2FSK調(diào)制與解調(diào)原理構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路，從Simulink工具箱中找所各元件，合理設(shè)置好參數(shù)并運行，其中可以通過不斷的修改優(yōu)化得到需要信號，之后加入高斯，并分析對信號的影響，最后通過對輸出波形和功率譜的分析得出差分碼2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真是否成功。 關(guān)鍵詞: Simulink；2FSK調(diào)制；差分碼2FSK；相干解調(diào)目錄1 引言- 1 -1.1課程設(shè)計的目的- 1 -1.2課程設(shè)計的基本任務(wù)和要求-

2、 1 -1.3 設(shè)計平臺- 1 -2 基本原理- 2 -2.1 數(shù)字帶通傳輸- 2 -2.2 2FSK系統(tǒng)- 2 -2.3 2FSK數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制原理- 3 -2.4 2FSK的解調(diào)方式- 4 -2.4.1 非相干解調(diào)- 4 -2.4.2 相干解調(diào)- 4 -3 差分碼2FSK系統(tǒng)組成- 5 -3.1 差分碼2FSK的調(diào)制部分- 5 -3.1.1 差分碼2FSK調(diào)制模塊結(jié)構(gòu)模型- 5 -3.1.2 差分碼2FSK的調(diào)制部分參數(shù)設(shè)置- 6 -3.2 差分碼FSK信號解調(diào)- 7 -3.2.1 差分碼FSK的解調(diào)部分- 7 -3.2.2 差分碼2FSK的調(diào)制部分參數(shù)設(shè)置- 8 -3.3 加入高斯噪聲的

3、差分碼2FSK相干解調(diào)- 9 -3.4 系統(tǒng)2FSK的誤碼率計算模塊- 11 -3.5 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)- 11 -4 仿真結(jié)果- 11 -4.1 2FSK調(diào)制模塊仿真- 11 -4.2 2FSK的解調(diào)部分仿真- 12 -4.3 2FSK加入高斯白噪聲后的仿真- 13 -4.4 2FSK誤碼率計算- 14 -4.5 結(jié)果分析- 14 -5 出現(xiàn)的問題- 14 -6 總結(jié)- 14 -參考文獻(xiàn)- 15 -1 引言本次課程設(shè)計主要運用MATLAB軟件，在Simulink平臺下建立仿真模型。實現(xiàn)模擬基帶信號經(jīng)差分碼FSK調(diào)制與非相干解調(diào)的傳輸過程，通過分析比較調(diào)制解調(diào)輸出波形以及功率譜特征，理解差分碼FS

4、K調(diào)制原理。在分別加入高斯噪聲，觀察對波形的影響，并對其進(jìn)行分析總結(jié)。 1.1課程設(shè)計的目的通信原理是通信工程專業(yè)的一門骨干的專業(yè)課，是通信工程專業(yè)后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)。掌握通信原理課程的知識可使學(xué)生打下一個堅實的專業(yè)基礎(chǔ)，可提高處理通信系統(tǒng)問題能力和素質(zhì)。由于通信工程專業(yè)理論深、實踐性強，做好課程設(shè)計，對學(xué)生掌握本專業(yè)的知識、提高其基本能力是非常重要的。 通信課程設(shè)計的目的是為了學(xué)生加深對所學(xué)的通信原理知識理解，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)，提高利用通信原理知識處理通信系統(tǒng)問題的能力，為今后的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計和工作打下良好的基礎(chǔ)。使學(xué)生能比較扎實地掌握本專業(yè)的基礎(chǔ)知識和基本理論，掌握數(shù)字通信系統(tǒng)及有

5、關(guān)設(shè)備的分析、開發(fā)等基本技能，受到必要工程訓(xùn)練和初步的科學(xué)研究方法和實踐訓(xùn)練，增強分析和解決問題的能力，了解本通信專業(yè)的新發(fā)展。 1.2課程設(shè)計的基本任務(wù)和要求本次課程設(shè)計是用simulink仿真實現(xiàn)一個數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)： 1）信源：產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)比特流，數(shù)字基帶信號任選，例如單極性、雙極性數(shù)字信號，可以是矩形波、三角波等數(shù)字基帶信號波形。 2）調(diào)制：可以選擇簡單的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式，例如二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)、二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)、二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)，也可以選擇其它高效的調(diào)制方式，例如多進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控等。 3）信道：假定信道屬于加性高斯信道。 4）結(jié)果：仿真出該數(shù)字傳輸系

6、統(tǒng)的性能指標(biāo)，即該系統(tǒng)的誤碼率，并畫出SNR（信噪比）和誤碼率的曲線圖。1.3 設(shè)計平臺 Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計

7、環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulik是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，

8、其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。 所謂模型化圖形輸入是指Simulik提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。 2 基本原理2.1 數(shù)字帶通傳輸數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)：通常把包括調(diào)制和解調(diào)過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)。數(shù)字信號的傳輸方式分為基帶傳輸（baseband transmission）和帶通傳輸（bandpass transmission）。然而，實際中的大多數(shù)信道（如無線信道）因具有帶通特性而不能

9、直接傳送基帶信號，這是因為數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻分量。為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須用數(shù)字基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號（已調(diào)信號）的過程稱為數(shù)字調(diào)制（digital modulation）。在接收端通過解調(diào)器把帶通信號還原成數(shù)字基帶信號的過程稱為數(shù)字解調(diào)（digital demodulation）。通常把包括調(diào)制和解調(diào)過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)。一般來說，數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的基本原理相同，但是數(shù)字信號有離散取值的特點。因此數(shù)字調(diào)制技術(shù)有兩種方法：（1）利用模擬調(diào)制的方法去實現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制

10、，即把數(shù)字調(diào)制看成是模擬調(diào)制的一個特例，把數(shù)字基帶信號當(dāng)作模擬信號的特殊情況處理；（2）利用數(shù)字信號的離散取值特點通過開關(guān)鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。這種方法通常稱為鍵控法，比如對載波的振幅、頻率和相位進(jìn)行鍵控，便可獲得振幅鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK）、頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）和相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）三種基本的數(shù)字調(diào)制方式。2.2 2FSK系統(tǒng)頻移鍵控是利用載波的頻率來傳遞數(shù)字信號，在2FSK中，載波的頻率隨著二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。2FSK信號的產(chǎn)生方法主要有兩種。一

11、種可以采用模擬電匝來實現(xiàn)；另一種可以采用鍵控法來實現(xiàn)，即在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關(guān)對兩個不同的獨立源進(jìn)行先通，使其在每一個碼元期間輸出f1和f2兩個載波之一。這兩種方法產(chǎn)生2FSK信號的差異在于：由調(diào)頻法產(chǎn)生的2FSK信呈在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的，而鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號，是由電子開關(guān)在兩個獨立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成，故相鄰碼元之間的相位不一不定期連續(xù)。頻移鍵控是利用載波的頻移變化來傳遞數(shù)字信息的。在2FSK中，載波的頻率隨基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。故其表達(dá)式為： 典型波形如下圖所示。由圖2.1可見。 圖2.1 2FSK信號的調(diào)制過程原理圖2FSK信號可以看作

12、兩個不同載頻的ASK信號的疊加。因此2FSK信號的時域表達(dá)式又可以寫成：2.3 2FSK數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制原理2FSK調(diào)制就是使用兩個不同的頻率的載波信號來傳輸一個二進(jìn)制信息序列?？梢杂枚M(jìn)制“1”來對應(yīng)于載頻f1，而“0”用來對應(yīng)于另一相載頻w2的已調(diào)波形，而這個可以用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立的頻率源w1、f2進(jìn)行選擇通。如圖2.2為調(diào)制原理圖：圖2.2 2FSK的調(diào)制原理圖2.4 2FSK的解調(diào)方式2FSK的解調(diào)方式有兩種:相干解調(diào)方式和非相干解調(diào)方式.下面我們將詳細(xì)的介紹:2.4.1 非相干解調(diào)經(jīng)過調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號通過兩個頻率不同的帶通濾波器f1、f2濾出不需要的

13、信號，然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號分別通過包絡(luò)檢波器檢波，最后將兩種信號同時輸入到抽樣判決器同時外加抽樣脈沖，最后解調(diào)出來的信號就是調(diào)制前的輸入信號。其原理圖如圖2.3所示：圖2.3 2FSK信號的非相干解調(diào)方式2.4.2 相干解調(diào)根據(jù)已調(diào)信號由兩個載波f1、f2調(diào)制而成，則先用兩個分別對f1、f2帶通的濾波器對已調(diào)信號進(jìn)行濾波，然后再分別將濾波后的信號與相應(yīng)的載波f1、f2相乘進(jìn)行相干解調(diào)，再分別低通濾波、用抽樣信號進(jìn)行抽樣判決器即可。原理圖如下：圖2.4 2FSK信號的相干方式解調(diào)原理圖3 差分碼2FSK系統(tǒng)組成3.1 差分碼2FSK的調(diào)制部分3.1.1 差分碼2FSK調(diào)制模塊結(jié)構(gòu)模型 2

14、FSK信號是由頻率分別為Sine wave和Sine wave1的兩個載波對信號源進(jìn)行頻率上的控制而形成的，其中Sine wave和Sine wave1是兩個頻率有明顯差別的且都遠(yuǎn)大于信號源頻率的載波信號。調(diào)制模型圖如圖3.1.1所示：圖3.1.1 2FSK信號調(diào)制模塊3.1.2 差分碼2FSK的調(diào)制部分參數(shù)設(shè)置載波sin wave1的參數(shù)設(shè)置圖3.1.2 載波sine wave1的參數(shù)設(shè)置載波sin wave2的參數(shù)設(shè)置圖3.1.3 載波sine wave1的參數(shù)設(shè)置基帶信號模塊Bernoulli Binary Generator其參數(shù)設(shè)置如下：圖3.1.4 基帶信號參數(shù)設(shè)置3.2 差分碼F

15、SK信號解調(diào)3.2.1 差分碼FSK的解調(diào)部分 打開simulink工具箱，點擊file圖標(biāo)，選擇新建中的model，新建一個仿真空白模型，將2FSK信號調(diào)至所需要的模塊拖入空白模型中，也可點擊鼠標(biāo)左鍵單擊“add to untitled”。 下圖中From File模塊為調(diào)制部分的封裝To File模塊，Analog Filter Design模塊為帶通濾波器，Abs模塊為絕對值，其作用等同于保羅檢測器，Scope模塊為示波器，Subtract模塊對信號進(jìn)行加法或減法運算，Power Spectral模塊是功率譜，Zero order hold模塊的功能為零階保持模塊，Quantizing

16、Encoder為量化編碼器模塊，Zero order hold和Quantizing Encoder的作用等同于在定時脈沖下的抽樣判決器。解調(diào)模型圖如圖3.2.1所示：圖3.2.1 2FSK信號解調(diào)模塊3.2.2 差分碼2FSK的調(diào)制部分參數(shù)設(shè)置 在帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置中，帶通濾波器1參數(shù)設(shè)置圖3.2.2帶通濾波器1參數(shù)設(shè)置帶通濾波器2參數(shù)設(shè)置圖3.2.3帶通濾波器2參數(shù)設(shè)置零階保持模塊的參數(shù)設(shè)置圖3.2.4 零階保持器參數(shù)設(shè)置3.3 加入高斯噪聲的差分碼2FSK相干解調(diào) 高斯噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類噪聲。在理想信道調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)上，在調(diào)制信號上加入高斯噪聲，

17、把Simulink噪聲源下的高斯噪聲模塊（Gaussian Noise Generator）加入到模型中。噪聲參數(shù)設(shè)置、模型與波形圖如下：圖3.3.1 差分碼2FSK加入高斯噪聲高斯噪聲參數(shù)設(shè)置圖3.3.2 高斯噪聲參數(shù)設(shè)置3.4 系統(tǒng)2FSK的誤碼率計算模塊圖3.4.1 2FSK系統(tǒng)的誤碼率計算模塊3.5 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖3.5.1 整體結(jié)構(gòu)4 仿真結(jié)果4.1 2FSK調(diào)制模塊仿真經(jīng)過以上參數(shù)的設(shè)置后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，仿真結(jié)果如圖4.1所示：圖4.1 2FSK的調(diào)制模塊仿真其中第1段圖形為基帶信號的波形圖；第2段圖形為載波1與基帶信號差分碼波形圖；第3段為基帶信號的差分碼波形圖；第4段為載

18、波2與基帶信號的差分碼波形圖；第4段圖形為FSK調(diào)制信號。4.2 2FSK的解調(diào)部分仿真 經(jīng)過以上參數(shù)的設(shè)置后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，仿真結(jié)果如圖4.2所示：圖4.2 2FSK的解調(diào)模塊仿真4.3 2FSK加入高斯白噪聲后的仿真 圖4.3 加入高斯噪聲后的波形4.4 2FSK誤碼率計算圖4.4 2FSK誤碼率的計算4.5 結(jié)果分析 表1 信噪比與誤碼率的關(guān)系信噪比1030507090誤碼率6.36E-016.36E-016.36E-016.36E-016.36E-01由上表可以看出不論信噪比如何改變，誤碼率恒不變。分析可知由于我們在仿真的過程中采樣次數(shù)是有限的，而在有限的次數(shù)內(nèi)，它采樣的數(shù)值是恒定的，非0即1，則在改變信噪比之后，它的取值也只能是這兩個值，因此誤碼率是恒定的。5 出現(xiàn)的問題 在本次課程設(shè)計運用了MATLAB軟件下Simulink建立工作模型，在仿真的過程中遇到了各種不同的問題，通過自己的探索和在老師和同學(xué)的幫助下總算得以解決，總結(jié)分析分析如下：（1）若波形出錯，可以把濾波器級數(shù)(默認(rèn)為8)適當(dāng)減小，使濾波器精確度變小，允許誤差變大，便于波形的輸出。 （2）在選擇帶通濾波器的參數(shù)時候要