2FSK调制与非相干解调系统仿真

目录目录1摘要21引言31.1课程设计的目的31.2课程设计的基本任务和要求31.3设计平台42设计原理52.1 Simulink 工作环境5（1）模型库5（2）设计仿真模型5（3）运行仿真62.2 2FSK的调制与解调6（1）2FSK的调制原理6（2）2FSK的解调原理83设计步骤103.1 2FSK信号调制10（1）2FSK的调制部分10（2）2FSK的调制部分参数设置11（3）2FSK的调制部分仿真以及功率谱分析123.2 2FSK信号解调14（1）2FSK的解调部分14（2）2FSK的调制部分参数设置14（3）2FSK的解调部分仿真以及功率谱分析163.3加入高斯噪声的2FSK非相干解调184出现的问题及解决方法215结束语22参考文献232FSK调制与非相干解调系统仿真学生姓名：指导老师：摘 要 本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计进行 2FSK调制与非相干解调系统仿真。在本次课程设计中先根据2FSK调制与解调 原理构建调制解调电路，从Simulink工具箱中找所各元件，合理设置好参数并 运行，其中可以通过不断的修改优化得到需要信号，之后加入高斯，并分析对信 号的影响，最后通过对输出波形和功率谱的分析得出2FSK调制解调系统仿真是 否成功。关键词Simulink； 2FSK；调制；非相干解调Abstract This course is designed using MATLAB Simulink simulation environment integrated platform for DSB modulation and coherent demodulation system simulation. In this first course design in the DSB modulation and demodulation according to modem circuit built from Simulink toolbox to find the various components, a reasonable set parameters and run, in which changes can be optimized through continuous need for the signal, after Gaussian and analyze the impact of noise on the signal, and finally through the output waveform and power spectral analysis obtained 2FSK modem simulation was successful.Keywords Simulink; 2FSK; modulation; non-coherent demodulation1引言本次课程设计主要运用MATLAB软件，在Simulink平台下建立仿真模型。 实现模拟基带信号经2FSK调制与非相干解调的传输过程，通过分析比较调制解 调输出波形以及功率谱特征，理解2FSK调制原理。在分别加入高斯噪声，观察 对波形的影响，并对其进行分析总结。1.1课程设计的目的通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课，是通信工程专业后续专业课 的基础。掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础，可提高处 理通信系统问题能力和素质。由于通信工程专业理论深、实践性强，做好课程设 计，对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解，培养学生专业 素质，提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力，为今后的专业课程的学 习、毕业设计和工作打下良好的基础。使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知 识和基本理论，掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能，受到必 要工程训练和初步的科学研究方法和实践训练，增强分析和解决问题的能力，了 解本通信专业的新发展。1.2课程设计的基本任务和要求本次课程设计的基本任务：（1）使学生通过专业课程设计掌握通信中常用的信号处理方法，能够分析简单 通信系统的性能。（2）使学生掌握通信电路的设计方法，能够进行设计简单的通信电路系统。（3）了解通信工程专业的发展现状及发展方向。（4）与运用学过的MATLAB基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink 仿真平台的使用课程设计中必须遵循下列要求：（1）利用通信原理中学习的理论知识，在Simulik仿真平台中设计出各种调制 与解调系统、基带传输系统、差错控制编解码系统等等，并按题目要求运行、检 测系统仿真结果。（2）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。（3）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。（4）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，并且分析高斯噪声对信号的影响。（5）要求编写课程设计论文，正确阐述和分析设计和实验结果。1.3设计平台Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和 综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观 的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰 及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被 广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软 件和硬件可应用于或被要求应用于SimulinkULSimulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的 框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于 线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可 以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多 速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模 型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程 只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而 且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulik是MATLAB软件的扩展，它与MATLAB语言的主要区别在于，其 与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把 更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模 块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是 如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要 的系统模型，进而进行仿真与分析。2设计原理2.1 Simulink工作环境（1）模型库在MATLAB命令窗口输入“simulink”并回车，就可进入Simulink模型库单击工具栏上的按钮也可进入Simulik模块库按功能进行分为以下8类子库：Continuous （连续模块）Discrete （离散模块）Function&Tables （函数和平台模块）Math （数学模块）Nonlinear （非线性模块）Signals&Systems （信号和系统模块）Sinks （接收器模块）Sources （输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封 装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构Simulink子模型库中包含了 Continous、Discontinus等下一级模型库Continous模型库中又包含了若干模块， 可直接加入仿真模型。iMulink Library Browser. j XFile Edit View Help由小魁r一Cobb only Used Blocks : s i mul i rJ:/CommorLl 7Used BlocksSi rrnil ink萱| Commurily Used Blocks屈| ContinuouE:”| Di EcorLtinui ti es垣 Discrete冬 Logic and Bit Oper：tions 粉 Lo okup T aLles(2)设计与j Math Up er at ions 垒j Model Veri fication .图 Model-Wide Utilities 州 Forts & Subsystems 图2-1瑜 Si grL：il At tri but es 仿真模型gMn目箜 SirLkE：usS blocEsI Comm)nl7 Used BlocksLookup Tables“Mod+s-.s-.e-=.=SimulinkAerospace BlocksetCDMA Reference BlcicksetComnnirLi cati ans BlocksetContrul System Toolbox Dial， ft Gauges Blockset ErTilieddeil T:=： ge t Emb e dde d T：fget ErTibedileil T:=： ge t EnibHilded T:t_ ge t ErTitiHiideil T:ge tforforforforforInfirLeorL CMotorolaMotorolaOSEITOXTI C2000 I型库的菜单栏依次选择“File” | “New” |Mudel Veri ficationMi scHTModel-Wide UtilitiesForts ft SubsysternsS i grL：=il At tr i but e sSi etl：=lL RoutingRe ：dy两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：在菜单栏中依次选择 Simulation I Start或在工具栏上单击里一。命令行方式：输入“sin启动仿真 进程比较这两种不同的运行方式：菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器 或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。命令行方式启动模型后，不能观察 仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式。2.2 2FSK的调制与解调（1）2FSK的调制原理在二进制频移键控（2FSK）中，当传送“1”码时对应于载波频率&，传送 “0”码时对应于载波频率丈。3 _ fl,出现概率为F对应于*（叽+妇” |_0,出现概率为（1-尹），对应于其中竺=2矿，呸=2矶，乩为频率为片的载波的初始相位，为频率为 兀的载波的初始相位。令Dd的反码，即4 = 1-电则有:当心=1时，风=;当心=时，也=1。则2FSK信号可表示为:巳咬J)= y叫就* -点二)匚眼棚展+ %)+ Z成川一)8即由节+)P2.-TD其中，我们在分析中假设昌心为单个矩形脉冲序列，其表达式为:1, 07；0其他由式上式可知，相位不连续的2FSK信号可以看成是两个2ASK调幅信号之和。二进制移频键控信号的产生，可以采用模拟调频电路来实现,也可以采用数字键控 的方法来实现.图2-3是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图，图中 两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制，在一个码元Ts期间输出fl或f2两个载波之一.。图2 3数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图A I IIh$ 1- 1 Ic- wowwwww-dwwwv-，B-，r fpj _g m 牌弓 WWWWWM . 图2- 4二进制移频键控信号的时间波形从图中可以看出b是a的反码即若a=1,则b=0,若a=0,则b=1;c为载波f1，d 为载波f2, g为2FSK的调制出的信号。（2）2FSK的解调原理经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器w1、w2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。本设计要求非相干解调，其原理图如下图所示：图2 5二进制移频键控信号解调器原理图图2 6 2FSK非相干解调时间波形图3设计步骤3.1 2FSK信号调制(1) 2FSK的调制部分打开simulink工具箱，点击file图标，选择新建中的model，新建一个仿真 空白模型，将2FSK信号调至所需要的模块拖入空白模型中，也可点击鼠标左键 单击 “add to untitled”下图中Pulse Generator模块为正弦基带信号模块，Sine wavel，Sine wave2 为频率为f1和f2载波模块，Product为乘法器模块，Scope为示波器模块，NOT 为反相器模块，Power Spectral是功率谱模块，To File为封装模块，目的是方便 调用调制部分。2FSK信号是由频率分别为Sine wave 1和Sine wave2的两个载波 对信号源进行频率上的控制而形成的，其中Sine wave1和Sine wave2是两个频 率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号。调制模型图如下图所示：图3 1 2FSK信号调制部分的simulink模型方框图(2) 2FSK的调制部分参数设置图3 -2载波sin wavel的参数设置其中fl幅度为2；频率3HZ；采样时间为0.002的信号。图3 -3载波sin wave2的参数设置其中fl幅度为2；频率2HZ；采样时间为0.002的信号。本信号源s(t)序列是用随机的0 1信号产生，在此为了方便仿真就选择了基 于采样的Pulse Generator信号模块其参数设置如下：图3-4基带信号Pulse Generator信号模块参数设置其中方波是幅度为1，周期为3，占1比为1/3的基于采样的信号。(3) 2FSK的调制部分仿真以及功率谱分析经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形如下:图3-5 2FSK调制波形图其中第1段图形为载波fl的波形图；第2段位信号源的波形图；第3段为 载波f2的波形图；第4段为fl和f2的调制波形。调制前后频谱分析如下图：图3-6基带信号频谱分析图3-7 fl和f2调制后的频谱分析由图可知基带信号在由载波fl和f2作用下频率发生了变化，相位发生位移， 波形表现为基带与载波fl的乘积与基带与载波f2的乘积得和。3.2 2FSK信号解调（1）2FSK的解调部分打开simulink工具箱，点击file图标，选择新建中的model，新建一个仿真 空白模型，将2FSK信号调至所需要的模块拖入空白模型中，也可点击鼠标左键 单击 “add to untitled”下图中From File模块为调制部分的封装To File模块，Analog Filter Design模 块为带通滤波器，Abs模块为绝对值，其作用等同于保罗检测器，Scope模块为示 波器，Subtract模块对信号进行加法或减法运算，Power Spectral模块是功率谱， Zero order hold模块的功能为零阶保持模块，Quantizing Encoder为量化编码器模 块，Zero order hold和Quantizing Encoder的作用等同于在定时脉冲下的抽样判决 器。解调模型图如下图所示：图3-8 2FSK解调部分（2）2FSK的调制部分参数设置在带通滤波器的参数设置中，由于载波fl和f2的频率分别为3HZ和2HZ， 基带信号的采样时间为1，所以其频率为1HZ，1HZ等于2*pi，又因为2FSK的带 通滤波器取值就是载波频率加减基带信号的频率，则带通滤波器的取值范围是 4*pi到8*pi，带通滤波器1的取值范围是2*pi到6*pi。Bkxzk Parameters: Analog Filter Design图3-9带通滤波器参数设置图3-10带通滤波器1参数设置其中零阶保持模块的采样时间设置必须与基带信号的采样时间保持一致。图3-12量化编码器的参数设置（3）2FSK的解调部分仿真以及功率谱分析图3 13 2FSK信号解调部分的simulink模型方框图第1段是载波fl经过解调的波形图;第2段是载波fl和f2经过解调的波形 图；第3段是解调出现的波形图，在01时间段出现延时，其他时间段与原基 带信号图3-5第2段一致，符合实验要求。第4段是载波f2解调的波形图。解调前后频谱分析如下图：图3-14解调前的频谱分析图图3-15解调后的频谱分析图从上图可以看出，经过非相干解调后，出去由于系统误差产生延迟外，其他 解调后信号功率谱与原信号功率谱是能一一对应的。3.3加入高斯噪声的2FSK非相干解调高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布(即正态分布)的一类噪声。在理想信道调制与解调的基础上，在调制信号上加入高斯噪声，把Simulink噪声源下的高斯噪声模块(Gaussian Noise Generator)加入到模型中。噪声参数设置、模型与波形图如下:图3-16 2FSK加入高斯噪声模型图3-17高斯躁声Variance参数设置为1图3-18高斯躁声Variance参数设置为100图3-19原理想信道下的2FSK解调图图3-20方差为1时候的高斯躁声下的2FSK解调图图3-21方差为100时候的高斯躁声下的2FSK解调图如图所示，图3-19为理想信道解调波形，图3-20和图3-21均为加入高斯噪 声的波形，可通过修改参数表中的方差来改变加入噪声的大小，把噪声的方差分 别设为1和100，与理想信道的输出波形相比较可以看出，波形均出现不同程度 的失真，当方差为1的时候比较接近原理想信道下的波形图，当方差为100时， 已经出现严重失真，并且失真是随着噪声方差的变化而发生改变，方差越小，通 过加入噪声信道的波形就越接近理想信道的波形。噪声能对信道产生不同程度的影响，不同的噪声使信号发生失真的参数各不 相同。在现实生活中，无处不存在着噪声，因此研究如何减小噪声对信道的影响 有着重大意义。4出现的问题及解决方法在本次课程设计运用了 MATLAB软件下Simulink建立工作模型，在仿真的 过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和在老师和同学的帮助下总算得 以解决，总结分析分析如下：（1）运行后如没有出现波形、出现多路波形的混合或是出现波形的幅度过小 或过大，可以点击scope菜单栏的思 或者点击鼠标右键，选择autoscale即可出 现清晰波形。（2）若出现波形很差，可以把修正因子（默认为1）加大，具体步骤为选择 模型菜单中的 “Simulink|configuration parameters|Data import/export” 修改 Decimation中数据（默认为1），可加大为50或100。（3）调制模块中，如调制结果不明显，可以加大载波频率，一般来说载波频 率要比基带频率大得多。（4）若波形出错，可以把滤波器级数（默认为8）适当减小，使滤波器精确度 变小，允许误差变大，便于波形的输出。（5）在选择带通滤波器的参数时候要严格按照需要的频率范围取值，通过计 算载波和基带信号的频率可以得出该频率范围取值。（6）在整个仿真过程中，各模块的参数设置十分重要，一定要设置合适的参 数，才会得出所需要的信号。5结束语经过为期两周的课程设计，在同学和老师的帮助下我顺利的完成了任务。不 同于在教室里上的理论，这次的课程设计需要将我们平时所学习的知识运用到实 践之中，将知识学以致用。因为是以所学理论为基础，所以在课程设计的过程中，我又重温2FSK的调 制与解调等知识，更加熟悉了 MATLAB里的Simulink工具箱，学会了独立建立 模型，分析调制与解调结果，和加入噪声之后的情况，通过自己不断地调试，更 好的理解加入噪声对信道的影响。通过这次课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了实际操作能力，综合素质也得 到了提高，进一步加深了了我们对专业的认识和激发了我们对专业的兴趣。参考文献1樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社，2006 达新宇.通信原理实验与课程设计.北京：北京邮电大学出版社，20033 徐远明.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安：西安电子科技大 学出版社，20054 张化光，孙秋野.MATLAB/Simulink实用教程.北京：人民邮电出版社，20095 姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真基础.北京：西安电子科技大学出版社，20026 邓华.MATLAB通信仿真及应用实例详解.北京：国防工业出版社，2003