通信原理设计

湖南科技学院通信原理课程设计题 目： 2FSK数字信号频带传输系统的设计与建模 院 （系）： 计算机与通信工程系 班 级： 0706班 姓 名： 李 桂 学 号： 200708002334 指导教师： 黄堂森 摘要：通过仿真软件可对通信系统进行多种方案设计和参数实验,得到最佳设计方案。介绍通信系统原理用美国El-anix公司系统仿真软件SystemView仿真和分析的方法,详细阐述对通信系统的动态仿真步骤。数字频率调制（2FSK）是现代语音通信中数字化的重要编码方式。利用SystemView 实现数字频率调制(2FSK)仿真，可以为硬件电路实现提供理论依据。通过仿真展示了2FSK实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。关键词: 2FSK 编译码 1、引言 SystemView是ELANIX公司推出的信号级动态系统设计、模拟和分析软件,能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。SystemView提供大量的信号源、接收端、功能块、算子图符和函数库便于设计和分析各种系统;其无限制的分层结构使建立大而复杂的系统变得容易;另外他还提供对于外部数据文件的接口,使信号分析更加灵活方便。使用SystemView只需要关心项目的设计思想和过程,而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型,用户只要用鼠标从SystemView库中选择要求的图符并将这些图符拖拽到设计窗口中连接起来,就能构成各种线性和非线性,离散和连续,模拟、数字和混合模式的系统以及各种多速率系统。SystemView的所有图符都有相似的参数定义窗口,我们所要做的只是修改各个图符的参数。无需编程即可实现系统的设计和模拟,不必学习复杂的计算机程序编制,也不必担心程序中是否存在编程错误。本文主要阐述了如何利用SystemView实现数字频率调制（2FSK）。系统的实现通过模块分层实现，模块主要由2FSK编码模块、2FSK译码模块、及逻辑时钟控制信号构成。通过仿真设计电路，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据。用SystemView同样可以仿真设计蓝牙技术、手机通信等其他通信电路2、系统介绍二进制频移键控(2FSK)：二进制数字序列控制载波的频率。发送端用不同频率的高频载波对应数字基带信号的不同状态，接收端将不同频率的高频载波还原成基带数字信号的对应状态，完成解调。载波频率变化时，相邻码元载波的相位可能是连续的(相位连续的FSK)，也可能是不连续的(相位不连续的FSK)。 a：2FSK调制原理二进制移频键控,是利用二进制数字基带信号去控制载波信号的频率,即以不同频率的载波来表示数字信息“1”或“0”的调制方式。当发送“1”码时,输出频率为f1的载波信号;当发送“0”码时,输出频率为f2的载波信号。其时域表达式可以为:e0(t)=kakg(t-kTb)cos2f1t+kakg(t-kTB)cos2f2t， (1) 式中,Tb为比特间隔,-ak是ak的反码,即若ak=0,则-ak=1;反之,若-ak=0,则ak=1。一般的情况下,g(t)是持续时间为Tb的单个矩形脉冲,而ak的取值服从下述关系:ak以概率P取0,以概率(1-P)取1。2FSK信号的产生有两种方法:直接调频和频率键控法。直接调频法又称为模拟幅度调制法,频率键控是用数字基带信号来控制一个开关电路,通过开关通断变化来选择不同的频率,实现2FSK调制。键控法产生的2FSK信号,频率稳定度可以做得很高,并且没有过渡频率,转换速度快,波形好,但是其设备比较复杂。键控法在开关转换的瞬间,两个频率震荡器的输出电压通常不等,这就造成了2FSK信号在基带信息变换时电压会发生跳变,即相位不连续。FSK的调制方式有：直接调频法、频率键控法。b：2FSK信号的解调 FSK的解调方式有非相干解调（包络检波法和过零点检测法）、相干解调。（1）相干解调：设1代表“1”码，2代表“0”码。BPF1和BPF2可将两者分开 ，把代表“1”码的y1( t )和代表“0”码的y2( t )分成两路ASK信号，采用相干解调方式解调。采样判决可恢复数据序列。乘法器输出 LPF输出判决准则： 判为“1”， 判为“0” 2FSK相干解调原理图（2非相干解调：包络检波器取出两路的包络x1(t)和x2(t)。对包络采样并判决，可恢复原数字序列。判决准则： 判为“1”， 判为“0”。 2FSK非相干解调原理图 使用systemview进行通信系统设计。列举FSK调制解调实验进行详细说明。具体包括：设计内容分析与方案选择，画出系统原理框图。FSK的调制方式有：直接调频法、频率键控法。FSK的解调方式有：相干解调法、非相干解调法。3、系统仿真（1） 画出完整的仿真电路图，并说明电路的工作原理。 图8。7 产生2FSK信号的SystemView仿真电路图调频法是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，使其能够输出两个不同频率的码元。 键控法是一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出。 图8。11 2FKS解调的SystemView仿真电路图 包络检波法的判决准则是比较两个支路信号的大小和相干接收法的判决准则相同。由于2FSK信号的两种码元的频率不同，所以计算码元中信号波形的过零点树木多少，就能区分这两个不同频率的信号码元。（2） 系统模块选择与参数设置。 图8。7： F1: Amp=1v Freq=100HZ F2: Amp=1v Freq=150HZ 键控开关：threshold=100e-3v PN Seq: Amp=500e-3v offset=500e-3v Rate=20HZ Levels=2 调频法：Amp=1v Freq=50HZ Mod Gain=50HZ/v 图8。11a: Token 0:Amp=1v Freq=100HZ Token 1:Amp=1v Freq=150HZ Token 2:Amp=500e-3v Offset=500e-3 Rate =10HZ Levels=2 Token 3:Std Dev=500e-3v Mean=0v Token 4:switch Delay=0 sec Threshold =100e-3v Token 5:Delay=150e-3 sec Token 7:Low Fc =60HZ Hi Fc= 120HZ Token8: Low Fc =130HZ Hi Fc=170HZ图8。11b:Token 0:Amp=500e-3v Offset=500e-3v Rate=10HZ Levels=2Token 3:Amp=1v Freq=100HZToken4:Amp=1v Freq=150HZToken7:Std Dev=500e-3v Mean=0vToken1:Delay=150-3 secToken8:Low Fc=60HZ Hi Fc=120HZToken9:Low Fc=131HZ Hi Fc=170HZ （3）系统仿真结果波形图、频谱图，数据分析。 （a） 调频法2FSK的输出 （b） 键控法2FSK的输出 图8。8 调频法和键控法输出的2FSK调制波形图 二进制频移键控信号码元的“1”和“0”分别用两个不同频率的正弦波来传送，而其振幅和初始相位不变。故其表示式为：s（t）= 式中，假设码元的初始相位分别为和；=和=为两个不同频率码元的角频率；A为一常数，表明码元的包络是矩形脉冲。 一般来说，键控法得到的是两个键控频率的相位是与二进制数据序列无关的，反映在输出 波形上，仅表现出相位是不连续的：而用模拟调频法时，相位是连续的。这一点可以从图8。8（a）和（b）中观察得到。总之，这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的，而开关法产生的2FSK信号，则分别 由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8。9 2FSK 信号的功率谱 高电平比较密，在100HZ的地方有突出点；低电平比较疏，在50HZ的地方有突出点。由图可见，当2FSK信号的两个频率的间距较小时，曲线只有单峰，较大时出现双峰， 在大于2时双峰完全分离。2FSK信号功率谱密度的最终表示式：由上式可以看出，2FSK信号的功率谱密度也包含连续谱和离散谱两个部分，上式中前四项是连续谱部分，后四项是离散谱部分。 图8。11(a）非相干解调的输出图8。11(a)的功率谱 解调输出与序列码波形基本一样，信号稳定后，后面的大部分波形一样，频率越低能量越大，在100HZ和150HZ的时候有突出点。图8。11（b）的功率谱 解调输出与序列码波形基本一样，信号稳定后，后面的大部分波形一样，频率越低能量越大，在100HZ和150HZ的时候有突出点。（4）总结不同方法的特点和优缺点。 FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式，也是数字通信中用得较广的一种方式。它的主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好，适合中低速数据的传输的应用。通常数据率在低于1200bps时使用FSK方式。在衰落信道中传输数据时，它也被广泛采用。相干解调对接受设备的复杂程度比非相干解调较高。（5） 课程设计过程中遇到的问题、解决方法。 1、 刚开始不知道如何把两个图符连接在一起，虽询问了同学却始终不那么得心应手。后来自己在无意中发现了小窍门用起来也就顺手多了。2、 在实际操作中，参数的设置非常重要。一旦参数设置的不理想，出现的波形就会失真，从而导致错误。例如：图8。11中的Token7与Token8的参数必须一致，否则不会出现正确的结果。4、 课程设计体会自从因特网把我们领进信息时代开始，人类的历史翻开了璀璨的一页。随着信息的飞速发展，通信原理也随之崛起。从而，使得培养新世纪的技术人才显得分外重要。实践证明,SystemView软件拥有强大的功能模块,使用起来方便而且简单,利用该软件在通信类的基础课和专业课中进行辅助教学,无疑使教学的方法更加简便,应用更加宽广。一方面解决了学生对理论知识的理解与验证。另一方面降低了对实际仪器的要求。仿真软件的应用改变了传统的教学模式,使教与学的方式发生了很大变化,其可视性、交互性、灵活性、多样性等特点,显示和促进了教学的最优化,这是教学改革和发展的重要目标。另外该软件还可用于实验教学中,这是对验证性实验很好的补充,具有现实意义。通过这次的课程设计即上网实际操作，进一步了解了二进制频移键控即2FSK的基本原理及其解调方法（非相干解调，相干解调），学会了使用仿真软件 SystemView（通信系统的动态仿真软件），并学会通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计，对以后的学习和工作都起到了一定的作用，加强了动手能力和学业技能。当然在学习过程中，遇到过许多困难，比如参数设置的不理想因此总是会出现波形失真的现象等问题。好在后来经过老师的解释和同学的帮助，问题都迎刃而解了。这次的课程设计使我收益颇丰，对通信原理有了新的认识。我们要充分利用书本上学习来的理论知识，联系实际，进行分析后，这样才会有学习效果。5、 参考文献教材：通信原理 主编：孙学军 出版社：人民邮电出版社出版或修订时间：2007 年通信原理试验与课程设计 主编：达新宇、孟繁茂 出版社:北京邮电大学出版社 出版或修订时间：2006年宋爱军,余环虎,陈育兴.SystemView仿真软件在实验教学中的应用J 中国计量学院学报,2003,14(2):147-149.吴怡,陈俊.SystemView仿真软件在通信原理课程教学中的应用J.福建师范大学学报:自然科学版,2004,20(3):35-37.