2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院 通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告湖南工學(xué)院 計(jì)算機(jī)仿真論文基于MATLAB的2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)院系 電氣與信息工程 姓名 陳斌 學(xué)號 指導(dǎo)教師 張松華 2012-5-20一、 課程設(shè)計(jì)目的本次課程設(shè)計(jì)是對通信原理課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合和總結(jié)。通過這次課程設(shè)計(jì)，使同學(xué)認(rèn)識和理解通信系統(tǒng)，掌握信號是怎樣經(jīng)過發(fā)端處理、被送入信道、然后在接收端還原。要求學(xué)生掌握通信原理的基本知識，運(yùn)用所學(xué)的通信仿真的方法實(shí)現(xiàn)某種傳輸系統(tǒng)。能夠根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的具體要求，掌握軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試的具體方法、步驟和技巧。對一個(gè)實(shí)際課題的軟件設(shè)計(jì)有基本了解，能進(jìn)一步掌握高級語言程序設(shè)計(jì)基本概念，掌握基本的程序設(shè)計(jì)方法，拓展知識面，激發(fā)在此領(lǐng)域中繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究的興趣，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程做準(zhǔn)備。二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容在信道中，大多數(shù)具有帶通傳輸特性，必須用數(shù)字基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生各種已調(diào)數(shù)字信號?？梢杂脭?shù)字基帶信號改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。也可以用數(shù)字基帶信號同時(shí)改變正弦型載波幅度、頻率或相位中的某幾個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生新型的數(shù)字調(diào)制。 本課程設(shè)計(jì)旨在根據(jù)所學(xué)的通信原理知識，并基于MATLAB軟件，設(shè)計(jì)一2FSK 數(shù)字通信系統(tǒng)。2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)，即頻移鍵控的數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)。可以基于MATLAB仿真軟件以及Simulink仿真環(huán)境設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。因此，一個(gè)2FSK信號的波形可以看成是兩個(gè)不同載頻的2ASK信號的疊加?？梢岳妙l率的變化傳遞數(shù)字基帶信號，通過調(diào)制解調(diào)還原數(shù)字基帶信號，實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)目標(biāo)。三、設(shè)計(jì)原理在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化，則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號（2FSK信號）。二進(jìn)制移頻鍵控信號可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號的疊加。然后在MATLAB中產(chǎn)生高斯白噪聲，這非常方便，可以直接應(yīng)用兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)是WGN，另一個(gè)是AWGN。WGN用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN則用于在某一信號中加入高斯白噪聲。高斯白噪聲，是指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。這里值得注意的是，高斯型白噪聲同時(shí)涉及到噪聲的兩個(gè)不同方面，即概率密度函數(shù)的正態(tài)分布性和功率譜密度函數(shù)均勻性，二者缺一不可。其解調(diào)原理是將二進(jìn)制移頻鍵控信號分解為上下兩路二進(jìn)制振幅鍵控信號，分別進(jìn)行相干解調(diào)，通過對上下兩路的抽樣值進(jìn)行比較最終判決出輸出信號，并與原信號進(jìn)行對比統(tǒng)計(jì)。基本的系統(tǒng)原理圖如下：加入高斯白噪聲2FSK調(diào)制二進(jìn)制數(shù)字基帶信號 2FSK相干解調(diào)求誤碼率抽樣判決輸出信號四、實(shí)現(xiàn)方法 通過在Matlab環(huán)境下利用相關(guān)程序?qū)ΧM(jìn)制信號進(jìn)行抽樣產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)序列，并在此時(shí)確定抽樣間隔、抽樣個(gè)數(shù)，進(jìn)行顯示。然后對二進(jìn)制信號進(jìn)行2FSK調(diào)制，利用Matlab函數(shù)庫中awgn函數(shù)在信道中加入高斯白噪聲，并對此時(shí)的信號進(jìn)行顯示，接著進(jìn)行相干解調(diào)，輸出顯示解調(diào)后序列，對比信號調(diào)制前后的變化，統(tǒng)計(jì)誤碼率，并分析調(diào)制優(yōu)劣。以下為詳細(xì)過程：a) 調(diào)整模塊使用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號，即由電子開關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成，這樣的相鄰碼元之間相位不一定連續(xù)。產(chǎn)生2FSK調(diào)制信號原理圖： 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(jìn)行仿真的信息代碼個(gè)數(shù)M=2; %進(jìn)制數(shù)SNRpBit=60; %信噪比SNR=SNRpBit/log2(M);seed=12345 54321;numPlot=25; 如上圖，使用產(chǎn)Bernoulli Binary Generator模塊生二進(jìn)制隨機(jī)比特流，通過鍵控法進(jìn)行2FSK調(diào)制。figure(1)%產(chǎn)生25個(gè)二進(jìn)制隨機(jī)碼x=randsrc(numSymb,1,0:M-1);%產(chǎn)生25個(gè)二進(jìn)制隨機(jī)碼subplot(2,2,1)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);title(二進(jìn)制隨機(jī)序列)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);2、傳輸模塊（1）2FSK調(diào)制階段在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化，則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號（2FSK信號）。二進(jìn)制移頻鍵控信號的時(shí)間波形如下圖所示：圖中波形g可分解為波形e和波形f，即二進(jìn)制移頻鍵控信號可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號的疊加。 若二進(jìn)制基帶信號的1符號對應(yīng)于載波頻率f1，0符號對應(yīng)于載波頻率f2，則二進(jìn)制移頻鍵控信號的時(shí)域表達(dá)式為：%調(diào)制y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,fsk,M,df);numModPlot=numPlot*Fs;t=0:numModPlot-1./Fs;subplot(2,2,2)plot(t,y(1:length(t),b-);axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title(調(diào)制后的信號)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);（2）在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能分析中，假設(shè)信道特性是恒參信道，在信號的頻帶范圍內(nèi)其具有理想矩形的傳輸特性(可取傳輸系數(shù)為K)。 噪聲為等效加性高斯白噪聲， 其均值為零，方差為2。加入高斯噪聲信道的總圖如下其中，Scope圖為原隨機(jī)二進(jìn)制比特流圖形，Scope3圖為高頻率f1信號調(diào)制后的波形，Scope2圖為低頻率f2信號調(diào)制后的波形，Scope14圖為經(jīng)過2FSK調(diào)制后未加高斯白噪聲前的波形圖，Scope13為經(jīng)過加有高斯白噪聲信道后的波形圖，Scope5圖為經(jīng)過解調(diào)抽樣判決后的波形信號。%在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲r(shí)andn(state,seed(2);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subplot(2,2,4)plot(t,y(1:length(t),b-); %畫出經(jīng)過信道的實(shí)際信號axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title(加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);3、解調(diào)模塊（1）解調(diào)輸出本設(shè)計(jì)使用相干解調(diào)。其解調(diào)原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進(jìn)行解調(diào)，然后進(jìn)行判決。抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小，判決規(guī)則應(yīng)與調(diào)制規(guī)則相呼應(yīng)，調(diào)制時(shí)若規(guī)定“1”符號對應(yīng)載波頻率f1，則接收時(shí)上支路的樣值較大，應(yīng)判為“1”；反之則判為“0”。將加入的高斯白噪聲濾除，并抽樣判決出解調(diào)后的信號：帶通濾波器帶通濾波器相乘器相乘器低通濾波器低通濾波器抽樣判決器Cos1tCos2t12抽樣脈沖輸入輸出調(diào)制后的信號經(jīng)過帶通濾波器和低通濾波器解調(diào)出不同頻率的兩路信號，通過抽樣判決器，解調(diào)出原信號。%相干解調(diào)z1=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)subplot(2,2,3)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);hold on;stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),ro);hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title(相干解調(diào)后的信號原序列比較)legend(原輸入二進(jìn)制隨機(jī)序列,相干解調(diào)后的信號)xlabel(Time);ylabel(Amplitude)（2）、誤碼率統(tǒng)計(jì)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號的傳輸過程會(huì)受到各種干擾，從而影響對信號的恢復(fù)。通信系統(tǒng)的抗噪聲性能是指系統(tǒng)克服加性噪聲影響的能力。衡量數(shù)字通信系統(tǒng)抗噪聲性能的重要指標(biāo)是誤碼率.分析二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能，得出誤碼率與信噪比之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。%誤碼率統(tǒng)計(jì)z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye,M,df);errorSym ratioSym=symerr(x,z1);figure(2)simbasebandex(0:1:5);title(相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計(jì))五、總結(jié)與體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，我對課本上數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)特別是二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）有了重新的認(rèn)識。對2FSK調(diào)制數(shù)字基帶信號加深了理解。對于使用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號、添加高斯白噪聲、使用相干解調(diào)、抽樣判決等，我比較系統(tǒng)地認(rèn)識了數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)。本課程設(shè)計(jì)使用的MATLAB仿真軟件和Simulink仿真環(huán)境，通過寫其源程序代碼，加深了我對每一步進(jìn)行的理解，即要明白每一步都是怎么來的。通過使用Simulink仿真環(huán)境，我可以直觀地放置相應(yīng)的模塊，搭建通信系統(tǒng)，并能夠動(dòng)態(tài)的顯示仿真結(jié)果，使學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)不再枯燥1、 程序設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)施。MATLAB提供了程序設(shè)計(jì)仿真環(huán)境，可以通過編寫代碼完成某些模塊的仿真。同時(shí)利用其提供的畫圖功能，可以使人直觀地觀察程序設(shè)計(jì)及調(diào)試的結(jié)果。每一步都得十分細(xì)心，需要具體到一個(gè)小小的標(biāo)點(diǎn)符號，否則程序就會(huì)在調(diào)試中出錯(cuò)。本設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)劃包括基帶信號的產(chǎn)生和調(diào)制、加入高斯白噪聲、帶通濾波和低通濾波、相干解調(diào)、計(jì)算誤碼率等。本過程使我將學(xué)習(xí)過但并不熟練的MATLAB軟件重新學(xué)習(xí)和使用了一下，并通過查閱和引用相關(guān)資料學(xué)習(xí)使用其相關(guān)的函數(shù)功能。MATLAB中的畫圖功能是本課程設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)，將結(jié)果直觀地表現(xiàn)出來。2、 理論模糊造成設(shè)計(jì)困難。通過進(jìn)行設(shè)計(jì)我發(fā)現(xiàn)，沒有熟悉的理論知識搞設(shè)計(jì)是困難的。在設(shè)計(jì)每一步時(shí)，必須搞清楚每一步是干什么的，怎么進(jìn)行，這些都需要理論進(jìn)行指導(dǎo)。當(dāng)哪一步不會(huì)弄時(shí)，我就去查書，將書中的理論細(xì)細(xì)研讀，這樣通過本課程設(shè)計(jì)我又把書中相關(guān)的部分細(xì)細(xì)看了幾遍，對書中的理論有了更深的認(rèn)識。因?yàn)槎啻握{(diào)試，結(jié)果越來越接近理論情況下的結(jié)果，可見實(shí)驗(yàn)其實(shí)就是對理論的驗(yàn)證。所以，清楚地掌握理論是進(jìn)行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。本課程設(shè)計(jì)只是在通信理論下的軟件系統(tǒng)仿真，若放在實(shí)際環(huán)境中肯定有許多需要改進(jìn)的地方，甚至根本行不通。因?yàn)槔碚撓碌脑O(shè)計(jì)是基于理想的環(huán)境中的，現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境充滿干擾因素，如噪聲并非理想化的高斯白噪聲、信源及信道本身存在系統(tǒng)誤差、濾波器不可能實(shí)現(xiàn)理想化等等。所以，若要將系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界，還需要根據(jù)具體的環(huán)境改進(jìn)該系統(tǒng)。參考書目：【1】 樊昌信