重修基于MATLAB的simulink對2fsk調(diào)制與解調(diào)的仿真

1、 通信原理課程設(shè)計報告題 目 基于MATLABSimulink的2FSK仿真學 院 電子信息工程學院 專 業(yè) 通信工程（本） 學生姓名 張勇 學 號 200910315103 年級 2009級 指導教師 宋 剛 職稱 副教授 二一二年一月成都學院（成都大學）課程設(shè)計報告課程設(shè)計的任務(wù)說明課程設(shè)計的目的（1）通過利用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。（2）通過課程設(shè)計來更好的掌握課本相關(guān)知識，熟悉2FSK的調(diào)制與解調(diào)。（3）更好的了解通信原理的相關(guān)知識，磨練自己分析問題、查閱資料、鞏固知識、創(chuàng)新等各方面能力。課程設(shè)計的要求（1）掌握課程設(shè)計涉汲到的相關(guān)知

2、識，相關(guān)概念、原理清晰，明了。（2）仿真圖設(shè)計合理、能夠正確運行。（3）按照要求撰寫課程設(shè)計報告。摘要 :Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平臺的著名仿真環(huán)境Simulin作為一種專業(yè)和功能強大且操作簡單的仿真工具，目前已被越來越多的工程技術(shù)人員所青睞，它搭建積木式的建模仿真方式既簡單又直觀，而且已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本文主要是以simulink為基礎(chǔ)平臺，對2FSK信號的仿真。文章第一章內(nèi)容是對simulink的簡單介紹和通信技術(shù)的目前發(fā)展和未來展望；第二章是對2FSK信號調(diào)制及解調(diào)原理的詳細說明；第三章是本文的主體也是這個課題所要表現(xiàn)的主要內(nèi)容，第三章

3、是2FSK信號的仿真部分，調(diào)制和解調(diào)都是simulink建模的的方法，在解調(diào)部分2fsk信號采用相干解調(diào)的方法，而且在解調(diào)的過程中都對整個系統(tǒng)的誤碼率在display模塊中有所顯示本文的主要目的是對simulink的熟悉和對數(shù)字通信理論的更加深化和理解。關(guān)鍵詞：2FSK；simulink調(diào)制；相干解調(diào) 21目 錄第一章 緒論11.1 MATLAB/Smulink的簡介11.2 通信發(fā)展簡史2 1.2.1通信的概念21.2.2通信的發(fā)展史簡介31.3 通信技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢4第二章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)52.1二進制移頻鍵控(2FSK) 52.2 2FSK 信號的功率譜密度8第三章 調(diào)制與解調(diào)仿真

4、103.1 2FSK的調(diào)制與解調(diào)仿真103.1.1調(diào)制仿真103.1.2解調(diào)仿真14總結(jié)20參考文獻21第一章 緒論1.1 MATLAB/Simulink的簡介美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實驗室“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。開發(fā)的最早的目的是幫助學校的老師和學生更好的授課和學習。從Matlab誕生開始，由于其高度的集成性及應用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便，能非?？斓膶崿F(xiàn)科研人員的設(shè)想，極大的節(jié)約了科研人員的時間，受到了大多數(shù)科研人員的支持，經(jīng)過一代代人的努力，目前已發(fā)展到了7.X版本。 Mat

5、lab是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單，擴充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識寶庫。可以毫不夸張的說，哪怕是你真正理解了一個工具箱，那么就是理解了一門非常重要的科學知識?？蒲泄ぷ髡咄ǔ？梢酝ㄟ^Matlab來學習某個領(lǐng)域的科學知識，這就是Matlab真正在全世界推廣開來的原因。目前的Matlab版本已經(jīng)可以方便的設(shè)計漂亮的界面，它可以像VB等語言一樣設(shè)計漂亮的用戶接口，同時因為有最豐富的函數(shù)庫（工具箱），所以計算的功能實現(xiàn)也很簡單，進一步受到了科研工作者的歡迎。另外，,Mat

6、lab和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便的實現(xiàn)與其他語言的混合編程，進一步拓寬了Matlab的應用潛力。可以說，Matlab已經(jīng)也很有必要成為大學生的必修課之一，掌握這門工具對學習各門學科有非常重要的推進作用。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，也是目前在動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應用最廣泛的工具之一 。確切的說，Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。Simulink工作環(huán)境進過幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學術(shù)和工業(yè)界用來建模和仿真的

7、主流工具包。在Simulink環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進行簡單的點擊和拖動就能完成建模，并可直接進行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結(jié)果。它的主要特點在于：1、建模方便、快捷；2、易于進行模型分析；3、優(yōu)越的仿真性能。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。Simulink模塊庫（或函數(shù)庫）包含有Sinks（輸出方式）、Sources（輸入源）、Linear（線性環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)）、Connection（連接與接口）和Extra（其他環(huán)節(jié)）等具有不同

8、功能或函數(shù)運算的Simulink庫模塊（或庫函數(shù)），而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊，用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個模型后，用戶可以通過Simulink的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其他的顯示

9、模塊，可以在仿真進行的同時就可立即觀看到仿真結(jié)果，若改變模塊的參數(shù)并再次運行即可觀察到相應的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的應用工具箱都包含這些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離MATLAB而獨立工作。 ， 1.2 通信技術(shù)的歷史和發(fā)展1.2.1 通信的概念通信就是克服距離上的障礙，從一地向另一地傳遞和交換消息。消息是信息源所產(chǎn)生的，是信息的物

10、理表現(xiàn)，例如，語音、文字、數(shù)據(jù)、圖形和圖像等都是消息(Message)。消息有模擬消息（如語音、圖像等）以及數(shù)字消息（如數(shù)據(jù)、文字等）之分。所有消息必須在轉(zhuǎn)換成電信號（通常簡稱為信號）后才能在通信系統(tǒng)中傳輸。所以，信號（Signal）是傳輸消息的手段，信號是消息的物質(zhì)載體。相應的信號可分為模擬信號和數(shù)字信號，模擬信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是連續(xù)的，如電話機、電視攝像機輸出的信號就是模擬信號。數(shù)字信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是離散的，如電船傳機、計算機等各種數(shù)字終端設(shè)備輸出的信號就是數(shù)字信號。通信的目的是傳遞消息，但對受信者有用的是消息中包含的有效內(nèi)容，也即信息(Inf

11、ormation) 。消息是具體的、表面的，而信息是抽象的、本質(zhì)的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量來度量。通信技術(shù)，特別是數(shù)字通信技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速，它的應用越來越廣泛。通信從本質(zhì)上來講就是實現(xiàn)信息傳遞功能的一門科學技術(shù)，它要將大量有用的信息無失真，高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。當今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有儲存、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學技術(shù)的一個重要組成部分。通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和，包括信息源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備和信宿(受信者) ，它的一般模型如圖1-2-1所示。圖1-1信系統(tǒng)一

12、般模型通信系統(tǒng)可分為數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖1-2-2所示， 圖1-2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖1-2-3所示。圖1-3 模擬通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)較模擬通信系統(tǒng)而言，具有抗干擾能力強、便于加密、易于實現(xiàn)集成化、便于與計算機連接等優(yōu)點。因而，數(shù)字通信更能適應對通信技術(shù)的越來越高的要求。近二十年來，數(shù)字通信發(fā)展十分迅速，在整個通信領(lǐng)域中所占比重日益增長，在大多數(shù)通信系統(tǒng)中已代替模擬通信，成為當代通信系統(tǒng)的主流。1.2.2 通信的發(fā)展史簡介遠古時代,遠距離的傳遞消息是以書信的形式來完成

13、的,這種通信方式明顯具有傳遞時間長的缺點。為了在盡量短的時間內(nèi)傳遞盡量多的消息,人們不斷地嘗試所能找到的各種最新技術(shù)手段。1837年發(fā)明的莫爾斯電磁式電報機標志著電通信的開始,之后，利用電進行通信的研究取得了長足的進步。1866年利用海底電纜實現(xiàn)了跨大西洋的越洋電報通信。1876年貝爾發(fā)明了電話,利用電信號實現(xiàn)了語音信號的有線傳遞，使信息的傳遞變的既迅速又準確，這標志著模擬通信的開始，由于它比電報更便于交流使用，所以直到20世紀前半葉這種采用模擬技術(shù)的電話通信技術(shù)比電報的到了更為迅速和廣泛的發(fā)展。1937年瑞威斯發(fā)明的脈沖編碼調(diào)制標志數(shù)字通信的開始。20世紀60年代以后集成電路、電子計算機的出

14、現(xiàn)，使得數(shù)字通信迅速發(fā)展。在70年代末在全球發(fā)展起來的模擬移動電話在90年代中期被數(shù)字移動電話所代替，現(xiàn)有的模擬電視也正在被數(shù)字電視所代替。數(shù)字通信的高速率和大容量等各方面的優(yōu)越性也使人們看到了它的發(fā)展前途。1.3通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 進入20世紀以來，隨著晶體管、集成電路的出現(xiàn)與普及、無線通信迅速發(fā)展。特別是在20世紀后半葉，隨著人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，大規(guī)模集成電路、電子計算機和光導纖維等現(xiàn)代技術(shù)成果的問世，通信技術(shù)在以下幾個不同方向都取得了巨大的成功。（1） 微波中繼通信使長距離、大容量的通信成為了現(xiàn)實。（2） 移動通信和衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，使人們隨時隨地可通信的愿望可以實現(xiàn)。（3） 光導纖

15、維的出現(xiàn)更是將通信容量提高到了以前無法想象的地步。（4） 電子計算機的出現(xiàn)將通信技術(shù)推上了更高的層次，借助現(xiàn)代電信網(wǎng)和計算機的融合，人們將世界變成了地球村。（5） 微電子技術(shù)的發(fā)展，使通信終端的體積越來越小，成本越來越低，范圍越來越廣。例如，2003年我國的移動電話用戶首次超過了固定電話用戶。根據(jù)國家信息產(chǎn)業(yè)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到2005年底移動電話用戶近4億。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和寬帶化的方向發(fā)展。隨著科學技術(shù)的進步，人們對通信的要求越來越高，各種技術(shù)會不斷地應用于通信領(lǐng)域，各種新的通信業(yè)務(wù)將不斷地被開發(fā)出來。到那時人們的生活將越來越離不開通信。第二章 數(shù)字

16、頻帶傳輸系統(tǒng) 在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中，為了使數(shù)字基帶信號能夠在信道中傳輸，要求信道應具有低通形式的傳輸特性。然而，在實際信道中，大多數(shù)信道具有帶通傳輸特性，數(shù)字基帶信號不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸。必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，產(chǎn)生各種已調(diào)數(shù)字信號。 圖 2-1 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制原理是相同的，一般可以采用模擬調(diào)制的方法實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。但是，數(shù)字基帶信號具有與模擬基帶信號不同的特點，其取值是有限的離散狀態(tài)。這樣，可以用載波的某些離散狀態(tài)來表示數(shù)字基帶信號的離散狀態(tài)?；镜娜N數(shù)字調(diào)制方式是：振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK 或DPSK)

17、。 本章重點論述二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理及其抗噪聲性能，簡要介紹多進制數(shù)字調(diào)制原理。2.1二進制移頻鍵控(2FSK)在二進制數(shù)字調(diào)制中,若正弦載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化,則產(chǎn)生二進制移頻鍵控信號(2FSK信號).二進制移頻鍵控信號的時間波形如圖2 - 6 所示,圖中波形g可分解為波形e和波形f,即二進制移頻鍵控信號可以看成是兩個不同載波的二進制振幅鍵控信號的疊加. 若二進制基帶信號的1符號對應于載波頻率f1,0符號對應于載波頻率f2,則二進制移頻鍵控信號的時域表達式為 （2-1-1） （2-1- 2） （2- 1-3）圖 2- 2 二進制移頻鍵控信號的時間波形由圖

18、2 - 2 可看出,bn是an的反碼,即若an=1,則bn=0, 若an=0,則bn=1,于是bn=，n和分別代表第n個信號碼元的初始相位.在二進制移頻鍵控信號中,和n不攜帶信息,通常可令和n為零.因此,二進制移頻鍵控信號的時域表達式可簡化為 （2-1- 3）二進制移頻鍵控信號的產(chǎn)生,可以采用模擬調(diào)頻電路來實現(xiàn),也可以采用數(shù)字鍵控的方法來實現(xiàn). 圖 2- 3 是數(shù)字鍵控法實現(xiàn)二進制移頻鍵控信號的原理圖, 圖中兩個振蕩器的輸出載波受輸入的二進制基帶信號控制,在一個碼元Ts期間輸出f1或f2兩個載波之一. 二進制移頻鍵控信號的解調(diào)方法很多,有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測法,有非相干解調(diào)方法也有相干解調(diào)方法

19、. 采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法的原理圖如圖2 - 4 所示. 其解調(diào)原理是將二進制移頻鍵控信號分解為上下兩路二進制振幅鍵控信號,分別進行解調(diào),通過對上下兩路的抽樣值進行比較最終判決出輸出信號.非相干解調(diào)過程的時間波形如圖 2 - 5 所示. 圖 2 3 數(shù)字鍵控法實現(xiàn)二進制移頻鍵控信號的原理圖圖 2 4 二進制移頻鍵控信號解調(diào)器原理圖圖 2-52FSK非相干解調(diào)過程的時間波形 22 2FSK 信號的功率譜密度 相位不連續(xù)的二進制移頻鍵控信號的功率譜密度可以近似表示成兩個不同載波的二進制振幅鍵控信號功率譜密度的疊加。 （2-1-7） （2-1-8） （2-1-9） （2-1-10）令概率，

20、將二進制數(shù)字基帶信號的功率譜密度公式帶入式（2-1-19）可得 （2-1-11） 由式上式可得，相位不連續(xù)的二進制移頻鍵控信號的功率譜由離散譜和連續(xù)譜所組成，其中，離散譜位于兩個載頻 f1和 f2處；連續(xù)譜由兩個中心位于 f1和 f2處的雙邊譜疊加形成；若兩個載波頻差小于 fs ，則連續(xù)譜在 fc 處出現(xiàn)單峰；若載頻差大于 fs ，則連續(xù)譜出現(xiàn)雙峰。若以二進制移頻鍵控信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算二進制移頻鍵控信號的帶寬，則該二進制移頻鍵控信號的帶寬B2FSK為 （2-1-12） 圖2-7 相位不連續(xù)二進制頻移鍵控信號的功率譜示意圖第三章 調(diào)制與解調(diào)仿真31 2FSK的調(diào)制與解調(diào)仿真3

21、.1.1調(diào)制仿真2FSK信號是由頻率分別為f1和f2的兩個載波對信號源進行頻率上的控制而形成的，其中f1和f2是兩個頻率有明顯差別的且都遠大于信號源頻率的載波信號，2FSK信號產(chǎn)生的simulink仿真模型圖如下所示：圖3-1 2FSK信號的simulink模型方框圖其中sin wave和sin wave1是兩個頻率分別為f1和f2的載波，Pulse Generator模塊是信號源，NOT實現(xiàn)方波的反相，最后經(jīng)過相乘器和相加器生成2FSK信號，各參數(shù)設(shè)置如下：載波f1的參設(shè)圖3-2 載波sin wave的參數(shù)設(shè)置其中幅度為2，f1=1Hz,采樣時間為0.002s在此選擇載波為單精度信號f2的參

22、數(shù)設(shè)置圖3-3 載波sin wave1的參數(shù)設(shè)置載波是幅度為2，f2=2,采樣時間.為0.002的單精度信號。本來信號源s(t)序列是用隨機的0 1信號產(chǎn)生，在此為了方便仿真就選擇了基于采樣的Pulse Generator信號模塊其參數(shù)設(shè)置如下：圖3-4 Pulse Generator信號模塊參數(shù)設(shè)置其中方波是幅度為1，周期為3，占1比為1/3的基于采樣的信號。經(jīng)過以上參數(shù)的設(shè)置后就可以進行系統(tǒng)的仿真，其各點的時間波形如下：圖3-5 2FSK信號調(diào)制各點的時間波形由上圖可以看出經(jīng)過f1和f2兩個載波的調(diào)制，2FSK信號有明顯的頻率上的差別。3.1.2解調(diào)仿真解調(diào)方框圖如下所示：圖3-6 2FS

23、K信號解調(diào)方框圖其中From File是一個封裝模塊，就是2FSK信號的調(diào)制模塊，兩個帶通濾波器分別將2FSK信號上下分頻f1和f2 ,后面就和2ASK信號的解調(diào)過程相同，各參數(shù)設(shè)置如下：圖3-7 2FSK信號f1帶通濾波器參數(shù)設(shè)置圖3-8 2FSK信號f2帶通濾波器參數(shù)設(shè)置經(jīng)過系統(tǒng)仿真后的各點時間波形如下：圖3-9 2FSK信號解調(diào)各點時間波形經(jīng)過系統(tǒng)的仿真可以觀察出系統(tǒng)的誤碼率為0.7273，如下圖所示：圖3-10 2FSK相干解調(diào)誤碼率總結(jié)到現(xiàn)在，整個2fsk的課程設(shè)計終于是完成了，通過這次的課程設(shè)計，是我獲得了主要有以下幾點的體會和認識：首先，是我對2fsk的調(diào)制和解調(diào)原理有了一個比較

24、全面和具體的認識，因為要完成這個設(shè)計，必須要對2fsk的原理有一個深入的了解，在仿真的時候遇到問題才能夠做到心中有數(shù)，知道錯誤出現(xiàn)在哪里，究竟該如何改正，哪里需要可以進行優(yōu)化，使得仿真的結(jié)果更接近于理論上的值。通過這次的課程讓我明白了要學好理論知識，武裝好自己，才能夠有余力進行下一步實際上的學習，探索。理論基礎(chǔ)知識就像是打房基，如果房基沒有打牢，那么就建不成高樓大廈，就算建成的也是危樓，是經(jīng)不起風吹雨打的。所以在下一段的學習中，我要進一步的打好基礎(chǔ)，學好書上的專業(yè)知識。其次，這次的課設(shè)用了一個我們以前沒有用過的新軟件matlab（一款很強大的仿真軟件），為了更好地完成這次的課程設(shè)計，我專門去圖書館借了幾本關(guān)于matlab中用simulink進行通信仿真的相關(guān)書籍來看。雖然以前也學過matlab的設(shè)計，不過當時并沒有用過simulink這個軟件，所以這次的設(shè)計就差不多是零基礎(chǔ)。根據(jù)書上還有網(wǎng)上的內(nèi)容，我學習了一天的simulink，最后大概可以簡單的掌握了關(guān)于simulink的一些簡單操作，在參考了網(wǎng)上相關(guān)的課設(shè)知識后，終于是完