FSK調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真

1、 2FSK調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真 第23頁 共23頁目 錄目 錄1摘 要 21引言31.1 課程設(shè)計(jì)的目的31.2 課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求31.3 設(shè)計(jì)平臺(tái)42設(shè)計(jì)原理52.1 Simulink工作環(huán)境5（1）模型庫5（2）設(shè)計(jì)仿真模型5（3）運(yùn)行仿真62.2 2FSK的調(diào)制與解調(diào)6（1）2FSK的調(diào)制原理6（2）2FSK的解調(diào)原理83 設(shè)計(jì)步驟103.1 2FSK信號(hào)調(diào)制10（1）2FSK的調(diào)制部分10（2）2FSK的調(diào)制部分參數(shù)設(shè)置11（3）2FSK的調(diào)制部分仿真以及功率譜分析123.2 2FSK信號(hào)解調(diào)14（1）2FSK的解調(diào)部分14（2）2FSK的調(diào)制部分參數(shù)設(shè)置14（3）2FSK

2、的解調(diào)部分仿真以及功率譜分析163.3 加入高斯噪聲的2FSK非相干解調(diào)184出現(xiàn)的問題及解決方法215 結(jié)束語22參考文獻(xiàn)232FSK調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真學(xué)生姓名： iKK 指導(dǎo)老師： 摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行2FSK調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真。在本次課程設(shè)計(jì)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(yùn)行，其中可以通過不斷的修改優(yōu)化得到需要信號(hào)，之后加入高斯，并分析對(duì)信號(hào)的影響，最后通過對(duì)輸出波形和功率譜的分析得出2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真是否成功。關(guān)鍵詞 Simulink；

3、2FSK； 調(diào)制；非相干解調(diào)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

4、 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 simulatio

5、n was successful.Keywords Simulink; 2FSK; modulation; non-coherent demodulation朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音 字典 - 查看字典詳細(xì)內(nèi)容1引言本次課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB軟件，在Simulink平臺(tái)下建立仿真模型。實(shí)現(xiàn)模擬基帶信號(hào)經(jīng)2FSK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2FSK調(diào)制原理。在分別加入高斯噪聲，觀察對(duì)波形的影響，并對(duì)其進(jìn)行分析總結(jié)。1.1 課程設(shè)計(jì)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

6、識(shí)可使學(xué)生打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)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(shí)踐性強(qiáng)，做好課程設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生掌握本專業(yè)的知識(shí)、提高其基本能力是非常重要的。 通信課程設(shè)計(jì)的目的是為了學(xué)生加深對(duì)所學(xué)的通信原理知識(shí)理解，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)，提高利用通信原理知識(shí)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(jì)和工作打下良好的基礎(chǔ)。使學(xué)生能比較扎實(shí)地掌握本專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論，掌握數(shù)字通信系統(tǒng)及有關(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(shí)踐訓(xùn)練，增強(qiáng)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(jì)的基本任務(wù)和要求本次課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)：（

7、1）使學(xué)生通過專業(yè)課程設(shè)計(jì)掌握通信中常用的信號(hào)處理方法，能夠分析簡單通信系統(tǒng)的性能。（2）使學(xué)生掌握通信電路的設(shè)計(jì)方法，能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)簡單的通信電路系統(tǒng)。（3）了解通信工程專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向。（4）與運(yùn)用學(xué)過的MATLAB基本知識(shí)，熟悉MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)的使用 課程設(shè)計(jì)中必須遵循下列要求：（1）利用通信原理中學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，在Simulik仿真平臺(tái)中設(shè)計(jì)出各種調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)、基帶傳輸系統(tǒng)、差錯(cuò)控制編解碼系統(tǒng)等等，并按題目要求運(yùn)行、檢測(cè)系統(tǒng)仿真結(jié)果。（2）構(gòu)建調(diào)制電路，并用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變化。（3）再以調(diào)制信號(hào)

8、為輸入，構(gòu)建解調(diào)電路，用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變化。（4）在調(diào)制與解調(diào)電路間加上噪聲源，模擬信號(hào)在不同信道中的傳輸：a 用高斯白噪聲模擬有線信道，并且分析高斯噪聲對(duì)信號(hào)的影響。 （5）要求編寫課程設(shè)計(jì)論文，正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.3 設(shè)計(jì)平臺(tái)Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)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(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣

9、泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)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Simulink1。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(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)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(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成

10、，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，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(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)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設(shè)計(jì)原理2.1 Simulink工作環(huán)境（1）模型庫在MATLAB命令窗口輸入“

11、simulink”并回車，就可進(jìn)入Simulink模型庫單擊工具欄上的 按鈕也可進(jìn)入Simulik模塊庫按功能進(jìn)行分為以下8類子庫：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）用戶可以根據(jù)需要混合使用歌庫中的模塊來組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫、從而實(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫中的仿真模塊組織成三級(jí)樹結(jié)構(gòu)Simulink子模型庫中包含了Co

12、ntinous、Discontinus等下一級(jí)模型庫Continous模型庫中又包含了若干模塊，可直接加入仿真模型。圖2-1 Simulink工具箱（2）設(shè)計(jì)仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型庫的菜單欄依次選擇“File” | “New” | “Model”，即可生成空白仿真模型窗口圖2-2 新建仿真模型窗口（3）運(yùn)行仿真兩種方式分別是菜單方式和命令行方式，菜單方式：在菜單欄中依次選擇"Simulation" | "Start" 或在工具欄上單擊。命令行方式：輸入“sim”啟動(dòng)仿真進(jìn)程比較這兩種不同的運(yùn)行方式：菜單方式的優(yōu)點(diǎn)在于交互性，通

13、過設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察輸出信號(hào)。命令行方式啟動(dòng)模型后，不能觀察仿真進(jìn)程，但仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。2.2 2FSK的調(diào)制與解調(diào)（1）2FSK的調(diào)制原理在二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）中，當(dāng)傳送“1”碼時(shí)對(duì)應(yīng)于載波頻率，傳送“0”碼時(shí)對(duì)應(yīng)于載波頻率。其中，為頻率為的載波的初始相位，為頻率為的載波的初始相位。令為的反碼，即則有:當(dāng)時(shí)，;當(dāng)時(shí)，。    則2FSK信號(hào)可表示為:其中，我們?cè)诜治鲋屑僭O(shè)為單個(gè)矩形脈沖序列，其表達(dá)式為:由式上式可知，相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)2ASK調(diào)幅信號(hào)之和。二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)

14、生,可以采用模擬調(diào)頻電路來實(shí)現(xiàn),也可以采用數(shù)字鍵控的方法來實(shí)現(xiàn). 圖 2-3 是數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖, 圖中兩個(gè)振蕩器的輸出載波受輸入的二進(jìn)制基帶信號(hào)控制,在一個(gè)碼元Ts期間輸出f1或f2兩個(gè)載波之一.。圖 2 3 數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖圖 2- 4 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形從圖中可以看出b是a的反碼即若a=1,則b=0, 若a=0,則b=1;c為載波f1，d為載波f2，g為2FSK的調(diào)制出的信號(hào)。（2）2FSK的解調(diào)原理經(jīng)過調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號(hào)通過兩個(gè)頻率不同的帶通濾波器w1、w2濾出不需要的信號(hào)，然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號(hào)分別通過包絡(luò)檢波器檢

15、波，最后將兩種信號(hào)同時(shí)輸入到抽樣判決器同時(shí)外加抽樣脈沖，最后解調(diào)出來的信號(hào)就是調(diào)制前的輸入信號(hào)。本設(shè)計(jì)要求非相干解調(diào)，其原理圖如下圖所示：圖 2 5 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)解調(diào)器原理圖圖 2 6 2FSK非相干解調(diào)時(shí)間波形圖3 設(shè)計(jì)步驟3.1 2FSK信號(hào)調(diào)制（1）2FSK的調(diào)制部分打開simulink工具箱，點(diǎn)擊file圖標(biāo)，選擇新建中的model，新建一個(gè)仿真空白模型，將2FSK信號(hào)調(diào)至所需要的模塊拖入空白模型中，也可點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵單擊“add to untitled”。下圖中Pulse Generator模塊為正弦基帶信號(hào)模塊，Sine wave1，Sine wave2為頻率為f1和f2載波模

16、塊，Product為乘法器模塊，Scope為示波器模塊，NOT為反相器模塊，Power Spectral是功率譜模塊，To File為封裝模塊，目的是方便調(diào)用調(diào)制部分。2FSK信號(hào)是由頻率分別為Sine wave1和Sine wave2的兩個(gè)載波對(duì)信號(hào)源進(jìn)行頻率上的控制而形成的，其中Sine wave1和Sine wave2是兩個(gè)頻率有明顯差別的且都遠(yuǎn)大于信號(hào)源頻率的載波信號(hào)。調(diào)制模型圖如下圖所示：圖 3 1 2FSK信號(hào)調(diào)制部分的simulink模型方框圖（2）2FSK的調(diào)制部分參數(shù)設(shè)置 圖 3 2 載波sin wave1的參數(shù)設(shè)置其中f1幅度為2；頻率3HZ；采樣時(shí)間為0.002的信號(hào)。圖

17、 3 3 載波sin wave2的參數(shù)設(shè)置其中f1幅度為2；頻率2HZ；采樣時(shí)間為0.002的信號(hào)。本信號(hào)源s(t)序列是用隨機(jī)的0 1信號(hào)產(chǎn)生，在此為了方便仿真就選擇了基于采樣的Pulse Generator信號(hào)模塊其參數(shù)設(shè)置如下：圖 3-4 基帶信號(hào)Pulse Generator信號(hào)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(hào)。（3）2FSK的調(diào)制部分仿真以及功率譜分析經(jīng)過以上參數(shù)的設(shè)置后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，其各點(diǎn)的時(shí)間波形如下：圖 3-5 2FSK調(diào)制波形圖其中第1段圖形為載波f1的波形圖；第2段位信號(hào)源的波形圖；第3段為載波f2的波形圖；第4段為f1和f2

18、的調(diào)制波形。調(diào)制前后頻譜分析如下圖：圖 3-6 基帶信號(hào)頻譜分析圖 3-7 f1和f2調(diào)制后的頻譜分析由圖可知基帶信號(hào)在由載波f1和f2作用下頻率發(fā)生了變化，相位發(fā)生位移，波形表現(xiàn)為基帶與載波f1的乘積與基帶與載波f2的乘積得和。3.2 2FSK信號(hào)解調(diào)（1）2FSK的解調(diào)部分打開simulink工具箱，點(diǎn)擊file圖標(biāo)，選擇新建中的model，新建一個(gè)仿真空白模型，將2FSK信號(hào)調(diào)至所需要的模塊拖入空白模型中，也可點(diǎn)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

19、模塊為絕對(duì)值，其作用等同于保羅檢測(cè)器，Scope模塊為示波器，Subtract模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行加法或減法運(yùn)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 Encoder為量化編碼器模塊，Zero order hold和Quantizing Encoder的作用等同于在定時(shí)脈沖下的抽樣判決器。解調(diào)模型圖如下圖所示：圖 3-8 2FSK解調(diào)部分（2）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，由于載波f1和f2的頻率分別為3HZ和2HZ，基帶信號(hào)的采樣時(shí)間為1，所以其頻率為1HZ，1HZ等于2*pi，又因?yàn)?FSK的

20、帶通濾波器取值就是載波頻率加減基帶信號(hào)的頻率，則帶通濾波器的取值范圍是4*pi到8*pi，帶通濾波器1的取值范圍是2*pi到6*pi。圖 3-9帶通濾波器參數(shù)設(shè)置圖 3-10帶通濾波器1參數(shù)設(shè)置圖 3-11 零階保持模塊的參數(shù)設(shè)置 其中零階保持模塊的采樣時(shí)間設(shè)置必須與基帶信號(hào)的采樣時(shí)間保持一致。圖 3-12量化編碼器的參數(shù)設(shè)置（3）2FSK的解調(diào)部分仿真以及功率譜分析圖 3 13 2FSK信號(hào)解調(diào)部分的simulink模型方框圖第1段是載波f1經(jīng)過解調(diào)的波形圖；第2段是載波f1和f2經(jīng)過解調(diào)的波形圖；第3段是解調(diào)出現(xiàn)的波形圖，在01時(shí)間段出現(xiàn)延時(shí)，其他時(shí)間段與原基帶信號(hào)圖3-5第2段一致，符合

21、實(shí)驗(yàn)要求。第4段是載波f2解調(diào)的波形圖。解調(diào)前后頻譜分析如下圖：圖 3-14解調(diào)前的頻譜分析圖圖 3-15解調(diào)后的頻譜分析圖從上圖可以看出，經(jīng)過非相干解調(diào)后，出去由于系統(tǒng)誤差產(chǎn)生延遲外，其他解調(diào)后信號(hào)功率譜與原信號(hào)功率譜是能一一對(duì)應(yīng)的。3.3 加入高斯噪聲的2FSK非相干解調(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(hào)上加入高斯噪聲，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 3-16 2FSK加入高斯噪聲模型圖 3-17高斯躁聲Var

22、iance參數(shù)設(shè)置為1圖 3-18高斯躁聲Variance參數(shù)設(shè)置為100圖 3-19原理想信道下的2FSK解調(diào)圖圖 3-20方差為1時(shí)候的高斯躁聲下的2FSK解調(diào)圖圖 3-21方差為100時(shí)候的高斯躁聲下的2FSK解調(diào)圖如圖所示，圖3-19為理想信道解調(diào)波形，圖3-20和圖3-21均為加入高斯噪聲的波形，可通過修改參數(shù)表中的方差來改變加入噪聲的大小，把噪聲的方差分別設(shè)為1和100，與理想信道的輸出波形相比較可以看出，波形均出現(xiàn)不同程度的失真，當(dāng)方差為1的時(shí)候比較接近原理想信道下的波形圖，當(dāng)方差為100時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重失真，并且失真是隨著噪聲方差的變化而發(fā)生改變，方差越小，通過加入噪聲信道的波

23、形就越接近理想信道的波形。噪聲能對(duì)信道產(chǎn)生不同程度的影響，不同的噪聲使信號(hào)發(fā)生失真的參數(shù)各不相同。在現(xiàn)實(shí)生活中，無處不存在著噪聲，因此研究如何減小噪聲對(duì)信道的影響有著重大意義。4出現(xiàn)的問題及解決方法在本次課程設(shè)計(jì)運(yùn)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）運(yùn)行后如沒有出現(xiàn)波形、出現(xiàn)多路波形的混合或是出現(xiàn)波形的幅度過小或過大，可以點(diǎn)擊scope菜單欄的或者點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇autoscale即可出現(xiàn)清晰波形。（2）若出現(xiàn)波形很差，可以把修正因子（默認(rèn)為1）加大，具體步驟為選擇模型菜單中的“Simulink|configuration parameters|Data imp