課程設(shè)計(jì)基于matlab的4FSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真(共21頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課程名稱： 專業(yè)課程設(shè)計(jì) 題 目： 基于matlab的4FSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真 學(xué) 院： 電子系 系： 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：職稱： 學(xué)院審核（簽名）： 審核日期： 一、 設(shè)計(jì)基本原理與系統(tǒng)框圖以前學(xué)過(guò)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生，知道它有兩種方法：調(diào)頻法和開(kāi)關(guān)法，前者是用二進(jìn)制基帶矩形脈沖信號(hào)去調(diào)制一個(gè)調(diào)頻器，使其能輸出兩個(gè)不同頻率的碼元；后者是用一個(gè)受基帶脈沖控制的開(kāi)關(guān)電路去選擇兩個(gè)獨(dú)立頻率源的振蕩作為輸出。2FSK鍵控法調(diào)頻原理圖如下：2fsk鍵控原理圖振蕩器f1選通開(kāi)關(guān)反相器振蕩器f2選通開(kāi)關(guān)相加器這里我們要研究的是4FS

2、K信號(hào)，是采用第二種方法得到的，即用基帶四進(jìn)制信號(hào)去鍵控四個(gè)頻率不同的載波，就可以得到四進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)，其中4FSK是采用四個(gè)不同的頻率分別表示四進(jìn)制的的四個(gè)碼元00、01、10、11，每個(gè)碼元都含有2bit的信息，其波形如圖1-1所示，這時(shí)仍和2FSK時(shí)的條件相同，即要求每個(gè)載頻之間的距離足夠大，使不同頻率的碼元頻譜能夠用濾波器分離開(kāi)，或者說(shuō)使不同頻率的碼元相互正交。4FSK調(diào)制原理如下： 傳“0”信號(hào)(或00)時(shí)，發(fā)送頻率為f1的載波； 傳“1”信號(hào)(或10)時(shí)，發(fā)送頻率為f2的載波； 傳“2”信號(hào)(或11)時(shí)，發(fā)送頻率為f3的載波； 傳“3”信號(hào)(或01)時(shí)，發(fā)送頻率為f4的載波。圖1

3、-1 4FSK信號(hào)波形系統(tǒng)方框圖如圖1-2所示4FSK晶振4FSK調(diào)制串/并轉(zhuǎn)換NRZ圖1-2系統(tǒng)方框圖222濾波器濾波器濾波器二、 各單元電路圖設(shè)計(jì)本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)大致可分為四大模塊：晶體振蕩器與信源共用，位于信源單元；多級(jí)分頻電路；4FSK調(diào)制中的邏輯電路單元；二進(jìn)制基帶信號(hào)的串/并轉(zhuǎn)換模塊。1、 信源單元電路本模塊是整個(gè)課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)終端，模塊內(nèi)部只使用+5V電壓，其原理方框圖如圖1-3所示本單元用來(lái)產(chǎn)生晶振信號(hào)和NRZ信號(hào)，圖1-4為信源單元電路圖，它上面的元器件與圖1-3上各單元對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：晶振 CRY：晶體； U1：反相器7404分頻器 U2：計(jì)數(shù)器74161；U3：計(jì)數(shù)器7419

4、3；U4：計(jì)數(shù)器40160并行碼產(chǎn)生器 K1、K2、K3：8位手動(dòng)開(kāi)關(guān)，從左至右依次與幀同步碼、數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2相對(duì)應(yīng)；發(fā)光二極管：左起分別與一幀中的24位代碼相對(duì)應(yīng)八選一 U5、U6、U7：8位數(shù)據(jù)選擇器4512三選一 U8：8位數(shù)據(jù)選擇器4512倒相器 U20：非門74LS04抽樣 U9：D觸發(fā)器74LS74CLKBS-OUTNRZ-OUTNRZFSBSS5S4S3S2S1晶振并行碼產(chǎn)生器八選一八選一八選一三選一倒相器抽 樣分 頻 器圖1-3信源單元方框圖從晶振產(chǎn)生一個(gè)4.096KHz的信號(hào)，一路做時(shí)鐘信號(hào)CLK，一路送到74LS193，74193完成2、4、8運(yùn)算，輸出BS、S1、S2、S

5、3等4個(gè)信號(hào)。BS為位同步信號(hào)，頻率為2048MHz，S1、S2、S3為3個(gè)選通信號(hào)，頻率分別為BS信號(hào)頻率的1/2、1/4和1/8。74193是一個(gè)4位二進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器，當(dāng)CD= PL =1、MR=0時(shí)，可在QA、QB、QC及QD端分別輸出上述4個(gè)信號(hào)。、多級(jí)分頻電路它是由晶振電路和一個(gè)具有分頻功能的74LS193芯片構(gòu)成的。系統(tǒng)要求產(chǎn)生四個(gè)頻率不同的脈沖序列，所以要通過(guò)分頻電路將主時(shí)鐘輸出的信號(hào)分別進(jìn)行2分頻、4分頻、8分頻。根據(jù)頻率的不同，采用三個(gè)分頻器進(jìn)行分頻。CLK信號(hào)由一個(gè)晶振電路實(shí)現(xiàn)，信號(hào)分別是由三個(gè)串接的二分頻器而得到的，它們的頻率分別為CLK頻率的1/2、1/4、1/8，其

6、電路圖如圖2-1所示。圖2-1 分頻電路圖，、4FSK調(diào)制中的邏輯電路單元類似于2FSK調(diào)制模塊，4FSK調(diào)制模塊是采用一個(gè)四選一數(shù)據(jù)選擇器，經(jīng)過(guò)多次分頻產(chǎn)生的四個(gè)不同頻率的信號(hào)作為數(shù)據(jù)選擇器的四個(gè)輸入端，經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換的兩路并行信號(hào)作為數(shù)據(jù)選擇器的兩個(gè)地址端，對(duì)應(yīng)的每一種地址選中不同頻率的輸入信號(hào)，即“00”時(shí)選中頻率為的信號(hào)；“01”時(shí)選中頻率為的信號(hào)；“10”時(shí)選中頻率為的信號(hào)；“11”時(shí)選中頻率為的信號(hào)。圖3-1 邏輯電路圖3-1中的邏輯電路即為雙四選一數(shù)據(jù)選擇器，接口分別接來(lái)自多次分頻的頻率不同的四種信號(hào)附加控制端接地，分別接串/并轉(zhuǎn)換電路的兩個(gè)輸出端，輸出端即為4FSK調(diào)制信號(hào)。、二

7、進(jìn)制基帶信號(hào)的串/并轉(zhuǎn)換模塊串/并轉(zhuǎn)換器：移位寄存器除了具有存儲(chǔ)代碼的功能以外，還具有移位功能。所謂移位功能，是指寄存器里存儲(chǔ)的代碼能在移位脈沖的作用下依次左移或右移，因此移位寄存器還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換。 圖5.1所示電路是由對(duì)稱式多諧振蕩器和二位移位寄存器（邊沿觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器組成）構(gòu)成的串并轉(zhuǎn)換模塊電路，其中對(duì)稱式多諧振蕩器是用來(lái)產(chǎn)生串行輸入信號(hào)和移位脈沖的，第一個(gè)觸發(fā)器的輸入端接收串行輸入信號(hào)，其余的每個(gè)寄存器輸入端均與前邊一個(gè)觸發(fā)器的Q端相連。圖5-1串并轉(zhuǎn)換電路圖 因?yàn)閺腃P上升沿到達(dá)開(kāi)始到輸出端新?tīng)顟B(tài)的建立需要經(jīng)過(guò)一段傳輸延遲時(shí)間，所以當(dāng)CP的上升沿同時(shí)作用于所有的觸發(fā)

8、器時(shí)，它們輸入端的狀態(tài)還沒(méi)有改變。于是按原來(lái)的狀態(tài)反轉(zhuǎn)。 例如，在4個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸入代碼依次為1011，而移位寄存器的初始狀態(tài)為=00，那么在移位寄存器的作用下，移位寄存器里的代碼移動(dòng)情況如表5-2所示，圖5-3給出了各觸發(fā)器在移位過(guò)程中的電壓波形圖。 可以看到，經(jīng)過(guò)四個(gè)CP信號(hào)以后，串行輸入的4個(gè)代碼全部移入了移位寄存器中，同時(shí)在4個(gè)觸發(fā)器的輸出端得到了并行輸出的代碼。表5-2 CP的順序輸入的 01234 0 1 0 1 10 01 00 1 1 01 1圖5.3 電路的電壓波形1101CPtcTttt總電路圖如圖5.4所示圖5.4所示 總電路圖三、4FSk的解調(diào)原理4FSK信號(hào)的相干解調(diào)

9、法原理框圖如圖1.2所示。其原理是：4FSK信號(hào)先經(jīng)過(guò)帶通濾波器去除調(diào)制信號(hào)頻帶以外的在信道中混入的噪聲，此后該信號(hào)分為四路，每路信號(hào)與相應(yīng)載波相乘，再經(jīng)過(guò)低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號(hào)的低頻信號(hào)，將其送入抽樣判決器中進(jìn)行抽樣判決，抽樣判決器的輸出分別得到兩路原基帶信號(hào)表示四進(jìn)制得到原始碼元。4FSK已調(diào)信號(hào)帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器解調(diào)信號(hào)1載波f1載波f2帶通濾波器帶通濾波器帶通濾波器相乘器相乘器相乘器低通濾波器低通濾波器低通濾波器載波f2載波f2加法器抽樣判決器帶通濾波器加法器圖1.2 4FSK鍵控法解調(diào)原理框圖四、 4FSK 調(diào)制算法分析(1)、將輸入的二進(jìn)制序列按

10、奇位、偶位進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。(2)、根據(jù)DMR標(biāo)準(zhǔn)中的符號(hào)和比特的對(duì)應(yīng)關(guān)系表14，將二進(jìn)制的0、1序列映射為相應(yīng)的四電平符號(hào)流。(3)、將這些符號(hào)流每符號(hào)插入8個(gè)數(shù)值點(diǎn)，并輸入平方根升余弦濾波器進(jìn)行平滑處理，則可得到輸入調(diào)制信號(hào)m(n)。濾波器為平方根升余弦濾波器4，奈奎斯特升余弦濾波器的一部分用于抑制鄰道干擾，另一部分用于接收機(jī)抑制噪聲。抑制鄰道干擾濾波器的輸入包含一系列脈沖，這些脈沖之間的間隔為208，33ms(1/4800s)。通過(guò)定義根升余弦濾波器的頻率響應(yīng)為奈奎斯特升余弦濾波器的平方根，來(lái)定義奈奎斯特升余弦濾波器的分割。濾波器的群延遲在帶通范圍|f|2880Hz內(nèi)是平滑的。濾波器的的幅頻

11、響應(yīng)由下面公式近似給出4：F( f ) =1 當(dāng) |f| 1920 HzF( f ) = cos( f / 1920) 當(dāng) 1920 Hz2880 Hz其中F( f ) 代表平方根升余弦濾波器的幅頻響應(yīng)。則該濾波器的傳輸頻率df 為2880-1920=960Hz，濾波器的等效截止頻率F0 為2400Hz。(4)、將m(n)輸入頻率調(diào)制器進(jìn)行FM調(diào)制。則可得到4FSK調(diào)制輸出信號(hào)。調(diào)頻信號(hào)： 式中: kf 為調(diào)頻指數(shù)。將其離散化,在nTs的時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)m(n)累加求和,得:由(2)式得該4FSK系統(tǒng)調(diào)制實(shí)現(xiàn)方框圖如下:五、4FSK 解調(diào)算法分析解調(diào)過(guò)程跟調(diào)制過(guò)程恰好相反，將經(jīng)過(guò)信道傳輸?shù)浇邮斩说?/p>

12、信號(hào)通過(guò)頻率解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)。對(duì)于同一種數(shù)字調(diào)制信號(hào)，采用相干解調(diào)方式的誤碼率低于采用非相干解調(diào)方式的誤碼率，所以這里采用相干解調(diào)方式。將解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)濾波器后，再經(jīng)抽樣判決則可輸出四電平符號(hào)，將其按表1反映射，即可輸出二進(jìn)制比特。解調(diào)框圖如下所示：解調(diào)中F(f)濾波器的幅頻響應(yīng)與調(diào)制中相同。將(2)式cos部分按三角公式展開(kāi)得：將其經(jīng)過(guò)低通濾波器，濾掉高頻分量，則(8)式剩下1/ 2A* I (nTs)分量，(10)式只剩下1/ 2A*Q(nTs)分量。將(13)式經(jīng)相位校正后，再由(14)即可解調(diào)出m(n)。由于在數(shù)字域內(nèi)，頻率和相位的關(guān)系是簡(jiǎn)單的一階差分關(guān)系，如公式(13)所示。在實(shí)際中，

13、要想準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)，差分鑒頻必須滿足以下要求67：(a)、相鄰的兩個(gè)相位差應(yīng)限制在 , 內(nèi)，否則出現(xiàn)相位跳變。(b)、當(dāng)相位差大于2 時(shí)，應(yīng)進(jìn)行模2 處理。4FSK 相干解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方框圖如下：最后將解調(diào)后的信號(hào)m(n)經(jīng)過(guò)匹配濾波器后，再經(jīng)過(guò)抽樣判決，可獲得四電平符號(hào)，由標(biāo)準(zhǔn)中的表1 所示對(duì)應(yīng)關(guān)系，可將四電平符號(hào)再反映射為二進(jìn)制比特流。六、 軟件實(shí)現(xiàn)方案按照上節(jié)的算法分析及調(diào)制、解調(diào)方框圖，做出軟件實(shí)現(xiàn)方案圖如圖7 所示。 FSK調(diào)制解調(diào)MATLAB源代碼關(guān)鍵詞：FSK 高斯白噪聲 調(diào)制 眼圖 信噪比f(wàn)unction FSKFc=10; %載頻Fs=40; %系統(tǒng)采樣頻率Fd=1; %

14、碼速率N=Fs/Fd;df=10;numSymb=20;%進(jìn)行仿真的信息代碼個(gè)數(shù)M=4; %進(jìn)制數(shù)SNRpBit=80;%信噪比SNR=SNRpBit/log2(M);seed=12345 54321;numPlot=20;x=randsrc(numSymb,1,0:M-1);%產(chǎn)生20個(gè)二進(jìn)制隨機(jī)碼figure(1)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);title(輸入四進(jìn)制隨機(jī)序列)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%調(diào)制y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,fsk,M,df);%4FSK調(diào)制函數(shù)numModPlot=numPlot*

15、Fs;t=0:numModPlot-1./Fs;figure(2)plot(t,y(1:length(t),b-);axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title(調(diào)制信號(hào)輸出)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%在已調(diào)信號(hào)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(hào)中加入高斯白噪聲figure(3)plot(t,y(1:length(t),b-);%畫(huà)出經(jīng)過(guò)信道的實(shí)際信號(hào)axis(min(t) max(t) -1.5

16、 1.5);title(加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%相干解調(diào)figure(4)z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye,M,df);title(相干解調(diào)后的信號(hào)的眼圖)%帶輸出波形的相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(5)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)輸出信號(hào)與原序列的比較)legend(原輸入二進(jìn)制隨機(jī)序列

17、,相干解調(diào)后的信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%非相干解調(diào)figure(6)z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye/noncoh,M,df);title(非相干解調(diào)后的信號(hào)的眼圖)%帶輸出波形的非相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(7)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);hold on;stem(0:numPlot-1,z2(1:numPlot),ro);hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title(非相干解調(diào)輸出信號(hào)與原序列的比較)legend(原輸入二進(jìn)制隨機(jī)序列,非相干解

18、調(diào)后的信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%誤碼率統(tǒng)計(jì)errorSym ratioSym=symerr(x,z1);figure(8)simbasebandex(0:1:5);title(相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計(jì))errorSym ratioSym=symerr(x,z2); figure(9)simbasebandex(0:1:5);title(非相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計(jì))%濾除高斯白噪聲Delay=3;R=0.5; %滯后3syf,tf=rcosine(Fd,Fs,fir,R,Delay); %升余弦函數(shù)yo2,to2=rcosflt(y,Fd,Fs,filter,

19、yf);%加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào)和經(jīng)過(guò)升余弦濾波器后的已調(diào)信號(hào)t=0:numModPlot-1./Fs;figure(10)plot(t,y(1:length(t),r-);hold on;plot(to2,yo2,b-);hold off;axis(0 20 -1.5 1.5);xlabel(Time);ylabel(Amplitude);legend(加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào),經(jīng)過(guò)升余弦濾波器后的已調(diào)信號(hào))title(升余弦濾波前后波形比較)eyediagram(yo2,N);%眼圖title(加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào)的眼圖)七、 軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)果本文給出了MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)4FSK

20、 調(diào)制解調(diào)過(guò)程中的詳細(xì)結(jié)果。7.1 調(diào)制過(guò)程仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果先將截取的二進(jìn)制比特流按奇、偶位分開(kāi)，再按照前面表1 所示的映射關(guān)系，將二進(jìn)制序列映射為四電平符號(hào)，得到的四電平符號(hào)局部如下圖8 所示：圖 8將二進(jìn)制比特流映射為四電平符號(hào)對(duì)四電平符號(hào)進(jìn)行插值濾波，并進(jìn)行平滑濾波后得到輸入調(diào)制信號(hào)m(n)，濾波器即為前面介紹的平方根升余弦濾波器。插值濾波后生成的局部的與上述顯示四電平符號(hào)對(duì)應(yīng)的輸入調(diào)制信號(hào)m(n)顯示如下圖9： 圖 9 輸入調(diào)制信號(hào)m(n)做輸入調(diào)制信號(hào)m(n)的頻譜(由于重在觀察調(diào)頻前后頻譜的搬移情況，為便于觀察，取頻譜的絕對(duì)值，并將零頻時(shí)圖形轉(zhuǎn)換至圖的正中來(lái)顯示)，如下圖10： 圖 1

21、0 輸入調(diào)制信號(hào)m(n)的頻譜做出調(diào)制輸出信號(hào)的頻譜如下圖11 所示(為便于觀察頻譜的搬移情況，取了頻譜的絕對(duì)值，并將零頻時(shí)的圖形轉(zhuǎn)換到了圖的正中間顯示，若未轉(zhuǎn)換，頻譜邊帶在載頻+fc 與-fc周圍分布)，顯然可以看到，調(diào)制過(guò)程實(shí)現(xiàn)了頻譜的搬移，將輸入調(diào)制信號(hào)的頻譜由低頻搬移到了中頻fc 處。圖 11調(diào)制輸出信號(hào)頻譜7.2 解調(diào)過(guò)程仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果將調(diào)制輸出信號(hào)輸入到傳輸信道進(jìn)行傳輸。在信道中由于存在干擾，則到達(dá)接收端的在調(diào)制輸出信號(hào)基礎(chǔ)上附加了高斯白噪聲。下面開(kāi)始解調(diào)過(guò)程。我們采用相干解調(diào)方式對(duì)其進(jìn)行解調(diào)。將接收到信號(hào)分別乘上本地載波 與 后通過(guò)低通濾波器，濾掉高頻分量，然后對(duì)其進(jìn)行抽樣，可得到Ik2 與Qk2。用Ik2 與Qk2 計(jì)算相位，應(yīng)用(14)式，就可以得到解調(diào)后的序列。顯示如下圖12。 圖 12 解調(diào)