與PAM混合調(diào)制的非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真

1、長(zhǎng)沙理工大學(xué)通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué) 院 計(jì)算機(jī)與通信工程專 業(yè) 通信工程 班 級(jí) 通信0901 學(xué) 號(hào) 200957學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 吳志敏 課程成績(jī) 完成日期 2011/12/16課程設(shè)計(jì)任務(wù)書計(jì)算機(jī)與通信工程 學(xué)院 通信工程 專業(yè)課程名稱通信原理時(shí)間20112012學(xué)年第一學(xué)期1617周學(xué)生姓名指導(dǎo)老師吳志敏題 目2FSK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真主要內(nèi)容：利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)2FSK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)通信系統(tǒng)，分別在理想信道和非理想信道中運(yùn)行，并把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。要求：1）構(gòu)建調(diào)制電

2、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。2）再以調(diào)制信號(hào)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。3）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：用高斯白噪聲模擬有線信道，并將噪聲源的方差適當(dāng)設(shè)置，分析比較通過(guò)三種不同信道后的接收信號(hào)的性能。 4）在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。應(yīng)當(dāng)提交的文件：（1）課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文。（2）課程設(shè)計(jì)附件（主要是源程序）。課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定學(xué) 院 計(jì)算機(jī)與通信工程專 業(yè) 通信工程

3、班 級(jí) 通信0901 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 * 指導(dǎo)教師 吳志敏 完成日期 2011-12-16指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中的評(píng)價(jià)評(píng)分項(xiàng)目?jī)?yōu)良中及格不及格課程設(shè)計(jì)中的創(chuàng)造性成果學(xué)生掌握課程內(nèi)容的程度課程設(shè)計(jì)完成情況課程設(shè)計(jì)動(dòng)手能力文字表達(dá)學(xué)習(xí)態(tài)度規(guī)范要求課程設(shè)計(jì)論文的質(zhì)量指導(dǎo)教師對(duì)課程設(shè)計(jì)的評(píng)定意見(jiàn)綜合成績(jī) 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日FSK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)系統(tǒng)仿真學(xué)生姓名： 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FSK與PAM混合調(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)FSK與PAM混合調(diào)制與解調(diào)原理構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路，從Simul

4、ink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(guò)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(guò)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；FSK；PAM；混合調(diào)制；非相干解調(diào)目錄1 引 言61.1 課程設(shè)計(jì)目的61.2 課程設(shè)計(jì)步驟62基本原理72.1FSK調(diào)制與解調(diào)72.2 PAM調(diào)制與解調(diào)93系統(tǒng)設(shè)計(jì)113.1 FSK與PAM混合調(diào)制113.2 FSK與PAM非相干解調(diào)153.3加入高斯噪聲的FSK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)184仿真電路分析與總結(jié)205 結(jié)束語(yǔ)21參考文獻(xiàn)221 引 言本次課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用M

5、ATLAB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)FSK與PAM混合調(diào)制與非相干解調(diào)的傳輸過(guò)程，通過(guò)分析比較調(diào)制解調(diào)輸出波形以及功率譜特征，理解FSK與PAM混合調(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(wèn)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)

6、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(wèn)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(wèn)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)的步驟（1）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。（2）再以調(diào)制信號(hào)為輸入，構(gòu)建解調(diào)電路，用誤碼測(cè)試儀測(cè)量誤碼率，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）在調(diào)制與解調(diào)電路間加上噪聲源，

7、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；b用瑞利噪聲模擬有直射分量的無(wú)線信道；c 用萊斯噪聲模擬無(wú)直射分量的無(wú)線信道。將三種噪聲源的方差均設(shè)置為0.1，分別觀察此時(shí)的誤碼率與無(wú)噪聲時(shí)的誤碼率有何區(qū)別。（4）在系統(tǒng)中固定選擇一種噪聲源，改變信噪比，測(cè)試各種不同情況下的誤碼率，并繪制出誤碼率隨信噪比的變化曲線。此時(shí)要求用m文件中的sim(模塊名)來(lái)啟動(dòng)仿真，并將各種信噪比下的誤碼率輸出至工作空間保存，并繪圖。（5）可以嘗試在接收端加濾波器，觀察調(diào)制性能變化。2 基本原理2.1FSK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，

8、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)生,可以采用模擬調(diào)頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以采用數(shù)字鍵控的方法來(lái)實(shí)現(xiàn). 圖 2-1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 1 數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制

9、移頻鍵控信號(hào)的原理圖圖 2- 2 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(guò)調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(guò)濾波的信號(hào)分別通過(guò)包絡(luò)檢波器檢波，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(lái)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 3 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)解調(diào)器原理圖圖 2 42FSK非相干解調(diào)時(shí)間波形圖2.2 PAM調(diào)制解調(diào)原理PAM類似于

10、AM，用二進(jìn)制脈沖序列作為載波受控于基帶信號(hào)的幅度，就是取樣定理。而解調(diào)只需通過(guò)相關(guān)的低通濾波器，濾出基帶信號(hào)。(1) 幅度調(diào)制原理  設(shè)脈沖載波以s(t)表示，它是由脈寬為秒、重復(fù)同期為Ts秒的矩形脈沖串組成，其中Ts是按抽樣定理確定的，即有Ts=1/(2)秒。其產(chǎn)生方框圖為2-5(a)所示，基帶信號(hào)的波形及頻譜如圖2-5(b)所示；脈沖載波的波形及頻譜如圖2-5(c)所示；已抽樣的信號(hào)波形及頻譜如圖2-5(d)所示。圖2-5矩形脈沖為載波調(diào)制原理與波形和頻譜因?yàn)橐殉闃有盘?hào)是與的乘積，所根據(jù)頻率卷積定理，可以寫出相應(yīng)的頻域表達(dá)式：(2-1)式(3-6)中是的頻譜函數(shù)，根據(jù)

11、信號(hào)的定義可以認(rèn)為，表示的矩形脈沖串是由脈寬為秒的門函數(shù)與周期性沖激函數(shù)卷積得到，根據(jù)頻率卷積定理，其相應(yīng)的時(shí)域和頻域表達(dá)式分別如下：(2-2)     (2) PAM的解調(diào)原理圖2-6矩形脈沖為載波解調(diào)原理圖分析式(2-2)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng) = 0時(shí)得到的頻譜函數(shù)為，與信號(hào)的頻譜函數(shù)進(jìn)行比較，只是差一個(gè)比例常數(shù)，因此，采樣頻率只要滿足，就可以用一個(gè)帶寬滿足的理想低通濾波器，把的成分取出來(lái)，以不失真地恢復(fù)的波形如圖3.4所示。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 FSK與PAM混合調(diào)制（1）FSK與PAM混合調(diào)制部分打開simulink工具箱，點(diǎn)擊file圖標(biāo)，選擇

12、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Bernoulli Binary Generator模塊為隨即序列信號(hào)模塊，Sine wave，Sine wave1為頻率為f1和f2載波模塊，Pulse Generator為脈沖產(chǎn)生器模塊，Product為乘法器模塊，Scope為示波器模塊，NOT為反相器模塊，Power Spectra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。調(diào)制模型圖如下圖所示：圖3-1FSK與PAM混合調(diào)制部分的simulink模型方框圖（2）2FS

13、K的調(diào)制部分參數(shù)設(shè)置圖3-2 sine wave的參數(shù)設(shè)置圖3-3 sine wave1的參數(shù)設(shè)置圖3-4 Pulse Generator1的參數(shù)設(shè)置（3）2FSK與PAM混合調(diào)制部分仿真以及功率譜分析經(jīng)過(guò)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 PAM調(diào)制波形圖圖3-6 FSK與PAM混合調(diào)制波形圖其中圖3-5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的調(diào)制波形。圖3-6中，第一段圖形為FSK調(diào)制波形；第二段圖形為隨機(jī)脈沖即PAM波形；第三段圖形為FSK與PAM混合調(diào)制波形。調(diào)制前后頻譜分析如下圖：圖3-

14、7調(diào)頻前頻譜圖3-8調(diào)頻后的頻譜由圖可知基帶信號(hào)的頻譜在調(diào)制前后只是顯現(xiàn)搬移，未發(fā)生較大變化。3.2 FSK與PAM混合調(diào)制信號(hào)的非相干解調(diào)（1）FSK與PAM混合調(diào)制非相干解調(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，Gaussian Noise Generator模塊為高斯噪聲產(chǎn)生器，Analog Filter Design模塊為帶通濾波器，Abs模塊為絕對(duì)值，其作用等同于

15、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3-9FSK與PAM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3-10低通濾波器2參數(shù)設(shè)置圖3-11低通濾波器3的參數(shù)設(shè)置圖3-12帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置圖3-13帶通濾波器1的參數(shù)設(shè)置圖3-14 Quanti

16、ring Encoder的參數(shù)設(shè)置圖3-15 高斯噪聲的參數(shù)設(shè)置（3）FSK與PAM混合調(diào)制解調(diào)部分仿真以及功率譜分析圖3-16FSK與PAM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(guò)解調(diào)的波形圖；第2段是載波f1和f2經(jīng)過(guò)解調(diào)的波形圖；第3段是f1經(jīng)過(guò)全波整流出現(xiàn)的波形圖；第4段是f2經(jīng)過(guò)全波整流出現(xiàn)的波形圖；第5段是經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波出現(xiàn)的波形圖；第6段為解調(diào)后出現(xiàn)的波形圖；第7段為信號(hào)輸入的波形圖。在01時(shí)間段出現(xiàn)延時(shí)。 解調(diào)前后頻譜分析如下圖：圖3-17圖3-18從上圖可以看出，經(jīng)過(guò)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。

17、3.3 加入高斯噪聲的FSK與PAM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)置與波形圖如下：圖3-19噪聲方差設(shè)置為1圖3-20噪聲方差為1時(shí)解調(diào)波形與輸入波形對(duì)比圖3-21噪聲方差設(shè)為2圖3-22噪聲方差為2時(shí)時(shí)解調(diào)波形與輸入波形對(duì)比如圖所示，圖3-16為理想信道解調(diào)波形，圖3-21和圖3-22均為加入高斯噪聲的波形，可通過(guò)修改參數(shù)表中的方差來(lái)改變加入噪聲的大小，把噪聲的方差分別設(shè)為1和

18、2，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2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(guò)加入噪聲信道的波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(wú)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仿真電路分析與總結(jié)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(guò)程中遇到了各種不同的問(wèn)題，通過(guò)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(méi)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(guò)小或過(guò)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 import/export”修改Decimation中數(shù)據(jù)（默認(rèn)為1），可加大為50或100。（3）調(diào)制模塊中，如調(diào)制結(jié)果不明顯，可以加大載波頻率，一般來(lái)說(shuō)載波頻率要比基帶頻率大得多。（4）若波形出錯(cuò)，可以把濾波器級(jí)數(shù)(默認(rèn)為8)適當(dāng)減小，使濾波器精確度變小，允許誤差變大，便于波