二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真和分析-課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

1、二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)真 和 分 析 -課 程 設(shè) 計(jì)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱：通信綜合課程設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：電子信息工程學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： 課程設(shè)計(jì)時(shí)間:電子信息工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)電子信息工程0602學(xué)號(hào)題目二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真和分析課題性質(zhì)仿真課題來源自擬課題指導(dǎo)教師同組姓名主要內(nèi)容對(duì)二進(jìn)制數(shù)字信源進(jìn)行數(shù)字調(diào)制（2FSK）,畫出信號(hào)波形及功率 譜。并分析其性能。任務(wù)要求1.掌握二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)。2,用MATLAB產(chǎn)生獨(dú)立等概的二進(jìn)制信源?；爻?2FSK信號(hào)波 形及其功率譜。參考文獻(xiàn)1、MATLABS信仿真開發(fā)手冊(cè) 國(guó)防工業(yè)出版社 孫屹2、現(xiàn)代通信系統(tǒng)分

2、析與仿真MATLABS信工具箱西安電子 科技大學(xué)出版社李建新3、通信系統(tǒng)仿真原理匕無線應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社 WilliamH. Tranter 著肖明波譯4、教學(xué)用“通信原理”教材審查意見指導(dǎo)教師簽字：教研室主任簽字：2009年09月07日1 設(shè)計(jì)內(nèi)容與任務(wù)要求1. 設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)建模和時(shí)域頻域分析，本次設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容是：對(duì)二進(jìn)制數(shù)字信源進(jìn)行數(shù)字調(diào)制（2FSK）,畫出信號(hào)波形及功率譜，并分析其性能。這次通信綜合課程設(shè)計(jì)目的是培養(yǎng)我們科學(xué)理論結(jié)合實(shí)際工程的能力，通過該課程設(shè)計(jì)，要求我們掌握應(yīng)用通信基本理論設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)、計(jì)算通信系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)，并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證其設(shè)計(jì)的正確性等綜合設(shè)

3、計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?. 設(shè)計(jì)的任務(wù)要求（ 1）本次課程設(shè)計(jì)要求我們理解通信系統(tǒng)的基本工作原理，能夠?qū)φn程中講授的理論指示融會(huì)貫通，掌握通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的含義和計(jì)算方法并能夠進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)建模并通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)。（ 2）掌握二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)。（3）用MATLAB產(chǎn)生獨(dú)立等概的二進(jìn)制信源。畫出 2FSK信號(hào)波形 及其功率譜。2 設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)思路1. 設(shè)計(jì)原理2FSK信號(hào)是用載波頻率的變化來表示被傳信息的狀態(tài)的，被調(diào)載波的頻率隨二進(jìn)制序列“0”、1腦狀態(tài)而變化，即載頻為f0時(shí)代表傳0',載頻為fl時(shí)代表 傳1”。顯然，2FSK信號(hào)完全可以看成兩個(gè)分別以f0

4、和fl為載頻、以an和/an 為被傳二進(jìn)制序列的兩種2ASK信號(hào)的合成。2FSK信號(hào)的典型時(shí)域波形如圖1 所示。其一般時(shí)域表達(dá)式為：S_2FSK(t)=E an*g(t-nTs)cos(w0*t)+ Z2/an*g(t-nTs)cos(w1*t)式中，w0=2*pi*f0 , w1=2*pi*f1 , /an是an的反碼，即：當(dāng)概率為 p時(shí)， an=0,/an=1；當(dāng)概率為 1-p 時(shí)，an=1, /an=0；圖 1因?yàn)?FSK是數(shù)字頻率調(diào)整方式，通?？啥x其頻移鍵控指數(shù)為：h= | f1-f0 | Ts= I f1-f0 | /Bs式中， Ts 為基帶信號(hào)的碼元周期。顯然，h 與模擬調(diào)頻信號(hào)

5、的調(diào)頻指數(shù)的性質(zhì)是一樣的，具大小對(duì)已調(diào)波帶寬有很大的影響。2FSK信號(hào)與2ASK信號(hào)的相似之處是含有載頻離散譜分量，也就是說，二者均可以采用非相干方式進(jìn)行解調(diào)。可以看出，當(dāng)h<1時(shí)，2FSK信號(hào)的功率譜與2ASK信號(hào)的功率譜極為相似，呈單峰狀；當(dāng)h>>1 時(shí)， 2FSK 信號(hào)的功率譜呈雙峰狀，此時(shí)的信號(hào)帶寬近似為B_2FSK= | f1-f0 | +2Bs2FSK信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方式：(1)頻率選擇法；(2)載波頻率法。由于頻率選擇法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)為兩個(gè)彼此獨(dú)立的載波振蕩器輸出信號(hào)之和，在二進(jìn)制碼元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換（0>1或1>0）時(shí)亥1J, 2FSK信號(hào)的相位

6、通常是不連續(xù)的，這會(huì)不利于已調(diào)信號(hào)功率譜旁瓣分量的收斂。載波調(diào)頻法是在一個(gè)直接調(diào)頻器中產(chǎn)生2FSK信號(hào)，這時(shí)的已調(diào)信號(hào)出自同一個(gè)振蕩器，信號(hào)相位在載頻變化時(shí)始終是連續(xù)的，這將有利于已調(diào)信號(hào)功率譜旁瓣分量的收斂，使信號(hào)功率更集中于信號(hào)帶寬內(nèi)。頻率選擇法的調(diào)制原理框圖如圖2所示。系帶信號(hào)*基帶信輸入 反相器相加器2FSK信號(hào)圖2若兩個(gè)振蕩器的頻率分別由不同的獨(dú)立振蕩器提供，它們之間的相位互不相關(guān)，并由基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行選通，則輸出為相位離散的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)；若兩個(gè)振蕩器的頻率由同一個(gè)振蕩器提供，由載波 fl進(jìn)行分頻得到載波f2,經(jīng)基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行選通，則輸出為相位連續(xù)的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)。兩個(gè)載波經(jīng)分頻電路

7、分頻而得，數(shù)字基帶信號(hào)的時(shí)鐘頻率也來源于載頻信號(hào)。這樣，fl、f2、fs三個(gè)頻率是相干的，所以，也可以在示波器屏幕上觀察到 穩(wěn)定的2FSK波形。由圖2可知，將從“基帶輸入端”輸入的基帶信號(hào)分成兩路，一路經(jīng)反相器 后接至開關(guān)1的控制端，另一路直接接至開關(guān) 2的控制端。載波1和載波2分別接至開關(guān)1 和開關(guān) 2 的輸入端。當(dāng)基帶信號(hào)為“0”時(shí)，開關(guān)1 接通，開關(guān)2 關(guān)閉，輸出載波1；當(dāng)基帶信號(hào)為“1 ”時(shí)，開關(guān)1 關(guān)閉，開關(guān)2 接通，輸出載波2；最后通過相加器相加即獲得2FSK 調(diào)制信號(hào)。本次課程設(shè)計(jì)是借助MATLAB 軟件，通過軟件建模和實(shí)驗(yàn)，在MATLAB軟件的平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字

8、信號(hào)的調(diào)制(以2FSK 信號(hào)為例)。2設(shè)計(jì)思路及步驟( 1)實(shí)現(xiàn) 2FSK 調(diào)制的基本思路是：首先產(chǎn)生數(shù)字基帶信號(hào)(偽隨機(jī)碼NRZ),再把數(shù)字基帶信號(hào)變換為與信道特性相匹配的數(shù)字帶通信號(hào)，即數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸時(shí)，必須用數(shù)字系帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道的特性相匹配。一般來說，這種頻帶傳輸是借助于正弦載波的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號(hào)的。( 2)設(shè)計(jì)步驟：1)首先對(duì)基帶波形進(jìn)行采樣，設(shè)置好波形的幅度、頻率、抽樣個(gè)數(shù)，碼元數(shù)和抽樣間隔等參數(shù)；2)用MATLAB 軟件中的所帶的庫函數(shù)和自定義函數(shù)來產(chǎn)生二進(jìn)制信源，其中用到的庫函數(shù)有：randn()、sign()和ones();用到

9、的自定義函數(shù)有擴(kuò)展函數(shù)sigexpand()；3)利用MATLAB仿真軟件中的subplot()和plot()函數(shù)畫出輸入NRZ信號(hào) 的波形和輸入NRZ信號(hào)的頻譜圖；4)產(chǎn)生2FSK 信號(hào)，即對(duì)輸入的NRZ 信號(hào)進(jìn)行數(shù)字調(diào)制；5)用subplot()和plot()函數(shù)畫出2FSK信號(hào)的波形及其頻譜圖，其中用到了 T2F ()函數(shù)，它是一個(gè)自定義函數(shù)，功能是信號(hào)波形實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域的 轉(zhuǎn)換。其中第3)步和第5)步中畫頻譜圖還用到庫函數(shù)：以10為底的對(duì)數(shù)函 數(shù)log10()和絕對(duì)值函數(shù)abs();三.程序流程圖四 程序源代碼1. 腳本 M 文件，程序代碼如下：clear all;A=1；%幅度fc

10、=3;%3HZN_sample=8;N=800;%碼元數(shù)Ts=1;% 抽樣間隔 1Baud/sdt=Ts/fc/N_sample;%波形采樣間隔t=0:dt:N*Ts-dt;L=length(t);%產(chǎn)生二進(jìn)制信源d=sign(randn(1,N);d1=sigexpand(d+1)/2,fc*N_sample);gt=ones(1,fc*N_sample);%NRZ 波形figure(1)subplot(2,1,1);%輸入NRZ信號(hào)波形(單極性)s_nrz=conv(d1,gt);plot(t,s_nrz(1:length(t);axis(0 20 0 1.2);ylabel('輸

11、入信號(hào)');subplot(2,1,2);%俞入 NRZ 頻譜f,s_nrzf=T2F(t,s_nrz(1:length(t);plot(f,10*log10(abs(s_nrzf).A2/Ts);axis(-2 2 -50 20);ylabel('輸入信號(hào)功率譜密度(dB/HZ)');figure(2)% 2FSK% s_2fsk=Acos(2*pi*fc*t+int(2*d_NRZ-10);sd_2fsk=2*s_nrz-1;s_2fsk=A*cos(2*pi*fc*t+2*pi*sd_2fsk(1:length(t).*t);subplot(2,1,1);plot

12、(t,s_2fsk);axis(0 10 -1.2 1.2);xlabel('t');ylabel('2FSK');subplot(2,1,2);f,s_2fskf=T2F(t,s_2fsk);plot(f,10*log10(abs(s_2fskf).A2/Ts);axis(-fc-4 fc+4 -50 10);xlabel('f');ylabel('2FSK 功率譜密度(dB/HZ) ');2. 所用到的自定義函數(shù)如下：( 1) function out=sigexpand(d1,M)N1=length(d1);out=zero

13、s(M,N1);out(1,:)=d1;out=reshape(out,1,M*N1);( 2) function f,sf=T2F(t,st)dt=t(2)-t(1);% 采樣間隔T=t(end);df=1/T;N2=length(st);f=-N2/2*df:df:N2/2*df-df;sff=fft(st);sf=T/N2*fftshift(sff);% 將頻率中心點(diǎn)移到零頻位置五 仿真結(jié)果圖六.設(shè)計(jì)結(jié)果分析1 .仿真結(jié)果圖分析(1)第一個(gè)仿真圖為輸入信號(hào)NRZ的波形，它是隨機(jī)產(chǎn)生的單極性碼。(2)從第二個(gè)仿真圖可看出，它是 2FSK信號(hào)的波形及頻譜，在時(shí)域波形圖 中，波形疏密程度不同，

14、有疏有密，密的波形代表的比較高的載波頻率，疏的 波形代表比較低的載波頻率。(3)從2FSK信號(hào)的頻譜圖中可看出，其頻譜與 2ASK信號(hào)的頻譜有點(diǎn)相似,它是通過2ASK信號(hào)頻譜的疊加而成的。從圖中可看出，相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成，其中，連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于載頻f1 和 f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個(gè)載頻f1 和 f2 處；還可以根據(jù)理論分析，連續(xù)譜的形狀會(huì)隨著兩個(gè)載頻之差f1-f2的大小而變化，若| f1-f2 | <fs,連續(xù) 譜在f0處出現(xiàn)單峰；若| f1-f2 | >fs,則出現(xiàn)雙峰。(其中f0= (f1+f2) /2)(4)若以功率譜第一個(gè)零

15、點(diǎn)之間的頻率間隔計(jì)算2FSK信號(hào)的帶寬，則其帶寬近似為B_2FSK= | f2-f1 | +2fs。其中fs=1/Ts為基帶信號(hào)的帶寬。2 . 性能分析衡量一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能好壞的指標(biāo)有很多，最主要的是有效性和可靠性。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)而言，這些性能指標(biāo)主要包苦：誤碼率性能、頻帶利用率、以及調(diào)制信號(hào)對(duì)信道的適應(yīng)能力等。(1) 2FSK的誤碼率：當(dāng)用相干解調(diào)時(shí)，Pe=1/2*erfc (sqrt (r/2);當(dāng)用非相干解調(diào)時(shí)，Pe=1/2*exp (-r/2)；(其中r為信噪比)可以看出，在相同信 噪比Pe情況下，2FSK系統(tǒng)的誤碼率比2PSK系統(tǒng)的誤碼率大，但比2ASK系 統(tǒng)的誤碼率小，

16、所以2FSK性能在2PSK和2ASK之間。(2)頻帶利用率：B_2FSK= | f2-f1 | +2fs= | f2-f1 | +2/Ts,從此式中可看 出，2FSK信號(hào)的帶寬很寬，比2PSK和2ASK都要寬，所以，2FSK信號(hào)的頻 帶利用率最低，即2FSK 的有效性最差。（ 3）在2FSK 系統(tǒng)中，判決器是根據(jù)上下兩個(gè)支路解調(diào)輸出樣值得大小作出判決，不需要認(rèn)為地設(shè)置判決門限，所以 2FSK對(duì)信道的變化不敏感，對(duì)信道具有很好的適應(yīng)能力。非相干2FSK 適用于中低速率數(shù)據(jù)傳輸中，特別是在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)中得到廣泛的應(yīng)用。七 參考文獻(xiàn)1 .MATLA施信仿真開發(fā)手冊(cè)國(guó)防工業(yè)出版社 孫屹2 .現(xiàn)代

17、通信系統(tǒng)分析與仿真-MATLA前信工具箱西安電子科技大學(xué)出版社 李建新3通信系統(tǒng)仿真原理與無線應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社William H.Tranter 著 肖明波譯4教學(xué)用“通信原理”教材5. 通信系統(tǒng)建模與仿真電子工業(yè)出版社韋崗 季飛 傅娟6. 通信原理及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電子工業(yè)出版社樊昌信 宮錦文 劉忠成7. 通信原理基于Matlab 的計(jì)算機(jī)仿真北京郵電大學(xué)出版社郭文彬桑林編著龐沁華審訂 八 設(shè)計(jì)心得體會(huì)1.通過本次課程設(shè)計(jì)，我了解了有關(guān)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制（2FSK）的設(shè)計(jì)原理及 方法，進(jìn)一步了解了些 Matlab 庫函數(shù)，如：randn（） sign（）和 ones（）, 2FSK 調(diào) 制的設(shè)計(jì)方法很多，這里只用了其中一種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真；2從這次二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)會(huì)了，熟悉了更多關(guān)于MATLAB的用法，掌握了用 MATLAB實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制的設(shè)計(jì)，以及在 MATLAB中一些圖形的畫法，如NRZ波形及頻譜的畫法、2FSK信號(hào)波形及頻譜的畫法等，我還學(xué)會(huì)了用MATLAB 實(shí)現(xiàn)時(shí)域波形到頻域波形的變換（用自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)）；3通過本次二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的設(shè)計(jì)，我對(duì)有關(guān)數(shù)字調(diào)制的理論知識(shí)的了解更加深刻和透徹了，實(shí)