FSK相干解調(diào)系統(tǒng)仿真(VCO)

1、 郭艷芳 2FSK相干解調(diào)系統(tǒng)仿真（VCO） 第 24 頁 共 24 頁2FSK相干解調(diào)系統(tǒng)仿真（VCO）學生姓名：郭艷芳 指導老師：黃紅兵、熊文杰 摘 要 同步問題是進行數(shù)字通信的前提和基礎，同步性能的好壞直接影響著通信系統(tǒng)的性能。首先對該系統(tǒng)的原理進行了分析，調(diào)制和解調(diào)都是simulink建模的方法，解調(diào)部分是相干解調(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模塊中有顯示，之后應用Matlab的simulink模塊對該系統(tǒng)進行了仿真，最后對仿真結果僅進行了簡單的分析。 關鍵詞 相干解調(diào)；2FSK；VCO；調(diào)制解調(diào);Simulink 1 引 言本課程設計主要利用simul

2、ink對2fsk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行仿真，利用SIMULINK功能模塊，建立FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模型，經(jīng)過仿真分析，其結果與理論分析結果相同。數(shù)字信號的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸。然而，實際中的大多數(shù)信道因具有帶通特性而不能直接傳送基帶信號。為了使數(shù)字信號在帶通系統(tǒng)中傳輸，必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號的過程稱為數(shù)字調(diào)制。在接收端，通過解調(diào)器把帶通信號還原為數(shù)字基帶信號的過程稱為數(shù)字解調(diào)。數(shù)字調(diào)制的基本方式有三種：振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）。本文介紹的就是二進制數(shù)字頻移

3、鍵控系統(tǒng)（2FSK）。移頻鍵控（FSK）是數(shù)據(jù)通信中最常用的一種調(diào)制方式。FSK方法簡單，易于實現(xiàn)，并且解調(diào)不需要恢復本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性能較強。缺點是占用頻帶較寬，頻帶利用不夠經(jīng)濟。FSK主要應用于低中速數(shù)據(jù)傳輸，以及衰落信道和頻帶較寬的信道中1。1.1 課程設計目的為了使數(shù)字信號在帶通系統(tǒng)中傳輸，必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號的過程稱為數(shù)字調(diào)制。移頻鍵控（FSK）是數(shù)據(jù)通信中最常用的一種調(diào)制方式。FSK方法簡單，易于實現(xiàn)，并且解調(diào)不需要恢復本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性

4、能較強。缺點是占用頻帶較寬，頻帶利用不夠經(jīng)濟。FSK主要應用于低中速數(shù)據(jù)傳輸，以及衰落信道和頻帶較寬的信道中2。1.2 simulink的簡介  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)成為學術和工業(yè)界用來建模和仿真的主流工具包。在Simulink環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進行

5、建模的圖形接口，采用這種結構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。 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模塊和其他的顯示模塊，可以在仿真進行的同時就可立即觀看到仿真結果，若改變模塊的參

6、數(shù)并再次運行即可觀察到相應的結果，這適用于因果關系的問題研究2。2 設計原理 通信技術，特別是數(shù)字通信技術近年來發(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，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設備和傳輸媒質(zhì)的總和，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。包括信息源、發(fā)送設備、信道、接收設備和信宿(

7、受信者) ，它的一般模型如圖1.2所示3。 圖2.1 通信系統(tǒng)一般模型圖 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2.2所示。 圖2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖2.3所示。 圖2.3 模擬通信系統(tǒng)圖數(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。在數(shù)字基帶傳

8、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。 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1。 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

9、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)。本章重點論述2FSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理及其抗噪聲性能2。3 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3.1 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f

10、2。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)。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、f2兩個載波。 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. 采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法的原理圖如圖3.2 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，模擬法通過VCO來振蕩出2FSK的信號。圖 3.1鍵控法實現(xiàn)二進制原理移頻鍵控信號原

11、理圖圖 3.2模擬法實現(xiàn)2FSK信號原理圖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. 采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法的原理圖如圖3.3 和圖3.4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處輸出信號。分別進行解調(diào),通過對上下兩非相干解調(diào)過程的波形的抽樣值進行比較最終判決出輸出信號3。圖3.3相干解調(diào)原理圖圖 3.4非相干解調(diào)4 2FSK的調(diào)制系統(tǒng)與仿真（vco）4.1 Simulink模型庫 在MATLAB命令窗口輸入“simulink”并回車，或者點擊工具欄中

12、從左往右數(shù)的第八個圖標（唯一的彩色圖標），就可進入Simulink模型庫，點擊工具欄中的第一個圖標建立空白頁，如圖 4.1。 圖 4.1Simulink模型庫頁面圖在MATLAB子窗口或Simulink模型庫的菜單欄依次選擇“File” | “New” | “Model”，也可生成空白仿真模型窗口。從模型庫中選中模塊，單擊鼠標右鍵，選擇"Add to untitled"，或直接把模塊拖到仿真模型中，即可加入模塊。 Simulink模型庫窗口還提供了查找功能，在彈出的模塊查找對話框中輸入模塊名稱關鍵字，單擊"Find Next"即可自動搜索整個模型庫，如圖

13、4.2，輸入VCO，按回車鍵就出來了我們所需要的器件。 圖 4.2搜索模型庫過程圖4.2 參數(shù)設置 由于采用VCO的方法設計2FSK的調(diào)制與相干解調(diào)，所以調(diào)制信號只需要用到伯努利二進制隨機序列和VCO兩個器件就能產(chǎn)生調(diào)制信號，而參數(shù)設置圖如下所示。 圖 4.3 Bernoulli Binary Generator參數(shù)設置圖設置VCO的靜止頻率為10，敏感系數(shù)為20，振幅為1，如圖 4.4。圖 4.4 VCO參數(shù)設置圖 圖 4.5示波器參數(shù)設置圖 設置示波器的參數(shù)如圖 4.5，取消數(shù)據(jù)點限制時間的設置，將示波器的探頭個數(shù)改為2個。 2FSK調(diào)制信號（VCO）simulink仿真模型如圖 4.6所

14、示，保存文件命名為gyf2fsk。圖 4.6 2FSK調(diào)制信號simulink模型圖4.3 2FSK調(diào)制系統(tǒng)波形仿真 經(jīng)過以上參數(shù)的設置后就可以進行系統(tǒng)的仿真，在菜單欄中依次選擇"Simulation" | "Start" ，運行仿真。其中，第一個示波器的接口是2FSK的調(diào)制信號，第二個接口是基帶信號的波形。 圖 4.7 2FSK調(diào)制系統(tǒng)仿真波形圖5 2FSK的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)與仿真5.1 Simulink調(diào)制與解調(diào)仿真模型圖圖5.1 2FSK調(diào)制與解調(diào)仿真模型圖上圖是理想情況下的調(diào)制解調(diào)，沒有加噪聲的，Bernoulli Binary Generator模

15、塊是信號源，經(jīng)過VCO實現(xiàn)2FSK的調(diào)制，調(diào)制輸出的信號分別經(jīng)過兩個帶通濾波器，再通過乘法器進入低通濾波器，最后兩信號相加經(jīng)過判決抽樣器輸出。此處與乘法器相乘的兩個載波信號是根據(jù)VCO振蕩出來的信號而得出的與振蕩出來同頻同相的載波，波形如圖 5.2所示。示波器觀測的信號由上往下依次是基帶信號、調(diào)制信號、sine wave function以及sine wave function1。圖 5.2調(diào)制信號、基帶信號以及載波波形圖 在理想情況下的2FSK的相干解調(diào)波形如圖 5.3所示，示波器波形由上往下一次表示：解調(diào)判決前最后兩路的相加信號、解調(diào)信號、基帶信號、帶通濾波器后的波形1、帶通濾波器后的波形

16、2、通過乘法器后的波形1、經(jīng)過乘法器后的波形2、經(jīng)過低通濾波器后的波形1、經(jīng)過低通濾波器后的波形2,如同所示，基帶信號和解調(diào)信號一致。圖 5.3調(diào)制與解調(diào)波形圖在現(xiàn)實生活中我們的信號一般都有噪聲，所以我們在設計系統(tǒng)仿真時應該也要把這一成分考慮進去。我們將把噪聲加在調(diào)制信號與解調(diào)之間，在此，我們也將功率譜密度的測量和誤碼率的計算也加入到仿真模塊中，系統(tǒng)模型圖如圖 5.4 。圖 5.4 含有噪聲、誤碼率計算的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)圖解調(diào)前功率譜密度的測量如圖5.5，解調(diào)后功率譜密度的測量如圖5.6所示。圖 5.5解調(diào)前的功率譜密度 圖5.6 解調(diào)后的功率譜密度加了噪聲后的波形存在著誤碼率，其高斯白噪聲的設置

17、、產(chǎn)生的波形圖以及誤碼率如下圖所示，示波器波形由上往下一次表示：解調(diào)判決前最后兩路的相加信號、解調(diào)信號、基帶信號、帶通濾波器后的波形1、帶通濾波器后的波形2、通過乘法器后的波形1、經(jīng)過乘法器后的波形2、經(jīng)過低通濾波器后的波形1、經(jīng)過低通濾波器后的波形2。圖5.7含有噪聲的誤碼率圖5.8高斯白噪聲參數(shù)的設置圖5.8含有噪聲的波形5.2 相干解調(diào)模塊參數(shù)設置我們的兩載波的頻率分別是20*pi和40*pi，如下圖。圖 5.9 相對低頻的載波設置 圖5.10另一載波設置 將帶通濾波器的參數(shù)設為如下圖所示，由于我們輸入的信號決定了我們帶通濾波器參數(shù)的設置。圖5.11上路帶通濾波器參數(shù)設置圖5.12 下路

18、帶通濾波器參數(shù)設置截圖將低通濾波器的參數(shù)設為如圖 5.13所示，低通濾波器通過頻率設為2*pi，精度設置為6。圖5.13 低通濾波器參數(shù)設置圖量化器參數(shù)設置如圖 5.14，將Quantization Partition 設置為0.03，Quantization codebook設置為1 0。圖5.14量化器參數(shù)設置圖 噪聲參數(shù)設置如圖 5.15，variance代表方差，方差越大，噪聲越強，誤碼率越嚴重。圖 5.15噪聲設參圖 誤碼率Error Rate Calculation的參數(shù)設置。主要設置參數(shù)有Receive Delay設為0，Output data設置為Port，延時設置為2，如圖

19、5.16。 圖5.16 誤碼率Error Rate Calculation參數(shù)設置圖 延時設置如圖5.17所示，我們將initial condition設置為0,sample time設置為1。圖5.17 延時參數(shù)設置圖6 出現(xiàn)的問題及解決方法在本次課程設計運用了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的幫助下總算得以解決，總結分析分析如下：（1）運行后如沒有出現(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，可以點擊鼠標右鍵，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（默認為1）加

20、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)（默認為1），可加大為50或100。（3）調(diào)制模塊中，如調(diào)制結果不明顯，可以加大載波頻率，一般來說載波頻率要比基帶頻率大得多。（4）若波形出錯，可以把濾波器級數(shù)(默認為8)適當減小，使濾波器精確度變小，允許誤差變大，便于波形的輸出。（5）在選擇帶通濾波器的參數(shù)時候要嚴格按照需要的頻率范圍取值，通過計算載波和基帶信號的頻率可以得出該頻率范圍取值。（6）在加噪聲時，采樣頻率應該設為最大載波的十倍分之一。 （7）在整個仿真過程中，各模塊的參數(shù)設置十分重要，一定要設置合適的參數(shù)，才會得出所需要的信號。7 結束語 在這次課程設計過程中，我獲益匪淺。通過這段時間的課設，讓我清楚地了解和掌握了Simulink的功能，實現(xiàn)了2FSK調(diào)制解調(diào)的仿真，對2FSK的原理更加熟悉了，并鞏固了數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的相關知識點，在平時的上課可能模模糊糊的對這方面的知識有點概念，但這次通過三個星期針對性的學習，使得我對2FSK的原理記憶猶新，所以說時間才是知