2FSK信號(hào)的解調(diào)與抗噪聲性能分析

1、課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱：通信綜合專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師：課程設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年電子信息工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)題目2FSK信號(hào)的解調(diào)與抗噪聲性能分析課題性質(zhì)仿真課題來源自擬課題指導(dǎo)教師同組姓名主要內(nèi)容用數(shù)字基帶信號(hào)改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。任務(wù)要求掌握2FSK的調(diào)制與解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法，探索并分析其抗噪聲性能。用MATLAB仿真設(shè)計(jì)一個(gè)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生并進(jìn)行調(diào)制解調(diào)的數(shù)字通信系統(tǒng)。遵循本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，理順基帶信號(hào)、傳輸頻帶及兩個(gè)載頻三者間相互間的關(guān)系；加深理解2FSK調(diào)制器與解調(diào)器的工作原理，

2、學(xué)會(huì)對(duì)2FSK工作過程進(jìn)行檢查及對(duì)主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的方法參考文獻(xiàn)1、MATLAB通信仿真開發(fā)手冊(cè)國(guó)防工業(yè)出版社孫屹2、現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真一MATLAB通信工具箱西安電子科技大學(xué)出版社李建新3、現(xiàn)代通信原理清華大學(xué)出版社曹志剛著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：2014年月日目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0一課程設(shè)計(jì)的目的和意義4 HYPERLINK l bookmark21.1基本要求4 HYPERLINK l bookmark41.2課程設(shè)計(jì)的目的及意義4 HYPERLINK l bookmark6二，2FSK的

3、基本原理和實(shí)現(xiàn)5 HYPERLINK l bookmark82FSK的產(chǎn)生5 HYPERLINK l bookmark202FSK濾波器的調(diào)解及抗噪聲性能7 HYPERLINK l bookmark22三.仿真設(shè)計(jì)步驟9(1)首先要確定采樣頻率fs和兩個(gè)載波f1,f2的值。9 HYPERLINK l bookmark24四仿真程序10 HYPERLINK l bookmark26五仿真結(jié)果及分析13 HYPERLINK l bookmark285.1、仿真波形圖如圖5-1至圖5-5所示：13 HYPERLINK l bookmark305.2、仿真結(jié)果的分析18 HYPERLINK l boo

4、kmark32六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)19 HYPERLINK l bookmark34參考文獻(xiàn)19D2FSK信號(hào)的解調(diào)與抗噪聲性能分析一課程設(shè)計(jì)的目的和意義1.1基本要求掌握2FSK的調(diào)制與解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法，探索并分析其抗噪聲性能；遵循本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，理順基帶信號(hào)、傳輸頻帶及兩個(gè)載頻三者間相互間的關(guān)系；加深理解2FSK調(diào)制器與解調(diào)器的工作原理，學(xué)會(huì)對(duì)2FSK工作過程進(jìn)行檢查及對(duì)主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的方法。1.2課程設(shè)計(jì)的目的及意義本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)通信原理課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合和總結(jié)。通過這次課程設(shè)計(jì)，使同學(xué)認(rèn)識(shí)和理解通信系統(tǒng)，掌握信號(hào)是怎樣經(jīng)過發(fā)端處理、被送入信道、然后在接收端還原。要求學(xué)生掌

5、握通信原理的基本知識(shí)，運(yùn)用所學(xué)的通信仿真的方法實(shí)現(xiàn)某種傳輸系統(tǒng)。能夠根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的具體要求，掌握軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試的具體方法、步驟和技巧。對(duì)一個(gè)實(shí)際課題的軟件設(shè)計(jì)有基本了解，能進(jìn)一步掌握高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)基本概念，掌握基本的程序設(shè)計(jì)方法，拓展知識(shí)面，激發(fā)在此領(lǐng)域中繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究的興趣，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程做準(zhǔn)備。在信道中，大多數(shù)具有帶通傳輸特性，必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生各種已調(diào)數(shù)字信號(hào)。可以用數(shù)字基帶信號(hào)改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。也可以用數(shù)字基帶信號(hào)同時(shí)改變正弦型載波幅度、頻率或相位中的某幾個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生新型的數(shù)字調(diào)制。本課

6、程設(shè)計(jì)旨在根據(jù)所學(xué)的通信原理知識(shí)，并基于MATLAB軟件，仿真一2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)。2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)，即頻移鍵控的數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)。頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在fl和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。因此，一個(gè)2FSK信號(hào)的波形可以看成是兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)的疊加?？梢岳妙l率的變化傳遞數(shù)字基帶信號(hào)，通過調(diào)制解調(diào)還原數(shù)字基帶信號(hào)，實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)目標(biāo)。二，2FSK的基本原理和實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制頻率調(diào)制是用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)控制正弦波的頻率隨二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的變化而變化。由于二進(jìn)制數(shù)字信息只有兩個(gè)不同的符號(hào)，所以調(diào)制后的已調(diào)信號(hào)有兩個(gè)不同的頻率fl和f2,

7、fl對(duì)應(yīng)數(shù)字信息“1”，f2對(duì)應(yīng)數(shù)字信息“0”。二進(jìn)制數(shù)字信息及已調(diào)載波如圖3-1所示。2.12FSI的產(chǎn)生在2FSK信號(hào)中，當(dāng)載波頻率發(fā)生變化時(shí)，載波的相位一般來說是不連續(xù)的這種信號(hào)稱為不連續(xù)2FSK信號(hào)。相位不連續(xù)的2FSK通常用頻率選擇法產(chǎn)生,如圖3-2所示：援蕩器j-引】-_二進(jìn)制兩和ajSI櫛跚署U與h_-圖3-22FSK信號(hào)調(diào)制器兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器作為兩個(gè)頻率發(fā)生器，他們受控于輸入的二進(jìn)制信號(hào)。二進(jìn)制信號(hào)通過兩個(gè)與門電路，控制其中的一個(gè)載波通過。調(diào)制器各點(diǎn)波形如圖3-3所示：11叮1iiaai1ao-1IFr0:AA/WWWWWW：皿一WW27(T:wx/vWvx/wwr圖3-32F

8、SK調(diào)制器各點(diǎn)波形由圖3-3可知，波形g是波形e和f的疊加。所以，二進(jìn)制頻率調(diào)制信號(hào)2FSK可以看成是兩個(gè)載波頻率分別為fl和f2的2ASK信號(hào)的和。由于“1”、“0”統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，因此，2FSK信號(hào)功率譜密度等于這兩個(gè)2ASK信號(hào)功率譜密度之和,2FSK信號(hào)的功率譜如圖3-4所示:圖3-42FSK信號(hào)的功率譜由圖3-4看出，2FSK信號(hào)的功率譜既有連續(xù)譜又有離散譜，離散譜位于兩個(gè)載波頻率fl和f2處，連續(xù)譜分布在fl和f2附近，若取功率譜第一個(gè)零點(diǎn)以內(nèi)的成分計(jì)算帶寬，顯然2FSK信號(hào)的帶寬為定卞（3-2）為了節(jié)約頻帶，同時(shí)也能區(qū)分fl和f2,通常取|f1-f2|=2fs,因此2FSK信號(hào)的帶寬為

9、上二:廣（3-3）當(dāng)|f1-f2|=fs時(shí)，圖3-4中2FSK的功率譜由雙峰變成單峰，此時(shí)帶寬為(3-4)對(duì)于功率譜是單峰的2FSK信號(hào)，可采用動(dòng)態(tài)濾波器來解調(diào)。此處介紹功率譜為雙峰的2FSK信號(hào)的解調(diào)。2.22FS濾波器的調(diào)解及抗噪聲性能2FSK信號(hào)的解調(diào)也有相干解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)兩種。由于2FSK信號(hào)可看做是兩個(gè)2ASK信號(hào)之和，所以2FSK解調(diào)器由兩個(gè)并聯(lián)的2ASK解調(diào)器組成。圖3-5為2FSK相干和包絡(luò)解調(diào)。J?imUl+nirlMilixnjMH-解innm曲CluIb/jT杯4付11*圖3-52FSK信號(hào)調(diào)解器相干2FSK抗噪聲性能的分析方法和相干2ASK很相似?，F(xiàn)將收到的2FSK(3

10、-5)信號(hào)表示為MR7噸發(fā)T碼時(shí)芟丁碼時(shí)波頻率為fl,信號(hào)能通過上支路的帶通濾波器。上支路帶通濾波器的輸出是信號(hào)和窄帶噪聲ni1（r）的疊加（噪聲中的下標(biāo)1表示上支路窄帶高斯噪聲），即(3-6)JCOs2lf+=7-COS+COSTilf-fSIH2商f此信號(hào)與同步載波cos2nfit相乘，再經(jīng)低通濾波器濾除其中的高頻成分，送給(3-7)取樣判決器的信號(hào)為上式中未計(jì)入系數(shù)1/2。與此同時(shí)，頻率為fl的2FSK信號(hào)不能通過下支路中的帶通濾波器，因?yàn)橄轮分械膸V波器的中心頻率為f2,所以下支路帶通濾波器的輸出只有窄帶高斯噪聲，即工八二；匸二=一：二；匕亠二二（3-8）此噪聲與同步載波cos2n

11、f2t相乘，再經(jīng)低通濾波器濾波后輸出為(3-9)上式中未計(jì)入系數(shù)1/2。定義y(3-10)取樣判決器對(duì)x（r）取樣，取樣值為二(3-11)(3-5)(3-5)其中，nl1、nl2都是均值為0、方差為的高斯隨機(jī)變量,所以X是均值為日、方差為八一的高斯隨機(jī)變量，X的概率密度函數(shù)為概率密度曲線如圖3-6所示：圖3-6判決值的函數(shù)示意圖(3-5)判決器對(duì)X進(jìn)行判決，當(dāng)x0時(shí)，判發(fā)送信息為“1”，此判決是正確的；當(dāng)X0時(shí)，判決發(fā)送信息為“0”，顯然此判決是錯(cuò)誤的。由此可見，X=st2(i)時(shí)，貝Ust=1，否則st=O。四仿真程序fs=2000;dt=1/fs;f1=50;f2=150;a=round(

12、rand(1,10);g1=a;g2=a;g11=(ones(1,2000)*g1;g1a=g11(:);g21=(ones(1,2000)*g2;g2a=g21(:);t=0:dt:10-dt;t1=length(t);fsk1=g1a.*cos(2*pi*f1.*t);fsk2=g2a.*cos(2*pi*f2.*t);%采樣頻率%采樣間隔%兩個(gè)載波信號(hào)的頻率%產(chǎn)生原始數(shù)字隨機(jī)信號(hào)%將原始數(shù)字信號(hào)反轉(zhuǎn)與g1反向%進(jìn)行抽樣%將數(shù)字序列變成列向量%在010-dt之間取值，取值間隔為dt%得到頻率為f1的fsk1已調(diào)信號(hào)%得到頻率為f2的fsk2已調(diào)信號(hào)fsk=fsk1+fsk2;figure(

13、1)no=0.01*randn(1,t1);sn=fsk+no;subplot(3,1,1);plot(t,no);title(噪聲波形)ylabef幅度)subplot(3,1,2);plot(t,fsk);title(2fsk信號(hào)波形)ylabel(幅度)subplot(3,1,3);plot(t,sn);title(經(jīng)過信道后的2fsk波形)ylabef幅度)xlabel(t)figure(2)b1=fir1(101,48/100052/1000);b2=fir1(101,145/1000155/1000);H1=filter(b1,1,sn);H2=filter(b2,1,sn);su

14、bplot(2,1,1);plot(t,H1);title(經(jīng)過帶通濾波器fl后的波形)ylabef幅度)subplot(2,1,2);plot(t,H2);%已產(chǎn)生2FSK信號(hào)%產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲%隨機(jī)噪聲的波形%2FSK信號(hào)的波形%fsk的解調(diào)%設(shè)置帶通濾波器的參數(shù)%經(jīng)過帶通濾波器后的信號(hào)%經(jīng)過帶通濾波器1的波形%經(jīng)過帶通濾波器2的波形title(經(jīng)過帶通濾波器f2后的波形)(3-5)ylabef幅度)xlabel(t)sw1=H1.*H1;sw2=H2.*H2;figure(3)subplot(2,1,1);plot(t,sw1);title(經(jīng)過相乘器hl后的波形)ylabel(幅度)su

15、bplot(2,1,2);plot(t,sw2);title(經(jīng)過相乘器h2后的波形)ylabef幅度)xlabel(t)bn=fir1(101,2/100052/1000);figure(4)st1=filter(bn,1,sw1);st2=filter(bn,1,sw2);subplot(2,1,1);plot(t,st1);title(經(jīng)過低通濾波器sw1后的波形)ylabef幅度)subplot(2,1,2);plot(t,st2);title(經(jīng)過低通濾波器sw2后的波形)ylabef幅度)xlabel(t)fori=1:length(t)%經(jīng)過相乘器1的信號(hào)%經(jīng)過相乘器2的信號(hào)%設(shè)

16、置低通濾波器的參數(shù)%經(jīng)過低通濾波器1的波形%經(jīng)過低通濾波器1的波形if(st1(i)=st2(i)st(i)=1;(3-5)elsest(i)=0;endendfigure(5)subplot(2,1,1);plot(t,st);%經(jīng)過抽樣判決器后解調(diào)出的波形title(經(jīng)過抽樣判決器后解調(diào)出的波形)ylabef幅度)subplot(2,1,2);plot(t,g1a);%原始的數(shù)字序列波形title(原始數(shù)字序列的波形)ylabel(幅度)；xlabel(t);五仿真結(jié)果及分析5.1、仿真波形圖如圖5-1至圖5-5所示圖5-1噪聲波形、2FSK信號(hào)波形和經(jīng)過信道后的2FSK波形圖經(jīng)過帶通濾波

17、器fl后的濫形圖5-2經(jīng)過帶通濾波器的波形圖(3-5)經(jīng)過帶通謔波器12后的波形345&t經(jīng)過相乘器h-后的液形圖5-3經(jīng)過相乘器的波形圖(3-5)”4111112-經(jīng)過相乘器h-后的液形圖5-3經(jīng)過相乘器的波形圖(3-5)經(jīng)過相乘器h-后的液形圖5-3經(jīng)過相乘器的波形圖(3-5)經(jīng)過相乘器皿后的疲形14111111.2-經(jīng)過相乘器h-后的液形圖5-3經(jīng)過相乘器的波形圖(3-5)經(jīng)過相乘器h-后的液形圖5-3經(jīng)過相乘器的波形圖(3-5)01Z5(3-5)O.fi020045經(jīng)過低通濾逓器嗣后的技刑經(jīng)過悵通疔疲礬血后的技魁圖5-4經(jīng)過低通濾波器后的波形圖0.2Q23341-置經(jīng)過拽釋判決器后解謂

18、出的淋那匝始數(shù)宇肓列的適斤圖5-5經(jīng)過相干解調(diào)后與原始數(shù)字信號(hào)的波形的對(duì)比圖(3-5)5.2、仿真結(jié)果的分析2FSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)原理是通過帶通濾波器將2FSK信號(hào)分解為上下兩路2FSK信號(hào)后分別解調(diào)，然后進(jìn)行抽樣判決輸出信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)信號(hào)2FSK采用相干解調(diào)進(jìn)行解調(diào)。由2FSK原理，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fl和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個(gè)載頻fl和f2處；連續(xù)譜的形狀隨著兩個(gè)載頻之差的大小而變化，若|fl-f2|fs,則出現(xiàn)雙峰。圖5-1為噪聲的波形、2FSK信號(hào)的波形以及經(jīng)過信道后噪聲對(duì)2FSK信號(hào)的波形。從圖5-1可以看出

19、噪聲對(duì)2FSK信號(hào)波形產(chǎn)生了干擾作用。圖5-2說明經(jīng)過帶通濾波器后濾除了帶外噪聲，并且兩個(gè)帶通濾波器分別濾除了頻率為f1和頻率為f2的波形，中心頻率為fl的帶通濾波器只允許中心頻率為fl的信號(hào)頻譜成分通過，濾除中心頻率為f2的信號(hào)頻譜成分。從圖5-2可以看出由于反碼的作用，頻率為fl的波形與頻率為f2的波形表現(xiàn)出反碼的規(guī)律。由于經(jīng)過相乘器后頻率倍頻了，且是與同頻同相的載波相乘，所以幅度全為正，如圖5-3所示。信號(hào)再通過低通濾波器濾除高頻成分后，只有頻率分別為fl和f2的成分，從圖5-4的波形圖即可看出頻率為單一的頻率。最后經(jīng)過判決器后將頻率為f1與頻率為f2的進(jìn)行大小比較，即頻率為fl的波形的幅度大于頻率為f2的波形的幅度時(shí),判決器輸出“1”，否則輸出“0”，從圖5-5知，解調(diào)波形與原始數(shù)字信號(hào)波形基本一致，所以成功的解調(diào)出原始數(shù)字信號(hào)。(3-5)六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)首先要選擇合適的采樣頻率，采樣間隔的大小會(huì)影響所得圖像的質(zhì)量。在程序的編寫和調(diào)試中很容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤是，在設(shè)計(jì)矩陣相乘或數(shù)列矩陣的相乘中，必須符合相乘的要求。即矩陣相乘時(shí)，左邊的矩陣的列數(shù)與右邊矩陣的行數(shù)相等。加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問題的