基于MATLAB的二進制移頻鍵控調(diào)制(2FSK)與解調(diào)分

武漢理工大學《信號分析處理》課程設(shè)計說明書目錄第一章軟件簡介 21.1Matlab簡介 21.2Simulink介紹 2第二章FSK基本知識 32.1通信系統(tǒng)模型 32.2FSK的時域分析 42.3FSK信號的頻譜特性： 52.42FSK數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制方法 52.5FSK數(shù)字系統(tǒng)的解調(diào)方法 62.6方案比較 7第三章Matlab仿真 83.1仿真思路 83.2仿真程序 83.3輸出波形及結(jié)果分析 113.4結(jié)果分析 17第四章用Simulink仿真FSK調(diào)制解調(diào) 174.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計 174.2電路參數(shù)的計算及元器件的選擇 184.3系統(tǒng)整體電路圖 194.4系統(tǒng)仿真實現(xiàn) 194.5系統(tǒng)測試 214.6參數(shù)設(shè)置 22心得體會 25參考文獻 27第一章軟件簡介1.1Matlab簡介Simulink是Matlab中的一部分，首先簡單介紹一下Matlab。Matlab是MatrixLaboratory的縮寫，意為矩陣實驗室。它具有強大的矩陣處理功能和繪圖功能，進還能進行文字處理，繪圖，建模仿真等功能。Matlab已經(jīng)發(fā)展成為多學科、多種工作平臺的功能強大的大型軟件。Matlab的幫助功能很強大，自帶有詳細的幫助手冊，基于HTML的完整的幫助功能，也可以用help命令來得到幫助信息。程序語法與C語言類似，設(shè)計自由度大，方便我們編程。Matlab有高級的程序環(huán)境，但程序環(huán)境很簡單易用。Matlab源程序具有很大的開放性。Matlab有強大的的圖形繪制功能。Matlab還擁有功能強大的各種工具箱。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進行高，精，尖的研究，能極大地促進我們的學習研究工作。1.2Simulink介紹Simulink是Matlab中一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。Simulink提供了一種圖形化的交互環(huán)境來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)，只需用鼠標拖動的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫一行代碼。使用簡單方便。Simulink框圖提供了交互性很強的仿真環(huán)境，既可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過命令行進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真如蒙特卡羅仿真非常有用。Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB、FORTRAN和C代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進行更高級的系統(tǒng)設(shè)計、仿真與分析。Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB、FORTRAN和C代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進行更高級的系統(tǒng)設(shè)計、仿真與分析。由于Simulink可以直接利用MATLAB的諸多資源與功能，因而用戶可以直接在Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級的設(shè)計和分析能力可以融入仿真過程。Simulink具有以下特點：(1)基于矩陣的數(shù)值計算。(2)高級編程語言。(3)圖形與可視化。第二章FSK基本知識2.1通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和，包括信息源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備和信宿(受信者)，它的一般模型如圖2-1所示。圖2-1通信系統(tǒng)一般模型通信系統(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)，模型如圖2-3所示。圖2-3模擬通信系統(tǒng)模型數(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(yīng)對通信技術(shù)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(lǐng)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。2.2FSK的時域分析在二進制頻移鍵控（2FSK）中，當傳送“1”碼時對應(yīng)于載波頻率f1，傳送“0”碼時對應(yīng)于載波頻率f0。（2-1）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，即利用Matlab對FSK的調(diào)制過程進行仿真設(shè)計。(2-2)則有:當時，;當時，。則2FSK信號可表示為:其中，我們在分析中假設(shè)為單個矩形脈沖序列，其表達式為:（2-4）由式(2-3)可知，相位不連續(xù)的2FSK信號可以看成是兩個2ASK調(diào)幅信號之和。2FSK信號波形可看作兩個2ASK信號波形的合成。下圖是相位連續(xù)的2FSK信號波形圖2-4相位連續(xù)的2FSK波形2.3FSK信號的頻譜特性：由于相位離散的2FSK信號可看成是兩個2ASK信號之和，所以，這里可以直接應(yīng)用2ASK信號的頻譜分析結(jié)果，比較方便，即2FSK信號帶寬為式中，是基帶信號的帶寬。2.42FSK數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制方法(1)數(shù)字鍵控法實現(xiàn)二進制移頻鍵控信號,2FSK調(diào)制就是使用兩個不同的頻率的載波信號來傳輸一個二進制信息序列?？梢杂枚M制“1”來對應(yīng)于載頻f1，而“0”用來對應(yīng)于另一相載頻w2的已調(diào)波形，而這個可以用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立的頻率源w1、f2進行選擇通。如下原理圖：圖2-5數(shù)字鍵控法實現(xiàn)二進制移頻鍵控信號(2)模擬法，即用數(shù)字基帶信號作為調(diào)制信號進行調(diào)頻，如下原理圖：圖2-6模擬法調(diào)制2.5FSK數(shù)字系統(tǒng)的解調(diào)方法2FSK的解調(diào)方式有兩種:相干解調(diào)方式和非相干解調(diào)方式.下面我們將詳細的介紹（1）非相干解調(diào)經(jīng)過調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號通過兩個頻率不同的帶通濾波器f1、f2濾出不需要的信號，然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號分別通過包絡(luò)檢波器檢波，最后將兩種信號同時輸入到抽樣判決器同時外加抽樣脈沖，最后解調(diào)出來的信號就是調(diào)制前的輸入信號。其原理圖如下圖所示：圖2-7非相干解調(diào)（2）相干解調(diào)根據(jù)已調(diào)信號由兩個載波f1、f2調(diào)制而成，則先用兩個分別對f1、f2帶通的濾波器對已調(diào)信號進行濾波，然后再分別將濾波后的信號與相應(yīng)的載波f1、f2相乘進行相干解調(diào)，再分別低通濾波、用抽樣信號進行抽樣判決器即可。原理圖如下：圖2-8相干解調(diào)2.6方案比較FSK的調(diào)制方式：使用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號，即由電子開關(guān)在兩個獨立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成，這樣的相鄰碼元之間相位不一定連續(xù)，本系統(tǒng)采用調(diào)頻法。FSK的解調(diào)方式：相干解調(diào)在大多數(shù)情況下解調(diào)結(jié)果要好，本系統(tǒng)采用相干解調(diào)。第三章Matlab仿真3.1仿真思路1.首先要確定采樣頻率fs和兩個載波頻率的值f1，f2。2.寫出輸入已經(jīng)信號的表達式S(t)。由于S(t)中有反碼的存在，則需要將信號先反轉(zhuǎn)后在從原信號和反轉(zhuǎn)信號中進行抽樣。寫出已調(diào)信號的表達式S(t)。3.在2FSK的解調(diào)過程中，信號首先通過帶通濾波器，設(shè)置帶通濾波器的參數(shù)，后用一維數(shù)字濾波函數(shù)filter對信號S(t)的數(shù)據(jù)進行濾波處理。輸出經(jīng)過帶通濾波器后的信號波形。由于已調(diào)信號中有兩個不同的載波（ω1,ω2）,則經(jīng)過兩個不同頻率的帶通濾波器后輸出兩個不同的信號波形H1,H2。4.經(jīng)過帶通濾波器后的2FSK信號再經(jīng)過相乘器（cosω1，cosω2），兩序列相乘的MATLAB表達式y(tǒng)=x1.*x2→SW=Hn.*Hn，輸出得到相乘后的兩個不同的2FSK波形h1,h2。5.經(jīng)過相乘器輸出的波形再通過低通濾波器，設(shè)置低通濾波器的參數(shù)，用一維數(shù)字濾波函數(shù)filter對信號的數(shù)據(jù)進行新的一輪的濾波處理。輸出經(jīng)過低通濾波器后的兩個波形（sw1,sw2）。6.將信號sw1和sw2同時經(jīng)過抽樣判決器，分別輸出st1,st2。其抽樣判決器輸出的波形為最后的輸出波形st。對抽樣判決器經(jīng)定義一個時間變量長度i，當st1(i)>=st2(i)時，則st=0，否則st=st2(i).其中st=st1+st2。3.2仿真程序%程序如下：%2FSK仿真程序clc;clear;set(findobj('Color',[0.8000.8000.800]),'Color','w');%設(shè)置背景白fs=2000;%采樣頻率dt=1/fs;f1=20;f2=120;%兩個信號的頻率a=round(rand(1,10));%隨機信號g1=a;g2=~a;%信號反轉(zhuǎn)，和g1反向g11=(ones(1,2000))'*g1;%抽樣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);fsk=fsk1+fsk2;%產(chǎn)生的信號no=0.0*randn(1,t1);%噪聲sn=fsk+no;subplot(311);plot(t,no);title('噪聲波形');ylabel('噪聲幅度');%噪聲波形subplot(312);plot(t,fsk);title('信號');ylabel('信號幅度');subplot(313);plot(t,sn);title('疊加有噪聲的信號');ylabel('幅度A');xlabel('時間t');figure(2);b1=fir1(101,[10/80020/800]);b2=fir1(101,[90/800110/800]);%設(shè)置帶通參數(shù)H1=filter(b1,1,sn);H2=filter(b2,1,sn);%經(jīng)過帶通濾波器后的信號subplot(211);plot(t,H1);title('經(jīng)過帶通濾波器后f1的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,H2);title('經(jīng)過帶通濾波器后f2的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')sw1=H1.*H1;sw2=H2.*H2;%經(jīng)過相乘器figure(3)subplot(211);plot(t,sw1);title('經(jīng)過相乘器h1后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,sw2);title('經(jīng)過相乘器h2后的波形');ylabel('?幅度');xlabel('t')bn=fir1(101,[2/80010/800]);%經(jīng)過低通濾波器figure(4)st1=filter(bn,1,sw1);st2=filter(bn,1,sw2);subplot(211);plot(t,st1);title('經(jīng)過低通濾波器sw1后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,st2);title('經(jīng)過低通濾波器sw2后的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')%判決fori=1:length(t)if(st1(i)>=st2(i))st(i)=0;elsest(i)=st2(i);endendfigure(5)subplot(211);plot(t,st);title('經(jīng)過抽樣判決器后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,sn);title('原始的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')%加入噪聲后no=0.3*randn(1,t1);%噪聲sn=fsk+no;figure(6)subplot(311);plot(t,no);title('噪聲波形');ylabel('噪聲幅度');%噪聲波形subplot(312);plot(t,fsk);title('信號');ylabel('信號幅度');subplot(313);plot(t,sn);title('疊加有噪聲的信號');ylabel('幅度A');xlabel('時間t');figure(7);b1=fir1(101,[10/80020/800]);b2=fir1(101,[90/800110/800]);%設(shè)置帶通參數(shù)H1=filter(b1,1,sn);H2=filter(b2,1,sn);%經(jīng)過帶通濾波器后的信號subplot(211);plot(t,H1);title('經(jīng)過帶通濾波器后f1的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,H2);title('經(jīng)過帶通濾波器后f2的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')sw1=H1.*H1;sw2=H2.*H2;%經(jīng)過相乘器figure(8)subplot(211);plot(t,sw1);title('經(jīng)過相乘器h1后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,sw2);title('經(jīng)過相乘器h2后的波形');ylabel('?幅度');xlabel('t')bn=fir1(101,[2/80010/800]);%經(jīng)過低通濾波器figure(9)st1=filter(bn,1,sw1);st2=filter(bn,1,sw2);subplot(211);plot(t,st1);title('經(jīng)過低通濾波器sw1后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,st2);title('經(jīng)過低通濾波器sw2后的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')%判決fori=1:length(t)if(st1(i)>=st2(i))st(i)=0;elsest(i)=st2(i);endendfigure(10)subplot(211);plot(t,st);title('經(jīng)過抽樣判決器后的波形');ylabel('幅度')subplot(212);plot(t,sn);title('原始的波形');ylabel('幅度');xlabel('t')set(findobj('Color',[0.8000.8000.800]),'Color','w');%設(shè)置背景白%程序完；3.3輸出波形及結(jié)果分析對于噪聲強度系數(shù)為0（未加噪聲）時，執(zhí)行上述程序得到以下5個圖形。圖3-1（a）沒有噪聲時的波形圖3-1（b）帶通濾波后的波形圖3-1（c）相乘后的波形圖3-1（d）低通濾波后的波形圖3-1（e）判決后的波圖3-1噪聲為0（沒有噪聲）時的波形而對于噪聲強度系數(shù)（方差）為0.3時，執(zhí)行上述程序又可得到另外5個圖形。圖3-2（a）沒有噪聲時的波形圖3-2（b）帶通濾波后的波形圖3-2（c）相乘后的波形圖3-2（d）低通濾波后的波形圖3-2（e）判決后的波形圖3-2噪聲方差為0.3時的波形3.4結(jié)果分析2FSK信號的調(diào)制解調(diào)原理是通過帶通濾波器將2FSK信號分解為上下兩路2FSK信號后分別解調(diào)，然后進行抽樣判決輸出信號。本實驗對信號2FSK采用相干解調(diào)進行解調(diào)。對于2FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能，本實驗采用同步檢測法。設(shè)“1”符號對應(yīng)載波頻率f1，“0”符號對應(yīng)載波頻率f2。在原理圖中采用兩個帶通濾波器來區(qū)分中心頻率分別為f1和f2的信號。中心頻率為f1的帶通濾波器之允許中心頻率為f1的信號頻譜成分通過，濾除中心頻率為接收端上下支路兩個帶通濾波器的輸出波形中H1,H2。在H1,H2波形中在分別含有噪聲n1,n2，其分別為高斯白噪聲ni經(jīng)過上下兩個帶通濾波器的輸出噪聲——窄帶高斯噪聲，其均值同為0，方差同為(σn)2,只是中心頻率不同而已。其抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小，可以不專門設(shè)置門限。判決規(guī)制應(yīng)與調(diào)制規(guī)制相呼應(yīng)，調(diào)制時若規(guī)定“1”符號對應(yīng)載波頻率f1，則接收時上支路的抽樣較大，應(yīng)判為“1”，反之則判為“在（0，Ts）時間內(nèi)發(fā)送“1”符號（對應(yīng)ω1），則上下支路兩個帶通濾波器輸出波形H1,H2。H1,H2分別經(jīng)過相干解調(diào)（相乘—低通）后，送入抽樣判決器進行判決。比較的兩路輸入波形分別為上支路st1=a+n1,下支路st2=n2，其中a為信號成分；n1和n2均為低通型高斯噪聲，其均值為零，方差為（σn）2。當st1的抽樣值st1(i)小于st2的抽樣值st2(i),判決器輸出“0”符號，造成將“1”第四章用Simulink仿真FSK調(diào)制解調(diào)4.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計調(diào)制模塊：把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電話線上傳輸?shù)哪M信號圖4-1調(diào)制模塊解調(diào)模塊：模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號圖4-2解制模塊4.2電路參數(shù)的計算及元器件的選擇正弦載波f1是幅度為2頻率為5Hz采樣周期為0.002的信號。設(shè)置依據(jù)：實際上載波的頻率應(yīng)該很高，但這里為了調(diào)制時便于波形的對比觀察，故設(shè)為5HZ。f2=10Hz的設(shè)置同理。本設(shè)計中濾波器據(jù)選擇的是AnalogFilterDesign,選用的均是切比雪夫濾波器，至于低通和帶通的區(qū)別只要把參數(shù)設(shè)置好就可以了,噪聲選