854611234二进制数字频带传输系统（2FSK系统）设计课程设计.doc

二进制数字频带传输系统设计2FSK系统1 技术要求设计一个2FSK数字调制系统，要求：1）设计出规定的数字通信系统的结构； 2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）； 3）用Matlab或SystemView 实现该数字通信系统； 4）观察仿真并进行波形分析； 5）系统的性能评价。2 基本原理频移键控是利用载波的频率来传递数字信号，在2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟电咱来实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关对两个不同的独立源进行先通，使其在每一个码元期间输出f1和f2两个载波之一。这两种方法产生2FSK信号的差异在于：由调频法产生的2FSK信呈在相邻码元之间的相位是连续变化的，而键控法产生的2FSK信号，是邮电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一不定期连续。频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。在2FSK中，载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为：典型波形如下图所示。由图2.1可见。2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。因此2FSK信号的时域表达式又可以写成：图2.1 2FSK信号的调制过程原理图2.1 2FSK数字系统的调制原理2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频w2的已调波形，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源w1、f2进行选择通。如下原理图：图2.2 2FSK的调制原理图2.2 2FSK的解调方式2FSK的解调方式有两种:相干解调方式和非相干解调方式.下面我们将详细的介绍:2.2.1 非相干解调经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f1、f2滤出不需要的信号，然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波，最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲，最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。其原理图如下图所示：图2.3 2FSK信号的非相干解调方式2.2.2 相干解调根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成，则先用两个分别对f1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。原理图如下：图2.4 2FSK信号的相干方式解调原理图3 建立模型描述3.1 基于simulink的2FSK系统仿真设计Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 本设计中利用simulink软件实现2FSK的调制与相干解调过程，模块图形如图3.1所示。图3.1 2FSK的调制与相干解调过程利用simulink软件实现2FSK的调制与非相干解调过程，模块图形如图3.2所示。图3.2 2FSK的调制与非相干解调过程3.2基于Sytemview的2FSK信号系统仿真设计SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。 利用SystemView软件实现2FSK的调制与相干解调过程，模块图形如图3.3所示。图3.3 2FSK的调制与相干解调过程 利用SystemView软件实现2FSK的调制与相干解调过程，模块图形如图3.4所示。图3.4 2FSK的调制与相干解调过程3.3 基于m语言的ASK系统仿真程序以rand函数模拟二进制信号源，ellipord和ellip函数求得椭圆低通滤波器阶数，filter函数实现滤波功能。同时m文件的可编译性使得程序的调试，特别是低通滤波器的参数设置（程序中的fp，fs以及Fs）十分方便。4 模块功能分析或源程序代码4.1 基于simulink的2FSK系统仿真设计的描述4.1.1 2FSK的调制与相干解调过程图4.1为系统的调制模块。本实验中通过健控法产生2FSK调制信号。随机比特流的频率为100HZ，信号源1的频率为1000HZ，信号源2的频率为2000HZ。 图4.2为系统的信道模块。本实验中的信道为加了加性高斯白噪声的信道。 图4.3为系统的解调模块。本实验中带通滤波器的值分别设为800HZ1200HZ，1800HZ2200HZ；低通滤波器的值都为100HZ；抽样判决器的抽样频率为100HZ。 图4.4为系统的误码率计算模块。通过该模块可以评估系统设计的好坏。 图4.1 2FSK信号调制模块 图4.2 2FSK系统的信道模块 图4.2 2FSK信号的解调模块 图4.4 2FSK系统的误码率计算模块4.1.2 2FSK的调制与非相干解调过程2FSK调制与非相干解调过程的信号调制模与信道模块以及误码率计算模块与2FSK调制与相干解调过程的一样，不同之处在于解调模块，如图4.5所示：带通滤波器低通滤波器及抽样判决器的参数值与相干解调一样，Abs为全波整流器。 图4.5 2FSK信号的解调模块4.2 基于Sytemview的2FSK信号系统仿真设计的描述4.2.1 2FSK的调制与相干解调过程 图4.6为系统的调制模块。本实验中，通过健控法产生2FSK的调制信号。随机比特流的频率为100HZ，信号源1的频率为1000HZ，信号源2的频率为2000HZ。图4.7为系统的相干解调模块。本实验中带通滤波器的值分别设为800HZ1200HZ，1800HZ2200HZ；低通滤波器的值都为100HZ；抽样判决器的抽样频率为10000HZ。比较器的值设为a大于等于b. 图4.6 2FSK信号的调制模块 图4.7 2FSK信号的相干解调过程4.2.2 2FSK的调制与非相干解调过程此过程当中信号的调制与相干解调过程中一样，不同之处在于本过程的解调过程采用的是非相干解调过程，如图4.8所示。图4.8 2FSK信号的非相干解过程4.3 基于m语言程序的2FSK仿真设计Matlab的.m文件有一个很大的特点就是可编辑性，可以在调试过程中随时编辑程序所调用的子函数文件，这样使得调试的过程大大简化，更加易于操作。本次设计就是采用的主程序调用子程序所在m文件的方法，把各个模块分别写成子函数形式，生成对应的.m文件再由main函数调用。模块分别包括信号源source函数，调制mude函数，信道（加噪）guassi函数，解调medo函数和误码率计算ratecheck函数。这种形式调试时更加调理清晰，且分开编写，编写难度更低。各子函数源代码如下： Fc=20; %载频 Fs=100; %系统采样频率 Fd=1; %码速率 N=Fs/Fd; df=10; numSymb=50;%进行仿真的信息代码个数 M=2; %进制数 SNRpBit=100;%信噪比 SNR=SNRpBit/log2(M);%60 seed=12345 54321; numPlot=15; x=randsrc(numSymb,1,0:M-1);%产生50个二进制随机码 figure(1) stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx'); title('二进制比特流') xlabel('Time'); ylabel('Amplitude'); y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,'fsk',M,df);%数字带通调制 numModPlot=numPlot*Fs; t=0:numModPlot-1./Fs; figure(2) plot(t,y(1:length(t),'b-'); axis(min(t) max(t) -1.5 1.5); title('调制后的信号') xlabel('Time'); ylabel('Amplitude'); %加入高斯白噪声 randn('state',seed(2); y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),'measured','dB');%加入高斯白噪声 figure(3) plot(t,y(1:length(t),'b-'); axis(min(t) max(t) -1.5 1.5); title('加入高斯白噪声后的已调信号') xlabel('Time'); ylabel('Amplitude');%相干解调 figure(4) z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye',M,df); title('相干解调后信号的眼图') %带输出波形的相干M元频移键控解调 figure(5) stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx'); hold on; stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),'ro'); hold off; axis(0 numPlot -0.5 1.5); title('相干解调后信号与原信号的比较') legend('原输入二进制比特流','相干解调后的信号') xlabel('Time'); ylabel('Amplitude'); %非相干解调 figure(6) z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye/noncoh',M,df); title('非相干解调后信号的眼图') figure(7) stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx'); hold on; stem(0:numPlot-1,z2(1:numPlot),'ro'); hold off; axis(0 numPlot -0.5 1.5); title('非相干解调后的信号') legend('原输入二进制比特流','非相干解调后的信号') xlabel('Time'); ylabel('Amplitude');%误码率统计 errorSym ratioSym=symerr(x,z1); figure(8) simbasebandex(0:1:5); title('相干解调后误码率统计') errorSym ratioSym=symerr(x,z2); figure(9) simbasebandex(0:1:5); title('非相干解调后误码率统计') %滤除高斯白噪声 Delay=3;R=0.5;PropD=0; %滞后3s yf,tf=rcosine(Fd,Fs,'fir',R,Delay); yo2,to2=rcosflt(y,Fd,Fs,'filter',yf); t=0:numModPlot-1./Fs; figure(10) plot(t,y(1:length(t),'r-'); hold on; plot(to2,yo2,'b-');%滤出带外噪声 hold off; axis(0 30 -1.5 1.5); xlabel('Time'); ylabel('Amplitude'); legend('加入高斯白噪声后的已调信号','经过升余弦滤波器后的已调信号') title('升余弦滤波前后波形比较') eyediagram(yo2,N);%眼图 title('加入高斯白噪声后已调信号的眼图') 5 调试过程及结论5.1 基于simulink的2FSK系统仿真设计的过程和结果5.1.1 2FSK的调制与相干解调过程和结果图5.1.1 2FSK信号的调制过程波形图5.1.2 2FSK信号图形与加入噪声后的信号波形对比图5.1.3 2FSK信号相干解调上支路的过程图5.1.4 2FSK信号相干解调下支路的过程图5.1.5 原随机二制进比特流图形与经调制解调后的信号图形对比 2FSK调制与相干解调系统的误码率5.1.2 2FSK调制与非相干解调的过程和结果此系统的调制与加入噪声前后图形对比和前面相干系统的一样。都是通过健控法产生2FSK信号，且都是在信道中加入加性高斯白噪声。图5.1.6 2FSK信号非相干解调上支路的过程图图5.1.7 2FSK信号的非相干解调下支路的过程图图5.1.8 2FSK的原始信号与非相干解调后的信号的对比图2FSK调制与非相干解调系统的误码率5.2基于Sytemview的2FSK信号系统仿真设计的过程和结果5.2.1 2FSK调制与相干解调过程和结果图5.2.1 2FSK信号的调制过程的图形图5.2.2 2FSK信号的相干解调上支路过程的图形图5.2.3 2FSK信号相干解调下支路过程的图形图5.2.4 2FSK的原始信号与相干解调后的信号的对比图5.2.2 2FSK调制与非相干解调过程和结果该系统的2FSK信号调制过程与上面的2FSK调制与相干解调系统的调制过程一样，都是通过健控法产生2FSK信号。图5.2.5 2FSK信号非相干解调上支路过程的图形图5.2.6 2FSK信号非相干解调下支路过程的图形图5.2.7 2FSK的原始信号与非相干解调后的信号的对比图5.3 基于m语言程序的2FSK仿真设计的结果 图5.3.1 二进制随机序列 图5.3.2 2FSK调制信号 图5.3.3 加入高斯白噪声后的调制信号 图5.3.4 相干解调后信号的眼图 图5.3.5 相干解调后信号与原序列的比较 图5.3.6 非相干解调的眼图 图5.3.7非相干解调信号与原序列的比较 图5.3.8 相干解调后的误码率统计 图5.3.9 非相干解调后误码率的统计 图5.3.10 升余弦滤波前后的比较图5.3.11 加入高斯噪声的眼图 从上面的图中可以看出程序仿真结果与实验要求相符。同时高斯白噪声对信道的各过程有很大的影响，跟误码率有很大的关系。6 心得体会本次课程设计本人觉得非常有意义。这次设计又给了我一次锻炼的机会，首先是这次课程设计涉及到两个种软件：matlab、systemview。这两种软件以前只是大至的听过，还不是很熟悉，操作就更不提了，所以这次课设的难点就是这两种软件。但因为课设时间安排的限制，所以并不能把这两种软件学得十分的透彻，只能是现学现卖，学部分与课设相关的知识。同时这两种软件的学习过程中，碰到的最大的难处就是M语言的学习，但是经过大量的查资料还是得出了结果，自己也感到很高兴，但是很明显的是自己只学到了一点皮毛。这次课设让我有一个感慨就是matlab 真的好强大，以前自己并没有意识到，所以今后自己一定要多抽出一点时间进行相关知识的学习，这对以后的学习也会提供很大的帮助。 当然，在这次课设的过程中，我觉得态度是最重要的。没有一个好的态度，以一颗烦燥的心或一颗投机取巧的心是得不出实验结果或者是学不得实质的东西。 虽然课设要求培养自己独立思考的能力，但是我认为同学之间应该保持一定的交流是应该的，这样才有助于扩展知识面，同时当一些问题没法解决时，在同学的帮助下很可能得到解决，也避免了走死胡同。说到交流，我觉得这次课程设计过程中师生互动的太少了，虽然安排水了预答辩，但是问到的一些问题也只是书本上的一些理论知识，而这些因为学过通信原理，也并没有什么难度。但本次课设的难点是两种软件的应用，所以希望老师能在以后的教学过程中能多加一点师生交流。 总之，能顺利的完成本次课程设计，我感到非常的高兴，在这里感谢指导老师，感谢您辛勤的指导！7参考文献1樊昌信,曹丽娜.通信原理.国防工业出版社,20062吴大正.信号与线性系统分析. 高等教育出版社,20053万永革.数字信号处理的MATLAB实现.科学出版社,2007