通信原理2FSK課程設(shè)計.doc

通信原理課程設(shè)計課程設(shè)計數(shù)字原理課程設(shè)計報告班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 成 績： 電子與信息工程學(xué)院信息與通信工程系目錄引 言11 軟件介紹21.1 Matlab介紹21.2 Simulink介紹22 2FSK的調(diào)制與解調(diào)32.1 2FSK的調(diào)制原理32.2 2FSK的解調(diào)原理43 仿真系統(tǒng)模型的設(shè)計53.1仿真思路53.2 程序和仿真結(jié)果53.3 Simulink仿真模型圖83.4 結(jié)果分析113.4.1 Matlab仿真結(jié)果分析113.4.2 simulink仿真結(jié)果分析12結(jié)論13參 考 文 獻(xiàn)14附錄A MATLAB仿真程序15引 言移頻鍵控（FSK）是數(shù)據(jù)傳輸中最常用的一種調(diào)制方式，F(xiàn)SK方法簡單，易于實現(xiàn)，抗噪聲和抗衰落性能較強(qiáng)。FSK主要應(yīng)用于中低速數(shù)據(jù)傳輸以及衰落信道和頻帶較寬的信道中。本次課程設(shè)計主要運(yùn)用MATLAB軟件，在Simulink平臺下建立仿真模型，實現(xiàn)模擬基帶信號經(jīng)2FSK調(diào)制與解調(diào)的傳輸過程，通過分析比較調(diào)制與解調(diào)輸出波形，理解2FSK調(diào)制原理。在分別加入高斯白噪聲，觀察對波形的影響，并對其進(jìn)行分析總結(jié)。1 軟件介紹1.1 Matlab介紹Matlab1是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強(qiáng)大的計算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單，擴(kuò)充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴(kuò)充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識寶庫?？蒲泄ぷ髡咄ǔ？梢酝ㄟ^Matlab來學(xué)習(xí)某個領(lǐng)域的科學(xué)知識，這就是Matlab真正在全世界推廣開來的原因。目前的Matlab版本已經(jīng)可以方便的設(shè)計漂亮的界面，它可以像VB等語言一樣設(shè)計漂亮的用戶接口，同時因為有最豐富的函數(shù)庫（工具箱），所以計算的功能實現(xiàn)也很簡單，進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外，,Matlab和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便的實現(xiàn)與其他語言的混合編程，進(jìn)一步拓寬了Matlab的應(yīng)用潛力?？梢哉f，Matlab已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一，掌握這門工具對學(xué)習(xí)各門學(xué)科有非常重要的推進(jìn)作用。1.2 Simulink介紹Simulink2是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。它支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。2 2FSK的調(diào)制與解調(diào)2.1 2FSK的調(diào)制原理數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控，記作FSK，二進(jìn)制頻移鍵控記作2FSK3。2FSK產(chǎn)生方法有兩種：（1） 模擬法：即用數(shù)字基帶信號作為調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)頻。（2） 鍵控法：用數(shù)字基帶信號g（t）及其反相g（t）分別控制兩個開關(guān)門電路，以此對兩個載波發(fā)生器進(jìn)行選通，如圖2-1所示。圖2-1 鍵控法產(chǎn)生2FSK信號的原理圖兩個獨立的作為作為兩個頻率發(fā)生器，它們受控于輸入的二進(jìn)制輸入信號，二進(jìn)制輸入信號通過兩個選通開關(guān)，控制一個載波通過。調(diào)制器各點的波形如圖2-2所示。圖2-2 調(diào)制器各點的波形從圖2-2可以看出b是a的反相碼，c是載波f1，d是載波f2，g為2FSK的調(diào)制輸出信號。2.2 2FSK的解調(diào)原理2FSK信號的常用解調(diào)方法4是采用如圖2-3所示的非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）和相干解調(diào)。其解調(diào)原理是將2FSK信號分解為上下兩路的2ASK信號分別進(jìn)行調(diào)解，然后進(jìn)行判決。（a）非相干解調(diào)（b）相干解調(diào)圖2-3 2FSK信號解調(diào)原理圖3 仿真系統(tǒng)模型的設(shè)計3.1仿真思路先確定采樣頻率fs和兩個載波頻率的值f1，f2，產(chǎn)生2FSK信號，然后進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)。（1）寫出輸入已經(jīng)信號的表達(dá)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(jìn)行抽樣。寫出已調(diào)信號的表達(dá)式S(t)。（2）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(jìn)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（1,2）,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。（3）經(jīng)過帶通濾波器后的2FSK信號再經(jīng)過相乘器（cos1，cos2），兩序列相乘的MATLAB表達(dá)式y(tǒng)=x1.*x2SW=Hn.*Hn，輸出得到相乘后的兩個不同的2FSK波形h1,h2。（4）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)字濾波韓式filter對信號的數(shù)據(jù)進(jìn)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）。（5）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(dāng)st1(i)=st2(i)5時，則st=0，否則st=st2(i).其中st=st1+st2。（6）使用MATLAB編程（m文件）完成系統(tǒng)的仿真。3.2 程序和仿真結(jié)果仿真程序見附錄A。仿真圖像如下圖3-1 MATLAB仿真圖圖3-2 MATLAB仿真圖圖3-3 MATLAB仿真圖圖3-4 MATLAB仿真圖圖3-5 MATLAB仿真圖3.3 Simulink仿真模型圖2FSK信號的Simulink仿真模型圖如下：圖3-6 Simulink仿真模型圖其中sin wave和sin wave1是兩個頻率分別為f1和f2的載波，Pulse Generator模塊是信號源，NOT實現(xiàn)反相，再經(jīng)過相乘器和相加器生成2FSK信號，然后接帶通濾波器與低通濾波器完成調(diào)制與解調(diào)，又接入Error Rate calculation實現(xiàn)誤碼率的計算。參數(shù)設(shè)置如下表3-1 Simulink仿真各模型的參數(shù)設(shè)置 模塊 參數(shù) Sine Wave1 Amplitude：1 Frequency：25 Sine Wave2 Amplitude：1 Frequency：45 Sine Wave3 Amplitude：1 Frequency：25 Sine Wave4 Amplitude：1 Frequency：45Pulse Generator Amplitude：1 Period：2 Pulse width：1 Sample time：1Analog Filter Filter order：8 Lower passband edge frequency：15Design1 Upper passband edge frequency：35AnalogFilter Filter order：8 Lower passband edge frequency：35Design2 Upper passband edge frequency：55Analog Filter Filter order：8 Passband edge frequency：35 Design3Analog Filter Filter order：8 Passband edge frequency：55 Design4Gaussian Noise Mean value：0 Variance：1 Initial seed：41 Generator Sample time：1經(jīng)過以上參數(shù)的設(shè)定后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，其各點的時間波形如下：圖3-7 Simulink仿真各點的波形由仿真系統(tǒng)中的誤碼率計算可知：此系統(tǒng)的誤碼率為0提高噪聲影響，將Gaussian Noise Generator中的Variance“1”改為“10”,得到波形如下圖所示：圖3-8 改變參數(shù)后各點的波形由仿真系統(tǒng)中的誤碼率計算可知：此系統(tǒng)的誤碼率為0.1再次提高噪聲影響，將Gaussian Noise Generator中的Variance“1”改為“100”得到波形如下圖所示圖3-9 修改參數(shù)后得到的各點的波形由仿真系統(tǒng)中的誤碼率計算可知：此系統(tǒng)的誤碼率為0.33.4 結(jié)果分析 3.4.1 Matlab仿真結(jié)果分析本實驗對信號2FSK采用相干解調(diào)進(jìn)行解調(diào)。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(jìn)行抽樣判決輸出信號。設(shè)“1”符號對應(yīng)載波頻率f1，“0”符號對應(yīng)載波頻率f2。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f2的信號頻譜成分。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18 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(n)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“0”。 3.4.2 simulink仿真結(jié)果分析本次課程設(shè)計實現(xiàn)了2FSK的調(diào)制與解調(diào)過程。通過誤碼率為0的分析，可能是系統(tǒng)自身的原因造成的或者系統(tǒng)沒有多大的誤差，但根據(jù)示波器的波形看出初始的時候有一些失真原因可能是初始信號不穩(wěn)定造成的。通過改變信噪比，系統(tǒng)的誤碼率升高，噪聲干擾越大，相應(yīng)的波形失真越嚴(yán)重，誤碼率越高。本實驗用一個邏輯比較器替代抽樣判決模塊，簡化了模塊。結(jié)論本次課程設(shè)計主要涉及到了通信原理和MATLAB的相關(guān)知識與運(yùn)用，是自己更深刻理解了調(diào)制與解調(diào)的團(tuán)里和實現(xiàn)方法，以及基本掌握了MATLAB的基本應(yīng)用。在課程設(shè)計的過程中，又重溫了2FSK的調(diào)制與解調(diào)等知識，更加熟悉了MATLAB里面的Simulink工具箱學(xué)會了獨立建立模型，分析調(diào)制與解調(diào)結(jié)果，和加入噪聲的情況，通過自己的不斷調(diào)試，更好的理解了噪聲對信道的影響。在本次課程設(shè)計中，除了獲得了一些收獲外，我還感到了自身的一些不足。對于在matlab中實現(xiàn)編程對于我來說確實是有一些困難的，受限于這樣的原因，所以只好從網(wǎng)上找到與其對應(yīng)的程序，通過修改參數(shù)，收貨了波形的仿真，對于這方面的不足，還需要加強(qiáng)這方面的學(xué)習(xí)?？傮w來說，通過這次課程設(shè)計，使我拓寬了知識面，鍛煉了實際操作能力，綜合素質(zhì)得到了提高，進(jìn)一步加深了對專業(yè)的認(rèn)識和激發(fā)了對本專業(yè)的興趣參 考 文 獻(xiàn)1 張化光，孫秋野.MATLAB/Simulink實用教程.北京：人民郵電出版社，20092 姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真基礎(chǔ)，北京：西安電子科技大學(xué)出版社，20023 樊昌信，曹麗娜.通信原理.北京：國防工業(yè)出版社，20064 達(dá)新宇.通信原理與課程設(shè)計.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003 附錄A MATLAB仿真程序fs=2000; %抽樣頻率dt=1/fs;f1=20; %載波1頻率f2=50; %載波2頻率a=round(rand(1,10); %隨機(jī)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=0.01*randn(1,t1); %噪聲sn=fsk+no;subplot(311);plot(t,no); %噪聲波形title(噪聲波形)ylabel(幅度)subplot(312);plot(t,fsk);title(產(chǎn)生的波形)ylabel(幅度)subplot(313);plot(t,sn);title(將要通過濾波器的波形)ylabel(幅度的大小)xlabel(t)figure(2) %FSK解調(diào)b1=fir1(101,1/800 20/800);b2=fir1(101,40/800 60/800); %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f1后的波形)ylabel(幅度)subplot(212)plot(t,H2);title(經(jīng)過帶通濾波器f2后的波形)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(101,2/800 10/800); %經(jīng)過低通濾波器figure(4)st1=filter(bn,1,sw1);st2=filter(bn,1,sw2);subplot(211);plot(t,s