基于MATLAB的二進(jìn)制移頻鍵控調(diào)制(2FSK)與解調(diào)分析.docx

武漢理工大學(xué)信號分析處理課程設(shè)計目 錄摘 要11.通信技術(shù)傳輸模型22.matlab工具箱simulink簡介43.二進(jìn)制移頻鍵控調(diào)制2fsk原理分析54. 移頻鍵控2fsk調(diào)制與解調(diào)仿真84.1simulink仿真模型圖84.2仿真電路各部分參數(shù)設(shè)置94.3調(diào)制及解調(diào)仿真波形圖115.matlab2fsk仿真程序代碼135.1 2fsk信號產(chǎn)生程序代碼及運行結(jié)果135.2 2fsk調(diào)制解調(diào)程序代碼及運行結(jié)果16心得體會19參考文獻(xiàn)20摘 要移頻鍵控（2fsk）是數(shù)據(jù)通信中最常用的一種調(diào)制方式。2fsk方法簡單，易于實現(xiàn)，并且解調(diào)不需要恢復(fù)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(jì)。fsk主要應(yīng)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。matlab中的通信工具箱可以用來進(jìn)行通信領(lǐng)域的研究、開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計和仿真。闡述了計算機仿真的發(fā)展概況，及其重要意義，介紹了幾種仿真軟件，著重介紹了matlab和其通信工具箱。利用matlab建立了fsk仿真模型，并對仿真模型進(jìn)行了測試,結(jié)果表明，仿真結(jié)果與理論基本一致，在研究fsk調(diào)制解調(diào)原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了調(diào)制解調(diào)電路。關(guān)鍵詞：2fsk，matlab，信道傳輸，調(diào)制解調(diào)1.通信技術(shù)傳輸模型通信技術(shù)，特別是數(shù)字通信技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速，它的應(yīng)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(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息無失真，高效率地進(jìn)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(dāng)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(xué)技術(shù)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(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1-1所示。圖1-1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1-2所示。 圖1-2 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)，其模型如圖1-3所示。圖1-3 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(dāng)代通信系統(tǒng)的主流。在數(shù)字基帶傳輸系統(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(yīng)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(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生各種已調(diào)數(shù)字信號。 圖 1-4數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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.matlab工具箱simulink簡介在通信領(lǐng)域matlab更是優(yōu)勢明顯，因為通信領(lǐng)域中很多問題是研究系統(tǒng)性能的，傳統(tǒng)的方法只有構(gòu)建一個實驗系統(tǒng)，采用各種方法進(jìn)行測量，才能得到所需的數(shù)據(jù)，這樣不僅需要花費大量的資金用于實驗系統(tǒng)的構(gòu)建，而且系統(tǒng)構(gòu)建周期長，系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整也十分困難。而matlab的出現(xiàn)使得通信系統(tǒng)的仿真能夠用計算機模擬實現(xiàn)，免去構(gòu)建實驗系統(tǒng)的不便，而且操作十分簡便，只需要輸入不同的參數(shù)就能得到不同情況下系統(tǒng)的性能，而且在結(jié)構(gòu)的觀測和數(shù)據(jù)的存儲方面也比傳統(tǒng)的方式有很多優(yōu)勢。因而matlab在通信仿真領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。用simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。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(jìn)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非常有用。采用scope模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到matlab的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線性化和平衡點分析工具、matlab的許多工具及matlab的應(yīng)用工具箱。由于matlab和simulink的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。3.二進(jìn)制移頻鍵控調(diào)制2fsk原理分析在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化,則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號(2fsk信號).二進(jìn)制移頻鍵控信號的時間波形如圖所示,圖中波形g可分解為波形e和波形f,即二進(jìn)制移頻鍵控信號可以看成是兩個不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號的疊加. 若二進(jìn)制基帶信號的1符號對應(yīng)于載波頻率f1,0符號對應(yīng)于載波頻率f2,則二進(jìn)制移頻鍵控信號的時域表達(dá)式為 圖 3- 1 二進(jìn)制移頻鍵控信號的時間波形 二進(jìn)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). 圖 2- 7 是數(shù)字鍵控法實現(xiàn)二進(jìn)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(jìn)制基帶信號控制,在一個碼元ts期間輸出f1或f2兩個載波之一. 二進(jìn)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2 - 8 所示. 其解調(diào)原理是將二進(jìn)制移頻鍵控信號分解為上下兩路二進(jìn)制振幅鍵控信號,分別進(jìn)行解調(diào),通過對上下兩路的抽樣值進(jìn)行比較最終判決出輸出信號.非相干解調(diào)過程的時間波形如圖 2 - 9 所示. 圖 3-2 數(shù)字鍵控法實現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號的原理圖圖 3-3 2fsk非相干解調(diào)過程的時間波形過零檢測法解調(diào)器的原理圖和各點時間波形如圖所示.其基本原理是,二進(jìn)制移頻鍵控信號的過零點數(shù)隨載波頻率不同而異,通過檢測過零點數(shù)從而得到頻率的變化. 在圖中,輸入信號經(jīng)過限幅后產(chǎn)生矩形波,經(jīng)微分, 整流,波形整形,形成與頻率變化相關(guān)的矩形脈沖波,經(jīng)低通濾波器濾除高次諧波,便恢復(fù)出與原數(shù)字信號對應(yīng)的基帶數(shù)字信號.4. 移頻鍵控2fsk調(diào)制與解調(diào)仿真4.1simulink仿真模型圖2fsk信號產(chǎn)生的simulink仿真模型圖如下所示：圖4-1 2fsk信號的simulink模型方框圖其中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)方波的反相，最后經(jīng)過相乘器和相加器生成2fsk信號。相乘器的設(shè)計，實則為一乘法器，將帶通濾波器出來的信號與本地載波相乘，解調(diào)模塊兩個低通濾波器參數(shù)設(shè)置，此處兩個低通濾波器的設(shè)置參數(shù)一致,觀察仿真原理圖，輸入原始信號分為兩路信號，一路與高頻載波在乘法器相乘，另外一路在經(jīng)過反向器后與載波相乘，在加法器之后形成2fsk信號。4.2仿真電路各部分參數(shù)設(shè)置載波f1的參數(shù)設(shè)置, 其中幅度為1，f1=100hz,在此選擇載波為單精度信號。圖4-2 載波sin wave1的參數(shù)設(shè)置f2的參數(shù)設(shè)置: 載波是幅度為1，f2=20 hz,單精度正弦載波信號。圖4-3 載波sin wave2的參數(shù)設(shè)置本來信號源s(t)序列是用隨機的0 1信號產(chǎn)生，在此為了方便仿真就選擇了基于采樣的pulse generator信號模塊其參數(shù)設(shè)置如下：圖4-4 pulse generator信號模塊參數(shù)設(shè)置其中方波是幅度為1，周期為3，占1比為1/3的基于采樣的信號。其中from file是一個封裝模塊，就是2fsk信號的調(diào)制模塊，兩個帶通濾波器分別將2fsk信號上下分頻f1和f2 ,后面就和2ask信號的解調(diào)過程相同，各參數(shù)設(shè)置如下：圖4-5 2fsk信號f1和f2帶通濾波器參數(shù)設(shè)置圖4-6 2fsk信號f1和f2低通濾波器參數(shù)設(shè)置4.3調(diào)制及解調(diào)仿真波形圖經(jīng)過以上參數(shù)的設(shè)置后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，其各點的時間波形如下：圖4-7 調(diào)制信號波形圖4-8 解調(diào)波形前后變化圖4-9 輸出信號波形與原始信號對比觀察上圖第四個輸出波形，為解調(diào)之后輸出信號，對比第一個波形信號，即原始信號，輸出信號在經(jīng)過抽樣判決后，波形左端第一個正脈沖有一定變形失真，寬度明顯大于之后的連續(xù)正脈沖寬度，所以第一個正脈沖之后的波形信號都是對原始輸入信號一致，可能存在一定的時延，所以在經(jīng)過調(diào)制和解調(diào)環(huán)節(jié)之后，能狗準(zhǔn)確的還原輸入信號。5.matlab2fsk仿真程序代碼2fsk是利用數(shù)字基帶信號控制在波的頻率來傳送信息。例如，1碼用頻率f1來傳輸，0碼用頻率f2來傳輸，而其振幅和初始相位不變。假設(shè)碼元的初始相位為兩個不同的碼元的角頻率；幅度為a為一常數(shù)，表示碼元的包絡(luò)為矩形脈沖。2fsk信號的產(chǎn)生方法有兩種：即用數(shù)字基帶信號作為調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)頻。用數(shù)字基帶信號 及其反 相分別控制兩個開關(guān)門電路，以此對兩個載波發(fā)生器進(jìn)行選通。這兩種方法產(chǎn)生的2fsk信號的波形基本相同，只有一點差異，即由調(diào)頻器產(chǎn)生的2fsk信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的，而鍵控法產(chǎn)生的2fsk信號，則分別有兩個獨立的頻率源產(chǎn)生兩個不同頻率的信號，故相鄰碼元的相位不一定是連續(xù)的。5.1生成2fsk的程序代碼及運行結(jié)果clear allclose alli=10;%基帶信號碼元數(shù)j=5000;a=round(rand(1,i);%產(chǎn)生隨機序列t=linspace(0,5,j);f1=10;%載波1頻率f2=5;%載波2頻率fm=i/5;%基帶信號頻率b1=2*f1;%載波1帶寬b2=2*f2;%載波2帶寬%產(chǎn)生基帶信號st1=t;for n=1:10 if a(n)=1; st2(n)=0; else st2(n)=1; end end; figure(1); subplot(411); plot(t,st1); title(基帶信號); axis(0,5,-1,2); subplot(412); plot(t,st2); title(基帶信號反碼); axis(0,5,-1,2); %載波信號 s1=cos(2*pi*f1*t); s2=cos(2*pi*f2*t); subplot(413) plot(s1); title(載波信號1); subplot(414), plot(s2); title(載波信號2); %調(diào)制 f1=st1.*s1;%加入載波1 f2=st2.*s2;%加入載波2 figure(2); subplot(311); plot(t,f1); title(s1*st1); subplot(312); plot(t,f2); title(s2*st2); e_fsk=f1+f2; subplot(313); plot(t,e_fsk);title(2fsk信號)圖5-1基帶信號和載波信號仿真波形圖5-2解調(diào)之后產(chǎn)生的2fsk信號波形圖5.2 2fsk調(diào)制解調(diào)程序及運行結(jié)果fc=10; %載頻 fs=35; %系統(tǒng)采樣頻率 fd=1; %碼速率 n=fs/fd; df=10; numsymb=25;%進(jìn)行仿真的信息代碼個數(shù) m=2; %進(jìn)制數(shù) snrpbit=60;%信噪比 snr=snrpbit/log2(m);%60 seed=12345 54321; numplot=15; x=randsrc(numsymb,1,0:m-1);%產(chǎn)生25個二進(jìn)制隨機碼 figure(1) stem(0:numplot-1,x(1:numplot),bx);%顯15個碼元，桿圖，從x的前十五個隨機數(shù)中選取 title(二進(jìn)制隨機序列) xlabel(time); ylabel(amplitude); %調(diào)制 y=dmod(x,fc,fd,fs,fsk,m,df);%數(shù)字帶通調(diào)制 nummodplot=numplot*fs; %15*40 t=0:nummodplot-1./fs;%數(shù)組除法（仿真時間） figure(2) plot(t,y(1:length(t),b-); axis(min(t) max(t) -1.5 1.5); title(調(diào)制后的信號) xlabel(time); ylabel(amplitude);%相干解調(diào)帶輸出波形的相干m元頻移鍵控解調(diào) figure(3) 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)