基于4FSK調(diào)制信號的產(chǎn)生及解調(diào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)目 錄1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2實(shí)驗(yàn)要求13實(shí)驗(yàn)內(nèi)容13.1基本原理13.1.14FSk的調(diào)制原理13.1.24FSk的解調(diào)原理33.2 4FSK 調(diào)制算法分析43.34FSK 解調(diào)算法分析53.4 程序代碼74 軟件仿真104.1 調(diào)制過程仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果104.2 解調(diào)過程仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果124.3 誤碼率計(jì)算155心得體會176參考文獻(xiàn)171實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 理解電子信號通信原理2、 熟悉系統(tǒng)建模方法3、 配置電子信號，設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用方法2實(shí)驗(yàn)要求1. 完成4FSK調(diào)制信號的產(chǎn)生，并進(jìn)行時(shí)域分析2. 完成4FSK信號的數(shù)據(jù)解調(diào)，并對結(jié)果進(jìn)行有效性驗(yàn)證3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.1基本原理3.1.1 4FSk

2、的調(diào)制原理隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字信號在信號傳輸比模擬信號有許多的優(yōu)越性，數(shù)字信號傳輸也越來越重要。雖然近距離傳輸可以由數(shù)字基帶信號直接傳輸，但是要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)必須將基帶信號調(diào)制到高頻處，所以調(diào)制解調(diào)技術(shù)是數(shù)字通信中一種關(guān)鍵的技術(shù)。二進(jìn)制頻移鍵控是數(shù)字信號調(diào)制的基本方式之一。而多進(jìn)制（MFSK）的可降低信道系統(tǒng)信噪比的要求。2FSK信號的產(chǎn)生方法主要有兩種：采用模擬調(diào)頻電路實(shí)現(xiàn)；采用鍵控法來實(shí)現(xiàn)，即在二進(jìn)制基帶脈沖序列的控制下通過開關(guān)電路對兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通，使其在每個(gè)碼元期間輸出f1和f2兩個(gè)載波之一。頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞信息的。在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信

3、號在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。同理4FSK中基帶脈沖序列四個(gè)碼元（00 01 10 11）可用f1,f2,f3,f4四個(gè)載波之一；本文討論4FSK是通過并聯(lián)輸入兩位基帶信號，兩位二進(jìn)制來表示四進(jìn)制的頻移鍵控。2FSK鍵控法調(diào)頻原理圖如下：振蕩器f1選通開關(guān)反相器振蕩器f2選通開關(guān)相加器圖 3.1 2FSK原理圖4FSK可通過基帶信號（00,01,10,11）并聯(lián)傳輸0或1來分別用f1,f2,f3,f4四個(gè)載頻表示，兩路基帶信號作為控制選通選通開關(guān)，1路選通開關(guān)發(fā)送0時(shí)選通載頻f1, 發(fā)送0時(shí)選通載頻f2, 1路選通開關(guān)發(fā)送0時(shí)選通載頻f3, 送1時(shí)選通載頻f4。兩路不同載頻通過相加器得到已調(diào)

4、信號發(fā)送出去。4FSK鍵控法調(diào)頻原理圖（圖1.1）如下：振蕩器f1選通開關(guān)1選通開關(guān)2相加器振蕩器f2振蕩器f3振蕩器f40或10或1圖3.2 4FSK鍵控法調(diào)頻原理框圖3.1.2 4FSk的解調(diào)原理4FSK信號的相干解調(diào)法原理框圖如圖3.3所示。其原理是：4FSK信號先經(jīng)過帶通濾波器去除調(diào)制信號頻帶以外的在信道中混入的噪聲，此后該信號分為四路，每路信號與相應(yīng)載波相乘，再經(jīng)過低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號的低頻信號，將其送入抽樣判決器中進(jìn)行抽樣判決，抽樣判決器的輸出分別得到兩路原基帶信號表示四進(jìn)制得到原始碼元。4FSK已調(diào)信號帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器解調(diào)信號1載波f1載波

5、f2帶通濾波器帶通濾波器帶通濾波器相乘器相乘器相乘器低通濾波器低通濾波器低通濾波器載波f2載波f2加法器抽樣判決器帶通濾波器加法器圖3.3 4FSK鍵控法解調(diào)原理框圖3.2 4FSK 調(diào)制算法分析(1)、將輸入的二進(jìn)制序列按奇位、偶位進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。(2)、根據(jù)DMR標(biāo)準(zhǔn)中的符號和比特的對應(yīng)關(guān)系，將二進(jìn)制的0、1序列映射為相應(yīng)的四電平符號流。(3)、將這些符號流每符號插入8個(gè)數(shù)值點(diǎn)，并輸入平方根升余弦濾波器進(jìn)行平滑處理，則可得到輸入調(diào)制信號m(n)。濾波器為平方根升余弦濾波器，奈奎斯特升余弦濾波器的一部分用于抑制鄰道干擾，另一部分用于接收機(jī)抑制噪聲。抑制鄰道干擾濾波器的輸入包含一系列脈沖，這些脈

6、沖之間的間隔為208，33ms(1/4800s)。通過定義根升余弦濾波器的頻率響應(yīng)為奈奎斯特升余弦濾波器的平方根，來定義奈奎斯特升余弦濾波器的分割。濾波器的群延遲在帶通范圍|f|<2880Hz內(nèi)是平滑的。濾波器的的幅頻響應(yīng)由下面公式近似給出：F( f ) =1 當(dāng) |f| 1920 HzF( f ) = cos( f / 1920) 當(dāng) 1920 Hz< |f| 2880 Hz F( f ) = 0 當(dāng) |f|>2880 Hz其中F( f ) 代表平方根升余弦濾波器的幅頻響應(yīng)。則該濾波器的傳輸頻率df 為2880-1920=960Hz，濾波器的等效截止頻率F0 為2400Hz

7、。(4)、將m(n)輸入頻率調(diào)制器進(jìn)行FM調(diào)制。則可得到4FSK調(diào)制輸出信號。調(diào)頻信號： 式中: kf 為調(diào)頻指數(shù)。將其離散化,在nTs的時(shí)間內(nèi)對信號m(n)累加求和,得:式得該4FSK系統(tǒng)調(diào)制實(shí)現(xiàn)3.34FSK 解調(diào)算法分析解調(diào)過程跟調(diào)制過程恰好相反，將經(jīng)過信道傳輸?shù)浇邮斩说男盘柾ㄟ^頻率解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)。對于同一種數(shù)字調(diào)制信號，采用相干解調(diào)方式的誤碼率低于采用非相干解調(diào)方式的誤碼率，所以這里采用相干解調(diào)方式。將解調(diào)后的信號經(jīng)濾波器后，再經(jīng)抽樣判決則可輸出四電平符號，將其按表1反映射，即可輸出二進(jìn)制比特。解調(diào)框圖如下所示：解調(diào)中F(f)濾波器的幅頻響應(yīng)與調(diào)制中相同。cos部分按三角公式展開得：將

8、其經(jīng)過低通濾波器，濾掉高頻分量，則(8)式剩下1/ 2A* I (nTs)分量，(10)式只剩下1/ 2A*Q(nTs)分量。將(13)式經(jīng)相位校正后，再由(14)即可解調(diào)出m(n)。由于在數(shù)字域內(nèi)，頻率和相位的關(guān)系是簡單的一階差分關(guān)系，如公式(13)所示。在實(shí)際中，要想準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào)，差分鑒頻必須滿足以下要求：(a)、相鄰的兩個(gè)相位差應(yīng)限制在 , 內(nèi)，否則出現(xiàn)相位跳變。(b)、當(dāng)相位差大于2 時(shí)，應(yīng)進(jìn)行模2 處理。4FSK 相干解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方框圖如下：最后將解調(diào)后的信號m(n)經(jīng)過匹配濾波器后，再經(jīng)過抽樣判決，可獲得四平符號，由標(biāo)準(zhǔn)中的表1 所示對應(yīng)關(guān)系，可將四電平符號再反映射為二進(jìn)制

9、比特流。按照上節(jié)的算法分析及調(diào)制、解調(diào)方框圖，做出軟件實(shí)現(xiàn)方案圖如圖7 所示。3.4 程序代碼function FSKFc=10;   %載頻Fs=40;   %系統(tǒng)采樣頻率Fd=1;    %碼速率N=Fs/Fd;df=10;numSymb=20;%進(jìn)行仿真的信息代碼個(gè)數(shù)M=4;       %進(jìn)制數(shù)SNRpBit=80;%信噪比SNR=SNRpBit/log2(M);seed=12345 54321;numPlot=20;x=randsrc(numSymb,1,0:M-1);%產(chǎn)生20個(gè)二進(jìn)

10、制隨機(jī)碼figure(1)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx');title('輸入四進(jìn)制隨機(jī)序列')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');%調(diào)制y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,'fsk',M,df);%4FSK調(diào)制函數(shù)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);

11、title('調(diào)制信號輸出')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');%在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲r(shí)andn('state',seed(2);y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),'measured','dB');%在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲figure(3)plot(t,y(1:length(t),'b-');%畫出經(jīng)過信道的實(shí)際信號axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title('

12、加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');%相干解調(diào)figure(4)z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye',M,df);title('相干解調(diào)后的信號的眼圖')%帶輸出波形的相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(5)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx');hold on;stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),'ro');hold off;axis(0 numP

13、lot -0.5 1.5);title('相干解調(diào)輸出信號與原序列的比較')legend('原輸入二進(jìn)制隨機(jī)序列','相干解調(diào)后的信號')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');%非相干解調(diào)figure(6)z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye/noncoh',M,df);title('非相干解調(diào)后的信號的眼圖')%帶輸出波形的非相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(7)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),

14、9;bx');hold on;stem(0:numPlot-1,z2(1:numPlot),'ro');hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title('非相干解調(diào)輸出信號與原序列的比較')legend('原輸入二進(jìn)制隨機(jī)序列','非相干解調(diào)后的信號')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');%誤碼率統(tǒng)計(jì)errorSym ratioSym=symerr(x,z1);figure(8)simbasebandex(0:1:5);tit

15、le('相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計(jì)')errorSym ratioSym=symerr(x,z2);      figure(9)simbasebandex(0:1:5);title('非相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計(jì)')%濾除高斯白噪聲Delay=3;R=0.5;   %滯后3syf,tf=rcosine(Fd,Fs,'fir',R,Delay);     %升余弦函數(shù)yo2,to2=rcosflt(y,Fd,Fs,'filter',yf);%加

16、入高斯白噪聲后的已調(diào)信號和經(jīng)過升余弦濾波器后的已調(diào)信號t=0:numModPlot-1./Fs;figure(10)plot(t,y(1:length(t),'r-');hold on;plot(to2,yo2,'b-');hold off;axis(0 20 -1.5 1.5);xlabel('Time');ylabel('Amplitude');legend('加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號','經(jīng)過升余弦濾波器后的已調(diào)信號')title('升余弦濾波前后波形比較')eyediagr

17、am(yo2,N);%眼圖title('加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號的眼圖')4 軟件仿真本文給出了MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)4FSK 調(diào)制解調(diào)過程中的詳細(xì)結(jié)果。4.1 調(diào)制過程仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果先將截取的二進(jìn)制比特流按奇、偶位分開，再按照前面表1 所示的映射關(guān)系，將二進(jìn)制序列映射為四電平符號，得到的四電平符號局部如下圖所示：圖4.1將二進(jìn)制比特流映射為四電平符號對四電平符號進(jìn)行插值濾波，并進(jìn)行平滑濾波后得到輸入調(diào)制信號m(n)，濾波器即為前面介紹的平方根升余弦濾波器。插值濾波后生成的局部的與四電平符號對應(yīng)的輸入調(diào)制信號m(n)顯示 圖 4.2 輸入調(diào)制信號m(n)做輸入調(diào)制信號m(n)的頻

18、譜(由于重在觀察調(diào)頻前后頻譜的搬移情況，為便于觀察，取頻譜的絕對值，并將零頻時(shí)圖形轉(zhuǎn)換至圖的正中來顯示)，如下圖： 圖 4.3 輸入調(diào)制信號m(n)的頻譜做出調(diào)制輸出信號的頻譜如下圖所示(為便于觀察頻譜的搬移情況，取了頻譜的絕對值，并將零頻時(shí)的圖形轉(zhuǎn)換到了圖的正中間顯示，若未轉(zhuǎn)換，頻譜邊帶在載頻+fc 與-fc周圍分布)，顯然可以看到，調(diào)制過程實(shí)現(xiàn)了頻譜的搬移，將輸入調(diào)制信號的頻譜由低頻搬移到了中頻fc 處。圖 4.4調(diào)制輸出信號頻譜4.2 解調(diào)過程仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果將調(diào)制輸出信號輸入到傳輸信道進(jìn)行傳輸。在信道中由于存在干擾，則到達(dá)接收端的在調(diào)制輸出信號基礎(chǔ)上附加了高斯白噪聲。下面開始解調(diào)過程。我們

19、采用相干解調(diào)方式對其進(jìn)行解調(diào)。將接收到信號分別乘上本地載波 與 后通過低通濾波器，濾掉高頻分量，然后對其進(jìn)行抽樣，可得到Ik2 與Qk2。用Ik2 與Qk2 計(jì)算相位，應(yīng)用(14)式，就可以得到解調(diào)后的序列。顯示如下圖。 圖 4.5 解調(diào)后得到的信號做解調(diào)后得到的信號的頻譜(為便于觀察， 取了頻譜的絕對值，并將零頻轉(zhuǎn)換至了圖的正中顯示)，顯示如下圖： 圖 4.6 解調(diào)后得到信號的頻譜對產(chǎn)生的解調(diào)后信號每8 點(diǎn)取一個(gè)抽樣點(diǎn)，得一新序列，對按下面三個(gè)門限+2，0，-2依次進(jìn)行抽樣判決，即可得到解調(diào)后的四電平符號。解調(diào)出的四電平符號局部顯示如下圖： 圖 4.7 解調(diào)后得出的四電平符號將該四電平符號反映射為二進(jìn)制序列，即可完成解調(diào)過程。 MATLAB仿真眼圖圖 4.8 眼圖圖 4.9 星座圖4.3 誤碼率計(jì)算輸