基于System-View的2FSK调制解调器设计

摘 要目 前 ， 随 着 科 学 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 信 息 技 术 已 成 为 促 进 社 会 发 展 的 强 大 动 力 。 通过 广 泛 的 传 播 与 利 用 ， 信 息 才 可 显 示 其 真 正 的 价 值 。 信 息 凭 借 着 各 种 通 信 技 术 才 得 以传 播 。 对 于 通 信 技 术 而 言 ， 通 信 质 量 的 好 坏 对 于 信 息 传 递 至 关 重 要 。 相 对 于 模 拟 通 信系 统 ， 数 字 通 信 系 统 在 此 方 面 具 有 更 多 的 优 点 。 为 了 使 基 带 信 号 的 功 率 谱 搬 移 到 较 高的 载 波 频 率 上 和 实 现 远 距 离 传 输 通 信 ， 我 们 通 常 采 用 三 种 方 法 进 行 数 字 调 制 ： 相 移 键控 （ PSK） 、 频 移 键 控 （ FSK） 和 幅 移 键 控 （ ASK） 。 当 调 制 信 号 为 二 进 制 数 字 信 号 的调 制 方 式 称 为 二 进 制 数 字 调 制 ， 又 可 分 为 二 进 制 相 移 键 控 （ 2PSK） 、 二 进 制 频 移 键 控（ 2FSK） 和 二 进 制 幅 移 键 控 （ 2ASK） 等 多 种 基 本 类 型 。本 毕 业 设 计 主 要 通 过 System View 软 件 ， 设 计 一 个 2FSK 调 制 解 调 器 ， 并 用System View 软 件 实 现 该 调 制 解 调 器 ， 从 而 对 2FSK 系 统 进 行 仿 真 ， 观 察 仿 真 并 进 行 波形 分 析 ， 分 析 2FSK 的 信 号 的 调 制 解 调 方 式 和 频 谱 特 性 ， 对 2FSK 的 抗 噪 声 性 能 分 析从 而 进 行 系 统 的 性 能 评 价 。关 键 词 ： System View； 2FSK; 调 制 ； 解 调AbstractAt present, with the rapid development of science and technology, information technology has become a strong force to promote the development of society.Information can show its real value through extensive communication and utilization.It is the all kinds of communication technology that spread information.For communication technology, the communication quality is vital for information transfer.Compared with the analog communication system, digital communication system has more advantages in this aspect.In order to make the baseband signal power spectrum to a higher carrier frequency and realize remote transmission communication, We usually adopt three methods for digital modulation: phase shift keying (PSK)、 frequency shift keying (FSK) and amplitude shift keying (ASK). When the modulated signal is a binary digital signals, we called binary digital modulation.Binary is divided into binary phase shift keying (2PSK)、 binary frequency shift keying (2FSK)、 binary amplitude shift keying (2ASK) and other basic types.This graduation design is mainly through the System View software, to design a 2FSK modem and to realize the modem by use of the System View software in order to the simulation of the 2FSK system,observe the simulation and analyse the waveform,analyse the methods of modulation and demodulation and the spectrum properties of 2FSK signal.Keywords:System View; 2FSK; Modulation; Demodulation；目录第 一 章 绪 论 .41.1 课 题 的 来 源 .41.2 课 题 的 意 义 .51.3 System View 系 统 .61.4 主 要 研 究 内 容 .6第 二 章 System View 的 介 绍 .72.1 System View 概 述 .72.1.1 System View 简 介 .72.1.2 System View 主 要 原 件 介 绍 .72.1.3 System View 特 点 .92.1.4 System View 的 应 用 领 域 .102.1.5 System View 的 使 用 .102.2 System View 系 统 视 窗 .102.2.1 主 菜 单 功 能 .102.2.2 图 符 库 选 择 按 钮 .142.2.3 快 捷 功 能 按 钮 .162.3 System View 的 用 户 环 境 .162.4 System View 的 操 作 步 骤 .162.5 本 章 小 结 .18第 三 章 2FSK 的 基 本 原 理 .193.1 调 制 解 调 的 简 介 .193.2 2FSK 信 号 调 制 原 理 .193.2.1 2FSK 调 制 简 述 .193.2.2 调 频 法 .19图 3-1 调 频 器 .203.2.3 键 控 法 .203.3 2FSK 信 号 解 调 原 理 .223.3.1 相 干 检 测 法 进 行 2FSK 信 号 的 解 调 .223.3.2 非 相 干 检 测 法 进 行 2FSK 信 号 的 解 调 .233.3.3 差 分 检 测 法 进 行 2FSK 信 号 的 解 调 .233.3.4 过 零 检 测 法 进 行 2FSK 信 号 的 解 调 .243.4 本 章 小 结 .24第 四 章 2FSK 的 System View 仿 真 .254.1 2FSK 的 信 号 调 制 仿 真 .254.1.1 键 控 法 进 行 仿 真 .254.1.2 调 频 法 进 行 仿 真 .264.2 2FSK 的 调 制 解 调 仿 真 .284.2.1 相 干 法 进 行 仿 真 .284.3 设 计 基 本 原 理 和 系 统 框 图 .344.3.1 2FSK 调 制 部 分 .344.3.2 2FSK 解 调 部 分 .354.4 本 章 小 结 .35小 结 .36参 考 文 献 .37致 谢 .39第一章 绪论1.1 课题的来源目 前 ， 教 学 中 最 活 跃 的 领 域 之 一 就 是 电 子 技 术 实 验 教 学 。 传 统 的 教 学 大 部 分 是 纯 硬件 的 ， 即 需 要 通 过 实 际 的 电 路 元 器 件 进 行 试 验 。 但 近 些 年 来 ， 随 着 EDA（ Electronic Design Automation,电 子 设 计 自 动 化 ） 技 术 的 普 及 ， 引 进 了 各 种 软 件 设 备 来 进 行 试 验 的仿 真 ， 进 而 使 很 多 电 子 试 验 和 系 统 的 设 计 方 法 产 生 了 翻 天 覆 地 的 变 化 。 该 技 术 改 变 了 电子 技 术 试 验 教 学 基 础 上 传 统 的 试 验 方 法 ， 构 成 了 各 种 由 计 算 机 软 件 组 成 的 虚 拟 器 件 和 仪器 ， 从 而 一 方 面 可 以 很 大 程 度 的 降 低 试 验 教 学 成 本 ， 另 一 方 面 又 可 以 充 分 发 挥 同 学 的 能力 去 设 计 和 仿 真 各 种 电 路 系 统 ， 大 大 提 高 了 同 学 的 实 际 操 作 能 力 和 设 计 能 力 ， 为 以 后 的就 业 提 供 的 良 好 的 条 件 。 因 此 ， 软 件 电 子 技 术 试 验 教 学 将 在 今 后 的 教 学 领 域 中 越 来 越 重要 ， 基 于 计 算 机 平 台 的 电 子 仿 真 技 术 不 可 或 缺 。 课 题 来 源 于 老 师 ， 旨 在 设 计 一 个 更 佳 的2FSK 调 制 解 调 系 统 。1.2 课题的意义现 代 通 信 的 一 个 核 心 内 容 就 是 数 字 调 制 解 调 技 术 。由 于 数 字 信 号 在 数 字 通 信 系 统 中 含 有 丰 富 的 低 频 成 份 ， 若 进 行 长 距 离 或 无 线 传 输会 造 成 信 号 失 真 ， 所 以 需 要 进 行 数 字 调 制 ， 经 过 调 制 就 可 使 基 带 信 号 的 功 率 谱 搬 移 到较 高 的 载 波 频 率 上 和 实 现 远 距 离 传 输 通 信 。 相 对 于 模 拟 调 制 而 言 ， 数 字 调 制 有 自 己 突出 的 特 点 ： （ 1） 通 信 过 程 中 若 有 干 扰 ， 数 字 信 号 容 易 检 测 ， 所 以 抗 干 扰 能 力 较 强 ；（ 2） 数 字 信 号 容 易 转 变 为 光 脉 冲 信 号 ， 所 以 便 于 通 信 过 程 中 进 行 传 输 ； （ 3） 数 字 通信 过 程 中 各 类 信 号 可 以 变 成 二 进 制 ， 便 于 处 理 存 储 ， 并 且 可 靠 性 高 ， 可 以 控 制 传 输 过程 中 的 错 误 ； （ 4） 数 字 信 号 保 密 性 好 并 且 可 以 加 密 。常 用 的 数 字 调 制 方 式 有 PSK（ 移 相 键 控 ） 、 FSK（ 移 频 键 控 ） 、 ASK（ 移 幅 键 控 ） 等 。时 分 复 用 的 基 本 技 术 之 一 就 是 数 字 调 制 ， 其 中 用 数 字 信 号 去 调 制 载 波 的 频 率 称 为 FSK技 术 ， 当 数 字 信 号 为 “0”和 “1”时 ， 该 调 制 为 2FSK 技 术 ， 该 技 术 应 用 广 泛 尤 其 是 在通 信 系 统 中 。 学 习 2FSK 调 制 /解 调 基 本 原 理 ， 设 计 一 个 完 整 可 靠 的 2FSK 调 制 解 调 系统 ， 用 System View 对 系 统 进 行 波 形 仿 真 分 析 与 波 形 设 计 ， 以 此 提 高 自 己 的 分 析 问 题 、解 决 问 题 和 设 计 系 统 的 能 力 。通 信 系 统 中 的 核 心 技 术 之 一 是 调 制 解 调 技 术 ， 该 技 术 对 于 通 信 系 统 起 着 至 关 重 要的 作 用 ， 它 的 好 坏 决 定 了 系 统 的 整 体 性 能 ， 是 无 线 通 信 的 关 键 所 在 。 2FSK 解 调 调 制 技术 不 但 可 以 提 高 系 统 频 带 宽 带 ， 还 可 以 更 精 准 的 处 理 信 号 相 位 。 该 技 术 广 泛 应 用 与 短距 离 传 输 的 、 数 据 率 较 低 数 量 比 较 小 的 无 线 通 信 领 域 。 FSK 在 多 个 领 域 已 经 有 了 许 多成 熟 的 研 究 ， 比 如1.电 子 消 费 的 低 成 本 和 便 携 式 ， 为 使 各 种 功 能 集 成 在 单 一 片 中 的 设 备 。 若 手 机 、3G 无 线 端 可 携 带 设 备 、 PAD 等 使 用 单 一 低 电 压 电 源 的 系 统 ， 由 于 工 作 周 期 长 并 且 不 能持 续 供 电 导 致 设 备 不 能 长 时 间 使 用 ， 所 以 进 行 低 功 耗 的 设 计 迫 在 眉 睫 ， 然 而 FSK 刚 好容 易 集 成 至 单 片 芯 片 中 且 适 合 这 些 低 压 系 统 。2.蓝 牙 通 信 设 备 ， 使 用 FSK 调 制 解 调 技 术 的 领 域 之 一 的 应 用 是 蓝 牙 通 信 。 蓝 牙 可以 在 各 种 设 备 之 间 实 现 无 线 通 信 ， 可 以 代 替 短 距 离 的 通 信 电 缆 ， 在 商 务 等 很 多 领 域 有良 好 的 前 景 。3.2FSK 技 术 可 以 用 于 医 学 上 的 微 电 子 器 件 植 入 ， 微 电 子 器 件 植 入 的 医 疗 技 术 在 未来 几 年 具 有 广 阔 的 前 景 ， 可 以 使 更 多 的 病 人 受 益 ， 尤 其 可 以 治 疗 那 些 药 物 不 起 任 何 作用 的 器 官 缺 陷 或 者 机 能 缺 陷 的 病 人 。1.3 System View 系统System View 是由美国公司 Elanix 生产的软件，它属于一个用于科学系统设计仿真分析的系统级工具平台，它是一种可用于各种系统的动态设计、仿真和分析的可视化软件，该软件是基于Windows 环境下运行的可提供电子系统的模拟，主要应用于滤波器设计、通信系统、信号处理和控制系统的设计仿真，它使用的程序是功能模块描述。本毕业设计是在 System View 软件平台上面实现2FSK 调制解调器的设计和仿真。1.4 主要研究内容了解研究 2FSK 调制解调的原理，学习 System View 软件的使用，通过网络和书籍收集资料，选择合适的电路元器件以及参数并进行连接从而设计一个 2FSK 调制解调系统，并用 System View 软件对此系统进行仿真，通过对波形的分析，对设计的系统进行性能评价，从而指出该系统的优缺点。第二章 System View 的介绍2.1 System View 概述2.1.1 System View 简介美国 Elanix 公司研制了该软件，Elanix 公司主要从事硬件和软件的信号处理和通信系统等的研发设计。System View 是一款在 Windows 环境下运行的可视化软件工具，它通过使用功能模块来描述程序，不需要任何的程序语言即可用于系统仿真分析，也就是说该软件不像其它软件那样需要写代码才可以完成各种通信系统的设计仿真。从通信系统的设计仿真、滤波器设计、信号仿真处理直到各个领域中，System View 在完整功能和友好的环境下，给用户提供了一个良好的分析工具，从而灵活快捷的建立各种通信系统、修改与调整系统参数。通过 System View 可构造各种复杂的通信系 统 例 如 各 种 多 速 率 以 及 各 种 模 拟 、 数 字 、 数模 混 合 系 统 。 因 此 ， 使 用 System View 可 以 进 行 各 种 控 制 系 统 的 设 计 和 仿 真 。 用 户 进行 系 统 仿 真 设 计 时 ， 仅 仅 需 要 从 图 标 库 中 选 出 需 要 的 图 标 并 设 置 有 关 的 参 数 ， 将 各 个图 标 的 引 脚 连 接 起 来 ， 然 后 系 统 定 时 后 仿 真 操 作 ， 最 终 观 察 时 域 波 形 图 、 功 率 谱 图 等得 出 系 统 的 仿 真 分 析 结 果 ， 对 系 统 的 性 能 进 行 分 析 。 System View 能 自 动 检 查 系 统 的连 接 ， 以 发 出 错 误 连 接 信 号 或 尚 悬 空 的 待 连 接 端 信 号 ， 用 户 从 而 可 以 发 现 连 接 出 错 并通 过 显 示 修 改 发 生 错 误 的 图 标 。 这 个 功 能 对 用 户 系 统 的 诊 断 很 有 效 果 。 System View的 另 一 重 要 功 能 是 它 可 以 按 照 多 种 要 求 设 计 滤 波 器 ， 以 不 同 的 办 法 、 不 同 的 视 角 进 行各 滤 波 器 间 不 同 指 标 的 转 换 。System View 在 通 信 系 统 设 计 、 波 形 仿 真 和 系 统 分 析 方 面 提 供 了 一 个 方 便 灵 活 的 窗口 用 来 分 析 系 统 波 形 。 用 户 可 以 在 该 窗 口 中 通 过 鼠 标 控 制 内 部 数 据 的 图 形 放 大 、 缩 小 、合 并 、 组 合 、 截 图 等 。 此 外 ， 分 析 窗 口 中 有 一 个 多 功 能 的 “接 收 计 算 器 ”， 可 对 仿 真运 行 结 果 进 行 各 种 运 算 、 滤 波 和 分 析 等 处 理 。System View 还 具 有 接 口 与 外 部 文 件 相 连 ， 可 直 接 获 得 并 处 理 输 入 、 输 出 数 据 。 并且 提 供 了 仿 真 工 具 Matlab 或 编 程 语 言 VC+的 接 口 ， 可 以 很 方 便 的 调 用 函 数 进 行 仿 真或 者 分 析 。 System View 还 有 可 以 与 DSP 芯 片 相 连 从 而 可 将 DSP 库 中 部 分 器 件 生 成 该芯 片 所 编 程 的 语 言 源 代 码 的 接 口 。System View 的 资 源 库 非 常 丰 富 ， 包 括 包 含 了 各 种 信 号 源 、 加 法 器 、 函 数 运 算 器 、接 收 器 、 乘 法 器 的 基 本 库 ， 也 包 含 了 逻 辑 、 射 频 （ 模 拟 ） 、 通 讯 、 数 字 信 号 处 理 的 专业 库 。 这 些 资 源 库 十 分 适 合 设 计 和 仿 真 现 代 通 信 系 统 ， 包 括 无 绳 电 话 、 调 制 解 调 器（ Modem） 、 手 机 等 。 也 可 进 行 各 种 系 统 时 域 、 频 域 、 频 谱 分 析 ， 以 及 对 各 种 逻 辑 电路 、 射 频 /模 拟 电 路 进 行 理 论 和 失 真 分 析 等 。2.1.2 System View 主要原件介绍： 信 号 发 生 器 ， 该 发 生 器 波 形 为 周 期 性 的 正 弦 波 ， 用 于 调 制 部 分 的 载 波 输 入 。：锯齿波信号发生器，用于产生周期性的锯齿波。： 原 始 基 带 信 号 产 生 器 ， 产 生 一 个 由 不 同 电 平 幅 度 脉 冲 组 成 的 按 设 定 速 率 伪 随 机 信号 源 。： 均 匀 噪 声 信 号 产 生 器 ， 可 以 产 生 一 个 分 布 噪 声 信 号 ， 该 信 号 是 在 最 大 值 和 最 小 值之 间 均 匀 分 布 的 。： 加 法 器 ， 将 若 干 个 输 入 信 号 的 进 行 加 法 运 算 ， 最 多 可 有 20 个 输 入 ， 本 毕 业 设 计中 完 成 2FSK 信 号 和 噪 声 的 加 法 运 算 。:对 输 入 信 号 进 行 FFT 变 换 。： 乘 法 器 ， 完 成 载 波 信 号 和 基 带 信 号 的 乘 法 运 算 和 延 时 信 号 与 原 信 号 的 乘 法 运 算 。： 延 时 器 ， 使 原 信 号 产 生 一 个 码 元 的 延 迟 。： 带 通 滤 波 器 ， 主 要 功 能 是 滤 除 杂 波 ， 使 频 率 在 最 高 截 止 频 率 和 最 低 截 止 频 率 之 间的 信 号 保 留 。:低 通 滤 波 器 ,主 要 功 能 是 滤 除 与 原 始 载 波 相 乘 后 信 号 中 的 高 频 成 分 ， 保 留 低 频 信 号通 过 。： 抽 样 判 决 器 ， 主 要 功 能 是 抽 样 判 决 经 过 低 通 后 的 信 号 ， 高 于 门 限 电 压 的 信 号 判 为1， 低 于 门 限 电 压 的 信 号 判 为 0， 其 目 的 是 还 原 原 始 基 带 信 号 。： 异 或 门 电 路 ， 对 输 入 信 号 作 “异 或 ”运 算 。： 单 刀 双 掷 开 关 ， 在 本 毕 业 设 计 中 ， 主 要 实 现 2FSK 信 号 的 调 制 。： 反 向 器 。： 基 本 信 号 接 收 器 ， 该 接 收 器 一 般 不 显 示 ， 必 须 进 入 系 统 分 析 窗 口 才 能 观 察 和 分 析输 出 结 果 。： 数 据 列 表 ， 它 用 于 生 成 一 个 数 据 表 ， 该 表 是 在 系 统 窗 口 显 示 接 收 到 的 。： System View 的 标 准 化 观 察 窗 口 ， 当 系 统 运 行 结 束 后 ， 可 用 它 在 系 统 窗 口 中 显 示输 出 波 形 。2.1.3 System View 特点System View 是当前用户使用的最优秀通信系统设计和通信仿真软件之一，该软件是用于科学系统设计仿真和现代工程的动态系统分析平台，它的主要特点有：1. 直观System View 的各个设计窗口中，每个功能模块都是和方框图那样简单明了，因为每个功能模块都用形象简单的图标表示。System View 可以自动地检查系统连接，不需要用户发出指令就可以显示出待连接的悬空端信息或者是连接错误信息，按照这些提示用户即可方便地修改系统，大大减少了用户使用过程中查找错误的时间，使用起来方便灵活，该功能诊断用户系统十分有效。编译时候系统状态栏会实时显示仿真运行的时间进度，以让用户参考从而方便调试。系统此外也提供了一个动态探针功能，可以灵活显示频谱分析仪或仿真实际的示波器的界面。利用系统分析窗口可以显示二维分析结果，通过鼠标可以方便地对图形进行处理，比如放大，合成，缩小等。2. 丰富的功能块System View 的基本库和专业库包含了数百种信号源、接收端、各种函数运算器、操作符和功能块，提供了从信号处理、DSP 、控制到构造通用数学模型的应用，并可以很方便的调用库中各种函数甚至可以自己创造函数，它可以与外部文件接口，直接获得并处理从外部采集来的一些物理数据。它也可以处理分析各种格式的输入、输出数据。3. 简单用户使用该软件进行信号处理和通信系统仿真分析时，只要使用鼠标从 System View 各种库中选择需要的元器件图标并将其拖动到设计窗口中，用户只需要修改各个元器件的参数并进行元器件的连接后即可简单地创建离散和连续、模拟和数字、线性和非线性和混合模式的系统，并且 System View系统的所有图符都有相似的参数定义窗口。用户不需要学习各种语言，也不需要编写任何源代码即可设计各种系统和波形仿真以及性能分析，由于简单的操作界面和直观的图标用户可以从零基础开始简单快速的连接和调整系统，读取与修改参数。用户仅需使用鼠标就可以的在各个窗口中切换，使得设计调试仿真系统易如反掌。4. 无限分层用户可以使用 Meta System 对象创建多个子系统， System View 能够很容易的建立庞大错综复杂