《通信原理》课程设计报告-2FSK调制与非相干解调系统仿真.docxVIP

长沙理工大学通信原理课程设计报告 2fsk非相干解调系统仿真（两路2ask叠加）某某某学 院 计算机与通信工程 专 业 通信工程 班 级 通信1301 学 号 14 学生姓名 指导教师 黄红兵 课程成绩 完成日期 2015年1月8日课程设计成绩评定学 院 城南学 专 业 通信工程 班 级 通信1301 学 号 201385250114 学生姓名 指导教师 黄红兵 课程成绩 完成日期 2015.1.8 指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩 指导教师签字 2015年1月 日第 24 页 共 24 页2fs 尹清渝 非相干解调系统仿真（两路2ask叠加）2fsk调制与非相干解调系统仿真学生姓名： ikk 指导老师：黄红兵摘 要 本课程设计主要运用matlab集成环境下的simulink仿真平台设计进行2fsk调制与非相干解调系统仿真。在本次课程设计中先根据2fsk调制与解调原理构建调制解调电路，从simulink工具箱中找所各元件，合理设置好参数并运行，其中可以通过不断的修改优化得到需要信号，之后加入高斯，并分析对信号的影响，最后通过对输出波形和功率谱的分析得出2fsk调制解调系统仿真是否成功。关键词 simulink；2fsk； 调制；非相干解调1引言本次课程设计主要运用matlab软件，在simulink平台下建立仿真模型。实现模拟基带信号经2fsk调制与非相干解调的传输过程，通过分析比较调制解调输出波形以及功率谱特征，理解2fsk调制原理。在分别加入高斯噪声，观察对波形的影响，并对其进行分析总结。1.1 课程设计的目的通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课，是通信工程专业后续专业课的基础。掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础，可提高处理通信系统问题能力和素质。 通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解，培养学生专业素质，提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力，为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知识和基本理论，掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能，受到必要工程训练和初步的科学研究方法和实践训练，增强分析和解决问题的能力，了解本通信专业的新发展。1.2 课程设计的基本任务和要求课程名称通信原理课程设计时间20152016学年第一学期1719周学生姓名 指导老师黄红兵、熊文杰题 目2fsk非相干解调系统仿真（两路2ask叠加）主要内容：利用matlab集成环境下的simulink仿真平台，设计一个2fsk非相干解调系统仿真（两路2ask叠加），分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。要求：1）构建调制（或加密、抽样）电路，并用示波器观察调制（或加密、抽样）前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制（或加密、抽样）前后信号频谱的变化。2）再以调制（或加密、抽样）信号为输入，构建解调（或解密、还原）电路，用示波器观察调制（或加密、抽样）与解调（或解密、还原）前后的信号波形，用频谱分析模块观察前后信号频谱的变化。3）在调制（或加密、抽样）与解调（或解密、还原）电路间用高斯白噪声模拟有线信道，将噪声源的方差分别设置为三种不同值，分析比较接收信号的性能。数字系统要求用误码率计算模块分析理想信道和非理想信道时的误码率。 4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。应当提交的文件：（1）课程设计学年论文。（2）课程设计附件（主要是源程序）。1.3 设计平台simulink是matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于simulink1。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。simulik是matlab软件的扩展，它与matlab语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。2设计原理2.1 simulink工作环境（1）模型库在matlab命令窗口输入“simulink”并回车，就可进入simulink模型库单击工具栏上的 按钮也可进入simulik模块库按功能进行分为以下8类子库：continuous（连续模块）discrete（离散模块）function&tables（函数和平台模块）math（数学模块）nonlinear（非线性模块）signals&systems（信号和系统模块）sinks（接收器模块）sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构simulink子模型库中包含了continous、discontinus等下一级模型库continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。图2-1 simulink工具箱（2）设计仿真-模型在matlab子窗口或simulink模型库的菜单栏依次选择“file” | “new” | “model”，即可生成空白仿真模型窗口图2-2 新建仿真模型窗口（3）运行仿真两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：在菜单栏中依次选择simulation | start 或在工具栏上单击。命令行方式：输入“sim”启动仿真进程2.2 2fsk的调制与解调 （1）2fsk的调制原理在二进制频移键控（2fsk）中，当传送“1”码时对应于载波频率f1，传送“0”码时对应于载波频率fo。其中，为频率为的载波的初始相位，为频率为的载波的初始相位。令为的反码，即则有:当时，;当时，。则2fsk信号可表示为:其中，我们在分析中假设为单个矩形脉冲序列，其表达式为:由式上式可知，相位不连续的2fsk信号可以看成是两个2ask调幅信号之和。二进制移频键控信号的产生,可以采用模拟调频电路来实现,也可以采用数字键控的方法来实现. 图 2-3 是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图, 图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制,在一个码元ts期间输出f1或f2两个载波之一.。图 2 3 数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图图 2- 4 二进制移频键控信号的时间波形从图中可以看出b是a的反码即若a=1,则b=0, 若a=0,则b=1;c为载波f1，d为载波f2，g为2fsk的调制出的信号。（2）2fsk的解调原理经过调制后的2fsk数字信号通过两个频率不同的带通滤波器w1、w2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。本设计要求非相干解调，其原理图如下图所示：图 2 5 二进制移频键控信号解调器原理图图 2 6 2fsk非相干解调时间波形图3 设计步骤3.1 2fsk信号调制（1）2fsk的调制部分打开simulink工具箱，点击file图标，选择新建中的model，新建一个仿真空白模型，将2fsk信号调至所需要的模块拖入空白模型中，也可点击鼠标左键单击“add to untitled”。下图中bernoulli binary为伯奴利基带信号模块，sine wave1，sine wave2为频率为f1和f2载波模块，product为乘法器模块，scope为示波器模块，not为反相器模块， power spectral是功率谱模块， 2fsk信号是由频率分别为sine wave1和sine wave2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中sine wave1和sine wave2是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号。调制模型图如下图所示：图3-1 调制模型图（2）2fsk的调制部分参数设置图 3 2 载波的参数设置其中f0幅度为2；频率20hz；采样时间为0.001的信号。图 3 3 载波1的参数设置其中f1幅度为2；频率40hz；采样时间为0.001的信号。图 3-4 2fsk调制波形图其中第1段图形为载波f1的波形图；第2段位信号源的波形图；第3段为载波f2的波形图；第4段为f1和f2的调制波形。调制前后频谱分析如下图：图3-5 基带信号频谱分析图 3-6 f1和f2调制后的频谱分析由图可知基带信号在由载波f1和f2作用下频率发生了变化，相位发生位移，波形表现为基带与载波f1的乘积与基带与载波f2的乘积的和。3.2 2fsk信号解调（1）2fsk的解调部分打开simulink工具箱，点击file图标，选择新建中的model，新建一个仿真空白模型，将2fsk信号调至所需要的模块拖入空白模型中，也可点击鼠标左键单击“add to untitled”。analog filter design模块为带通滤波器，abs模块为绝对值，其作用等同于保罗检测器，scope模块为示波器，subtract模块对信号进行加法或减法运算，power spectral模块是功率谱，zero order hold模块的功能为零阶保持模块，zero order hold和relay的作用等同于在定时脉冲下的抽样判决器。解调模型图如下图所示：图3-7 2fsk解调模型（2）2fsk的调制部分参数设置在带通滤波器的参数设置中，由于载波f1和f2的频率分别为20hz和40hz，基带信号的采样时间为1，所以其频率为1hz，1hz等于2*pi，又因为2fsk的带波器取值就是载波频率加减基带信号的频率。图 3-8带通滤波器参数设置图 3-9带通滤波器1参数设置图3-10 继电器模块参数的设置图 3-11 零阶保持模块的参数设置图 3-12低通滤波器参数设置图 3-12低通滤波器1参数设置（3）2fsk的解调部分仿真以及功率谱分析 图 3 13 2fsk信号解调框图图3-14 2fsk信号解调部分框图第1段是载波f1经过解调的波形图；第2段是载波f1和f2经过解调的波形图；第3段是解调出现的波形图，在01时间段出现延时，其他时间段与原基带信号图3-5第2段一致，符合实验要求。第4段是载波f2解调的波形图。解调前后频谱分析如下图：图 3-15解调前的频谱分析图 图 3-16解调后的频谱分析图从上图可以看出，经过非相干解调后，出去由于系统误差产生延迟外，其他解调后信号功率谱与原信号功率谱是能一一对应的。3.3 加入高斯噪声的2fsk非相干解调高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。在理想信道调制与解调的基础上，在调制信号上加入高斯噪声，把simulink噪声源下的高斯噪声模块（gaussian noise generator）加入到模型中。噪声参数设置、模型与波形图如下：图 3-17 2fsk加入高斯噪声模型 图 3-18高斯躁声variance参数设置为1图3-19 方差为1影响不大图 3-20高斯躁声variance参数设置为10图3-21方差为10影响明显如图所示，图3-14为理想信道解调波形，图3-19和图3-21均为加入高斯噪声的波形，可通过修改参数表中的方差来改变加入噪声的大小，把噪声的方差分别设为1和10，与理想信道的输出波形相比较可以看出，波形均出现不同程度的失真，当方差为1的时候比较接近原理想信道下的波形图，当方差为10时，已经出现严重失真，并且失真是随着噪声方差的变化而发生改变，方差越小，通过加入噪声信道的波形就越接近理想信道的波形。图3-22 没有噪声时的误码率当如3-20所设的噪声为10时，图3-22的第一格第二格就不是零了，意思就是产生误码率，并且所加噪声的方差越大，误码率越大。噪声能对信道产生不同程度的影响，不同的噪声使信号发生失真的参数各不相同。在现实生活中，无处不存在着噪声，因此研究如何减小噪声对信道的影响有着重大意义。4出现的问题及解决方法在本次课程设计运用了matlab软件下simulink建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和在老师和同学的帮助下总算得以解决，总结分析分析如下：（1）运行后如没有出现波形、出现多路波形的混合或是出现波形的幅度过小或过大，可以点击scope菜单栏的或者点击鼠标右键，选择autoscale即可出现清晰波形。（2）若出现波形很差，可以把修正因子（默认为1）加大，具体步骤为选择模型菜单中的“simulink|configuration parameters|data import/export”修改decimation中数据（默认为1），可加大为50或100。（3）调制模块中，如调制结果不明显，可以加大载波频率，一般来说载波频率要比基带频率大得多。（4）若波形出错，可以把滤波器级数(默认为8