课程设计（论文）-基于matlab的频移键控的调制解调系统设计.doc

摘要移频键控（fsk）是数据通信中最常用的一种调制方式。fsk方法简单易于实现，并且解调不需要恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能较强。缺点是占用频带较宽，频带利用不够经济。fsk主要应用于低中速数据传输，以及衰落信道和频带较宽的信道中。matlab 中的通信工具箱可以用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。阐述了计算机仿真的发展概况，及其重要意义，介绍了几种仿真软件，着重介绍了matlab和其通信工具箱。利用matlab建立了fsk仿真模型，并对仿真模型进行了测试,结果表明，仿真结果与理论基本一致，在研究fsk调制解调原理的基础上设计了调制解调电路。关键词 ： fsk matlab 仿真 调制解调第一章 设计任务及要求1.1课程设计依据在掌握频移键控调制解调原理的基础上，利用matlab/simulink软件进行系统的设计。1.2课程设计内容 设计一个频移键控系统，具体要求如下：1、 信源参数：0码概率 0.5 采样时间1s2、 载波1参数：幅度1 频率100rad/s3、 载波2参数：幅度1 频率20rad/s4、 bpf1参数：下限频率95rad/s 上限频率105rad/s5、 bpf2参数：下限频率15rad/s 上限频率25rad/s6、 lpf参数：截止频率10rad/s7、 判决器参数：门限0.251.3课程设计要求1. 要求独立完成设计任务。2. 课程设计说明书封面格式要求见天津城市建设学院课程设计教学工作规范附表13. 课程设计的说明书要求简洁、通顺，计算正确，图纸表达内容完整、清楚、规范。4. 测试要求：根据题目的特点，在matlab仿真并上观察调制解调各个部分波形图。5. 课设说明书要求：1) 说明题目的设计原理和思路、采用方法及设计流程。2) 系统框图、matlab程序清单或simulink框图。3) 对各部分的功能以及各部分之间的关系作较详细的描述。说明仿真结果：调制解调各个部分波形图。并对其进行说明和分析第二章 2fsk调制与解调原理2.1调制原理二进制频移键控信号码元的“1”和“0”分别用两个不同频率的正弦波形来传送，而其振幅和初始相位不变。故其表达式为： 由图可见，2fsk信号的波形（a）可以分解为波形（b）和波形（c）,也就是说，一个2fsk信号可以看成是两个不同载频的2ask信号的叠加。2fsk信号的产生方法有两种：（1） 模拟法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频。如图1-1（a）所示。（2） 键控法，用数字基带信号及其反相分别控制两个开关门电路，以此对两个载波发生器进行选通。如图1-1（b）所示。这两种方法产生的2fsk信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2fsk信号在相邻码元之间的相位是连续的，而键控法产生的2fsk信号，则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。 (a) (b) 图2.1 2fsk信号产生原理图 由键控法产生原理可知，一位相位离散的2fsk信号可看成不同频率交替发送的两个2ask信号之和，即 其中是脉宽为的矩形脉冲表示的nrz数字基带信号。 其中，为的反码，即若，则；若，则。2.2解调原理 2fsk信号的解调也分为2fsk信号的接收也分为相干解调和非相干解调接收两类。2.2.1相干解调相干解调根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成，则先用两个分别对f1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。原理图如下：图2.2.1相干解调原理框图2.2.2非相干解调带通滤波器f1非相干解调接收经过调制后的2fsk数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f1、f2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。其原理图如下图所示：图2.2.2 非相干解调原理框图第三章 mutlab与simulink介绍3.1 mutlabmatlab是矩阵实验室（matrix laboratory）的简称，是美国mathworks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括matlab和simulink两大面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如c、fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。matlab可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。3.2 simulinksimulink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。 对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在simulink基础之上的其他产品扩展了simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。simulink与matlab紧密集成，可以直接访问matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。其特点为：1、丰富的可扩充的预定义模块库。 2、交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。 3、以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。 4、通过model explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。 5、提供api用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成 6、使用embedded matlab 模块在simulink和嵌入式系统执行中调用matlab算法。 7、使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(normal,accelerator,rapid accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译c代码的形式来运行模型。 8、图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。 9、可访问matlab从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。第四章 设计思路4.1设计调制模块思路 根据二进制频移键控调制的原理，了解matlab软件中的仿真工具smulink中各个模块的功能后，根据调制的原理框图，使用pulse generator产生信号，用幅度为1 ，频率为100rad/s载波表示“1”，用幅度为1 ，频率为20rad/s载波表示“0”。采用键控法，在smulink文件中调用相关模块，连线后对信号进行调制产生2fsk信号。4.2设计解调模块思路 利用fsk相干解调方法对调制的fsk信号进行解调。根据相干解调的原理框图，经调制后的2fsk信号经信道中加高斯白噪声后信号进行相干解调。在smulink中调用相应的模块，连接各个模块，设置各个模块的参数，并用scope显示仿真波形。第五章 软件仿真5.1设计的仿真模型图用pulse generator产生二进制01信号，调用俩个sine wave模块产生频率分别为100和20的两个载波正弦信号，将此三个信号输入到switch模块中，从而通过键控输出调制后的fsk波形。输出的波形经两路经过带通滤波器，再分别与先前定义的俩个不同频率的正弦载波信号相乘，经过低通滤波器后抽样判决完成对fsk信号的解调。simulink仿真模型图如下所示：5.2各模块功能及其参数设置：用于产生正弦波信号，两个正弦载波信号参数设置如下：图5.2.1 载波1参数设置图5.2.2 载波2参数设置 脉冲信号发生器模块，用于产生固定间隔的脉冲，在本课程设计中用来产生二进制信号图5.2.3 脉冲信号发生器模块参数设置在两个输入此模块的载波信号之间切换。对于此次课程设计，当输入方波信号的幅值大于 1时，切换到高频率的载波信号上，小于1时，切换到低频率的载波信号上，从而完成fsk调制。滤波器，通过设置其参数，可以设置为低通、高通、带通、带阻滤波器，提取出某频率范围内的信号 图5.2.4 两个带通滤波器参数的设置 图5.2.5两个低通滤波器参数的设置比较运算模块，可设置为=（大于等于）、（大于）等运算关系。此课程设计中用来行使抽样判决，解调出fsk信号。示波器模块，用来显示仿真过程中信号的波形，可通过修改属性中number of axes的值设置输入信号的个数。5.3仿真波形5.3.1 fsk调制过程仿真波形图5.3.1.1信源信号图5.3.1.2 载波1波形图5.3.1.3 载波2波形图5.3.1.4调制产生的fsk信号5.3.2 解调过程波形图5.3.2.1信道中传输的fsk信号图5.3.2.2经带通滤波器1后的波形图5.3.2.3经带通滤波器2后的波形图5.3.2.4 图5.3.1.3的波形与载波1相乘得到的波形图5.3.2.5 图5.3.1.4的波形与载波2相乘得到的波形图5.3.2.6 判决过程波形图5.3.2 未调制信号波形与解调后波形比较图5.3.2.1 未调制信号波形图5.3.2.2 fsk信号解调后的信号波形5.3仿真结果分析从实验仿真波形上来看，实验结果是正确的，二进制数字信号“1”对应载波频率100rad/s, 二进制数字信号“0”对应载波频率20rad/s，实现了对数字信号的频移键控调制。解调出的数字基带信号也是正确的，知识相对于原本输入的基带信号在时域上有延时。第六章 心得体会此次课程设计要求用matlab软件仿真，因为之前没有学过这个软件，因此做之前，我先去图书馆借了几本关于matlab的书籍，上网搜集了此次课程设计的相关资料，做好课程设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半。通过上面的过程，已经积累了不少资料，认识了通信原理和 matlb 的相关知识与运用，主要有基带信号的调制原理及方法、低通和带通滤波器等等，加深了对上述相关知识的了解，使我更深刻理解了调制与解调的原理和实现方法，以及基本掌握了 matlab 的基本应用。在这样的基础上，我才开始着手分析题目，进行设计。通过本次课程设计，我又掌握了一个可用于我们专业的强大的软件matlab。课程设计中重新复习了一下fsk的解调与调制原理。以前我对fsk的理解仅限于表面，会画经调制后的波形，经过这次课程设计，利用simulink进行画图仿真，我又深入了解到了fsk的调制与解调过程，加深了我的理解。与此同时，我感到matlab这个软件对于我们信息科学相关专业的重要性，学好这个软件对我们今后深入研究学习这个专业会有非常大的帮助。每次课程设计对我们来说都是一个很好的锻炼自己动手动脑的机会，通过实际电路或者软件仿真不仅将课本中的知识应用到实际中，加深我们对知识的巩固理解，更重