基于SIMULINK的2FSK仿真毕业论文.doc

烟台大学文经学院毕业论文（设计）摘要 在模拟通信系统中，由模拟信源产生的携带信息的消息经过传感器转换成电信号，模拟基带信号在经过调制将低通频谱搬移到载波频率上适应信道，最终解调还原成电信号；在数字传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变为频带信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。本文应用了幅度调制以及键控法产生调制与解调信号。同步问题是进行数字通信的前提和基础，同步性能的好坏直接影响着通信系统的性能。本文介绍的正是应用锁相环对2fsk信号进行解调。本文首先对该系统的原理进行了分析，之后应用matlab的simulink模块对该系统进行了仿真，最后对仿真结果仅进行了简单的分析。关键词：同步、锁相环、2fsk、simulink、调制解调title based on simulink communications system simulation abstractin simulation of communication system, produced by simulation source carry information news after sensor into electrical signal, analog baseband signal after a low pass spectrum will move to adapt to the carrier frequency channel, eventually demodulation reductive into electrical signals; in digital transmission system, digital signal to the high frequency modulated carrier, a band signal, through the channel transmission, at the receiving end after demodulation back into a digital signal. this paper applied the amplitude modulation and keying method produce modulation and demodulation signal. synchronization is the foundamental problem in a digital communication system. also, it has a direct impact on the performance of a communication system. in this article, i describes the very application of 2fsk signal demodulation based on pll. first, the principle of the system is analyzed, then apply matlab corresponding modules to simulate the system. finally i give analysis on simulation results .key words：synchronization、pll、2fsk、simulink 、modulate and demodulate . 目 录1 绪 论11.1通信原理31.2 系统设计目的41.3 系统功能要求42 系统设计52.1 设计平台简介52.2 2fsk调制与相干解调原理63 2fsk设计 83.1 2fsk简介83.2 原理分析93.3 仿真过程103.4 仿真结果12 3.5 结果分析164 详细设计18 4.1 熟悉simulink平台184.2 设计2fsk信号194.3 2fsk信号非相干解调仿真24 4.4 功率谱密度分析27 结 束 语34致 谢35参考文献361、 绪 论 1.1通信原理通信(communication)就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信(telecommunication)，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。因此，数字通信的应用必将越来越广泛。数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。然而，实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号。为了使数字信号在带通系统中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。在接收端，通过解调器把带通信号还原为数字基带信号的过程称为数字解调。数字调制的基本方式有三种：振幅键控（ask）、频移键控（fsk）、相移键控（psk）。本文介绍的就是二进制数字频移键控系统（2fsk）。1.2 系统设计目的通信原理课程设计是重要地实践性教学环节。在进行了专业基础课和通信原理课程教学的基础上，设计或分析一个简单的通信系统，有助于加深对通信系统原理及组成的理解。通过课程设计，可以进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识。并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使我们在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。同时通过课程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和团队协作精神。而在同时也能加深对matlab开发环境的另一作用的了解，在这次设计中，我们用到了此环境的simulink平台，这个平台是我们以前较少接触过的。因此在这次课设中，我们了解了matlab simulink的这个功能。为我们以后做数字通信系统方面提供了更多的基础知识和经验。1.3 系统功能要求1）学习matlab的基本知识，熟悉matlab集成环境下的simulink仿真平台。2）利用通信原理中所学到的相关知识，在simulink仿真平台中设计2fsk调制与相干解调仿真系统。3）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。4）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a 用高斯白噪声模拟有线信道，b 用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道，c 用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。将三种噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。 5）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。2.1 设计平台简介此设计平台是matlab集成环境下的simulink平台。simulink是基于matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。simulink提供了利用鼠标拖放地方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块机集合，利用simulink几乎可以做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。除此之外，simulink还支持 stateflow,用来仿真事件驱动过程。simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。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。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simulink。simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。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。其界面如图2-1所示。 图2-1 simulink界面由图2-1可知，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。设计仿真模型时，从模型库中选中模块，单击鼠标右键，选择add to untitled，或直接把模块拖到仿真模型中，即可加入模块。simulink模型库窗口还提供了查找功能，单击按钮，在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字，单击find next即可自动搜索整个模型库。在过去几年中，simulink已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。simulink鼓励人们去尝试，可以用它轻松的搭建一个系统模型，并设置模型参数和方针参数，并且立即观察到改变后的方针结果。2.2 2fsk调制与非相干解调的原理（1）原理简介数字频率调制又称频移键控（fsk），二进制频移键控记作2fsk。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2fsk信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。 从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2fsk键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2fsk信号的产生方法及波形示例如图所示。图2-2中s(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列，即是2fsk信号。 图2-2 2fsk信号的产生方法及波形示例（2）信号调制图2-3给出的是用键控法实现2fsk信号的电路框图，两个独立的载波发生器的输出受控于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个载波作为输出。 图 2-3 数字键控法实现2fsk信号的电路框图（3）2 fsk信号的解调 前面陈述了数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。而本设计主要采用的是非相干解调的包络检波法。 包络检波法可视为由两路2ask解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ask信号带宽；中心频率不同,分别为（、）起分路作用，用以分开两路2ask信号，上支路对应 ，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络s(t)及；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路s(t)及 的抽样值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为 图2-4 2fsk信号包络检波方框图 3.1 2fsk简介移频键控（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。本文基于matlab/simulink动态仿真环境，根据2fsk调制与锁相环解调原理，设计了调制解调电路。利用simulink功能模块，建立fsk调制解调系统仿真模型，经过仿真分析，其结果与理论分析结果相同。在仿真过程中，充分发挥了simulink功能强大，建模简单，参数易于调整的特点。结果表明，基于matlab的simulink仿真模型，能够反映出2fsk调制解调系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供了强有力的工具，也为理论学习提供了一条非常好的途径。3.2 原理分析 fsk即frequency shift key 叫做移频键控或频移键控。调制的方法一般有两种，一种叫直接调频法，另一种叫键控法。所谓直接调频法，就是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数，而达到改变振荡频率的目的。键控法就是利用矩形脉冲序列控制的开关电路，对两个不同的独立频率源进行选通。一般来说，键控法采用两个独立的振荡器,得到的是相位不连续的fsk信号；而且直接调频法f1,f2由同一个谐振电路产生，则得到相位连续的fsk信号。2fsk信号便是0符号对应于载频f1，1符号对应于载频f2（与f1不同的另一个载频）的一调制波形，而f1与f2的改变是瞬间完成的。（1）模拟调频法：即直接利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。s（t） 2fsk（t）模拟调频器直接调频法是频移键控通信方式早期采用的实现方法。其优点是调制方便，设备简单，得出的是cpfsk信号，相位连续。（2）键控法：即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。2fsk键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛，但设备要复杂些，得出的是dpfsk信号，相位不连续。（3）锁相环(phase-locked loop)锁相环是实现相位同步的自动控制系统，为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。鉴相器用来鉴别输入信号ui与输出信号uo之间的相位差 ，并输出误差电压ud 。ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（vco）的控制电压uc。uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定 ，称为入锁。维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。（4）锁相环解调2fsk信号2fsk信号的解调是处于载波跟踪状态中。在载波跟踪状态中，环路只跟踪载波变化，输出一个未调制的载波。而2fsk信号是由两个载频f1、f2分别对0、1序列进行调制，其中心频率为f0。所以，解调时，只需对载波f0进行锁定，且两个频差均在捕获范围内，则可以顺利得出解调信号。3.3 仿真过程（1）、2fsk信号的产生a、模拟调频b、键控调频（本图用乘法器代替键控的作用）（2）2fsk信号的解调a、模拟法b、键控法3.4 仿真结果（1）、2fsk信号的产生模拟调频两个信号的频率分别为：f1=11.11hzf2=9.1hz中心频率为：f=9.549hz由下图可见，模拟调频产生的2fsk信号相位连续。2fsk随机序列b、键控调频两个信号的频率分别为：f1=17.5hzf2=14.32hz由下图可见，键控法调频产生的2fsk信号相位不连续。原序列反向后的序列f1f22fsk （2）2fsk信号的解调模拟法ts=0.5s ，1=0.9，2=0.6，k=150=12.9 （rad/s） =3.87=101.59（rad/s）=16.17（hz）vco中心频率f0=10.19 hz低通滤波器的3db带宽=30（rad/s）固有频差： 快捕带：则，均在快捕带之内，故可以快速入锁。最大频率阶跃量：因为环路滤波器是理想二阶环，故同步带与捕获带均为无穷大，即 满足要求：最终所得序列pd输出原序列解调后的2fsk过lf后的输出信号vco输出 由图可知，锁相环经过大约1s锁定。键控法ts=0.5s ，1=0.9，2=0.6，k=150=12.9 （rad/s） =3.87=101.59（rad/s）=16.17（hz）vco中心频率f0=10.19 hz低通滤波器的3db带宽=30（rad/s）固有频差： 快捕带：则，均在快捕带之内，故可以快速入锁。最大频率阶跃量：因为环路滤波器是理想二阶环，故同步带与捕获带均为无穷大，即 满足要求：最终所得序列2fsk原序列vco输出解调后的2fsk过lf后的输出信号pd输出 由图可知，锁相环经过不到0.3s即进入锁定状态。3.5 结果分析1、 由仿真结果可看出，pd输出近似于零，且vco输出随着输入信号的频率不同而变化，故可判定：环路入锁。本文中，解调输出的信号毛刺较多，因此可将通过一低通滤波器滤去高频分量，得到比较平滑的输出。可以从仿真结果中看出，即使经过低通滤波器后，输出解调信号与原码元仍差距较远，故要通过一检查静态下限模块并设置一个合适的下限值，使模块输出信号是一个离散序列。对于检查静态下限模块的下限值设置：在实验中，由于vco的中心频率处于2fsk信号的两个频率f1和f2之间，故信号解调后，经载波cos（2f1）调制的信号应在零值上方，经载波cos（2f2）调制的信号在零值下方，因此可以方便的将下限值设为零。由仿真结果还可以看出，环路滤波器是理想二阶环的pll的3db带宽 足够大，可以将f1和f2两个频率均锁住，因此可解调出2fsk信号。本文的仿真模型中，环路滤波器为理想二阶环，k=150，环路频率响应为其波特图为由此图可得，相位余量，增益余量，系统稳定。从图中还可以看出，解调后最终所得的序列与原序列相比仍有一较小时间延迟，实际中不可忽略，可以采用位同步的方法进行解决。在调试过程中，当=0.707时，2fsk信号无法解调出来，这可能是由于用simulink模块搭建的系统，模块内部参数的设置会产生影响。在实验过程中，曾认为2fsk信号的解调应是在调制跟踪状态下进行的，这个看法是错误的，与实验结果不相符合。经教员解释，方知，只有模拟信号产生的调频信号才是在调制跟踪状态下进行解调的。因为模拟信号产生的调频信号引起的是相位上的变化，例：在调制跟踪状态下，环路不仅跟踪载波变化而且也跟踪 由调制信号引起的相位变化 ，故此时，采用调制跟踪进行解调。详细设计4.1 熟悉simulink平台打开matlab7.0集成环境下的simulink平台，即单击图标，出现的窗口如2-1图所示，图2-1表示simulink中的模型库，设计ssb调制与解调主要用到三大模块，source blockset，simulink，signal processing blockset 。单击，打开新建窗口，保存文件为*.mdl类型的文件，将需要的器件找到后，加入工作窗口，并且连线，每个器件需要设置参数，运行结果，并且逐步通过修改，达到满意的仿真结果。4.2 2fsk信号调制仿真 新建空白仿真窗口，找到2fsk信号调制所需的仿真器件，加入新建的窗口中，连接号线路，线路图如3-1所示：图3-1 2fsk信号调制模型将bernoulli binary generator这个模块出现0的概率调为0.5，取样时间设为1，其余参数不变；载波（sine wave function）的幅度设置为1，角频率设置为8*pi，其余参数不改变；载波（sine wave function1）的幅度设置为1，角频率设置为4*pi，其余参数不改变；参数设置如图3-2、3-3、3-4所示: 图3-2 基带信号的参数设置图3-3 载波信号（sine wave function）的参数设置图3-4 载波（sine wave function1）信号的参数设置基带信号信号的波形图如图3-5所示；载波（sine wave function）信号的波形图如图3-6所示；载波（sine wave function1）信号的波形图如图3-7所示；载波（sine wave function）信号与基带信号相乘后的波形图、载波（sine wave function1）信号与基带信号取反相乘后的波形图、两个相乘器相加后的波形图和基带信号波形图对比，如图3-8所示：图3-5 基带信号的波形图3-6 载波（sine wave function）信号的波形图3-7 载波（sine wave function1）信号的波形图3-8 基带信号与各相乘信号及调制信号的对比图（该图从上至下依次是基带信号波形；载波（sine wave function）信号与基带信号相乘后的波形图；两个相乘器相加后的波形图；载波（sine wave function1）信号与基带信号相乘后的波形图）4.3 2fsk信号的非相干解调仿真 将调制信号进行相干解调，为了无失真地恢复原始基带信号，调制信号需要与相同频率的载波相乘，先经过带通滤波器去除一定频率的分量，然后再经过包络检波器以及抽样判决器可得到原始的基带调制信号，模型如图3-9所示；带通滤波器（analog filter design）的参数设如图3-10 所示；带通滤波器（analog filter design1）的参数设如图3-11所示；包络检波器（analog filter design4）的参数设如图3-12所示；包络检波器（analog filter design5）的参数设如图3-13所示；抽样判决器（quantizing encode1）的参数设如图3-14所示； 图3-9 非相干解调2fsk信号的模型图3-10带通滤波器（analog filter design）的参数设置图3-11 带通滤波器（analog filter design1）的参数设置图3-12 包络检波器（analog filter design4）的参数设置图3-13 包络检波器（analog filter design5）的参数设置图 3-14 抽样判决器（quantizing encode1）的参数 由模型得到的波形图如图3-15所示，第一个波形为基带信号，第二个波形为解调信号，第三个波形为只经过包络检波器后的波形图，解调信号与基带信号相对比，出了产生延时情况之外，波形大致上与基带信号相同，延时是不可避免的。由此看出，做出的模型成功。图3-15 非相干解调2fsk信号的解调波形4.4 功率谱密度分析根据以上2fsk信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为 其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列 为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即 是image:bk063764w-11.gif的反码，即若=0，则 =1；若=l，则=0，于是 2fsk信号的功率谱为 其功率谱曲线如图所示，由离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上，这表明2fsk信号中含有载波、的分量。 图 3-24 2fsk信号的功率谱 由上频谱图可以看出，在加入噪声信号后，功率谱的幅度有所上升，并且延伸的峰也有所变化。而解调之后的功率谱与基波的功率谱相比，显然在解调之后由于滤波器等的影响，导致功率谱与基波的功率谱有所差异，但是从整体而言没有很大影响。其模型图如3-18：图 3-25 功率谱显示模型在matlab中，我们可以利用其现有的模块对2fsk各个阶段的信号作频谱分析，以期能得到准确的信息来判断该系统的可靠性和准确性，其各个阶段的信号频谱图如下所示（其2fsk信号频谱图都是在信道为理想情况下得出的）：图3-26 基带信号的平均功率如图3-26所示，第一个波形表示历史时间，第二个波形显示为功率谱，基带信号的的最高功率大约为2.8，第三个表示为频率。图3-27 调制信号功率谱如图3-27所示，2fsk信号的解调是理想信道的非相干解调，第二个波形解调信号的功率谱，解调功率的最高点功率为4.5，由此表明模型是成功的。图3-28 解调信号功率谱 依次加入高斯白噪声、瑞利噪声、莱斯噪声，所得的解调信号功率谱如下图3-29、3-30、3-31所示，对比图3-28的功率谱，在调制信号正半周期内，已调波的高频相位与载波相位同相，在调制信号的负半周期内，已调波的高频相位与载波相位反相。在理想信道下,2fsk解调信号与基带信号相比发生了延时，相位也发生了改变，分别依次加入高斯白噪声和瑞利噪声，解调后的波形受到噪声干扰。加入高斯白噪声解调波形的功率谱没有发生什么太大的变化，波形也没有太大的变化；加入瑞利噪声或者莱斯噪声的解调波形功率谱被加大，而且波形也有大的失真。对此，虽然实际中噪声的影响不可避免，但是我们应该尽量减小噪声的影响，使得信号传输更加地清晰与完整。图3-29 加入方差为20的高斯白噪声的解调信号 图3-30 加入方差为6的瑞利噪声的解调信号功率谱图3-31 加入方差为6的莱斯噪声的解调信号功率谱5 . 结束语 此次通信原理课程设计虽然时间只有短短的两周时间，但是在两周时间内我收获到了很多原来没有体验过的东西。本课程设计的目的主要是让我们了解仿真通信系统中的调制与非相干解调的系统仿真。这次课程设计使我学会了用matlab/simulink仿真系统初步的设计方法，初步了解了如何用matlab/simulink这个仿真软件进行am调制与非相干解调系统的设计。很高兴自己可以成功做完这次课程设计，虽然看起来am调制与非相干解调系统仿真很简单，但是对于我来说，一个不懂得用simulik的人来说很难，要不断地去查阅资料和修改模型，以达到2fsk调制与非相干解调系统仿真的较好的结果。通过做2fsk调制与非相干解调课程设计，我对通信领域的知识得到了更深一步的了解。熟悉地掌握了2fsk调制与非相干解调的原理和方法。2fsk调制的方法是将基带信号加上一个直流分量最后与载波相乘后，即可产生