通信系统综合训练-数字信号频带传输系统2fsk的仿真实现.doc

*实践教学 * 兰州理工大学 计算机与通信学院 2012年秋季学期通信系统综合训练题 目： 数字信号频带传输系统的仿真实现 专业班级： 通信工程（四）班 姓 名： 学 号： 指导教师： 陈 海 燕 成 绩： 摘要本次综合训练主要是利用仿真软件，完成对数字信号频带传输系统的仿真实现。我在这次综合训练中利用Systemview仿真软件，采用2FSK对基带信号进行调制解调，独立完成整个传输系统的仿真。关键词：频带传输；Systemview；2FSK16前言1、为什么选取数字调制系统？对于大多数的数字传输系统来说，由于数字基带信号往往具有丰富的低频成分，而实际的通信信道又具有带通特性，因此，必须用数字信号来调制某一较高频率的正弦或脉冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。2、什么叫数字调制与数字解调、频带传输系统？数字调制：用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程。数字解调：已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号还原成基带数字信号的反变换。频带传输系统：包括数字调制和数字解调过程的传输系统。3、载波的选择从原理上来说，受调制载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。但实际上，在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。4、数字调制技术类型一般可分为两种类型：(1) 利用模拟方法去实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；(2) 利用数字信号的离散取值特点键控载波，从而实现数字调制键控法。键控法的特点：数字电路实现，调制变换速率快，调整测试方便，体积小和设备可靠性高。5、数字调制类型的分类（1）数字调制可分为二进制调制和多进制调制两种。（2）根据已调信号的结构形式可分为线性调制和非线性调制两种。（3）数字调制方式分为调幅、调频和调相三种基本形式。目录第1章 基本原理11.1数字频带传输的意义11.2 二进制频移键控（2FSK）的基本原理11.3 2FSK数字系统的调制原理21.4 2FSK数字系统的解调原理3第2章 基于SystemView的2FSK的系统仿真实现42.1使用SystemView实现2FSK模型仿真42.2 2FSK调制部分仿真设计42.3 2FSK解调部分仿真设计82.4 仿真结果122.5 系统性能分析12总结14参考文献15第1章 基本原理1.1数字频带传输的意义数字频带传输是在计算机网络系统的远程通信中把数字信息调制成模拟音频信号后在发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输技术。它是一种利用调制器对传输信号进行频率交换的传输方式，信号调制的目的是为了更好的适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，提高线路的利用率，一举两得。但是调制后的信号在接收端要解调还原，所以传输的收发端需要专门的信号频率变换设备，传输设备费用相应增加。远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。在采用频带传输方式时要求收发两端都安装解制解调器（Modem）。利用频带传输不仅解决了数字信号可利用电话系统传输的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。实际生活中，大多数不能直接传输基带信号，因为基带信号往往含有丰富的低频分量。因信道因具有带通特性而此必须用数字基带信号对载波进行调制，即完成频谱搬移，以使信号与信道的特性相匹配。常用的调制方法有振幅键控（2ASK），频移键控（2FSK），相移键控(2PSK)。本次综合训练选择使用二进制频移键控（2FSK）。1.2 二进制频移键控（2FSK）的基本原理频移键控是利用载波的频率来传递数字信号，在2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟电咱来实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关对两个不同的独立源进行先通，使其在每一个码元期间输出f1和f2两个载波之一。这两种方法产生2FSK信号的差异在于：由调频法产生的2FSK信呈在相邻码元之间的相位是连续变化的，而键控法产生的2FSK信号，是邮电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一不定期连续。频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。在2FSK中，载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为： （式1-1）； 典型波形如下图所示。由图1.1可见。2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。因此2FSK信号的时域表达式又可以写成： （式1-2）；图1.1 2FSK的典型波形图1.3 2FSK数字系统的调制原理 2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频w2的已调波形，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源w1、f2进行选择通。原理图如图1.2。图1.2 2FSK的调制原理图1.4 2FSK数字系统的解调原理2FSK的解调方式有两种:相干解调方式和非相干解调方式。我所用的为相干解调。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。原理图如图1.3。图1.3 2FS相干解调原理图第2章 基于SystemView的2FSK的系统仿真实现2.1使用SystemView实现2FSK模型仿真SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。在此次设计中，使用SystemView实现2FSK的调制部分与解调部分（相干解调），总体仿真框图如图2.1所示：图2.1 2FSK调制解调仿真设计图2.2 2FSK调制部分仿真设计根据第一章所提到的2FSK的调制原理，设计出2FSK调制部分设计图如图2.2所示：图2.2 2FSK调制部分设计图基带信号在经过整流之后就变成了单极性码，用高频信号调制后用加法器合并还原信号完整内容。各器件备注如下：Token0：基带信号（电平=1V；频率=4Hz，偏移=0）；其波形如下图2.3所示：图2.3 基带信号的波形图Token1：波形观察窗（示波器）；Token2：半波整流器（门限电压=0V）；当基带信号通过半波整流器后，其波形图如下图2.4所示：图2.4 基带信号通过半波整流器后的波形由上图可以看出，基带信号通过半波整流器后，其电平小于0V的部分被整流成0V输出。Token3：载波正弦信号发生器（f1；电平=1V；频率=10Hz）；其波形图如下图2.5所示：图2.5 载波正弦信号（f1），频率10HzToken4：乘法器；被整流后的波与载波信号f1相乘后的波形如下图2.6所示：图2.6 基带信号通过半波整流后与载波信号f1相乘后的波形Token5：反相器；Token6：半波整流器（门限电压=0V）；Token7：载波正弦信号发生器（f2；电平=1V；频率=20Hz）；其波形图如下图2.7所示：图2.7 载波正弦信号（f2），频率20HzToken8：乘法器；基带信号通过反相器、半波整流器后，与载波信号f2相乘后的波形图如图2.8所示：图2.8 基带信号通过反相器、半波整流器后，与载波信号f2相乘后的波形图Token9：波形观察窗（示波器）；Token27：波形观察窗（示波器）；Token34：波形观察窗（示波器）；Token35：加法器；通过加法器后，即是调制成功后的波形，如图2.9所示：图2.9 2FSK调制成功的波形2.3 2FSK解调部分仿真设计根据第一章所提到的2FSK的解调原理，设计出2FSK调制部分设计图如图2.10所示：图2.10 2FSK调制部分设计图2FSK信号的解调原理是通过带通滤波器将2FSK信号分解为上下两路2FSK信号后分别解调，然后进行抽样判决输出信号。各器件备注如下：Token32：带通滤波器（主要是过滤出与载波f1频率相同的波形）；2FSK调制后的波形，通过带通滤波器后的波形如图2.11所示：图2.11 2FSK通过带通滤波器后的波形Token14：载波正弦信号发生器（f1；电平=1V；频率=10Hz）；Token12：乘法器；通过带通滤波器器后与其载波正弦信号f1相乘后的波形如图2.12所示：图2.12 通过带通滤波器器后与其载波正弦信号f1相乘后的波形Token16：低通滤波器；通过低通滤波器后的波形如图2.13所示：图2.13 通过低通滤波器后的波形Token36：带通滤波器（主要是过滤出与载波f2频率相同的波形）；2FSK调制后的波形，通过带通滤波器后的波形如图2.14所示： 图2.14 2FSK通过带通滤波器后的波形Token15：载波正弦信号发生器（f2；电平=1V；频率=20Hz）；Token13；乘法器；通过带通滤波器器后与其载波正弦信号f2相乘后的波形如图2.15所示：图2.15 通过带通滤波器器后与其载波正弦信号f2相乘后的波形Token19：低通滤波器；Token20：反相器；通过低通滤波器后再反向的波形如图2.16所示：图2.16 通过低通滤波器后再反向的波形Token21：加法器；通过加法器后的波形如图2.17所示：图2.17 通过加法器后的波形Token31：信号发生器，在此为0电平输出，作为比较器的比较信号；Token30：判决器（参数设置为输入信号大于比较信号时，输出高电平=1V；输入信号小于比较信号时，输出低电平=-1V）；其通过判决器后的输出波形如图2.18所示：图2.18 解调后的波形2.4 仿真结果各部分搭建完成后，运行程序。可得仿真结果如下图2.19所示，第一子图为基带信号，第二子图为调制结果图，第三子图为解调结果图。图2.19 2FSK仿真结果2.5 系统性能分析对于数字传输系统而言，最重要的性能指标就是误码率。在白色高斯噪声信道中，误码率决定于监控体制和接收端的信噪比。对于2FSK调制与解调系统，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率。其中，相干检测法的误码率为： （式2-1）； 当信噪比很大时，上式可近似的表示为： （式2-2）；根据上面式子，可以计算出本系统的相干检测法的误码率。但本系统在仿真过程中，因抽样判决存在一些问题，导致误码率较高，而理论上相干调解性能优良，误码率很低。总结在三周的综合训练中，我利用所学知识，查找资料，多次修改后最终用Systemview搭建出仿真模型，觉得真的是一次好的锻炼。刚开始的时候，由于对软件的不了解，在查找合适的资料上花费了很多的时间，方案也修改了好几次，最后才制定了这个较合适的。在参数的设定时也遇到了很多麻烦，试了很多次才找到最合适的参数，使失真最小。本次设计主要涉及到了通信原理和Systemview的相关知识与运用，主要有频带信号的调制原理及方法、相干解调的原理及实现方法、带通和低通滤波器的特性、抽样判决的实现方法、信噪比和误码率的计算等等，但是因为时间较短，很多知识点都没有深入的去探究，还停留在一知半解的层面上，只是对总体的调制到解调过程有一个整体的概念，所以在加性高斯噪声和误码率的计算上还不甚明了，希望在以后的学习过程中能弥补。同时，经过这次综合训练让我更好的掌握了Systemview的基本应用，熟悉了很多操作。在设计时，不仅锻炼了自己独立思考问题、分析问题、解决问题的能力，还在和同样做这个综合训练的同学讨论中丰富了其他知