基于MATLAB的二进制移频键控调制(2FSK)与解调分析.docx

武汉理工大学信号分析处理课程设计目 录摘 要11.通信技术传输模型22.matlab工具箱simulink简介43.二进制移频键控调制2fsk原理分析54. 移频键控2fsk调制与解调仿真84.1simulink仿真模型图84.2仿真电路各部分参数设置94.3调制及解调仿真波形图115.matlab2fsk仿真程序代码135.1 2fsk信号产生程序代码及运行结果135.2 2fsk调制解调程序代码及运行结果16心得体会19参考文献20摘 要移频键控（2fsk）是数据通信中最常用的一种调制方式。2fsk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：2fsk，matlab，信道传输，调制解调1.通信技术传输模型通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图1-1所示。图1-1通信系统一般模型通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2所示。 图1-2 数字通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-3所示。图1-3 模拟通信系统模型数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。 图 1-4数字调制系统的基本结构数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的三种数字调制方式是：振幅键控(ask)、移频键控(fsk)和移相键控(psk 或dpsk)。本章重点论述2fsk数字调制系统的原理及其抗噪声性能。2.matlab工具箱simulink简介在通信领域matlab更是优势明显，因为通信领域中很多问题是研究系统性能的，传统的方法只有构建一个实验系统，采用各种方法进行测量，才能得到所需的数据，这样不仅需要花费大量的资金用于实验系统的构建，而且系统构建周期长，系统参数的调整也十分困难。而matlab的出现使得通信系统的仿真能够用计算机模拟实现，免去构建实验系统的不便，而且操作十分简便，只需要输入不同的参数就能得到不同情况下系统的性能，而且在结构的观测和数据的存储方面也比传统的方式有很多优势。因而matlab在通信仿真领域得到越来越多的应用simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。用simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过simulink的菜单或matlab的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用scope模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到matlab的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、matlab的许多工具及matlab的应用工具箱。由于matlab和simulink的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。3.二进制移频键控调制2fsk原理分析在二进制数字调制中,若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化,则产生二进制移频键控信号(2fsk信号).二进制移频键控信号的时间波形如图所示,图中波形g可分解为波形e和波形f,即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加. 若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1,0符号对应于载波频率f2,则二进制移频键控信号的时域表达式为 图 3- 1 二进制移频键控信号的时间波形 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- 7 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. 二进制移频键控信号的解调方法很多,有模拟鉴频法和数字检测法,有非相干解调方法也有相干解调方法. 采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图2 - 8 所示. 其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号,分别进行解调,通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号.非相干解调过程的时间波形如图 2 - 9 所示. 图 3-2 数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图图 3-3 2fsk非相干解调过程的时间波形过零检测法解调器的原理图和各点时间波形如图所示.其基本原理是,二进制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而异,通过检测过零点数从而得到频率的变化. 在图中,输入信号经过限幅后产生矩形波,经微分, 整流,波形整形,形成与频率变化相关的矩形脉冲波,经低通滤波器滤除高次谐波,便恢复出与原数字信号对应的基带数字信号.4. 移频键控2fsk调制与解调仿真4.1simulink仿真模型图2fsk信号产生的simulink仿真模型图如下所示：图4-1 2fsk信号的simulink模型方框图其中sin wave和sin wave1是两个频率分别为f1和f2的载波，pulse generator模块是信号源，not实现方波的反相，最后经过相乘器和相加器生成2fsk信号。相乘器的设计，实则为一乘法器，将带通滤波器出来的信号与本地载波相乘，解调模块两个低通滤波器参数设置，此处两个低通滤波器的设置参数一致,观察仿真原理图，输入原始信号分为两路信号，一路与高频载波在乘法器相乘，另外一路在经过反向器后与载波相乘，在加法器之后形成2fsk信号。4.2仿真电路各部分参数设置载波f1的参数设置, 其中幅度为1，f1=100hz,在此选择载波为单精度信号。图4-2 载波sin wave1的参数设置f2的参数设置: 载波是幅度为1，f2=20 hz,单精度正弦载波信号。图4-3 载波sin wave2的参数设置本来信号源s(t)序列是用随机的0 1信号产生，在此为了方便仿真就选择了基于采样的pulse generator信号模块其参数设置如下：图4-4 pulse generator信号模块参数设置其中方波是幅度为1，周期为3，占1比为1/3的基于采样的信号。其中from file是一个封装模块，就是2fsk信号的调制模块，两个带通滤波器分别将2fsk信号上下分频f1和f2 ,后面就和2ask信号的解调过程相同，各参数设置如下：图4-5 2fsk信号f1和f2带通滤波器参数设置图4-6 2fsk信号f1和f2低通滤波器参数设置4.3调制及解调仿真波形图经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形如下：图4-7 调制信号波形图4-8 解调波形前后变化图4-9 输出信号波形与原始信号对比观察上图第四个输出波形，为解调之后输出信号，对比第一个波形信号，即原始信号，输出信号在经过抽样判决后，波形左端第一个正脉冲有一定变形失真，宽度明显大于之后的连续正脉冲宽度，所以第一个正脉冲之后的波形信号都是对原始输入信号一致，可能存在一定的时延，所以在经过调制和解调环节之后，能狗准确的还原输入信号。5.matlab2fsk仿真程序代码2fsk是利用数字基带信号控制在波的频率来传送信息。例如，1码用频率f1来传输，0码用频率f2来传输，而其振幅和初始相位不变。假设码元的初始相位为两个不同的码元的角频率；幅度为a为一常数，表示码元的包络为矩形脉冲。2fsk信号的产生方法有两种：即用数字基带信号作为调制信号进行调频。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。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。5.1生成2fsk的程序代码及运行结果clear allclose alli=10;%基带信号码元数j=5000;a=round(rand(1,i);%产生随机序列t=linspace(0,5,j);f1=10;%载波1频率f2=5;%载波2频率fm=i/5;%基带信号频率b1=2*f1;%载波1带宽b2=2*f2;%载波2带宽%产生基带信号st1=t;for n=1:10 if a(n)=1; st2(n)=0; else st2(n)=1; end end; figure(1); subplot(411); plot(t,st1); title(基带信号); axis(0,5,-1,2); subplot(412); plot(t,st2); title(基带信号反码); axis(0,5,-1,2); %载波信号 s1=cos(2*pi*f1*t); s2=cos(2*pi*f2*t); subplot(413) plot(s1); title(载波信号1); subplot(414), plot(s2); title(载波信号2); %调制 f1=st1.*s1;%加入载波1 f2=st2.*s2;%加入载波2 figure(2); subplot(311); plot(t,f1); title(s1*st1); subplot(312); plot(t,f2); title(s2*st2); e_fsk=f1+f2; subplot(313); plot(t,e_fsk);title(2fsk信号)图5-1基带信号和载波信号仿真波形图5-2解调之后产生的2fsk信号波形图5.2 2fsk调制解调程序及运行结果fc=10; %载频 fs=35; %系统采样频率 fd=1; %码速率 n=fs/fd; df=10; numsymb=25;%进行仿真的信息代码个数 m=2; %进制数 snrpbit=60;%信噪比 snr=snrpbit/log2(m);%60 seed=12345 54321; numplot=15; x=randsrc(numsymb,1,0:m-1);%产生25个二进制随机码 figure(1) stem(0:numplot-1,x(1:numplot),bx);%显15个码元，杆图，从x的前十五个随机数中选取 title(二进制随机序列) xlabel(time); ylabel(amplitude); %调制 y=dmod(x,fc,fd,fs,fsk,m,df);%数字带通调制 nummodplot=numplot*fs; %15*40 t=0:nummodplot-1./fs;%数组除法（仿真时间） figure(2) plot(t,y(1:length(t),b-); axis(min(t) max(t) -1.5 1.5); title(调制后的信号) xlabel(time); ylabel(amplitude);%相干解调带输出波形的相干m元频移键控解调 figure(3) stem(0:numplot-1,x(1:numplot),bx); hold on; stem(0:numplot-1,z1(1:numplot),ro); hold off; axis(0 numplot -0.5 1.5)