2FSK信号的解调与抗噪声性能分析

课程设计课程设计 课程设计名称 课程设计名称 通信综合 专专 业业 班班 级级 学学 生生 姓姓 名名 学学 号号 指指 导导 教教 师师 课程设计时间 课程设计时间 2014 年 电子信息工程专业课程设计任务书电子信息工程专业课程设计任务书 学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号 题题 目目2FSK 信号的解调与抗噪声性能分析 课题性质课题性质仿真 课题来源课题来源自拟课题 指导教师指导教师同组姓名同组姓名 主要内容主要内容 用数字基带信号改变正弦型载波的幅度 频率或相位中的某个参数 产生相应 的数字振幅调制 数字频率调制和数字相位调制 任务要求任务要求 1 掌握 2FSK 的调制与解调的实现方法 探索并分析其抗噪声性能 2 用 MATLAB 仿真设计一个 2FSK 信号的产生并进行调制解调的数字通信系 统 3 遵循本系统的设计原则 理顺基带信号 传输频带及两个载频三者间相 互间的关系 加深理解 2FSK 调制器与解调器的工作原理 学会对 2FSK 工作过 程进行检查及对主要性能指标进行测试的方法 参考文献参考文献 1 MATLAB 通信仿真开发手册 国防工业出版社 孙屹 2 现代通信系统分析与仿真 MATLAB 通信工具箱 西安电子科技大学 出版社 李建新 3 现代通信原理 清华大学出版社 曹志刚著 4 教学用 通信原理 教材 审查意见审查意见 指导教师签字 指导教师签字 教研室主任签字 教研室主任签字 20142014 年年 月月 日日 目录目录 一 课程设计的目的和意义 3 1 1 基本要求 3 1 2 课程设计的目的及意义 4 二 2FSK 的基本原理和实现 4 2 1 2FSK 的产生 5 2 2 2FSK 滤波器的调解及抗噪声性能 7 三 仿真设计步骤 9 1 首先要确定采样频率 fs 和两个载波 f1 f2的值 9 四 仿真程序 10 五 仿真结果及分析 13 5 1 仿真波形图如图 5 1 至图 5 5 所示 13 5 2 仿真结果的分析 18 六 课程设计总结 19 参考文献 19 2FSK2FSK 信号的解调与抗噪声性能分析信号的解调与抗噪声性能分析 一 课程设计的目的和意义一 课程设计的目的和意义 1 1 基本要求基本要求 掌握 2FSK 的调制与解调的实现方法 探索并分析其抗噪声性能 遵循本系 统的设计原则 理顺基带信号 传输频带及两个载频三者间相互间的关系 加 深理解 2FSK 调制器与解调器的工作原理 学会对 2FSK 工作过程进行检查及 对主要性能指标进行测试的方法 1 2 课程设计的目的及意义课程设计的目的及意义 本次课程设计是对通信原理课程理论教学和实验教学的综合和总结 通过 这次课程设计 使同学认识和理解通信系统 掌握信号是怎样经过发端处理 被送入信道 然后在接收端还原 要求学生掌握通信原理的基本知识 运用所 学的通信仿真的方法实现某种传输系统 能够根据设计任务的具体要求 掌握 软件设计 调试的具体方法 步骤和技巧 对一个实际课题的软件设计有基本 了解 能进一步掌握高级语言程序设计基本概念 掌握基本的程序设计方法 拓展知识面 激发在此领域中继续学习和研究的兴趣 为学习后续课程做准备 在信道中 大多数具有带通传输特性 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 可以用数字基带信号改变正弦型载波的幅度 频 率或相位中的某个参数 产生相应的数字振幅调制 数字频率调制和数字相位 调制 也可以用数字基带信号同时改变正弦型载波幅度 频率或相位中的某几 个参数 产生新型的数字调制 本课程设计旨在根据所学的通信原理知识 并基于 MATLAB 软件 仿真 一 2FSK 数字通信系统 2FSK 数字通信系统 即频移键控的数字调制通信系 统 频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息 在 2FSK 中 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 因此 一个 2FSK 信号的 波形可以看成是两个不同载频的 2ASK 信号的叠加 可以利用频率的变化传递 数字基带信号 通过调制解调还原数字基带信号 实现课程设计目标 二 二 2FSK 的基本原理和实现的基本原理和实现 二进制频率调制是用二进制数字信号控制正弦波的频率随二进制数字信号 的变化而变化 由于二进制数字信息只有两个不同的符号 所以调制后的已调 信号有两个不同的频率 f1 和 f2 f1 对应数字信息 1 f2 对应数字信息 0 二进制数字信息及已调载波如图 3 1 所示 图 3 1 2FSK 信号 2 1 2FSK 的产生的产生 在 2FSK 信号中 当载波频率发生变化时 载波的相位一般来说是不连续 的 这种信号称为不连续 2FSK 信号 相位不连续的 2FSK 通常用频率选择法 产生 如图 3 2 所示 图 3 2 2FSK 信号调制器 两个独立的振荡器作为两个频率发生器 他们受控于输入的二进制信号 二进制信号通过两个与门电路 控制其中的一个载波通过 调制器各点波形如 图 3 3 所示 图 3 3 2FSK 调制器各点波形 由图 3 3 可知 波形 g 是波形 e 和 f 的叠加 所以 二进制频率调制信号 2FSK 可以看成是两个载波频率分别为 f1 和 f2 的 2ASK 信号的和 由于 1 0 统计独立 因此 2FSK 信号功率谱密度等于这两个 2ASK 信号功率谱密度 之和 即 3 1 2FSK 信号的功率谱如图 3 4 所示 图 3 4 2FSK 信号的功率谱 由图 3 4 看出 2FSK 信号的功率谱既有连续谱又有离散谱 离散谱位于 两个载波频率 f1 和 f2 处 连续谱分布在 f1 和 f2 附近 若取功率谱第一个零点 以内的成分计算带宽 显然 2FSK 信号的带宽为 3 2 为了节约频带 同时也能区分 f1 和 f2 通常取 f1 f2 2fs 因此 2FSK 信号的 带宽为 3 3 当 f1 f2 fs 时 图 3 4 中 2FSK 的功率谱由双峰变成单峰 此时带宽为 3 4 对于功率谱是单峰的 2FSK 信号 可采用动态滤波器来解调 此处介绍功 率谱为双峰的 2FSK 信号的解调 2 2 2FSK 滤波器的调解及抗噪声性能滤波器的调解及抗噪声性能 2FSK 信号的解调也有相干解调和包络解调两种 由于 2FSK 信号可看做 是两个 2ASK 信号之和 所以 2FSK 解调器由两个并联的 2ASK 解调器组成 图 3 5 为 2FSK 相干和包络解调 图 3 5 2FSK 信号调解器 相干 2FSK 抗噪声性能的分析方法和相干 2ASK 很相似 现将收到的 2FSK 信号表示为 3 5 波频率为 f1 信号能通过上支路的带通滤波器 上支路带通滤波器的输出是信 号和窄带噪声 ni1 t 的叠加 噪声中的下标 1 表示上支路窄带高斯噪声 即 3 6 此信号与同步载波 cos2 f1t 相乘 再经低通滤波器滤除其中的高频成分 送 给取样判决器的信号为 3 7 上式中未计入系数 1 2 与此同时 频率为 f1 的 2FSK 信号不能通过下支路中 的带通滤波器 因为下支路中的带通滤波器的中心频率为 f2 所以下支路带通 滤波器的输出只有窄带高斯噪声 即 3 8 此噪声与同步载波 cos2 f2t 相乘 再经低通滤波器滤波后输出为 3 9 上式中未计入系数 1 2 定义 3 10 取样判决器对 x t 取样 取样值为 3 11 其中 nI1 nI2 都是均值为 0 方差为的高斯随机变量 所以 x 是均值为 a 方差为的高斯随机变量 x 的概率密度函数为 3 12 概率密度曲线如图 3 6 所示 图 3 6 判决值的函数示意图 判决器对 x 进行判决 当 x 0 时 判发送信息为 1 此判决是正确的 当 x 0 时 判决发送信息为 0 显然此判决是错误的 由此可见 x st2 i 时 则 st 1 否则 st 0 四 仿真程序四 仿真程序 fs 2000 采样频率 dt 1 fs 采样间隔 f1 50 f2 150 两个载波信号的频率 a round rand 1 10 产生原始数字随机信号 g1 a g2 a 将原始数字信号反转与 g1 反向 g11 ones 1 2000 g1 进行抽样 g1a g11 将数字序列变成列向量 g21 ones 1 2000 g2 g2a g21 t 0 dt 10 dt 在 0 10 dt 之间取值 取值间隔为 dt t1 length t fsk1 g1a cos 2 pi f1 t 得到频率为 f1的 fsk1已调信号 fsk2 g2a cos 2 pi f2 t 得到频率为 f2的 fsk2已调信号 fsk fsk1 fsk2 已产生 2FSK 信号 figure 1 no 0 01 randn 1 t1 产生的随机噪声 sn fsk no subplot 3 1 1 plot t no 随机噪声的波形 title 噪声波形 ylabel 幅度 subplot 3 1 2 plot t fsk 2FSK 信号的波形 title 2fsk 信号波形 ylabel 幅度 subplot 3 1 3 plot t sn title 经过信道后的 2fsk 波形 ylabel 幅度 xlabel t figure 2 fsk 的解调 b1 fir1 101 48 1000 52 1000 b2 fir1 101 145 1000 155 1000 设置带通滤波器的参数 H1 filter b1 1 sn H2 filter b2 1 sn 经过带通滤波器后的信号 subplot 2 1 1 plot t H1 经过带通滤波器 1 的波形 title 经过带通滤波器 f1 后的波形 ylabel 幅度 subplot 2 1 2 plot t H2 经过带通滤波器 2 的波形 title 经过带通滤波器 f2 后的波形 ylabel 幅度 xlabel t sw1 H1 H1 经过相乘器 1 的信号 sw2 H2 H2 经过相乘器 2 的信号 figure 3 subplot 2 1 1 plot t sw1 title 经过相乘器 h1 后的波形 ylabel 幅度 subplot 2 1 2 plot t sw2 title 经过相乘器 h2 后的波形 ylabel 幅度 xlabel t bn fir1 101 2 1000 52 1000 设置低通滤波器的参数 figure 4 st1 filter bn 1 sw1 st2 filter bn 1 sw2 subplot 2 1 1 plot t st1 经过低通滤波器 1 的波形 title 经过低通滤波器 sw1 后的波形 ylabel 幅度 subplot 2 1 2 plot t st2 经过低通滤波器 1 的波形 title 经过低通滤波器 sw2 后的波形 ylabel 幅度 xlabel t for i 1 length t if st1 i st2 i st i 1 else st i 0 end end figure 5 subplot 2 1 1 plot t st 经过抽样判决器后解调出的波形 title 经过抽样判决器后解调出的波形 ylabel 幅度 subplot 2 1 2 plot t g1a 原始的数字序列波形 title 原始数字序列的波形 ylabel 幅度 xlabel t 五 仿真结果及分析五 仿真结果及分析 5 1 仿真波形图如图 仿真波形图如图 5 1 至图至图 5 5 所示 所示 图 5 1 噪声波形 2FSK 信号波形和经过信道后的 2FSK 波形图 图 5 2 经过带通滤波器的波形图 图 5 3 经过相乘器的波形图 图 5 4 经过低通滤波器后的波形图 图 5 5 经过相干解调后与原始数字信号的波形的对比图 5 2 仿真结果的分析 仿真结果的分析 2FSK 信号的调制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 本实验对信号 2FSK 采用相干解调进行解调 由 2FSK 原理 相位不连续 2FSK 信号的功率谱由连 续谱和离散谱组成 其中 连续谱由两个中心位于 f1 和 f2 处的双边谱叠加而 成 离散谱位于两个载频 f1 和 f2 处 连续谱的形状随着两个载频之差的大小 而变化 若 f1 f2 fs 则 出现双峰 图 5 1 为噪声的波形 2FSK 信号的波形以及经过信道后噪声 对 2FSK 信号的波形 从图 5 1 可以看出噪声对 2FSK 信号波形产生了干扰作 用 图 5 2 说明经过带通滤波器后滤除了带外噪声 并且两个带通滤波器分别 滤除了频率为 f1 和频率为 f2 的波形 中心频率为 f1 的带通滤波器只允许中心 频率为 f1 的信号频谱成分通过 滤除中心频率为 f2 的信号频谱成分 从图 5 2 可以看出由于反码的作用 频率为 f1 的波形与频率为 f2 的波形表现出反码的 规律 由于经过相乘器后频率倍频了 且是与同频同相的载波相乘 所以幅度 全为正 如图 5 3 所示 信号再通过低通滤波器滤除高频成分后 只有频率分 别为 f1 和 f2 的成分 从图 5 4 的波形图即可看出频率为单一的频率 最后经 过判决器后将频率为 f1 与频率为 f2 的进行大小比较 即频率为 f1 的波形的幅 度大于频率为 f2 的波形的幅度时 判决器输出 1 否则输出 0 从图 5 5 知 解调波形与原始数字信号波形基本一致 所以成功的解调出原始数字信号 六 课程设计总结六 课程设计总结 本次课程设计首先要选择合适的采样频率 采样间隔的大小会影响所得图 像的质量 在程序的编写和调试中很容易出现的错误是 在设计矩阵相乘或数 列矩阵的相乘中 必须符合相乘的要求 即矩阵相乘时 左边的矩阵的列数与 右边矩阵的行数相等 加强了我们动手 思考和解决问题的能力 我觉得做课程设计同时也是对 课本知识的巩固和加强 由于课本上的知识太多 平时课间的学习