FSK调制解调系统的仿真与分析毕业设计.doc

题 目 FSK调 制 解 调 系 统 的 仿 真 与 分 析 学生姓名 杨 粉 粉 学号 1113024097 所在学院 物 理 与 电 信工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1103 班 指导教师 魏 瑞 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015年6月4日 毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1103班 学生姓名 杨 粉 粉 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。一、毕业论文设计题目 FSK调制解调系统的仿真与分析 二、毕业论文设计工作自 2015 年 1 月 10 日 起至 2015 年 6 月 15 日止聞創沟燴鐺險爱氇谴净。三、毕业论文设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室 四、毕业论文设计的内容要求： 数字调制解调技术的发展不断更新，如今在现实中应用的数字调制系统大部分都是经过改进的，性能较好的系统，但是，作为理论发展最成熟的调制解调方式，对FSK的研究仍然具有非常大的意义，因此，选择FSK调制解调方式进行仿真研究。本次毕业设计运用仿真软件对FSK调制解调系统进行性能分析。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 本次毕业设计要求： 1. 运用仿真软件实现三种进制下FSK调制解调过程的仿真并观测调制解调过程中观察各个环节时域和频域的波形； 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 2. 结合三种不同信道环境对比三种进制下FSK调制解调系统的频谱特点与误码率情况； 3. 对仿真结果进行分析。 五、毕业论文设计应收集资料及参考文献： 阅读和学习关于FSK调制解调系统和计算机仿真技术方面的专业资料，参阅的外文文献不少于3篇。 六、毕业论文设计的进度安排： 1月10日3月20日：查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。 3月21日4月20日：完成FSK调制解调系统的基本仿真设计并提交中期检查报告。 4月21日5月20日：进一步完善FSK调制解调系统的仿真设计，准备作品验收。 5月21日6月15日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。 指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 IIFSK调制解调系统的仿真与分析 杨粉粉（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业 2011级3班，陕西 汉中 723003）指导教师：魏瑞摘要数字调制技术是通信系统中最主要的一项技术，也是提高通信系统性能的重要途径。本次设计运用MATLAB软件的仿真环境Simulink搭建了2FSK、4FSK和8FSK的仿真模型；其次，分析这三种不同进制下的FSK分别在高斯、瑞利、莱斯信道环境下的误码率与频谱性能。最后，同种进制下的FSK在高斯信道环境下的波形畸变较大，但总体性能最好，在瑞利的信道环境中最差；不同进制下的FSK随着进制数的增大，其频谱的主瓣也越来越宽，且误码率也越来越大。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。关键词MATLAB;FSK调制;FSK解调;仿真FSK simulation and analysis of FSK demodulation system謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。Yang Fenfen(Grade 2011,Class3,Major of Communication Engineering ,Dept of Electrinics and Information Engineering Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi)厦礴恳蹒骈時盡继價骚。Tutor:Wei RuiAbstract：Digital modulation technology is the most important technology in communication system, and it is also an important way to improve the performance of communication system. 2FSK, 4FSK and 8FSK three decimal simulation models are built by the Simulink simulation environment of MATLAB software;secondly, the BER (bit error rate) and spectral properties of this three different binary FSK are analyzed respectively under the Gaussian, Rayleigh, Rician channels. Finally, in Gaussian channel, the same binary of FSK waveform distortion is largest,but the overall performance is the best, and the worst is in the Rayleigh channel environment; the bigger hexadecimal number is, the wider the spectrum of the main lobe is, and the bigger BER is. 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。Key words：MATLAB;FSK modulation ;FSK demodulation ; Simulation鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。目 录引言1籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。1 研究方案3預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.1 研究目标3渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.2 方案设计3铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.3 方案分析与选择5擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.4 软件介绍6贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2 FSK工作原理8坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.1 2FSK的表达式以及波形图8蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.2 2FSK信号的调制与解调8買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.3 MFSK频率调制系统9綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。3 仿真与分析11驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3.1 2FSK调制解调仿真11猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3.1.1 2FSK系统模块参数的设置11锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。3.1.2 三种信道下运行结果波形显示12構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.1.3 三种信道下运行结果频谱显示15輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.2 4FSK调制解调仿真16尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.2.1 4FSK系统模块参数的设置16识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。3.2.2 三种信道下运行结果波形显示17凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.2.3 三种信道下运行结果频谱显示20恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。3.3 8FSK调制解调仿真20鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3.3.1 8FSK软件设计思路20硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.3.2 原理框图21阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。3.3.3 仿真结果分析21氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.4 误码率显示25釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3.5 频谱特性与误码率分析26怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.5.1 频谱特性和波形分析26谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.5.2 误码率分析27嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。结束语28熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。致谢29鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。参考文献30纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。附录A:科技文献31颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。附录B:2FSK调制解调仿真模块电路图40濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。附录C:4FSK调制解调仿真模块电路图41銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。附录D:8FSK调制解调源程序代码42挤貼綬电麥结鈺贖哓类。附录E:误码率源程序代码44赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。V陕西理工学院毕业设计引言 如今社会通信技术的发展速度可谓是日新月异，计算机的出现在现代通信技术的各种媒体中占有独特的地位，计算机在当今社会的众多领域里不仅为各种信息处理设备被使用，而且它与通信相结合，使电信业务更加丰富。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。 课题来源于老师，旨在设计一个FSK调制解调系统并分析其波形、频谱、误码率。了解FSK调制/解调的基本理论，分析设计一个完整的FSK发送与接收系统，并对系统进行仿真分析与设计，以此提高自己的分析材料、解决问题和设计能力。调制解调技术在通信系统中占据非常重要的地位，从消息变换来的原始信号具有较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不适宜进行传输，因此，在通信系统中的发送端常常需要调制过程，而在其接受端则需要反调制过程-解调过程。调制就是按调制信号的变化规律去改变高频载波的某些参数的过程；解调的实质是频谱的搬移。它的优劣决定了通信系统的性能，是软件无线电的关键所在。总而言之，FSK调制解调技术的研究不仅可以更加精确的处理信号相位，提高系统频带宽度，而且还可使用数字电路和软件相结合的方法，在数字基带传输系统中应用广泛。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。 1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876年贝尔发明了电话,由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替1。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 就目前大多数的FSK调制解调技术而言，其主要由发送端、中间传送的信道和接收端这三大部分组成。在FSK中，接收端接收到载波信息，并对接收信号进行调制处理后，会将信息送至信道进行传送，传送到接收端，然后在接收端上利用解调把信道传送过来的信息还原。通常来说，FSK调制解调技术的研究可以将人们的生活便利化、智能化，让他们的生活会越来越好。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。 提供较高的频谱效率；必须有好的频谱特性，降低带外辐射，减少干扰；具有抗多径衰落等特性，保证好的信噪比，以获得好的误码性能；便于采取简单的调制解调方法；易于实现，成本低廉，可减小设备尺寸。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。 FSK调制解调系统应用广泛，遍及在各个领域。其也在电力线载波通信系统中得到了应用，目前采用FSK方式的国家和地区有：美国、中国、日本、英国、加拿大、比利时、西班牙、新加坡等，而且针对FSK信号在这些领域的应用，国内外己经有大量的研究成果。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。 应用案例： (1)蓝牙(Bluetooth)通信设备。 (2)医学植入微电子器件。 (3)便携式消费电子。 (4)铁路信号控制系统中的频移自动闭塞系统。 论文共分4章节，第1章节是对FSK调制解调系统仿真的研究思路；第2章节是FSK调制解调系统工作原理的分析与掌握；第3章节是基于仿真软件对FSK调制解调系统的仿真与分析。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。 第一章为研究方案，介绍这次毕业设计的研究目标、方案设计：其中包括有文字说明和框图表示、方案的分析与选择：经过比较三种方案的优缺点，最终确定一种方案进行毕业设计、软件介绍：本次毕业设计的实现平台及其它的简介。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。 第二章为FSK工作原理，概述数字信号调制与解调的原理，2FSK信号、4FSK信号、8FSK信号的产生原理，用什么方法进行来实现其数字调制信号与解调信号。 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。 第三章为系统的仿真与分析，基于第一章节和第二章节的知识基础之上，借助于MATLAB软件平台来完成2FSK信号、4FSK信号的模块仿真与8FSK信号程序的仿真，并按照任务书来观测调制解调过程中观察各个环节时域和频域的波形；并结合三种不同信道环境对比三种进制下FSK调制解调系统的频谱特点与误码率情况；最终，对仿真结果进行分析。 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 第四章为结束语，因为在设计过程中会遇到不少问题，比如说：基础知识的不牢固、对一些常用的应用软件缺少应用、相关知识掌握不够全面，缺少系统设计仿真的经验等等问题，这就需要我们对自己进行反思，也需要我们及时的与老师进行沟通，更要学会高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料，并且需要我们不断地对模块参数进行修改来达到预期的效果。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。 1 研究方案1.1 研究目标(1)设计一个具体的FSK调制与解调系统； (2)该系统针对三种进制情况下的调制解调系统仿真；(3)该系统在上步基础上通过三种信道情况下的调制解调系统仿真； (4)观测调制解调过程中观察各个环节时域和频域的波形； (5)对仿真结果的频谱特点与误码率情况进行分析。 1.2 方案设计方案一：基于单片机的FSK方案设计 用集成电路构成FSK调制解调器是一个较好的方案，但难以应用于线路干扰强的场合。我用MCS51系列单片机实现FSK调制解调器，不仅结构简单，而且实用2。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。FSK由频率调制器产生不同的频率，常常在二进制中用和两种频率，其代表码元“0”，代表码元“1”。调制数据的码元决定频率调制器的输出频率，实现其FSK有频率选择法、调频法和数字调频法。频率选择法输出频率稳定、准确，但相位不连续，容易产生带外辐射，影响邻近信道。调频法虽然相位连续，但是频率精度不高，稳定性差，外界条件变化时，容易产生频率漂移。数字调频法解决了上述的问题，又兼有这两种的优点。因此，在单片机方案设计中，我选择数字调频法3。其数字调频法的原理框图如图1.1所示。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 晶振 D/A固定分频可变分频脉冲形成 FSK鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。 调制数据输入 图1.1 基于单片机调制原理框图 在单片机中，FSK的解调就是从FSK载波信号中恢复出原始基带信号，其方法就是相干解调和非相干解调两类。其中，非相干解调容易在单片机中实现，所以，常用的是非相干解调3，其原理框图如图1.2所示。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。带通滤波器整形鉴频判决 FSK 原始基带信号 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。 图1.2 非相干解调原理框图 载波信号经过带通滤波器后变成宽度不同的方波，这些方波代表着不同的码元；鉴频器确定对应载波频率，根据频率判决对应码元。实现FSK解调涉及的技术难度问题都比较大，一般使用带通滤波器、倍频器、锁相环等，电路较为复杂一些。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。方案二：基于FPGA的FSK方案设计 基于FAPGA的FSK调制解调系统仿真里面，在调制解调中，它的设计比较灵活。该方案设计也是基于键控法设计调制模块，利用过零检测法实现其解调模块，使其在最后输出原始基带信号。在这个FPGE设计中，它的原理上输出的信号和基带信号是一致的，也满足整个设计要求，且整个系统还具有较高的稳定性4。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。在调制模块中，是由两个分频器，两个载波和选通开关组成的5。其具体实现调制的原理框图如图1.3所示。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。 clkstart 载波2分频器2已调信号 二选一选通开关 载波1分频器1基带信号 图1.3 基于FPGA调制原理框图 基于FPGA的解调中，是由分频器，寄存器，计数器，判决器组成的。其中分频器是一种基本电路，通常用来对某个频率进行分频得到所需的频率，整数分频器可采用计数器设计实现。判决器是对到来的码元按照判决门限进行判决5。其具体的解调原理框图如图1.4所示。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。clkstart寄存器判决计数器分频器基带信号基带信号 图1.4 基于FPGA解调原理框图方案三：基于MATLAB的FSK方案设计 基于MATLAB的FSK仿真中， 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。从原理上讲，2FSK信号的产生方法有两种：呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。 1.模拟法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频。模拟调频器 基带信号 FSK信号莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。 振荡器1相加器 反相器 选通开关 振荡器2 选通开关 图1.5 模拟法 2.键控法，注意：选通开关也可用乘法器。 图1.6键控法 频移键控信号常用的解调方式有多种，其有相干解调、非相干解调（包络检测法）、过零检测法、鉴频法和差分检波法等等。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。1. 非相干解调法，具体原理框图如图1.7所示。 带通滤波器1抽样脉冲 带通滤波器2抽样判决包络检波器包络检波器 图1.7 非相干解调法原理框图2.相干解调法，具体原理框图如图1.8所示。 低通滤波器2 带通滤波器2 带通滤波器1 低通滤波器1 相乘器 相乘器 抽样判决器 抽样脉冲 图1.8 相干解调法原理框图 3.过零检测法，具体原理框图如图1.9所示。 脉冲展宽 抽样判决限幅 BPF整流 微分低通 图1.9 过零检测法原理框图 1.3 方案分析与选择方案一：单片机方案分析单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上，构成的一个小而完善的计算机系统。其特点如下：納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。优点:（1）系统结构简单，使用方便，实现模块化； （2）单片机可靠性高； （3）处理功能强，速度快； （4）低电压，低功耗，便于生产便携式产品； （5）控制功能强，环境适应力强。缺点:（1）运行速度慢是因为集中指令结构，而且芯片为了抗干扰采用了12分频法； （2）所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱； （3）芯片里面的P0口没有上拉电阻； （4）芯片不能定义成内部复位方式，只能用外部微分电路复位； （5）芯片内部没有RC振荡。如要芯片正常工作，需要外加振荡源； （6）功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。 方案二： FPGA方案分析 FPGA是现场可编程门阵列，其可以设计为各种逻辑功能，设计灵活。当然它也可嵌入各种CPU做为处理器，如：8051，ARM，NIOS_ii等等构架的CPU. FPGA；新型FPGA可以用内部乘法器/寄存器/内存块构造软核。其特点如下：風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。优点：（1）在高速信号处理时，可以采用并行结构，大大提高处理速度，甚至可以超过目前最快的DSP，适合与高速场合；灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。 （2）设计周期短，逻辑单元灵活； （3）集成度高； （4）可实现较大规模的电路； （5）编程很灵活。缺点：（1）功耗较大； （2）编程数据信息在系统断电丢失； （3）使用方法复杂，保密性差。方案三： MATALB方案分析 MATLAB 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两大部分。其特点如下：铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。优点：（1）在计算要求相同时，MATLAB编程工作量大大减小； （2）MATLAB工具包都是现成的，调用一下很方便； （3）在各类仿真中，MATLAB是主要解决电子信息中的问题，可以做出仿真结果; （4）计算功能强大，速度快，精度高； （5）编写程序简单，易懂。缺点：在与其他数学软件相比较的话，最主要的缺点有两点，分别是： （1）循环的执行速度、符号计算功能比较弱； （2）参数设置比较困难； （3）价格比较贵。方案选择 我在本次设计中，将借助于MATLAB平台来完成FSK调制解调系统仿真。原因有以下几点：（1） 考虑到实现软件功能的灵活性，方便，电路的复杂度，预采用MATLAB实现；（2） 在实际情况中，由于要观察各个时期的波形变化和误码率观察，特别是频谱特性的观察。在硬件电路中它的元器件多，波形在调制解调时也容易失真难以观察，但在软件中就很容易实现的。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。（3） 在硬件电路中，多进制频移键控是很难完成的，可以想象其在调试阶段是多么的困难。（4） 最主要的是由于自身的原因。一方面，自己本来就在硬件方面是弱项，再加上做硬件的不可能一次两次就成功的，这是需要不停地调试。另一方面，在仿真这块，我们接触的最多的就是MATLAB仿真，在Simulink环境中搭建模块的话比较便捷，并且可以达到毕设的要求，美中不足的就是参数设置不太好调试。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。综上所述，由于多种原因，自己会采用基于MATALB的Simulink环境下进行FSK的调制解调系统仿真与分析。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。1.4 软件介绍MATLAB简介 MATLAB是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充MATLAB的功能，使其成为了巨大的知识宝库。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且Mathworks也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、C+ 、JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用。MATLAB有着强大的功能且应用范围非常广，可以用来进行多种工作，具体如下：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。MMATLAB被称为第四代计算机语言。它的最突出的特点就是简洁，它用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。Simulink简介 Simulink是MATLAB的重要组成部分，Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，它具有相对独立的功能和使用方法。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。Simulink的文件类型为.mdl。 Simulink支持连续与离散系统，也支持线性与非线性系统。Simulink里包括一些控制工具箱，例如控制系统工具箱，模糊逻辑工具箱，非线性控制设计模块等等。用户还可以创建与定制自己的功能模块，而不一定只使用simulink系统软件提供的标准模块。这样，用户就可以自行扩充软件的使用范围。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。Simulink的主要功能时实现动态系统建模仿真与分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分、拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。在其下提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为为：从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。2 FSK工作原理2.1 2FSK的表达式以及波形图 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和两个频率点间变换，则产生二进制频移键控信号（2FSK信号）6。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。 在二进制中基带信号当中，数字1可代表一种载波频率，则数字0代表的载波频率。故其时域表达式为2.1所示。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。 （2.1) 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2.2所示。 （2.2) 其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列为2.3所示。 （2.3) （2.4） g(t)是持续时间为、高度为1的门函数； 为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即式为2.5所示。 （2.5） 是的反码，即若 =0，则 =1；若=l，则 =0，于是式为2.6所示。 （2.6） 、分别是第n个信号码元的初相位。一般说来，键控法得到的、与序号n无关，反映在上，仅表现出当与改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于与改变时的相位是连续的，故、不仅与第n个信号码元有关，而且、之间也应保持一定的关系。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。由式（2-2）可以看出,一个2FSK信号可视为两路2ASK信号的合成，其中一路以s(t)为基带信号、为载频，另一路以s(t)基带信号、为载频。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。2.2 2FSK信号的调制与解调二进制频移键控产生方法如图2.1所示，其(a)图是模拟法产生FSK信号，（b）图是采用键控法产生FSK信号。其中在键控法实现时，和是两个独立的载波频率，在基带脉冲到来时会输出一个载波频率，即实现2FSK信号的调制。模拟法调制产生的2FSK 相连码元信号相位是连续变化的，而（b）产生的2FSK信号在两个独立的频率间进行转换，故其相邻码元之间的相位是不连续的7。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。 模拟调制器 键控法调制器 输入 输出 输入 输出臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。 （a）模拟法 (b)键控法鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。图2.1 2FSK信号产生及波形显示二进制频移键控的常用解调方法有很多种，比如说是非相干解调、相干解调、过零检测法、鉴频法和差分检波法等等。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。采用非相干解调、相干解调和过零检测法的原理框图如图2.2和2.3所示。其非相干解调和相干解调的原理是将调制后的2FSK信号经过带通滤波器后分成上下两路振幅键控信号，分别进行解调，通过对上下两路的抽样值进行判决再输出信号。这里抽样判决的话是对两路抽样值的大小，可不用设置门限。判决规则应予调制规则相呼应，调制时若1符号是对应载波,则接受上或下的支路样值较大则应判为1，反之为07.隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。 带通滤波器1 包络检波器 抽样脉冲 包络检波器 带通滤波器2 抽样判决器 图2.2 非相干解调法原理框图 带通滤波器2 带通滤波器1 低通滤波器1 低通滤波器2 相乘器 相乘器 抽样判决器抽样脉冲 图2.3 相干解调法原理框图 过零检测法解调的原理框图2.4所示，其基本原理是：单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。在图中，2FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的尖脉冲序列，这些尖脉冲的密集程度反映了信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点数。把这些尖脉冲变换成较宽的矩形脉冲，以增大其直流分量，该直流分量的大小和信号频率的高低成正比。然后经低通滤波器取出此直流分量，这样就完成了频率幅度变换，从而根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”7。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。 BPF限幅微分 抽样判决器 脉冲展宽低通 整流 图2.4 过零检测法原理框图2.3 MFSK频率调制系统 多进制数字频率调制简称MFSK，它就是2FSK方式的推广。MFSK的表达式可表示为2.7所示。 （2.7）式中,当在时间间隔0=tTs,发送信号为i时；,当在时间隔0=tTs,发送信号不为i时7。式中w为角载波频率，共有M种取值。通常载波频率是=，n为正整数，此时M种发送信号相互正交7。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在和两个频率点间变化。同理4FSK中基带脉冲序列四个码元（00 01 10 11）可用,四个载波之一；8FSK中基带脉冲序列8八个码元（000 001 010.110 111）可用,.八个载波之一。M进制的条件和2FSK 信号是相同的，即要求每个载频之间的距离要求是足够大，码元经过滤波之后可进行分离，或者码元之间相互正交。 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。MFSK的调制原理通二进制一样，多半选择键控法实现；解调部分采用非相干和相干解调实现。如图2.5是其调制解调部分原理框图。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。门电路抽样判决器包络检波器带通1接受滤波器逻辑电路逻辑电路串/并变换包络检波器带通2信道相加器门电路 包络检波器门电路带通m图2.5 多进制数字频率调制系统组成方框图发送端采用的是键控法实现，脉冲到来之后，在M个频率中只有一个频率会被选出。接收端采用非相干解调的方法，输入的MFSK信号通过M个带通滤波器，分离发送出M个频率，再通过包络检波器、抽样判决器和逻辑电路，进而恢复出二进制信息7。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。3仿真与分析3.1 2FSK调制解调仿真 2FSK的调制采用键控法实现，调制电路中的主要模块是伯努利二进制信号发生器、两个不同频率的载波/、选通开关组成的。努伯利二进制信号发生器主要是产生随机二进制波形；两个正弦波可产生两个不同的频率；选通开关是在两个独立的频率源之间转换进行选择，得到的信号就是2FSK的调制信号，即就完成了调制过程。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。 仿真中采用相干解调法进行2FSK解调，解调电路中有带通滤波器、相乘器、低通滤波器、抽样判决器、延时单元及零阶保持器组成。2FSK相干解调中带通滤波器是让整个频率通带内都能最大限度的让信号通过，也起分路作用，而其带阻对通过的信号有衰减和抑制作用；通过带通滤波器的信号再它们分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经过低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号；抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决，即可还原出基带数字信号。其中，抽样判决器起比较器作用，把两路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。其2FSK整体模块电路图如图3.1所示。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。 图3.1 用Simulink仿真平台搭建出的2FSK调制与相干解调系统图3.1.1 2FSK系统模块参数的设置 1).信号源参数的设置 （1）信号是源努伯利信号发生器； （2）取0的可能性是0.5； （3）初始种子取值是61； （4）采样时间取值是0.005； （5）输出数据类型是double型. 2).载波的参数设置 （1）载波都是正弦载波； （2）载波频率分别设置为1000*2*pi/3000*2*pi； （3）幅值设置为1； （4）采样时间取值都是1e-5； 3).选通开关参数设置 选通开关在两个独立的频率之间进行选择，输出的就是2FSK调制信号。 （1）阈值（指一个效应能够产生的最低值或最高值）参数设置为0.5； （2）采样时间是-1. 4).带通滤波器参数设置 在解调模块中，为了使信号分路则有两个带通滤波器。 （1）中心频率都是Fs=48000Hz；（2）带通滤波器1：下频带频率是Fc1=800Hz,上频带是Fc2=1200Hz；（3）带通滤波器2：下频带频率是Fc1=2800Hz,上频带是Fc2=3200Hz；（4）采用的窗是汉明窗. 5).低通滤波器参数设置（1）截止频率设置为3000*2*pi；（2）阶数设置为8阶;（3）Design method选择Butterworth. 6).抽样判决器的参数设置（1）采样频率设置为0.005；（2）其他设置为默认值. 7).误码率计数器参数设置（1）模块延时设置为0；（2）其他为默认模式. 8).高斯信道参数设置（1）方差设置为0.1；（2）起始种子设置为41；（3）采样时间设置是1e-5. 9).瑞利信道参数设置（1）西格玛设置为0.1（设置的越小越好，因为瑞利信道和莱斯信道很容易影响其性能）；（2）起始种子设置为41；（3）采样时间设置是1e-5. 10).莱斯信道参数设置（1）莱斯K因子设置是默认值不变；（2）西格玛设置为0.1（设置的越小越好，因为瑞利信道和莱斯信道很容易影响其性能）；（3）起始种子设置为41；（4）采样时间设置是1e-5.3.1.2 三种信道下运行结果波形显示 在三种信道下的2FSK调制解调信号波形图也是有差异的。由于三种信道-高斯信道、瑞利信道和莱斯信道他们的传输特性是不一样的，所以在调制后的信道中分别加入这三