2FSK调制解调系统的MATLAB实现

第 34 卷 第 2 期 玉林师范学院学报 自然科学 Vol 34 No 2 2013 年 JOURNAL OF YULIN NORMAL UNIVERSITY Natural Science 物理学 1 引言 信原理是高校电子信息类专业的一门重要的专业基础课 该门课程理论性强 内容抽象 如果 仅靠单纯的课堂讲解 在通信原理实验箱上对部分理论进行验证性实验 很难让学生理解 如果 把实验室搬到课堂 即引入通信仿真软件进行仿真 不但降低了实训耗材成本 灵活方便 而 且对于教学也是十分有效的方法 这样能使抽象复杂的问题变得直观化 形象化 简单化 达到事半功 倍的效果 MATLAB是一种主要用于数值计算及可视化图形处理的工程语言 可以进行复杂的数字信号处 理系统的建模 参数估计 性能分析 Simulink是MATLAB的组成部分 是MATLAB中的一种可视化仿真 工具 也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一 数字通信已成为当代通信技术的主流 数字通信系统涉及的技术问题很多 其中数字调制就是把数 字基带信号的频谱搬移到高频处 形成适合在信道中传输的基带信号 基本的数字调制方式有振幅监控 ASK 频移键控 FSK 绝对相移键控 PSK 相对 差分 相移键控 DPSK 2FSK是数字通 信中用得较广的一种方式 文献 1 采用编程来实现2FSK的调制 频谱 对解调研究较少 本文用Simulink 对2FSK通信系统进行建模仿真 其中2FSK信号调制方式采用频率键控法 解调方式采用相干解调法 2 2FSK调制解调原理 二进制频移键控 2FSK 是利用载波的频率变化来传递数字信息 而幅度和相位保持不变 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 设二进制数字的 1 对应 f1 0 对 应 f2 2FSK信号的时域表达式为 S2FSK t ang t nTs cos w1 t n ang t nTs cos w2 t n 1 式中 g t 是宽度为Ts的单极性矩形脉冲 n和 n分别表示第n个信号码元 1或0 的初始相位 an是 的an反码 且有 0 概率为P 0 概率为1 P an 和 an 1 概率为1 P 1 概率为P 收稿日期 2012 02 02 基金项目 本论文是玉林师范学院2012年度校级 青年自筹经费项目 软件无线电中的高速采样技术研究 项目 编号 2012YJQN26 作者简介 苏雪 1982 女 玉林师范学院电子与通信工程学院讲师 主要研究方向 移动通信与个人通信 2FSK调制解调系统的MATLAB实现 苏 雪 马光善 玉林师范学院 电子与通信工程学院 广西 玉林 537000 摘 要 利用Simulink分别建立了2FSK键控法的调制模型 相干方式的解调模型进行仿真 验证分析了2FSK通信系统调制解调的过程 仿真波形与理论分析基本吻合 证明了模型的正确性 使抽象的问题直观化 简单化 有助于对理论知识的理解 关键词 2FSK MATLAB 调制 解调 中图分类号 TN92 文献标识码 A 文章编号 1004 4671 2013 02 0048 05 通 n n 物理学 设 S1 t ang t nTs 2 S2 t ang t nTs 3 于是式 1 可表示为 S2FSK t s1 t cos w1 t n s2 t cos w2 t n 4 在移频键控中 n和 n不携带信息 通常可令 n和 n都为零 因此 式 4 可简化为 S2FSK t s1 t cosw1t s2 t cosw2t 5 波形如图1所示 图1 2FSK信号的时间波形 2FSK信号产生方法主要有两种 即直接调频法 模拟调频法 和频率键控法 频率选择法 直接调 频法是利用数字基带信号直接控制载频振荡 振荡器的振荡频率与键控法调频相比较 它产生的信号频 率稳定性比键控法产生的信号差 且存在过渡频率 1 因而本文采用键控法实现数字信号的调制 其原理 框图如图2所示 图2 键控法产生2FSK信号的原理图 2FSK信号的常用解调方法有非相干解调 包络检波 和相干解调 本文选用相干解调法来实现对2FSK 解调的模拟 其原理如图3所示 2 n n 基带信号 反相器 选通开关 相加器 选通开关 e2FSK t 振荡器2 f2 振荡器1 f1 苏 雪 等 2FSK调制解调系统的MATLAB实现 0 玉林师范学院学报2013 年 第 2 期 物理学 图3 2FSK信号相干解调原理图 S2FSK t 信号分别加到两路带通滤波器的两端 经过带通滤波器1后 产生 y1 t 信号 带通滤波器1主要 作用是滤除由载频 f2 产生的已调信号 y1 t 信号可以表示为 y1 t cosw1t n ang t nTs 载频1和调制的载波 f1 同频同相 则 y3 t 信号可以表示为 y3 t cosw1t cosw1t n ang t nTs 将 y3 t 信号展开可得 y3 t 1 2 ang t nTs cos2w1t ang t nTs y3 t 信号通过低通滤波器1后 输出信号 x1 t 低通滤波器1的主要作用是滤除2倍频信号 x1 t 表示为 x1 t 1 2 ang t nTs 同理可得 x2 t 信号可以表示为 x2 t 1 2 ang t nTs x1 t 信号和 x2 t 信号经过抽样判决器 得到输出信号 O t 判决的规则和调制规则相一致 调制 时若规定 1 对应载波频率 f1 则在接收时若 x1 t x2 t 时应判断为 1 即判为 f1 代表的数字基带信 号 反之则判断为 0 即判为 f1 代表的数字基带信号 3 3 建模与仿真分析 3 1 2FSK调制仿真 根据图2键控法产生2FSK信号的原理图 利用MATLAB语言中的Simulink工具箱 建立2FSK调制模型 如图4所示 图4 2FSK调制模型 n n n S2FSK t y1 t y2 t y3 t y4 t x1 t x2 t O t cosw1t cosw2t 载频1 载频2 带通滤 波器1 带通滤 波器2 相乘器 低通滤 波器1 低通滤 波器2 相乘器 抽样判决器 定时脉冲 6 7 8 9 10 n 物理学 为了便于波形观测 假设基带信号为规则的二进制矩形脉冲序列 采用Pulse Generator信号 模块产生的方波作为调制信号 设幅度为1 周期为3 占1比为1 3 载波采用单频余弦信号 频 率 f2 10Hz f1 20Hz 幅度均为2 采样周期Ts 0 002S 模块中采用Logical Operator作为反相器 得出 仿真波形如图5所示 从图5可以看出 2FSK信号中 1 对应于载频 f1 而 0 对应于载频 f2 而 且 f1 和 f2 之间的改变是瞬间完成的 模型仿真结果与理论吻合 说明仿真模型建立的正确性 图5 2FSK调制模型仿真波形 3 2 2FSK解调仿真 基于2FSK信号的相干解调原理 图3 建立模型如图6所示 假设本系统为理想系统 不存在噪声 调 制模块产生的已调信号2FSK 送入解调模块进行解调 恢复出原始信号 图6 2FSK解调模型 解调模块中 载频1和载频2的频率与调制模块中频率为 f1 f2 的载波同频同相 相干载波 带通滤 波器Digital Filter Design1的参数设置 Fstop1 8Hz Fpass1 9Hz Fpass2 11Hz Fstop2 12Hz 带通滤波器Digital Filter Design2的参数设置 Fstop1 18Hz Fpass1 19Hz Fpass2 21Hz Fstop2 22Hz 低通滤波器Digital Filter Design3 Fc 10Hz 低通滤波器Digital Filter Design4 Fc 20Hz 采样周期Ts 0 002S 仿真波形如图7所示 从 苏 雪 等 2FSK调制解调系统的MATLAB实现 玉林师范学院学报2013 年 第 2 期 物理学 责任编辑 谢文海 参考文献 刘红梅 姜晓云 刘桂枝 二进制频移键控的软件实现 J 山西大同大学学报 2010 8 23 25 樊昌信 曹丽娜 通信原理 第6版 M 北京 国防工 业出版社 2009 184 186 张鑫龙 周胜源 基于软件无线电的2FSK相干解调 J 电子设计工程 2010 9 118 120 1 2 3 Implementation of 2FSK Modulation and Demodulation System by MATLAB SU Xue MA Guang shan College of Electronic MATLAB modulation demodulation 图7可以看出 一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加 各点波形与理论分析基本一 致 已调信号2FSK 经过解调模块 较好地恢复出了调制信号 图7 2FSK解调模型仿真波形 3 结束语 针对2FSK通信系统的调制和解调 利用Simulink