2FSK数字通信系统课程设计

数字通信系统的设计与实现 摘要：数字频带系统作为一切数字通信传输的基础，无论在多么复杂的数字通信传输中数字频带系 统永远都会存在，2FSK是利用数字基带信号控制载波的频率来传送信息，是数字通信中使用较早的 一种调制方式。本设计为实现2FSK数字通信系统，设计中利用SystemView仿真软件，采用2FSK的设 计方法对基带信号进行调制解调，完成整个传输系统仿真。仿真过程旨在对传输系统各模块的参数 设置包括码速率，滤波器的截止频率等，观察并分析波形。最后达到对该传输系统的一个全面性能 分析。 关键词：2FSK；SystemView；系统仿真 成都学院（成都大学）课程设计报告 I 目 录 第 1 章 引言.1 1.1 背景和意义 .1 1.2 本课程设计的主要内容及结构安排 .2 1.2.1 主要内容 .2 1.2.2 本次设计的结构安排 .2 第 2 章 2FSK 基本原理.3 2.1 2FSK 的基本原理.3 2.2 2FSK 的调制原理.4 2.3 2FSK 的解调原理.4 2.3.1 2FSK 相干解调.5 2.3.2 2FSK 非相干解调.5 第 3 章 2FSK 系统设计.6 3.1 基于 SYSTEMVIEW 的 2FSK 信号系统仿真设计 .6 3.2 2FSK 调制部分仿真设计.7 3.3 2FSK 解调部分仿真设计.10 3.4 仿真结果 .13 3.5 系统性能分析 .14 第 4 章 结束语 .15 参考文献.16 成都学院（成都大学）课程设计报告 0 第第 1 章章 引言引言 1.1 背景和意义 随着科学技术的发展，信息时代快速的来到了人们的生活中了，而实现这一切的信息靠的都 是通信系统的。通信系统的设计已经成为当今社会一门非常重要的学科，其带动了信息社会的发 展，在电话通信、军事、航天等众多领域起着无比重要的作用，已经于人们的生活息息相关，可 以说离开了通信系统，社会将无法正常运行。在通信系统中分为模拟通信和数字通信，模拟通信 系统传输的是状态连续变化的模拟信号，数字通信系统传输的是状态离散的数字信号。目前，不 论是模拟通信还是数字通信，在实际的通信业务总都得到了广泛的应用。不过，近年来随着数字 通信的迅速发展，数字通信在整个通信领域中所占的比重日益增长。与模拟通信相比，数字通信 有许多优点，归纳起来主要有以下几点： （1）抗噪声性能好。数字通信传送的信号时数字信号，它的取值有限，因此，在有噪声的 情况下，接收端易于识别。尤其在远距离传输过程中，各中继站可以对数字信号波形进行整形再 生儿消除噪声的积累。此外，还可以采用各种差错控制编码方法，使抗噪声性能进一步得到提高。 （2）便于使用现代计算机技术对所传输的信息进行处理，接口问题也容易解决。 （3）数字信号易于进行加密，有利于实现通信保密。 （4）数字通信可以传递各种消息，使通信系统变得通用、灵活。 （5）数字通信系统中绝大部分部件采用数字电路，而近年来，由于生产技术的迅速发展， 大规模集成电路已被广泛应用，因而数字通信设备容易做到体积小，功耗低，制造简单，可靠性 高。 数字基带信号是低通型信号，其功率谱集中在零频附近，它可以直接在低通型信道中传输， 然而，实际信道很多是带通型的，数字基带信号无法直接通过带通型信道。因此，在发送端需要 把数字基带信号的频谱搬移到带通信道的通带范围内，以便信号在带通型信道中传输，这个频谱 的搬移过程称为数字调制，相应地，在接受端需要将已调信号搬回来，还原为基带信号，这个反 搬移过程叫数字解调。本课程设计目的在于熟悉 2FSK 调制及相干解调过程，通过 SystemView 软件予以仿真测试验证，并作一定的误码分析。 成都学院（成都大学）课程设计报告 1 1.2 本课程设计的主要内容及结构安排 1.2.1 主要内容 本次课程设计主要研究内容如下： (1) 设计出 2FSK 数字通信系统的结构，包括信源，调制，发送滤波器模块，信道，接受滤 波器模块以及信宿； (2) 根据通信原理，设计出各个模块的参数； (3) 用 SystemView 实现该数字通信系统； (4) 观察仿真并进行波形分析； (5) 系统的性能评价。 1.2.2 本次设计的结构安排 第 1 章是引言部分，介绍本次设计的背景、意义和主要内容 。 第 2 章是介绍 2FSK 的调制和解调原理。 第 3 章是 2FSK 的设计内容、设计步骤 及设计结果。 第 4 章是对本次课程设计的总结。 成都学院（成都大学）课程设计报告 2 第第 2 2 章章 2FSK2FSK 基本原理基本原理 2.1 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。故其表达式为： (2-1) 1 2 2 cos() ( ) cos() n FSK n At t At e 典型波形如图 2-1 所示。 1011001 t ak s1(t) cos(w1t+n) s2(t) s1(t) cos(w1t+n) cos(w2t+n) s2(t) cos(w2t+n) 2FSK信信 t t t t t t 图 2-1 2FSK 信号的时间波形 由图可见，2FSK 信号的波形可以分解成两个波形，也就是说，一个 2FSK 信号可以看成是两 发送“1” 时 发送“0”时 成都学院（成都大学）课程设计报告 3 个不同的 2ASK 信号的叠加。因此，2FSK 信号的时域表达式又可以写成 : (2-2)cos( )()cos( )()( 212n n sn n snFSK tnTtgatnTtgate 2.2 2FSK 的调制原理 2FSK 信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路阿里实现；另一种可以采用键 控法来实现，即在二进制基带举行脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不懂的独立频率源进行 选通，使其在每一个码元时间输出或两个载波之一，如图 2-2 所示。 振荡器f1 倒相器 振荡器f2 与门 与门 相加器 b a df g 二进制信号 2FSK信号 图 2-2 键控法产生 2FSK 信号的原理图 这两种方法产生 2FSK 信号的差异在于：由调频法产生的 2FSK 信号在相邻码元之间的相位 是变化连续变化的。而键控法产生的 2FSK 信号，是由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定连续。 2.3 2FSK 的解调原理 2FSK 信号的常用解调方法是非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将2FSK 信号分解为上下两路 2ASK 信号分别进行解调，然后进行判决。这里的抽样判决是直接比较两路 信号抽样值得大小，可以不专门设置门限。判决规则应与调制规则相呼应，调制时若规定 “1” 符号对应载波频率，则接收时上支路的样值较大，应判为 “1” ；反之则判为“0” 。 1 f 成都学院（成都大学）课程设计报告 4 2.3.1 2FSK 相干解调 已调信号由两个载波、调制而成，则先用两个分别对、带通的滤波器对已调信号 1 f 2 f 1 f 2 f 进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波、相乘进行相干解调，再分别低通滤波、 1 f 2 f 用抽样信号进行抽样判决器即可。其原理如图 2-3 所示。 带通滤波器 f1 带通滤波器 f2 低通滤波器 低通滤波器 取样判决器 乘 乘 2FSK调制信号 高斯噪声f1 高斯噪声f2 位定时 输出 x1 x2 图 2-3 相干方式原理图 2.3.2 2FSK 非相干解调 调制后的 2FSK 数字信号通过两个频率不同的带通滤波器、滤出不需要的信号，然后再 1 f 2 f 将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波，最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外 加抽样脉冲，最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。其原理图如图 2-4 所示。 带通滤波器 f1 带通滤波器 f2 包络检波器及低通滤波 器 包络检波器及低通滤波 器 取样判决器 2FSK调制信号 位定时 x1 x2 输出 图 2-4 非相干方式原理图 成都学院（成都大学）课程设计报告 5 第第 3 3 章章 2FSK2FSK 系统设计系统设计 3.1 基于 SystemView 的 2FSK 信号系统仿真设计 SystemView 是美国 ELANIX 公司推出的，基于 Windows 环境的用于系统仿真分析的可视化软件 工具。它界面友好，使用方便。 SystemView 是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个 强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层 次的设计、仿真要求。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线 性、非线性控制系统的设计和仿真。 SystemView 以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的 Windows 窗口环境下，为用户提供了一 个嵌入式的分析引擎。使用 SystemView 你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的 时间去编程建立系统仿真模型。用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测 试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。 SystemView 仿真系统的特点： 1.能仿真大量的应用系统； 2.速方便的动态系统设计与仿真； 3.在报告中方便地加入 SystemView 的结论； 4.提供基于组织结构图方式的设计； 根据 2FSK 的原理图进行 SystemView 的设计与制作，首先通过学习这款软件来掌握基础操作知 识和技能，然后在进行具体的设计与制作。如图 3-1 表示 2FSK 键控调制与相干解调原理图。 图 3-1 2FSK 模拟调制与相干解调 成都学院（成都大学）课程设计报告 6 3.2 2FSK 调制部分仿真设计 根据第 2 章所提到的 2FSK 的调制原理，设计出 2FSK 调制部分设计图如下图 3-1 所示： 图 3-1 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 3-2 所示： 图 3-2 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 3-3 所示： 成都学院（成都大学）课程设计报告 7 图 3-3 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 3-4 所示： 图 3-4 载波正弦信号（f1） ，频率 10Hz Token4：乘法器； 被整流后的波与载波信号 f1 相乘后的波形如下图 3-5 所示： 图 3-5 基带信号通过半波整流后与载波信号 f1 相乘后的波形 成都学院（成都大学）课程设计报告 8 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 3-6 所示： 图 3-6 载波正弦信号（f2） ，频率 20Hz Token8：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 3-7 所示： 图 3-7 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 3-8 所示： 成都学院（成都大学）课程设计报告 9 图 3-8 2FSK 调制成功的波形 3.3 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 调制部分设计图如下图 3-9 所示： 图 3-9 2FSK 解调部分设计图 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 3-10 所示： 成都学院（成都大学）课程设计报告 10 图 3-10 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 3-11 所示： 图 3-11 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 3-12 所示： 图 3-12 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）； 成都学院（成都大学）课程设计报告 11 2FSK 调制后的波形，通过带通滤波器后的波形如图 3-13 所示： 图 3-13 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 3-14 所示： 图 3-14 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 3-15 所示： 图 3-15 通过低通滤波器后再反向的波形 成都学院（成都大学）课程设计报告 12 Token21：加法器； 通过加法器后的波形如图 3-16 所示： 图 3-16 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 3-17 所示： 图 3-17 解调后的波形 成都学院（成都大学）课程设计报告 13 3.4 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 3-18 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 3-18 2FSK 仿真结果 3.5 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 22 / 2 n rA 非相干解调的误码率。其中，相干检测法的误码率为： （3- 1） 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。 ) 2 ( 2 1r erfcPe 成都学院（成都大学）课程设计报告 14 第第 4 章章 结束语结束语 有了前面一次课程设计的经验，