《通信原理》课程设计报告-2fsk与pam混合调制的非相干解调系统仿真

长沙理工大学通信原理课程设计报告学院计算机与通信工程专业通信工程班级通信0901学号200957学生姓名指导教师吴志敏课程成绩完成日期2011/12/16课程设计任务书计算机与通信工程学院通信工程专业课程名称通信原理时间20112012学年第一学期1617周学生姓名指导老师吴志敏题目2FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真主要内容利用MATLAB集成环境下的SIMULINK仿真平台，设计一个2FSK与PAM混合调制与非相干解调通信系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。要求1）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。2）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。3）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输用高斯白噪声模拟有线信道，并将噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。应当提交的文件（1）课程设计学年论文。（2）课程设计附件（主要是源程序）。课程设计成绩评定学院计算机与通信工程专业通信工程班级通信0901学号学生姓名指导教师吴志敏完成日期20111216指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩指导教师签字年月日FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真学生姓名指导老师摘要本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的SIMULINK仿真平台设计进行FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真。在本次课程设计中先根据FSK与PAM混合调制与解调原理构建调制解调电路，从SIMULINK工具箱中找所各元件，合理设置好参数并运行，其中可以通过不断的修改优化得到需要信号，之后加入高斯，并分析对信号的影响，最后通过对输出波形和功率谱的分析得出2FSK调制解调系统仿真是否成功。关键词SIMULINK；FSK；PAM；混合调制；非相干解调目录1引言611课程设计目的612课程设计步骤62基本原理721FSK调制与解调722PAM调制与解调93系统设计1131FSK与PAM混合调制1132FSK与PAM非相干解调1533加入高斯噪声的FSK与PAM混合调制与非相干解调184仿真电路分析与总结205结束语21参考文献221引言本次课程设计主要运用MATLAB软件，在SIMULINK平台下建立仿真模型。实现模拟基带信号经FSK与PAM混合调制与非相干解调的传输过程，通过分析比较调制解调输出波形以及功率谱特征，理解FSK与PAM混合调制原理。在分别加入高斯噪声，观察对波形的影响，并对其进行分析总结。11课程设计的目的通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课，是通信工程专业后续专业课的基础。掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础，可提高处理通信系统问题能力和素质。由于通信工程专业理论深、实践性强，做好课程设计，对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解，培养学生专业素质，提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力，为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知识和基本理论，掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能，受到必要工程训练和初步的科学研究方法和实践训练，增强分析和解决问题的能力，了解本通信专业的新发展。12课程设计的步骤（1）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。（2）再以调制信号为输入，构建解调电路，用误码测试仪测量误码率，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。（3）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输A用高斯白噪声模拟有线信道；B用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道；C用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。将三种噪声源的方差均设置为01，分别观察此时的误码率与无噪声时的误码率有何区别。（4）在系统中固定选择一种噪声源，改变信噪比，测试各种不同情况下的误码率，并绘制出误码率随信噪比的变化曲线。此时要求用M文件中的SIM模块名来启动仿真，并将各种信噪比下的误码率输出至工作空间保存，并绘图。（5）可以尝试在接收端加滤波器，观察调制性能变化。2基本原理21FSK的调制与解调（1）2FSK的调制原理在二进制频移键控（2FSK）中，当传送“1”码时对应于载波频率，传送“0”码时对应于载波频率。其中，为频率为的载波的初始相位，为频率为的载波的初始相位。令为的反码，即则有当时，当时，。则2FSK信号可表示为其中，我们在分析中假设为单个矩形脉冲序列，其表达式为由式上式可知，相位不连续的2FSK信号可以看成是两个2ASK调幅信号之和。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21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。图21数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图图22二进制移频键控信号的时间波形从图中可以看出B是A的反码即若A1,则B0,若A0,则B1C为载波F1，D为载波F2，G为2FSK的调制出的信号。（2）2FSK的解调原理经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器W1、W2滤出不需要的信号，然后再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。本设计要求非相干解调，其原理图如下图所示图23二进制移频键控信号解调器原理图图242FSK非相干解调时间波形图22PAM调制解调原理PAM类似于AM，用二进制脉冲序列作为载波受控于基带信号的幅度，就是取样定理。而解调只需通过相关的低通滤波器，滤出基带信号。1幅度调制原理设脉冲载波以ST表示，它是由脉宽为秒、重复同期为TS秒的矩形脉冲串组成，其中TS是按抽样定理确定的，即有TS1/2秒。其产生方框图为HF25A所示，基带信号的波形及频谱如图25B所示；脉冲载波的波形及频谱如图25C所示；已抽样的信号波形及频谱如图25D所示。图25矩形脉冲为载波调制原理与波形和频谱因为已抽样信号是与的乘积，所根据频率卷积定理，可以写出相应XTS的频域表达式21122HHXSSANXNT式36中是的频谱函数，根据信号的定义可以认为，表STTST示的矩形脉冲串是由脉宽为秒的门函数与周期性冲激函数卷积得GT到，根据频率卷积定理，其相应的时域和频域表达式分别如下1,|/202TAGTGS2TSTHSTTKN22TTHHSSTGTSGSAN22PAM的解调原理图26矩形脉冲为载波解调原理图分析式22可以发现，当0时得到的频谱函数为，与信号N/STX的频谱函数进行比较，只是差一个比例常数，因此，采样频率XTXS只要满足，就可以用一个带宽满足的理想低通滤波器，把SHF2HSHFBF的成分取出来，以不失真地恢复的波形如图34所示。XXT3系统设计31FSK与PAM混合调制（1）FSK与PAM混合调制部分打开SIMULINK工具箱，点击FILE图标，选择新建中的MODEL，新建一个仿真空白模型，将2FSK信号调至所需要的模块拖入空白模型中，也可点击鼠标左键单击“ADDTOUNTITLED”。下图中BERNOULLIBINARYGENERATOR模块为随即序列信号模块，SINEWAVE，SINEWAVE1为频率为F1和F2载波模块，PULSEGENERATOR为脉冲产生器模块，PRODUCT为乘法器模块，SCOPE为示波器模块，NOT为反相器模块，POWERSPECTRA是功率谱模块，TOFILE为封装模块，目的是方便调用调制部分。调制模型图如下图所示图31FSK与PAM混合调制部分的SIMULINK模型方框图（2）2FSK的调制部分参数设置图32SINEWAVE的参数设置图33SINEWAVE1的参数设置图34PULSEGENERATOR1的参数设置（3）2FSK与PAM混合调制部分仿真以及功率谱分析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35PAM调制波形图图36FSK与PAM混合调制波形图其中图35中，第1段图形为载波F1的波形图；第2段位信号源的波形图；第3段为载波F2的波形图；第4段为F1和F2的调制波形。图36中，第一段图形为FSK调制波形；第二段图形为随机脉冲即PAM波形；第三段图形为FSK与PAM混合调制波形。调制前后频谱分析如下图图37调频前频谱图38调频后的频谱由图可知基带信号的频谱在调制前后只是显现搬移，未发生较大变化。32FSK与PAM混合调制信号的非相干解调（1）FSK与PAM混合调制非相干解调部分打开SIMULINK工具箱，点击FILE图标，选择新建中的MODEL，新建一个仿真空白模型，将2FSK信号调至所需要的模块拖入空白模型中，也可点击鼠标左键单击“ADDTOUNTITLED”。下图中FROMFILE模块为调制部分的封装TOFILE模块，GAUSSIANNOISEGENERATOR模块为高斯噪声产生器，ANALOGFILTERDESIGN模块为带通滤波器，ABS模块为绝对值，其作用等同于保罗检测器，SCOPE模块为示波器，SUBTRACT模块对信号进行加法或减法运算，POWERSPECTRAL模块是功率谱，ZEROORDERHOLD模块的功能为零阶保持模块，QUANTIZINGENCODER为量化编码器模块，ZEROORDERHOLD和QUANTIZINGENCODER的作用等同于在定时脉冲下的抽样判决器。解调模型图如下图所示图39FSK与PAM调制部分的SIMULINK模型方框图（2）2FSK的调制部分参数设置图310低通滤波器2参数设置图311低通滤波器3的参数设置图312带通滤波器的参数设置图313带通滤波器1的参数设置图314QUANTIRINGENCODER的参数设置图315高斯噪声的参数设置（3）FSK与PAM混合调制解调部分仿真以及功率谱分析图316FSK与PAM信号解调部分的SIMULINK模型方框图第1段是载波F1经过解调的波形图；第2段是载波F1和F2经过解调的波形图；第3段是F1经过全波整流出现的波形图；第4段是F2经过全波整流出现的波形图；第5段是经过包络检波出现的波形图；第6段为解调后出现的波形图；第7段为信号输入的波形图。在01时间段出现延时。解调前后频谱分析如下图图317图318从上图可以看出，经过非相干解调后，出去由于系统误差产生延迟外，其他解调后信号功率谱与原信号功率谱是能一一对应的。33加入高斯噪声的FSK与PAM非相干解调高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。在理想信道调制与解调的基础上，在调制信号上加入高斯噪声，把SIMULINK噪声源下的高斯噪声模块（GAUSSIANNOISEGENERATOR）加入到模型中。噪声参数设置与波形图如下图319噪声方差设置为1图320噪声方差为1时解调波形与输入波形对比图321噪声方差设为2图322噪声方差为2时时解调波形与输入波形对比如图所示，图316为理想信道解调波形，图321和图322均为加入高斯噪声的波形，可通过修改参数表中的方差来改变加入噪声的大小，把噪声的方差分别设为1和2，与理想信道的输出波形相比较可以看出，波形均出现不同程度的失真，当方差为1的时候比较接近原理想信道下的波形图，当方差为2时，已经出现严重失真，并且失真是随着噪声方差的变化而发生改变，方差越小，通过加入噪声信道的波形就越接近理想信道的波形。噪声能对信道产生不同程度的影响，不同的噪声使信号发生失真的参数各不相同。在现实生活中，无处不存在着噪声，因此研究如何减小噪声对信道的影响有着重大意义。4仿真电路分析与总结在本次课程设计运用了MATLAB软件下SIMULINK建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和在老师和同学的帮助下总算得以解决，总结分析分析如下（1）运行后如没有出现波形、出现多路波形的混合或是出现波形的幅度过小或过大，可以点击SCOPE菜单栏的或者点击鼠标右键，选择AUTOSCALE即可出现清晰波形。（2）若出现波形很差，可以把修正因子（默认为1）加大，具体步骤为选择模型菜单中的“SIMULINK|CONFIGURATIONPARAMETERS|DATAIMPORT/EXPORT”修改DECIMATION中数据（默认为1），可加大为50或100。（3）调制模块中，如调制结果不明显，可以加大载波频率，一般来说载波频率要比基带频率大得多。（4）若波形出错，可以把滤波器级数默认为8适当减小，使滤波器精确度变小，允许误差