2FSK设计实验报告

1、目录1技术要求32基本原理32.1二进制频率键控及其调制原理与框图 32.2 2FSK系统的解调原理与框图 53建立模型描述 63.1用Matlab实现2FSK的调制与解调 63.1.1 Matlab 函数63.1.2 Simulink 模块63.2用systemview实现2FSK的调制与解调 73.2.1相干解调模块73.2.2非相干解调模块84模块功能描述及源程序代码84.1 MATLAB源程序代码84.2 Simulink模块功能分析154.3 Systemview模块功能分析 204.3.1相干解调模块功能分析 204.3.2非相干解调模块功能分析 245调试过程及结论285.1基于

2、MATLAB程序的2ASK调制解调仿真过程及结论.285.1.1调试过程中各点的波形285.1.2调试结论及改进295.2基于Simulink模块的2ASK调制解调仿真过程及结论 295.2.1调试过程中各点的波形295.2.2调试结论及改进 315.3基于Systemview的2ASK调制解调仿真过程及结论 325.3.1相干解调325.3.2非相干解调346心得体会377参考文献38二进制数字频带传输系统设计一一2FSK系统1技术要求设计一个2FSK数字调制系统，要求：（1 ）设计出规定的数字通信系统的结构；（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）；（3）

3、用Matlab或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。2基本原理2.1二进制频率键控及其调制原理与框图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f2两点间变化，其表达式为： f Acos （W1+01）当发送 “ 1” 时efsk（ t） = vl Acos（ w2+o2）当发送0”时由图可见，2FSK信号的波形（a）可以分解为波形（b）和波形（c）,也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的 2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式也可写成：eFSK (t) an(t n

4、 Ts)coswd ang(t n Ts)cosw2tnn式中：g(t)为单个矩形脉冲，宽度等于 Ts1,概率为p an0,概率为1 Pan是an的反码。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2-3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fl或f2两个载波之一。图2.1 2FSK信号的时域波形图2. 2键控法产生2FSK信号的原理图2.2 2FSK系统的解调原理与框图2FSK解调方法有两种，即相干解调法和非相干解调法。另外还有鉴频法、 过零检测法、差分检测法。相干

5、解调法是利用载波与已调信号进行相乘后滤 波输出得到，在上面的2FSK中要两个载波，所以解调也要两个载波，分别与 已调信号相乘后利用低通，最后相加即可得到我们的滤波输出，最后判压输 出得到解调信号。非相干解调也是利用包络检波法检测得到的。过零检测法 是基于2FSK信号的过零点数随不同频率而异， 通过检测零点数目多少，从而 区分两个频率的码元。原理框图如下：图2.3 2FSK非相干解调原理图图2.4 2FSK相干解调原理图输输 出图2.5 2FSK过零检测法原理图3建立模型描述3.1用Matlab实现2FSK的调制与解调3.1.1 Matlab 函数Matlab函数编程方法是利用2fsk调制公式：

6、e2FSK(t) an(t nTs)cosw1t ang(t nTs)cosw2t 来实现其调制的，它先通过nnrand(1,n)v=P 随机产生n个二进制序列，其中P为产生1的概率；然后 通过盼$曲)来产生调制信号，noise是高斯白噪声信号函数，加在 *乂)后为 接受到的调制信号，利用相干解调原理，通过滤波器后便可得到解调信号。3.1.2 Simuli nk 模块如图是利用simulink模块实现2fsk的原理框图:ScopeOperatQr图3.1 Simulink系统模块Bernoulli Bi nary Gen erator模块用来产生二进制随机码； 两个M-FSK分别是 调制与解调

7、模块；Discrete-Time Eye Diagram Scope 用来观察调制信号通过 带有噪声信道的眼图；Error Rate Calculation用来统计接受到的二进制序列 的差错率。3.2用systemview实现2FSK的调制与解调3.2.1相干解调模块1L虞IIQirtn皿JJJUe 口rtcrUw SrigirtCEWU X图3.2Systemview系统相干解调模块其中模块65输出随机的0、1方波序列，经模块4与一定频率的正弦波(模块0)相乘，即得到模拟调制的二进制振幅键控(2ASK)信号，模块37和 模块38为带通滤波器，模块35和模块50为低通滤波器，模块22是与模块

8、23同步的载波，用于同步检测，模块 68产生高斯噪声信号，模块44、67、 69为输出窗口。3.2.2非相干解调模块K a B1 H兀“Ml*g心n iUW-：J 丄. 嘲IP ;1 叩DeQ iimb -ad41去占龍can与刖色柴:i姑鼻b Q ?图3.3 Systemview系统相干解调模块-nn沁显或3時J d其中模块0输出随机的0、1方波序列，经模块6与一定频率的正弦波(模块8)相乘，即得到模拟调制的二进制振幅键控(2ASK)信号，模块17和模块18为带通滤波器，模块19和模块20为低通滤波器，模块28产生高斯噪声信号，模块11、27、29为输出窗口4模块功能描述及源程序代码4.1

9、MATLAB源程序代码 function FSKA=1;Eb=AA2;EbN0=30;NO二Eb*10A(-EbN0/10);n oiseVar=N0/2;no iseRoot二sqrt (no iseVar);n=8;fin al=zeros(1, n);P=0.4;src=ra nd(1, n)v 二P;src1=src;src2=on es(1, n)-src;m=0: n-1;w1=1000;w2=2000;t=0:0.01: n;%噪声功率%8个二进制码%产生8个二进制随机序列%取源码的反码%载波频率%画原始信号figure(1)subplot(3,1,1);stairs(m,src

10、1);hold on plot(m+0.5,src1,o);axis(O, n-1,-0.5,1.5);title(原始信号 srcl);xlabel(Time);ylabel(Amplitude);hold offsubplot(3,1,2);stairs(m,src2);hold onplot(m+0.5,src2,o);title(原始信号 src2);xlabel(Time);ylabel(Amplitude);axis(0, n-1,-0.5,1.5);hold off%画调制信号for i=1: n-1efsk=cos(w1*t).*src1(i)+cos(w2*t).*src2(

11、i);n=7;figure(2)subplot( n,2,2*i-1)plot(t,efsk);axis(0,1,-1.1,1.1);no ise 二no iseRoot.*ra ndn (1,le ngth(t);%噪声信号Noise_fsk二cos(w1*t).*src1(i)+cos(w2*t).*src2(i)+noise;figure(2)subplot( n,2,2*i)plot(t,Noise_fsk);axis(0,1,-1.3,1.3);mm=0:0.001:0.5;grid;n oise 二no iseRoot.*ra ndn (1,le ngth(mm);Noise_fs

12、k=cos(w1*mm).*src1(i)+cos(w2*mm).*src2(i)+no ise;efsk1=Noise_fsk.*cos(w1*mm);efsk2=Noise_fsk.*cos(w2*mm);efsk11=filtfilt(o nes(1,10),7,efsk1);efsk22=filtfilt(o nes(1,10),7,efsk2);%画低通滤波器后的时域波形figure(3)subplot(2, n,i)plot(mm,efsk11)axis(-0.1,0.6,-0.4,1.5);%用 w1相干解调后的波形figure (3)subplot(2 ,n ,i+n)plot

13、(mm,efsk22);%抽样判决结果判定axis(-0.1,0.6,-0.4,1.5);ave1=sum(abs(efsk11)/le ngth(mm);ave2=sum(abs(efsk22)/le ngth(mm);if ave1ave2fin al(i)=1;else fin al(i)=0;endendfigure(1)subplot(3,1,3)stairs(m,fi nal);hold onplot(m+0.6,fi nal,o)axis(0, n,-0.5,1.5);title(已调信号);xlabel(Time);ylabel(Amplitude);hold off%言噪比和

14、差错率的关系clear all;ran d(state,sum(100*clock);randn (state,sum(100*clock);min TestLe ngth=1000;maxTestLe ngth=50000;A=1;Eb=A*A;EbN0=10;in dex=1;for EbN0=0:1:10NO二Eb*10八(-EbN0/10);n oiseVar=N0/2;no iseRoot二sqrt (no iseVar);errorC oun t=0;testCou nt=O;w仁 1000;w2=2000;mm=0:0.001:0.4;while(1)src=ra nd(1)v=

15、0.5;src1=src;src2=1-src;n oise 二no iseRoot.*ra ndn (1,le ngth(mm);Noise_fsk二cos(w1*mm).*src1+cos(w2*mm).*src2+noise; efskl二Noise_fsk.*cos(w1*mm);efsk2=Noise_fsk.*cos(w2*mm);efsk11=filtfilt(o nes(1,10),9.7675,efsk1);efsk22=filtfilt(o nes(1,10),9.7675,efsk2);ave1=sum(abs(efsk11)/le ngth(mm);ave2=sum(a

16、bs(efsk22)/le ngth(mm);if ave11/2&ave21/2 errorCou nt二errorCou nt+1 elseif ave11/2&ave21/2 errorCou nt二errorCou nt+1 endtestCou nt二testCou nt+1;if(testCo un t0)thresholdTestLe ngth=1/tempBER;elsethresholdTestLe ngth二maxTestLe ngth;endif(testCo un t=thresholdTestLe ngth)myTestLe ngth(i ndex)二testCo u

17、nt;myBER(i ndex)二tempBERmyEbNO(i ndex)二EbNOin dex= in dex+1;break;endendendfigure(4) ; semilogy(myEbN0,myBER,r+-);xlabel(Eb/NO in dB);ylabel(bit error rate);hold onEbN0_R=10八(myEbN0/10);thBER=0.5*erfc(sqrt(EbN0_R/2); semilogy(myEbNO,thBER,*-);Lege nd(simulati on results,theoretic results); grid4.2 S

18、imuli nk 模块功能分析ScopeDperator图421 Simulink系统模块FSK基带调制仿真系统的框图由伯努利二进制随机数产生器，基带M-FSK调制与解调器，加性高斯白噪声信道，眼图观察仪，差错率计算器，延时器 及显示器构成。主要参数设置如下：1.Bernoulli Ra ndom Bi nary Gen erator （伯努利二进制随机数产生器）：控制二进制随机码的产生，其中占空比为0.5，采样时间为1/50;图 4.1 Bernoulli Ra ndom Bi nary Gen erator 参数设置2. AWGN Channel （加性高斯白噪声信道）：模拟加性高斯白噪声

19、环境，使传输环境相同，FSK的信噪比为10dB,输出功率为1瓦。图4.2 AWGN Channe参数设置3. M-FSK Modulator Baseband （ 基带M-FSK调制器）：产生与原始基带信号对应的调制信号，频率设置为1000HZ图 4.3 M-FSK Modulator Baseband 参数设置4. MSK Demodulator Baseband （基带MSK解调器）：解调接收到的信号，其中频率设置为1000HZ图 4.4 MSK Demodulator Baseband 参数设置5. Discrete-Time Eye Diagram Scope （离散时间眼图观察仪）:

20、用于观察接收信号的眼图图 4.5 Discrete-Time Eye Diagram Scope参数设置6. Error Rate Calculation差错率计算器）:用来计算误码率，并用示波器来显示Fund ion Block Parget ers= Error Kte Calculati pnExxor Kat电 Ca 1 culatioil (ma.sk) l.llidcjCompute the errar rate of the received data by cownparing it to aversioii of the t ranEni 11 &data. The bloc

21、k output is a three e 1 ement vect ar cons! st ing of thm error rat fol lowed, by the number o f errors det ecand the total number of symbol s compared. This vectoi can be s ent to either the workspace or an oulpiit poart-The delays are specified in number ofrecardl ess of blether the inputi e sl sc

22、alar or a. sector. The iziput s to the Tg and E_z port s must beEamplebased scalars or fzame_based coliomn vectors.The * Stop Simula.! ionF option stops tlie simuljat ion upoiL 也皀七ect lug a tar get numbet of errors oz a nkazimum number of symbol vAm ch-ewer comes first.Paramol etsKeceive dels?fies e

23、i portStQp SimulatioixTareat number of trrcrx:TooMaximum nunbeT of gyrobo 1 s :1 e&AJP17图 4.6 Error Rate Calculation 参数设置4.3 Systemview 模块功能分析4.3.1相干解调模块功能分析1.调制模块图4.7 Systemview相干解调调制模块模块65：信号源，幅度为1V,频率为1HZ偏移量为1,相位为0,点平数为2。见下图图4.8信号源参数设置模块4、39、9:乘法器模块0:正弦载波幅度为1V,频率20HZ相位为0。见下图:模块1:正弦载波幅度为1V,频率40HZ相

24、位为0。见下图:图4.9正弦载波1参数设置图4.10正弦载波2参数设置2解调模块图4.11 Systemview相干解调解调模块模块68:用来产生高斯噪声，基本参数设置如下图:图4.12高斯噪声参数设置图4.13带通滤波器37幅频和相频曲线 模块37、38 :带通滤波器，其中心频率分别为20HZ和40HZ,带宽均为2HZ， 幅频和相频曲线分别如下：模块35、50：低通滤波器，带宽为1HZ，具有相同的幅频和相频曲线，如下图：图4.14带通滤波器38幅频和相频曲线图4.15低通滤波器幅频和相频曲线432非相干解调模块功能分析1调制模块图4.16 Systemview非相干解调调制模块模块65：信号

25、源，幅度为1V，频率为10Z,偏移量为0相位为0,点平数为2见下图图4.17信号源参数设置模块2、5:半波整流器；模块4:反相器；模块8 9:正弦载波幅度为IV，频率分别为40HZ和80HZ相位为0；2.解调模块图4.18 Systemview非相干解调解调模块模块28:高斯噪声，产生一个具有高斯分布的随机信号模块37、38 :带通滤波器，其中心频率分别为 40和80，带宽均为20HZ， 幅频和相频曲线分别如下：图4.19带通滤波器37幅频和相频曲线频曲线图4.20带通滤波器38幅频和相模块19、20：低通滤波器，带宽为10 HZ,具有相同的幅频和相频曲线，如下图：图4.21低通滤波器幅频和相

26、频曲线5调试过程及结论5.1基于MATLA程序的2ASK调制解调仿真过程及结论rx5.1.1 调试过程中各点的波形Hiimr JF. FXJi Lk Lc-I n Li: L TkJ.t吓 1i ixn-jp二电希鹰寻純1LF -5 1 5 O t n-电T-fTrnt珈也: n?一itlMitill Ldii Tjps Ipht-i JiitiItiin 弘bki Oin 匚u $峙帀的ill引imm5.1基带信号和调制信号5.2调制信号和带噪声的调制信号5.3频谱图5.4误码率随信噪比的变化关系5.1.2调试结论及改进根据调制和解调原理，利用 Matlab编好程序生成.m文件并运行后，生成

27、 图，经过比较后知道，编写的程序基本实现了 2FSK的调制与解调过程，解调 后的二进制序列与原随机序列一致。但是，它的缺点是随机二进制序列较少， 不能真正意义上说明它就能完成调制与解调的功能。不过，它的优点可以从 图看出来，因为我们对每一个代码可以作出它通过带有噪声的信道后的频谱 图，从而知道它有没有发生跳变，简单地说，可以进行纠错。以下是 n=100 时的原始基带信号和解调信号图： Fil Eli t 里 iowTiels 农抚七咁 indcifc C 3) uPE=d515D5I 口-0.ujuummmiioIiIIId1020304050 6U 70 8C 90TitreS15U5Tmr

28、onmmwruuuIIHIII-O肝miuunImnIi njinm102030405060708090Tirre已调信号102030405060708090Tirre51SO51 0 aalpn4-dE5.5 n=100时的原始基带信号和解调信号图5.2基于Simulink模块的2ASK调制解调仿真过程及结论5.2.1调试过程中各点的波形咗 Scope匸回冈|囤IQqqi桃isia日呼5nr_n_JLiinnL_jLn_jir77njiruifirm_m_ui_ruLnor n - r _i一innj-L-Ji_n_ruirunuuinTms offset 05.6原始基带信号和解调信号图F

29、ile 虹em ha-nnpl f ifuldT Help20200.10.20.3040.50.6070.60.91Time ms)Eye Diagram00.102030.40.5063.70.80.91Time (ms)all一Bru2PBno5.7眼图5.2.2调试结论及改进对比图可以看出，此框图基本上实现了 2FSK的调制与解调过程。图中的 第三个小图是一条为0的直线，说明它无差错地解调出原基带波形，但是， 高斯噪声是否在模型中起到加入噪声的作用，我们还不能妄加推断。观察眼 图，看出它是由一系列杂乱的线段形成的，所以信号受到了干扰。为了使高斯噪声是在模型中起到加入噪声的作用更具有说服

30、力，我们增加高斯噪声 的强度，将in put sig nal power的大小由原有的2W增加到50W，得到的波形 图及眼图如下，发现此时的差错率大小为0.025 （发送400个码元接收到10个错误的码元），眼图变得更加杂乱无序，这很好地说明了高斯噪声是在模型中 起到了加入噪声的作用。EjJ Dgiw0.10.20.30.4 D 占 0.6 Q? OB 0.9Irms何寸-a.r.* .r - ，: &U2- o pn-zpd 54.- a Mrt L|d wD.10.2Q.304 D5 OE D7 DS 0.95.8增加噪声信号图5.9增加噪声后的眼图5.3基于Systemview的2ASK

31、调制解调仿真过程及结论 5.3.1相干解调531.1调试过程中各点的波形5.11全过程图5.10调制过程图5.12判决过程图5.13无噪声频谱图5.14有噪声频谱图1 - 5: Slicfhd ? (la Kfpeat, Sturt 二 Lmptla = 20(*. - 匸 X5.15噪声功率密度为0.002时的眼图SjSleliiiiJSLlzJ. /2 lb LapsJ tKt - Os.- 3t血3駆？P&3lfle55.16噪声功率密度为0.02时的眼图5.3.1.2 调试结论对比图可以看出，此框图基本上实现了2FSK的调制与解调过程。解调信号相对于原始基带信号有大约0.6s的延迟，这

32、是由于带通滤波器和低通滤波器延迟特性所造成的，可以通过修改滤波器的参数加以减小。此外抽样判 决模块可以直接由一个逻辑比较器替代，这样做简化了模块，但是会增加误 判的可能性。分析功率谱可以看出噪声信号明显地加在了调制信号之上，对 调制信号有着明显的影响。5.3.2非相干解调5.3.2.1调试过程中各点的波形5.18全过程图5.17调制过程图5 ；油H5.19判决过程图5.20无噪声频谱图5.21有噪声频谱图* Slind vl (SsStirt = 3, Leo社h = 1Ie-3j. = )Can jmnu5.22噪声功率密度为0.001时的眼图5.23噪声功率密度为0.01时的眼图5.322

33、 调试结论对比图可以看出，此框图基本上实现了2FSK的调制与解调过程。同相干解调一样解调信号相对于原始基带信号有大约0.065s的延迟，抽样判决模 块仍直接由一个逻辑比较器替代。分析功率谱可以看出，此模块受噪声的影 响较小6心得体会本次课程设计主要涉及到Matlab和systemview在通信系统方面的应用， 加深了我们对数字基带传输系统的理解和掌握。在Matlab编程方面，知道了如何用函数的方法，实现2FSK的调制与解调，并且生成频谱图，以此来判断 高斯噪声对信号的影响。在Simulink建模上，学会了用Matlab自带的调制与 解调模块完成设计，并观察眼图和分析噪声对误码率的影响。另外，专用在 通信方面的软件Systemview作为完成设计的第三种方法也被很好的运用，在 这方案中，我采用了相干解调和非相干解调两种解调方法，比