FSK调制解调仿真设计论文

1、本科学生学年论文论文题目：基于MATLAB的FSK调制系统仿真设计学 院：电子工程学院年 级：2011级专 业：电子信息科学与技术姓 名：李亚冬学 号：20112540指导教师：王晓飞 2014年 06月 24日摘要 本课程设计利用MATLAB集成环境下的M文件，编写程序来实现FSK的调制解调，并绘制出解调前后的时域和频域波形及叠加噪声时解调前后的时频波形，并观察解调前后频谱有何变化以加深对FSK信号解调原理的理解。对信号叠加噪声，并进行解调，绘制出解调前后信号的时频波形，改变噪声功率进行解调，根据运行结果和波形来分析该解调过程的正确性及信道对信号传输的影响。完成整个FSK的调制解调基带仿真过

2、程。关键词Matlab；环境；调制；仿真；分析IAbstract The curriculum design using MATLAB integrated environment M documents, write a program to realize the modulation and demodulation of FSK, and draw the time-frequency waveform demodulation and the waveform of time domain and frequency domain and superimposed noise aro

3、und the demodulation, demodulation spectrum were observed before and after any changes to deepen understanding of the principles of FSK signal demodulation. Noise to signal superposition, and demodulation, draw the time-frequency signal demodulation, change the noise power is demodulated, to analyze

4、 the impact of the correctness and the channel of the demodulation process on transmission signal according to the operation results and waveforms. Modulation and demodulation of baseband simulation process to complete the entire FSK.Key wordsMatlab; environment;Modulation; The simulation;analysis;I

5、II基于MATLAB的FSK调制系统仿真设计目录摘要IAbstractII前言1第一章 绪论11.1 课题研究背景方法及目的21.2 课程设计要求41.3 课程设计步骤41.4 MATLAB概述4第二章 FSK在MATLAB环境下的仿真92.1 FSK在MATLAB环境下的仿真过程与结果9 2.2FSK在MATLAB环境下的分析13结论17参考文献18附录一19附录二.21致谢24前言    MATLAB是由MATH WORKS公司于1984年推出的一种面向科学与工程的计算软件，通过MATLAB和相关工具箱，工程师、科研人员、数学家和教育工作者可以在统一

6、的平台下完成相应的科学计算工作。 MATLAB 本身包含了 600 余个用于数学计算、统计和工程处理的函数，这样，就可以迅速完成科学计算任务而不必进行额外的开发。业内领先的工具箱算法极大的扩展了 MATLAB 的应用领域，所以MATLAB自推出以来就受到广泛的关注。 第一章 绪论 随着社会的不断发展,通信对我们来说越来越显的重要.对于通信技术来讲,通信的质量也就显的非常的关键.通信的根本任务是如何保证远距离传输信息的正确性，在这方面数字通信系统具有先天的优势。这主要是因为数字通信系统中传输的是离散的数字信号，由于信号是离散的，被噪声干扰后的信号

7、只要没有超过门限，接收端就能够完全正确地判断出传输的信息；而对于模拟传输系统，只要有稍微的干扰都会使传输的信息产生错误。也正是由于这样的原因，数字通信系统才能在各方面逐渐代替模拟通信系统成为现代通信的最基本方式。为了便于区别信号与噪声，使通信不失真和不受干扰,往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功能。调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。再将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。为了更好地利用通信信道的带宽并使信号能够传送更大的距离, 在数字

8、载波通信中,我们采用了三种解调方式: 幅移键控（ASK）频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。调制信号为二进制信号的调制称为二进制数字调制, 二进制调制又分为二进制幅移键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）、二进制相移键控（2PSK）和差分二进制相移键控（2DPSK）等多种基本的类型。其中频移键控（FSK）是信息传输中使用的较早的一种调制方式，它的主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好，因此在中低速数据传输中得到了广泛的应用。本课题主要是数字频率调制又称频移键控（FSK）。同时利用MATLAB软件实现对FSK系统的仿真和分析，从而通过运用模拟的视觉化的手段来实现达到解调调

9、制的目的。1.1 课题研究背景方法及目的（1） 研究背景 随着通信系统的规模和复杂度不断增加，传输系统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视。传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种，可以得到与真实环境十分接近的结果，但耗时长，方法比较繁杂，而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法，它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行模拟仿真。早期，多采用计算机高级程序语言（FORTRAN、PASCAL、C等）进行仿真，用这些高级程序语言编写系统仿真程序吗，虽然比上述两种方法更加便捷但在程序编写中仍需话费大量时间精力考虑时

10、间段发生、处理以及结果的可视化等因素。即使是一个简单系统，程序都十分冗长，难于调试。数字技术的飞速发展与数字器件的广泛使用，使得数字信号处理在通信系统中的应用越来越重要。现代通信系统中，由于数字信号较模拟信号的抗干扰能力强，无噪声传输质量好；保密性高；便于与计算机连接；通信设备便于集成化、小型化、智能化；便于差错控制等优势。信号往往采用数字进行传输。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合在信道（一般为带通信道）上传输的频带上。 FSK技术以其抗干扰性能强、误码性能好、 频谱利用率高等优点，广泛应用于数字卫星通信

11、系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统中。（2） 研究方法 随着数字技术的飞速发展与数字器件的广泛使用，数字信号处理在通信系统中的应用已经越来越重要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统 ，该系统对系带信号进行调制，使其频谱搬移到适合在信道（一般为带通信道）上传输的频带上。数字调制和模拟调制一样都是正弦波调制，即被调制信号都为高频正弦波。数字调制信号又称为键控信号，数字调制过程中处理的是数字信号，而载波有振幅、频率和相位3个变量，且二进制的信号只有高低电平两个逻辑量即1和0，所以调制的过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的幅、频率及相位进行 调制，最基

12、本的方法有三种振幅调制（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。基于信号的系统仿真，是通信电子类专业和科研经常使用的一种方法。（3）研究目的1、 加深理解FSK系统的调制解调原理；2、 通过MATLAB仿真深入学习FSK系统及其性能；3、 熟悉和掌握MATLAB软件的使用方法和在通信领域的应用；通过这次课题设计，自己能够实专业知识，培养分析问题和解决问题的能力。 1.2 课题设计要求1、 熟悉MATLAB的使用方法，掌握FSK信号的调制解调原理，以此为基础用M文件编程实现FSK信号的调制解调。2、 演示FSK调制解调的过程，并画出误码率随信噪比的变化曲线。3、 在老师的指导下，独立完

13、成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计论文，文中能正确阐述和分析设计和实验结果。1.3 课题设计步骤 本课题设计步骤如下：1、 随机产生原始数字信号序列并对其进行FSK调制；2、 对已调信号进行解调 ，并绘制出解调后的数字信号序列；3、 分析解调结果，对照不同参数设置下的解调效果；4、 分析噪声对误码率的影响。1.4 MATLAB概述 一、MATLAB简介 MATLAB软件是由美国MATH WREKS公司于年推出的一种面向科学与工程的计算软件，用于概念设计、算法开发、建模仿真、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。

14、 MATLAB内核及辅助工具箱，两者的调用构成了MATLAB的强大功能。通过MATLAB的相关工具箱，工程师、科研人员、数学家和教育工作者可以在统一的平台下完成相应的科学计算工作。MATLAB是矩阵型实验室（MatrixLabrory）的简称，它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB语言以数组为基本数据单位，包括控制流语句、函数、数据结构、输入输出及面向对象等特点的高级语言。其主要特点是：

15、（） 具有丰富的数学功能 包括矩阵各种运算。如”正交变换、三角分解、特征值、常见的特殊矩阵等。包括各种特殊函数。如：贝塞尔函数、勒让德函数、伽玛函数、贝塔函数、椭圆函数等。包括各种数学运算功能。如：数值微分、数值积分、插值、求极值、方程求根、FFT、常微分方程的数值解等。（） 具有良好的图视系统 可方便的画出二维和三维图形。高级图形处理。如：色彩控制、句柄图形、动画等。图形用户界面GUI制作工具，可以制作用户菜单和控件。使用者可以根据自己的需求编写出满意的图形界面。（） 可以直接处理声音和图形文件 声音文件。如：WAV文件 图形文件。如：bmp、gif、pcx、tif、jpeg等文件。（） 具

16、有若干功能强大的应用工具箱 如：SIMULINK、COMM、DSP、SIGNAL等种工具箱。（） 使用方便，具有良好的扩张功能 使用MATLAB语言编写的程序可以直接运行，无需编译。可以将M文件转变为独立于平台的可执行文件。MATLAB的应用接口程序API是MATLAB提供的十分重要的组件，由一系列接口指令组成。用户就可在FORTRAN或中，把MATLAB当做计算引擎使用。（） 具有很好的帮助功能 提供十分详细的帮助文件（PDF、HTML、demo文件）。 提供查询指令：help指令，lookfor关键词。MATLAB6.x的集成环境，在windows桌面，双击MATLAB图标，系统就会进入M

17、ATLAB的工作环境。MATLAB6.x的集成环境有桌面平台及组件组成。它包括个组成部分：指令窗口、历史指令窗口、工作台以及工具箱窗口、当前工作目录窗口、工作空间窗口、矩阵编辑器、程序编辑器和浏览器。 MATLAB帮助系统，MATLAB为用户提供了三种帮助功能：一利用帮助菜单获取帮助信息。单击MATLAB工作窗口的菜单栏Help菜单项，弹出帮助菜单项。选择Help Window选项，可以打开MATLAB的主题窗口。选择Help Desk选项，可以打开MATLAB帮助工作台。二通过指令窗口获取帮助信息，用户可以在指令窗口直接键入帮助指令来获得帮助。三使用演示功能。MATLAB带有生动直观的演示程

18、序，可以帮助用户形象直观的学习和理解MATLAB的使用方法和强大的功能。启动演示程序有下面几种方法：（一）在工作台和工具箱窗口中，列出了MATLAB和已经安装的各种工具箱。单机欲学习的工具箱前面的“+”号，在打开的功能选项中，双击Demos，即可打开演示程序。（二）选择Help菜单Demos选项，可以打开MATLAB的演示窗口。（三）在指令窗口中键入指令demo，同样可以打开MATLAB演示窗口。 下表是近年来MATLAB的版本更新简况：日期版本平台系列的重要工具包软件1987年MATLAB3.0版DOScontrol，signal，Identflcaton1991年3.5DOS图形编程、仿真

19、软件simulib（simulink的前身）1993年3.5kWindows3.01993.14.0Windows3xMatlabwnhslmullnk，control，NeuralNetwork，optlmlzatlon，RobustControl，state-space Identlflcaon，Systemldentlf，panalysandsynthesls1993.114.1SYMBOLIC，Math符号计算工具包1994.54.2DSP blockset1994.11Notebokforword“活”笔记本工具包，red-time workshop1995.54.2cWindows

20、3.xFlxe-PolntBl优kset1996.4MATLAB complier Math library1997年夏MATLAB5.0、simulink2.0（MATLAB公司预计）在继承MATLAB4.2C和simulink1.3c。版本功能的基础上，实现真正32-bit运作。数值计算更快，图形表现更有效、编程更简捷只管、用户界面更友善表一二、基于MATLAB仿真实现方法MATLAB通信工具箱是一套用于在通信领域进行理论研究、系统开发、分析设计和仿真的专业化工具软件包。MATLAB通信工具箱由两大部分组成：通信系统功能函数库和SIMULINK通信系统仿真模型库。运行MATLAB通信工具箱

21、需要有MATLAB信号处理工具箱支持。MATLAB通信系统功能函数库由七十多个函数组成，每个函数有多种选择参数、函数功能覆盖了现代通信系统的各个方面。这些函数包括：信号源产生函数、信源编码解码函数、纠错控制编码解码函数、调制解调函数、滤波器函数、传输信道模型函数（基带和通带）、TDMA、FDMA、CDMA函数、同步函数、工具函数等。以纠错控制编码函数为例：函数库提供了线性分组码、汉明码、循环码、BCH码、里德一索洛蒙码（REED_SOLOMON）、卷积码等六种纠错控制码，每种编码又有编码、矢量输入输出、序列输入输出等四种形式的函数表达。在SIMULINK通信系统仿真模型库中，整个通信系统的流程

22、图被概括为：信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调。多址接入方式、滤波器以及传输介质的模型。每个框图都由一个子仿真模型库构成，在通信系统中，一般情况下，传输和接受所采用的技术室相互对应的，因此，可以将发射与接收部分中各个子仿真模型库进行相应的归类。发射部分的信源编码和接受部分的信源编码所对应的子仿真模型库归类后共有种信源编解码仿真模型。另外，为能进行通信的全系统仿真，SIMULINK通信系统仿真模型库提供了通带和基带两种类别的信道模型，其中通带信道有种模型，基带信道有种模型。第二章 FSK在MATLAB环境下的仿真 2.1 FSK在MATLAB环境下的仿真过程与结果仿真是采用的MATLAB软

23、件，其在电脑运行环境如图所示。实验过程是在窗口点击MATLAB快捷方式，使其运行，将FSK调制与解调的程序输入框中，点击回车即可运行，运行结果后面进行分析图3-1 在MATLAB环境下调制与解调的程序如：附件 程序的运行过程是：首先产生25个随机序列码（如图3-2所示注：此序列为随机序列，每一次运行程序所产生的序列都不同），然后通过调用函数对该序列进行调制（如图3-3所示）。在调制信号中加入高斯白噪声（如图3-4所示）。再通过调用函数让函数通过相干解调方式进行解调，解调信号（如图3-5所示）。再通过调用函数让调制信号图3-2 图3-3 图3-4 图3-5 通过非相干解调方式进行解调，解调信号（

24、如图3-6所示）。图3-7是相干解调后的误码率统计，图3-8是非相干解调的误码率统计。 图3-6 图3-7图3-8 （注释：图3-7，图3-8中右上角的意思为，TheoreticalSER理论软件错误率；TheoreticalBER理论二进制误码率；SimulatedSER模拟软件错误率；SimulatedBER模拟二进制误码率。）2.2 FSK在MATLAB环境下的分析一、FSK在MATLAB环境下试验的优劣优点：(1)调制信号和载频都具有随机性，而且具有在课堂演示的功能。(2)实验程序已经编好，不易发生故障，何时都可进行。(3)进行了相干解调和非相干解调两种方式的比较 (4)解调后对相干解

25、调和非相干解调的误码率统计缺点：(1)不能通过实验操作调试出实验结果。 (2)前期编程和数学建模工作也比较复杂。二、FSK解调实现FSK的解调方法很多，可以用传统的包络检波、相干解调，还有好多其他解调方法，诸如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。此次仿真采用相干解调，同步检测法进行解调，其原理流程见图（2-2）。将已调信号分别经过频率f1和频率f2的相干波解调，则信号中低频的部分（“1”调制后的波形）和高频部分（“0”调制后的波形）会因想干频率的不同而被搬移到原来频率或其他频段，只有相干频率与载波频率相同，解调时信号在频域中才会搬移回原点，经低通滤波后仍然有信号波形在；而与它载波频率不同的相干波

26、解调的那一半能量则会在低通滤波后被滤掉。因此前者绝对值的值应该大于后者，也正是根据这个原理来进行码元的判定的。在MATLAB中可以通过以下语句来实现： ave1=sum(abs(efsk11)/length(num);%分支1抽样值的绝对值的平均值。 ave2=sum(abs(efsk22)/length(num);%分支2的抽样值的平均值。 if ave1>ave2 final(i)=1;%信号经过滤波后进行比较。分支1大于分支2为1.反之为0 else final(i)=0; end而滤波器在MATLAB中我们用filtfilt命令实现，对已调信号进行滤波后的码元波形见图（3-9）。

27、 解调后低通滤波后的信号src（1）解调后低通滤波后的信号src（2）图3-9已调信号经低通滤波后时域图最后，经过抽样判决，可以得到解调后的数字信号序列，其波形见图（）。图3-10原始信号与解调信号对比图注：这里，我们用代码src=rand（1,n）<=p；产生随机数字信号存于矩阵scr，并用语句src1=src； src2=ones（1，n）-src；得到相当于式（2-5）、式（2-6）中与的src1与src2.并用stairs命令画出了原始信号的波形图src1与src2.见图3-9,3-10通过对比我们可以看出解调后的码元和原始码元一只，说明仿真过程是正确的。三、FSK信噪比对误码率

28、的影响分析由理论分析值我们知道FSK调制想干解调的误码率为P= （3-7） 我们在附件2的MATLAB程序中对其进行了验证，具体方法是产生足够的码元，加入高斯白噪声后，调制解调，然后统计误码率，并用循环求得不同信噪比下的统计误码率值，并画图与理论值进行了比较。其结果见图（3-4）。注：由于程序实现的需要，我们在求误码率的运算时，对五误码的统计采用了与同步解调判决等价的另一种方法。详见附件.结论 本篇论文是关于通信原理当中FSK的硬件实验与软件模拟仿真实验的对比。首先则是对FSK的调制与解调理论知识进行深入学习，然后则是对不同的实验方法进行了理论上的研究，比如硬件实验中的实验箱原理、示波器正确使

29、用方法和matlab的安装方法、基本编程方法。通过对知识的系统学习，使自己具有该方面的技能，然后开始实验。硬件实验主要是使用实验箱和示波器完成对每个点的测量，然后由该点的理论波形进行比较，比较的方法是首先判断所测波形是否正确，若不正确找出错误之处，若正确则分析实测波形与理论波形不是完全相同的原因。软件模拟仿真实验则是先将实验目的按照各自不同的目的分成几小块，通过编程和在matlab环境中调试将其逐一实现，最终使得整个实验目的得到完成。最后则是根据自己在做硬件实验和软件模拟仿真实验的心得体会、各自的特点，分析出它们的各自的长处，找出其在教学中的适用范围具体范围简言之,则是软件模拟仿真实验用于课堂

30、教学，硬件实验用于课后加强巩固知识训练，以促进教学相长, 使我校的教学质量和办学水平得到有效提高。  参考文献1著者：樊昌信书名：通信原理出版地：北京市海淀区紫竹院南路23号 出版社：国防工业出版社，出版年：2001年5月，起止页码：133-137页  2著者:刘美玲篇名：FSK调制与解调J刊名：通信原理实验讲义出版年份2008-3-1 卷号（期号）：起止页码9-11页. 3著者：张森 张正亮书名：matlab仿真技术与应用实例教程 出版地：北京市百万庄大街22号 出版社：机械工业出版社，出版年

31、：2004年1月，起止页码：164-185页  4著者：William H.Trangter  K.Sam Shanmugan Theodre S.Rappaport Kurt L.Kosbar书名：通行系统仿真原理与无线应用 出版地：北京市百万庄大街22号 出版社：机械工业出版社，出版年：2005年6月，起止页码：1-16页17附录一title('调制后的信号')xlabel('Time');ylabel('Amplitude'

32、;); %在已调信号中加入高斯白噪声randn('state',seed(2);y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),'measured','dB');%在已调信号中加入高斯白噪声figure(3)plot(t,y(1:length(t),'b-'); %画出经过信道的实际信号axis(min(t)max(t)-1.5 1.5);title('加入高斯白噪声后的已调信号')xlabela('Time');ylabel('Amplitude');

33、 %相干解调figure(4)z1=ddemod(y,Fc,Fd,'fsk/eye',M,df);title('相干解调后的信号的眼图') %带输出波形的相干M元频移键控解调figure(5)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx');hold on;stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),'ro');hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title('原输入二进制随机序列'，'相干解调后的信号')xlable('

34、;Time');ylable('Amplitude'); %非相干解调figure6z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye/noncoh',M,df);title('非相干解调后的信号的眼图') %带输出波形的非相干M元频移键控调制figure(7)stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),'bx');hold on;stem(0:numPlot-1,z2(1:numPlot),'ro');hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title(

35、'非相干解调后的信号')lengend('原输入二进制随机序列'，'非相干解调后的信号')xlabel('Time');ylabel('Amlitude'); %误码率统计errorSym ratioSym=symerr(x,z1);figure(8)simbasebandex(0:1:5);title('相干解调后误码率统计') %滤高斯白噪声Delay=3;r=0.5;PropD=0; %滞后3s附录二%close all;clear all;rand('state',sum(1

36、00*clock); %Reset the generator of uniformly distributed random numbersrand('state',sum(100*clock); %Reset the normally distributed random numbersminTestLength=1000; %test length should at least reach this numbermaxTestLength=50000; %test stops at this numberA=1; %signal amplitudeEb=A*A; %Bi

37、t energyEbN0=10; %EbN0 in dBindex=1; %作为每个信噪比的下标for EbN0=0:1:10 %信噪比由一到十disp('莫急')N0=Eb*10(-EbN0/10);noiseVar=N0/2; %noise density 噪声密度noiseRoot=sqrt(noiseVar);%square root of the noise 噪声的均方差errorCount=0； %误码的符号个数testCount=0; %测试次数w1=1000; %信号1载波角频率w2=2000; %信号0载波角频率mm=0:0.001:0.4; %抽样判决在t轴

38、上的抽样矩阵while(1)%=以下为源信号经过FSK调制解调=%src=rand(1)<=0.5; %产生随机数字信号scrsrc1=scr; src2=1-src;%src1储存原始信号和src2储存与之相反的信号noise=noiseRoot.*randn(1,length(mm);%高斯白噪声矩阵Noise_fsk=cos(w1*mm)*src2+noise; %对应矩阵mm的Noise_fsk矩阵efsk1=Noise_fsk.*cos(w1*mm); %频率w1的相干解调efsk2=Noise_fsk.*cos(w2*mm); %频率w2的相干解调efsk11=filtfil

39、t(ones(1,10),9.7675,efsk1); %低通滤波efsk22=filtfilt(ones(1,10),9.7675,efsk2);ave1=sum(abs(esfk11)/length(mm);ave2=sum(abs(esfk22)/length(mm);if ave1>1/2&ave2>1/2errorCount=errorCount+1;elseif ave1<1/2&ave2<1/2 errorCount=errorCount+1;elseif ave1<1/2&ave2>1/2 errorCount=errorCount+1;endtestCount=testCount+1;if(testCount<minTestLength)continue;endtempBER=errorCount/testCount;if(tempBER>0)thresholdTestLength=1/(tempBER);elsethresholdTestLength=maxTestLength;e