基于Simulink的数字通信系统仿真—采用 2FSK调制技术

1、信电学院通信系统仿真二级项目设计说明书（2013/2014学年第二学期）课程名称 ： 通信系统仿真二级项目 题 目 ：基于Simulink的数字通信系统 仿真采用2FSK调制技术 专业班级 ： 通信工程1201 学生姓名 ： 付晓雅120310111 靳 竹120310113 李晓争120310112 李一祥120310110 指导教师 ： 李志华、任丹萍、张龙 设计周数 ： 1周 设计成绩 ： 2014年6月26日目录第1章 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 课题主要研究工作.1 1.3 数字调制的意义.1第 2章 设计基础.2 2.1 Simulink的简介.2 2.2 数字通信系统

2、数学模型.2 2.3 项目目的.3 2.3.1 技术要求及原始数据.3 2.3.2 主要任务.3第3章 项目原理.33.1 2FSK调制解调基本理.3 3.1.1 2FSK调制原理.3 3.1.2 2FSK解调原理.4 3.2 FSK信号的表达式和波形图.5第4章 Simulink模型建立及仿真.64.1 模型建立.64.2 参数设置.64.3 仿真波形.10 4.3.1 调制波形.10 4.3.2 解调波形.11 4.3.3 频谱图.12 4.3.4 加入高斯噪声后的误码率.12第5章 项目总结及分析.12参考文献.13第1章 绪论1.1 课题背景数字频率调制又称频移键控（FSKFreque

3、ncy Shift Keying），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。随着电子计算机的普及，数据通信技术正

4、在迅速发展。数字频率调制是数据通信中常见的一种调制方式。频移键控（FSK）方法简单，易于实现，并且解调不须恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声也比较强。因此，FSK调制技术在通信行业得到了广泛地应用，并且主要适用于低、中速数据传输。由于FSK调制解调原理相对比较简单，作为数字通信原理的入门学，理解FSK后可以容易理解其他更复杂的调制系统，为以后的进一步发展打个基础。1.2课题主要研究工作主要研究2FSK信号的调制解调系统的实现，完成对数字信号的调制与解调，使系统简单，并要调制解调过程容易实现，能正确完成调制解调任务。1.3数字调制的意义数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的

5、这些参量随基带信号的变化而变化。根据控制的载波参量的不同，数字调制有调幅、调相和调频三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。因此，大部分现代通信系统都使用数字调制技术。另外，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ISDN网），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。因此，对数字通信系统的分析与研究越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要部分之一，对它的

6、研究也是有必要的。通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进系统，获得更佳的传输性能。第2章 设计基础及要求2.1 Simulink的简介Simulink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 。确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulin

7、k环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simuli

8、nk库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或Matlab的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就

9、可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到Matlab的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，Matlab的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。由于Matlab和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离Matlab而独立工作。 2.2 数字通信系统数学模型图2-1 数字通信系统 典型的数字通信系统由信源、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节构成，如图 1-1所示，数字调制是数字通信系统的重要组成

10、部分，数字调制系统的输入端是经编码器编码后适合在信道中传输的基带信号。对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心基带信号的码型，因此，我们在仿真的时候可以给数字调制系统直接输入数字基带信号，不用在经过编码器。2.3 项目目的基于Simulink的数字通信系统仿真采用2FSK调制技术2.3.1技术要求及原始数据(1)对数字通信系统主要原理和技术进行研究，包括二进制频移键控（2FSK）及解调技术和高斯噪声信道原理等； (2)建立数字通信系统数学模型； (3)建立完整的基于2FSK的模拟通信系统仿真模型； (4)对系统进行仿真、分析。 2.3.2主要任务 (1)建立模拟通信系统数学模型； (2)利用Si

11、mulink的模块建立模拟通信系统的仿真模型； (3)对通信系统进行时间流上的仿真，得到仿真结果； (4)将仿真结果与理论结果进行比较、分析。第3章3.1 2FSK调制解调基本原理3.1.1 2FSK调制原理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。两种FSK信号的调制方法的差异在于：由直接调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的（这一类特殊的FSK，称为连续相位FSK（Continous-Phase FSK，CPFSK），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。图2-2

12、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f或f两个载波之一。图3-1 键控法产生2FSK信号的原理图3.1.2 2FSK解调原理图3-2 2FSK相干检测方框图数字调频信号的解调方法很多，如相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。下面就相干检测法进行介绍。相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图2-3所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信

13、号的抽样值、进行比较判决，即可还原出基带数字信号。3.2 2FSK信号的表达式和波形图在二进制数字调制中,若正弦载波的频率随二进制基带信号在f和f两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号(2FSK信号)。二进制移频键控信号的时间波形如图2 -1 所示，图中波形g可分解为波形e和波形f，即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。 若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f，0符号对应于载波频率f，则二进制移频键控信号的时域表达式为 (2-1-1) (2-1-2) (2-1-3)图3-3 二进制频移键控信号的波形由图2-1可看出b是a的反码，即若a=1，则b=0，若a=

14、0，则b=1；两个相角分别代表第n个信号码元的初始相位。在二进制频移键控信号中 ，均不携带信息，通常令其为零。因此，二进制频移键控信号的时域表达式可简化为 （2-1-4）第4章Simulink模型建立及仿真4.1模型建立2FSK调制与解调及误码分析的总体仿真模型：图4-1 2FSK调制与解调及误码分析的总体仿真模型4.2参数设置4.2.1载波（Sine Wave1）参数设置：图4-2 载波1参数设置载波频率：2HZ，幅度为+1设置依据：载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为2HZ。4.2.2载波（Sine Wave2）参数设置：图4-3 载波2参数设置载波频率：10HZ，幅度为

15、+1设置依据：要求两载波相角均为0，幅度相同，所以幅度设为+1，又载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为10HZ。 4.2.3伯努利二进制随机序列产生器（Bernoulli Binary Generator）参数设置：图4-4 伯努利二进制随机序列产生器参数设置伯努利二进制随机数产生器：幅度为1,周期为1s,占0比为1/2。4.2.4选通开关（Switch）参数设置:图4-5 选通开关参数设置设置依据：当大于0.5时，载波1导通；当小于0.5时，载波2导通。4.2.5带通滤波器（上）参数设置：图4-6带通滤波器参数设置带通滤波器参数：带通范围为15HZ设置依据：载波频率为2HZ

16、，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为15HZ。4.2.6带通滤波器（下）参数设置：图4-7 带通滤波器参数设置带通滤波器参数：带通范围为913HZ设置依据：载波频率为10HZ，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为913HZ。4.2.7低通滤波器（Digital Filter Design1）参数设置:图4-8 低通滤波器参数设置低通滤波器参数：截止频率为2HZ4.2.8低通滤波器（Digital Filter Design2）参数设置：图4-9 低通滤波器参数设置低通滤波器参数：截止频率为10HZ4.2.9取样判决器（relay）参数设置：图4-10取样判决器参数设置设置依据：当大于0.5时输出1，

17、当小于0.5时输出0，能达到在0变1不变的取样规则下正确解码的目的。4.2.10 Zero-Order Hold参数设置：图4-11 Zero-Order Hold参数设置抽样时间：1s设置依据：经查阅资料可知，其抽样时间应与伯努利二进制随机序列产生器的抽样时间一致，故设为1s。4.3仿真波形4.3.1调制波形图4-12 调制波形图中第一个图为随机产生的二进制序列的波形，第二个图为频率为f1的载波波形，第三图为频率为f2的载波波形，最后一个图为调制后的2FSK信号。4.3.2 解调波形图4-13 解调波形图中第一个图为收到的2FSK波形，第二个图为高斯噪声的波形，第三个图为加入高斯噪声后的的波

18、形，最后一个图为解调后的二进制序列。4.3.3频谱图图4-14 频谱图4.3.4加入高斯噪声后的误码率图4-15 误码率第5章 项目总结及分析通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用所学知识，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们有了实践的机会。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变。在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，通过这次课程设计使我懂得了理