多进制数字调频系统的性能测试

1、一、课程设计题目：多进制数字调制系统的性能分析第 1 章多进制数字频率调制系统概述频率件控是用数字基带信号控制载波信号的频率，即以不同频率的高频振荡来表示不同的数字基带信号。多进制数字频率调制也称为多元调频或多频制。用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号，在某一码元时间内只发送其中一个频率。1.1 mfsk 简介多进制数字频率调制（mfsk ）简称多频制，是2fsk 方式的推广。它是用不同的载波频率代表种数字信息。多进制频键控（mfsk ）的基本原理和2fsk 是相同的，其调制可以用频率键控法（频率选择法）和模拟的调频法来实现，不同之处在于使用键控法时其供选的频率有m 个，选择逻辑电路也

2、比较复杂。图 1 mfsk 的解调同样有相干解调、非相干解调和锁相环法解调等多种解调方式，其中非相干解调的原理如图所示。 mfsk （多进制频移控），是一种在各种频率离散音频脉冲爆发传送数字信息的信号调制方法。它原来是欧洲和英国政府机构在20 世纪中叶使用。在那时它叫做piccolo, 一种乐器的名字，这种乐器的声音音调很高，就像一个mfsk 信号经过收音机的喇叭时发出的声音。mfsk 类似频移监控（fsk ），但是使用的频率要至少多两个。最常见的mfsk 形式使用16 个频率，叫做 mfsk16。这些音调一次传送一个。每个音调持续时间不到一秒。mfsk 中波特（每秒传输的数目）与比特 / 秒

3、（ bps ）的比率要比二进制中小。这减少了噪音和对数据传输速率的干扰的错误的产生。为了提供更大的精确性，前向纠错技术（fec ）被使用。1.2 mfsk 系统的原理mfsk 系统的组成方框图如下图所示。发送端采用键控选频的方式，接收端采用非相干解调方式。图 5-35 多进制数字频率调制系统的组成方框图图中，串 / 并变换器和逻辑电路1 将一组组输入的二进制码（每k 个码元为一组）对应地转换成有m 种状态的一个个多进制码。这m 个状态分别对应m 个不同的载波频率。当某组k 位二进制码到来时，逻辑电路 1 的输出一方面接通某个门电路，让相应的载频发送出去，另一方面同时关闭其余所有的门电路。于是当

4、一组组二进制码元输入时，经相加器组合输出的便是一个m 进制调频波形。m 频制的解调部分由m 个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路2 组成。各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。因而，当某一已调载频信号到来时，在任一码元持续时间内，只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器只有噪声通过。抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压，并选出最大者作为输出，这个输出是一位与发端载频相应的m进制数。逻辑电路2 把这个 m 进制数译成k 位二进制并行码，并进一步做并/ 串变换恢复二进制信息输出，从而完成数字信号的传输。多进制数字频率调制也称多元调频.m 频制有

5、 m 个不同的载波频率与m 种数字信息对应, 即用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号, 在某一码元时间内只发送其中一个频率. 多进制系统框图如图.图中串并变换电路和逻辑电路将输入的二进制码转换成m 进制的码 ,将输入的二进制码每 k 位分为一组 ,然后由逻辑电路转换成具有多种状态的多进制码.控制相应的m 种不同频率振荡器后面所接的门电路,当某组二进制码到来时,逻辑电路的输出一方面打开相应的门电路,使该门电路对应的载波发送出去,同时关闭其他电路,不让其他在播发送出去,每一组二元制码(log2m 位) 对应一个门打开 ,因此信道上只有m 种频率中的一种被送出.因此 ,当一组组二进制码输入时

6、,加法器的输出便是一个mfsk 波形 .接受部分有多个中心频率为f1f2 ,fm 的带通滤波器,保罗检波器及一个抽样判决器,逻辑电路 ,并串变换电路组成.当某一载频再拼来到时, 只有相应频率的带通滤波器能收到信号,其他带通滤波器输出都是噪声. 抽样判决器的任务就是在某一时刻比较所有包络检波器的输出电压,半段哪一路的输出最大 ,以达到判决频率的目的.将最大者输出, 就得到一个多进制码元,经逻辑电路转变成k 位二进制并行码,在经并串变换电路转换成串行二进制码,从而完成解调任务. mfsk 信号除了上述解调方法之外，还可以采用分路滤波相干解调方式。此时，只需要将包络检波器用乘法器和低通滤波器代替即可

7、。但各路乘法器需要分别送入不同频率的相干本地载波。mfsk 系统提高了传输速率，误码率与二进制相比却增加不多，但占据较宽的频带，因而频率利用率低，多用于调制速率不高的传输系统中。这种方式产生mfsk 信号的相位是不连续的，可看作是m 个振幅相同、载波不同、时间上互不相容的二进制 ask 信号的叠加。因此其带宽bmfsk=fh-fl+2fs式中， fh为最高载频 ; fl为最低载频 ; fs为码元速率。图 3 多进制系统（mfsk ）原理框图第 2 章 设计原理及步骤mfsk 系统是 2fsk( 二频键控 ) 系统的推广 , 该系统有m 个不同的载波频率可供选择，每一个载波频率对应一个m 进制码

8、元信息，即用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号，在某一码元时间内只发送其中一个频率。2.1 多进制数字频率调制系统设计原理2.1.1 system view 软件的介绍system view是美国 elanix公司推出的，基于windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(token)描述程序。利用system view，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从system view配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，

9、最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。载波角频率， 通常采用相位不连续的振荡频率，这样便于利用合成器来提供稳定的信号频率。在发送端，输入的二进制码元经过逻辑电路和串/ 并变换电路转换为m 进制码元，每k 位二进制码分为一组，用来选择不同的发送频率。在接收端，当某一载波频率到来时，只有相应频率的带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器输出的都是噪声。抽样判决器的任务就是在某一时刻比较所有包络检波器的输出电压，通过选择最大值来进行判决。将最大值输出就得到一个m 进制码元，然后，再经过逻辑电路转换成k 位二进制并行码，再经过并/ 串变换电路转换成串行二进制码，从而完成解调过程。随着社

10、会节奏的加快，产品的更新速度越来越快，这时候引入eda 仿真软件进行前期的仿真已经是不可避免的事情。system view是强大的系统级eda 仿真软件，适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通信等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析，对各种逻辑电路、射频模拟电路(混合器、放大器、rlc 电路、运放电路等)进行理论分析和失真分析。一方面，应用eda 软件需要良好的相关专业知识；另一方面，熟练地应用eda 软件可以为实际系统的开发提供方案论证和实践指导，可以辅助用户更好地开发系统。（1 ）能仿真大量的应用系统。能在dsp 、通讯和控制

11、系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、dsp 和射频模拟功能模块。特别适合无线电话（gsm ，cdma ，fdma ，tdma ，dsss ）、无绳电话、寻呼机和调制解调器以及卫星通信系统（gps ，dvbs ，leos ）等的设计；能够仿真（c3x ，c4x 等） dsp 结构；可进行各种系统时域 / 频域分析和谱分析；对射频模拟电路（混合器，放大器，rlc 电路和运放电路）进行理论分析和失真分析。（2 ）快速方便的动态系统设计与仿真。使用熟悉的windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键）， system view可以快

12、速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、dsp 滤波器，并输入输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（meta system）。system view图标库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能块，提供从dsp 、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等的应用。信号源和接收端图标允许在system view内部生成和分析信号，并提供可外部处理的各种文件格式和输入/ 输出数据接口。（3 ）在报告中方便地加入system view的结论。 system view通过 notes （注解

13、）很容易在屏幕上描述系统； 生成的 system view系统和输出的波形图可以很方便地使用复制（copy ） 和粘贴（paste ）命令插入微软word等文字处理器。（4 ）提供基于组织结构图方式的设计。通过利用system view中的图符和meta system（子系统）对象的无限制分层结构功能。system view能很容易地建立复杂的系统。首先可以定义一些简单的功能组，再通过对这些简单功能组的连接进而实现一个大系统。这样，单一的图符就可以代表一个复杂系统。 meta system的连接使用也与系统提供的其他图符同样简单，只要单击一下鼠标器，就会出现一个特定的窗口显示出复杂的meta

14、system。但是在学习版中没有meta system图符功能，必须升级到专业版才有此功能。（5 ）多速率系统和并行系统。system view允许合并多种数据采样率输入的系统，以简化fir 滤波器的执行。这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的通信系统的设计与仿真，有利于提高整个系统的仿真速度，而在局部又不会降低仿真的精度。同时还可降低对计算机硬件配置的要求。（6 ）完备的滤波器和线性系统设计。system view包含一个功能强大的、很容易使用的图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境，还包含大量的fir/iir滤波类型和fft 类型，并提供易于用 dsp 实现滤波器或线性系统

15、的参数。（7 ）完善的自我诊断功能。system view能自动执行系统连接检查，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。2.1.2 用 system view软件实现多进制数字频率调制系统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。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振幅、频率及相位进行调制，最基本的方法有3 种： 正交幅度调制(qam)、 频移键控 (fsk)

16、、 相移键控 (psk) 根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多进制调制(m 进制 ) 多进制数字调制与二进制相比，其频谱利用率更高。2.1.3数字通信系统设备性能的system view仿真现代通信系统的发展使通信系统和通信技术日趋复杂，为了寻求某种通信系统在一定条件下是否具有最佳性能，软件仿真已成为必不可少的一部分：（1 ）数字通信系统的一般组成。电子通信根据信道上传输信号的种类分为模拟通信和数字通信。数字通信系统设备种类多种多样，其基本构成如图1 所示。图 1 数字通信系统的基本构成在数字通信系统中，误码率是一个非常重要的指标，数字通信系统以及相关组件都必须满足误码率最低规范的要求

17、。为了能在已知信噪比情况下达到这一指标，不仅要设计合理的基带信号，选择调制解调方式，采用时域、频域均衡，还要根据设备要求采用必要的纠错编码和交织环节来使系统误码率尽可能的降低，以满足系统指标的要求。差错编码和交织方法是提高通信系统可靠性的关键。（2 ）数字通信的仿真系统在数字通信系统中，无论是何种编码、交织都是很复杂的，除了复杂的数学模型外，其实际电路也非常复杂。为方便用户对纠错码的仿真和性能研究，system view通信库中提供了专门的纠错码编码、译码器，只要选择系统所需要的编码方式并输人参数即可。建立一个system view通信仿真系统如图2 所示，其中信号源采用码速率为20khz的

18、pn 伪随机序列。由于rs 码为非二进制码，在进入编码之前，需要将二进制数据进行图符74 的比特符号转换，系统的误码率计算由图符11 完成。在该系统中， 信道模拟成一个高斯噪声信道(awgn)，在噪声后面加入一个增益图符来控制信噪比的大小，受控的增益图符在系统菜单中设置全局关联变量，以便每一个测试循环完成后将系统信噪比的值改变一次。2.2多进制数字频率调制系统设计步骤根据该原理图建立mfsk 调制和解调system view模型如图所示。（以4 进制调制为例）。其中调制部分直接由system view提供的 mfsk 调制图符0 来完成， 子系统图符11 、 图符 14 、图符 19 和、图符

19、 24 完成包洛检波功能，其内部结构完全相同。后面的电路完成对滤波输出的各路信号的判决和最后信号的逻辑处理功能,图符如下 : 图 符编 号库/图符名称参数0 source:pn seq amp=1v,offset=0v,rate=10hz, levels=4,phase=0deg 1 comm ：mfsk continuous,amplitude=1v,no.tones=4,minfreq=30hz,freq step=10hz,rate=10hz,min input=-1v,max input=1v 4 operator：linear sys butterworth bandpassiir,

20、3 poles,low fc=25hz,hi fc=35hz 5 operator：linear sys butterworth bandpassiir,3 poles,low fc=35hz,hi fc=45hz 6 operator：linear sys butterworth bandpassiir,3 poles,low fc=45hz,hi fc=55hz 7 operator：linear sys butterworth bandpassiir,3 poles,low fc=55hz,hi fc=65hz 9 function：half rctfy zero point=0v 10

21、 operator：linear sys butterworth bandpassiir,3 poles, fc=12hz 11 、14 、19 、24 meta system not auto-linked 12 meta i/o: meta in 13 meta i/o: meta out 29 operator: sample hold ctrl threshold=0v,signal=t39 output0,control=t13 output0 30 source: pulse train amp=1v,freq=10hz,plusew=1.e-3sec,offset=-500.e-

22、3v,phase=180deg 31 logic :anacmp gate delay=0sec,trueoutput=-1v,falseoutput=0v,output=0,input+=t13 output0 33 logic: anacmp gate delay=0sec,trueoutput=1v,falseoutput=0v,output=0,input=t18 output0 35 logic: anacmp gate delay=0sec,true output=1v, false output=0v,output=0,input=t23 output0 37 logic: an

23、acmp gate delay=0sec, true output=1v,false output=0v,output=0, input=t38 output0 32 、34 、36 、38 source: step fct amp=150.e-3v,start=0sec,offset=0v 39 adder 2 、 3、 8、sink: analysis 4045 第 3 章 调试分析利用 system view可以方便快捷地建立数字通信系统的仿真模型，还可以在编码系统中建立不同的调制解调系统，加入不同的实际信道观察该通信系统的误码率一信噪比曲线，以寻求一种具有最佳性能的系统方案，方便地完成复杂通信系统的建模、设计和测试。system view还可以将测出的ber/snr曲线与标准的fsk ，psk ，qpsk 等调制的ber 曲线进行比较来衡量一种信道的优