差分码FSK调制及非相干解调系统仿真

1、 差分码FSK调制与非相干解调系统仿真 第页 共23页 差分码FSK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仿真平台设计进行差分码FSK调制与非相干解调系统仿真。在本次课程设计中先进行码型转换，即将基带信号的绝对码转换为差分码（相对码），再根据FSK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、瑞利噪声，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差分码FSK调制解调系统仿真是否成功。 关键词 差分码；2FS

2、K；调制；非相干解调；Simulink 1 引 言本次课程设计主要利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个差分码FSK调制与非相干解调系统仿真系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，即为加噪声和加高斯、瑞利噪声，将三种噪声源的方差均设置相同，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析比较通过三种不同信道后的接收信号的系统性能。1.1 课程设计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

3、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。1.2 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，用示波器观察调制前后的信号波形，用

4、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。将两种噪声源的方差均设置相同，分析比较通过两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。1.3 设计平台Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流

5、程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink1。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个

6、建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulik是MATLAB软件的扩展，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析

7、。2 基本原理2.1 差分码2FSK的调制与解调（1）码型转换先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对编码变成相对码（差分码），然后根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。（2）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

8、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 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f1或f2两个载波之一.。图 2 3 数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图图 2- 4 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a=1,则b=0, 若a=0,则b=1;c为载波f1，d为载波f2，g为2FSK的调制出的信号。（3）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

9、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 2 5 二进制移频键控信号解调器原理图图 2 6 2FSK非相干解调时间波形图（4）解差分码：此为码型变换的逆过程。3 系统仿真设计3.1 差分码2FSK信号调制与解调（1）差分码2FSK的调制与解调打开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。下图中Bernoulli Binary Generator模块为信号产生器，

10、它能产生二进制的数字基带信号。Sine wave1，Sine wave2为频率为f1和f2载波模块，Differential Encoder模块为差分码转换模块，Product为乘法器模块，Scope为示波器模块，NOT为反相器模块，Power Spectral是功率谱模块。2FSK信号是由频率分别为Sine wave1和Sine wave2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中Sine wave1和Sine wave2是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号。Analog Filter Design模块为带通滤波器，Abs模块为绝对值，其作用等同于包络检测器， Subt

11、ract模块对信号进行加法或减法运算， Zero order hold模块的功能为零阶保持模块，Quantizing Encoder为量化编码器模块，Zero order hold和Quantizing Encoder的作用等同于在定时脉冲下的抽样判决器，Differential Decoder模块为差分码解码模块，Error RateCalculation模块是用来计算误码率，并由Display显示出来。调制解调模型图如下图所示：图 3 1 差分码2FSK信号调制与解调的simulink模型方框图（2）差分码2FSK的调制与解调参数设置 a、载波：f1，f2是幅度为3；频率分别为4*pi和8

12、*pi；采样时间为1/500的信号。图 3 2 载波sin wave1的参数设置图 3 3 载波sin wave2的参数设置b、信号产生器：产生二进制的数字基带信号图 3-4 基带信号Bernoulli Binary Generator信号模块参数设置c、带通滤波器：由于载波f1和f2的频率分别为4*pi和8*pi，基带信号的采样时间为1，所以其频率为1HZ，1HZ等于2*pi，又因为2FSK的带通滤波器取值就是载波频率加减基带信号的频率，而通带范围最好要比原通带大一点，则带通滤波器1的取值范围是6*pi到11*pi，带通滤波器2的取值范围是14*pi到17*pi。图 3-5带通滤波器1参数设

13、置图 3-6带通滤波器2参数设置d、零阶保持模块：采样时间设置必须与基带信号的采样时间保持一致。图 3-7 零阶保持模块的参数设置 e、量化编码器图 3-8量化编码器的参数设置f、Error Rate Calculation：有一个单位的延时图 3-9 Error Rate Calculation的参数设置（3）差分码2FSK的调制与解调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 3-10 差分码2FSK调制与解调波形图调制前后频谱分析如下图：图3-11 基带信号频谱分析图3-12调制后的频谱分析图 3-13解调后的频谱分析从上图可以看出，经过非相干解

14、调后，除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。图3-11是原基带信号的频谱图，可见其最值所对的频率在2.5Hz左右，经过调制后其频进行了移动，移至了12.5Hz左右，而解调后，该频率再次回到2.5Hz左右，大体上实现了该系统的仿真设计。（4）误码率：可见理想信道内，其误码率为0。由上可见，此次模型的设计是成功的，实现了各项功能3.2 加入噪声的差分码2FSK非相干解调（1）加入噪声高斯噪声：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（Gaussian

15、 Noise Generator）加入到模型中。噪声参数设置、模型与波形图如下：图 3-14 差分码2FSK加入高斯噪声模型瑞利噪声：它的概率密度函数服从瑞利分布的一类噪声。在理想信道调制与解调的基础上，在调制信号上加入瑞利噪声，把Simulink噪声源下的瑞利噪声模块（Rayleigh Noise Generator）加入到模型中。噪声参数设置、模型与波形图如下：图 3-15 差分码2FSK加入瑞利噪声模型（2）参数设置：图 3-16高斯躁声Variance参数设置为100图 3-16高斯躁声Variance参数设置为500图 3-17瑞利躁声Sigma参数设置为100（3）波形比较图 3-

16、18方差为100时候的高斯躁声下的差分码2FSK调制与解调图图 3-19方差为100时候的瑞利躁声下的差分码2FSK调制与解调图（3）功率谱比较高斯噪声：a、噪声方差为100： 图3-20方差为100时候基带信号频谱分析图3-21方差为100时候调制后的频谱分析图3-22方差为100时候解调后的频谱分析b、噪声方差为500： 图3-23噪声方差为500时候基带信号频谱分析图3-24噪声方差为500时候调制后的频谱分析图3-25噪声方差为500时候解调后的频谱分析瑞利噪声： 图3-26基带信号频谱分析图3-27调制后的频谱分析图3-28解调后的频谱分析如图所示，图3-21、图3-24为加入高斯噪

17、声的波形图3-27为加入瑞利噪声的波形，可通过修改参数表中的方差来改变加入噪声的大小，与理想信道的输出波形相比较可以看出，波形出现不同程度的失真。从上图可以看出，经过非相干解调后，除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。图3-20、图3-23、图3-26是原基带信号的频谱图，加入噪声后，其频谱有了一些差别，在同种噪声下，如高斯噪声，其方差取值为100、500，最后频谱有了明显的不同。大体上实现了该系统的仿真设计。（4）误码率高斯噪声：图3-27 高斯噪声误码率瑞利噪声：图3-28 瑞利噪声误码率高斯噪声误码率为0.1，瑞利噪声误码率为0.5，可见瑞利噪声出

18、现严重失真。由上可见，此次模型的设计大体上是成功的。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4.1 异常处理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

19、修正因子（默认为1）加大，具体步骤为选择模型菜单中的“Simulink|configuration parameters|Data import/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，允许误差变大，便于波形的输出。（5）在选择带通滤波器的参数时候要严格按照需要的频率范围取值，通过计算载波和基带信号的频率可以得出该频率范围取值。 （6）在整个仿真过程中，各模块的参数设置十分重要，一定要设置合适的