基于matlab的频移键控的调制解调系统设计

1、摘要移频键控(FSK 是数据通信中最常用的一种调制方式。 FSK 方法简单易于实现,并且解调不需要恢 复本地载波,可以异步传输,抗噪声和抗衰落性能较强。缺点是占用频带较宽,频带利用不够经济。 FSK 主要应用于低中速数据传输,以及衰落信道和频带较宽的信道中。 MA TLAB 中的通信工具箱可以用来进 行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。阐述了计算机仿真的发展概况,及其重要意义,介绍了几种 仿真软件,着重介绍了 MA TLAB 和其通信工具箱。利用 MA TLAB 建立了 FSK 仿真模型,并对仿真模型 进行了测试 , 结果表明,仿真结果与理论基本一致,在研究 FSK 调制解调原理的基础上设

2、计了调制解调电 路。关键词 :FSK MA TLAB 仿真 调制解调第一章 设计任务及要求1.1课程设计依据在掌握频移键控调制解调原理的基础上, , 利用 MATLAB/Simulink软件进行系统的设计。 1.2课程设计内容设计一个频移键控系统,具体要求如下:1、 信源参数:0码概率 0.5 采样时间 1s2、 载波 1参数:幅度 1 频率 100rad/s3、 载波 2参数:幅度 1 频率 20rad/s4、 BPF1参数:下限频率 95rad/s 上限频率 105rad/s5、 BPF2参数:下限频率 15rad/s 上限频率 25rad/s6、 LPF 参数:截止频率 10rad/s7

3、、 判决器参数:门限 0.251.3课程设计要求1. 要求独立完成设计任务。2. 课程设计说明书封面格式要求见天津城市建设学院课程设计教学工作规范附表 13. 课程设计的说明书要求简洁、通顺,计算正确,图纸表达内容完整、清楚、规范。4. 测试要求:根据题目的特点,在 MATLAB 仿真并上观察调制解调各个部分波形图。5. 课设说明书要求:1 说明题目的设计原理和思路、采用方法及设计流程。2 系统框图、 MATLAB 程序清单或 Simulink 框图。3 对各部分的功能以及各部分之间的关系作较详细的描述。说明仿真结果:调制解调各个部分波形图。并对其进行说明和分析第二章 2FSK调制与解调原理2

4、.1调制原理二进制频移键控信号码元的“ 1”和“ 0”分别用两个不同频率的正弦波形来传送,而其振幅和初始相位不 变。故其表达式为:= (s t +时 发送“ ”时 发送“ " 0, cos(1, cos 21(n n t A t A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。2FSK 信号的产生方法有两种:(1模拟法,即用数字基带信号作为调制信号进行调频。如图 1-1(a 所示。(2键控法,用数字基带信号 (t g 及其反 (t g 相分别控制两个开关门电路,以此对两个载波发

5、生器进行 选通。如图 1-1(b 所示。这两种方法产生的 2FSK 信号的波形基本相同,只有一点差异,即由调频器产生的 2FSK 信号在相邻 码元之间的相位是连续的,而键控法产生的 2FSK 信号,则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的 信号,故相邻码元的相位不一定是连续的。 (a (b图 2.1 2FSK 信号产生原理图由键控法产生原理可知, 一位相位离散的 2FSK 信号可看成不同频率交替发送的两个 2ASK 信号之和,即c o s ( (c o s ( (c o s (· ( c o s ( ( (221122112+-+-=+=-=-=t nT t g at nT t g

6、 at t g t t g t n s nn s nFSK其中 (t g 是脉宽为 s T 的矩形脉冲表示的 NRZ 数字基带信号。P , 0P11概率 ,概率 -=n aP 1, 0P1-=概率 ,概率 n a其中, n a 为 n a 的反码,即若 1=n a ,则 0=n a ;若 0=n a ,则 1=n a 。2.2解调原理2FSK 信号的解调也分为 2FSK 信号的接收也分为相干解调和非相干解调接收两类。相干解调根据已调信号由两个载波 f1、 f2调制而成,则先用两个分别对 f1、 f2带通的滤波器对已调 信号进行滤波,然后再分别将滤波后的信号与相应的载波 f1、 f2相乘进行相干

7、解调,再分别低通滤波、 用抽样信号进行抽样判决器即可。原理图如下: 非相干解调接收经过调制后的 2FSK 数字信号通过两个频率不同的带通滤波器 f1、 f2滤出不需要的信 号,然后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。其原理图如下图所示: 第三章 MUTLAB与 Simulink 介绍3.1 MUTLAB 3.2 SimulinkSimulink 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

8、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。 对各种时变系统, 包括通讯、控制、信 号处理、视频处理和 图像处理 系统, Simulink 提供了交互式图形 化环境和可定制模块库来对其 进行设计、仿真、执行和测试。 . 构架在 Simulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、 验证和确认任务的相应工具。 Simulink 与 MATLAB 紧密集成, 可以直接访问 MATLAB 大量的工具来进行算法 研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本 的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。其特 点为:1、丰富的可扩充

9、的预定义 模块库。2、交互式的图形编辑器来组合 和管理直观的模块图。3、以设计功能的层次性来分割 模型,实现对复杂设计的管理 。4、通过 Model Explorer 导航、创建、配置、 搜索模型中的任意 信号、参数、属性 ,生成模 型代码。5、提供 API 用于与其他仿 真程序的连接或与手写代码集 成6、使用 Embedded MATLAB 模块在 Simulink 和 嵌入式系统执行中调用 MATLAB 算法。7、使用 定步长或变步 长运行仿真, 根据仿真模式 (Normal,Accelerator,Rapid Accelerator来决定以解释 性的方式运行或以编译 C 代码的 形式来运

10、行模型。8、图形化的调试器和剖析 器来检查仿真结果,诊断设计 的性能和异常行为。9、可访问 MATLAB 从而对结果进行 分析与可视化,定制建 模环境,定义信号参数和 测试数据模 型分析和诊断 工具来保证模型的一致性,确定 模型中的错误。第四章 设计思路4.1设计调制模块思路根据二进制频移键控调制的原理, 了解 MA TLAB 软件中的仿真工具 Smulink 中各个模块的功能后, 根 据调制的原理框图,使用 pulse generator产生信号,用幅度为 1 ,频率为 100rad/s载波表示 “ 1” ,用幅度 为 1 ,频率为 20rad/s载波表示“ 0” 。采用键控法,在 Smul

11、ink 文件中调用相关模块,连线后对信号进行 调制产生 2FSK 信号。4.2设计解调模块思路利用 FSK 相干解调方法对调制的 FSK 信号进行解调。根据相干解调的原理框图,经调制后的 2FSK 信号经信道中加高斯白噪声后信号进行相干解调。在 Smulink 中调用相应的模块,连接各个模块,设置各 个模块的参数,并用 scope 显示仿真波形。第五章 软件仿真5.1设计的仿真模型图用 Pulse Generator产生二进制 01信号,调用俩个 Sine Wave模块产生频率分别为 100和 20的两个 载波正弦信号,将此三个信号输入到 Switch 模块中,从而通过键控输出调制后的 FSK

12、 波形。输出的波形 经两路经过带通滤波器,再分别与先前定义的俩个不同频率的正弦载波信号相乘,经过低通滤波器后抽样 判决完成对 FSK 信号的解调。simulink 仿真模型图如下所示: 5.2各模块功能及其参数设置: 用于产生正弦波信号,两个正弦载波信号参数设置如下: 参数设置 脉冲信号发生器模块,用于产生固定间隔的脉冲,在本课程设计中用来产生二进制信号 在两个输入此模块的载波信号之间切换。 对于此次课程设计, 当输入方波信号的幅值大于 1时,切换到高频率的载波信号上,小于 1时,切换到低频率的载波信号上,从而完成 FSK 调制。 滤波器,通过设置其参数,可以设置为低通、高通、带通、带阻滤波器

13、,提取出某频率范围 内的信号 比较运算模块,可设置为 <=(小于等于 、 >=(大于等于 、 <(小于 、 >(大于等 运算关系。此课程设计中用来行使抽样判决,解调出 FSK 信号。 示波器模块,用来显示仿真过程中信号的波形,可通过修改属性中 Number of axes的值 设置输入信号的个数。5.3仿真波形调制过程仿真波形 解调过程波形 第六章 心得体会 此次课程设计要求用 MATLAB 软件仿真，因为之前没有学过这个软件，因此做之前，我先去图书馆 借了几本关于 MATLAB 的书籍，上网搜集了此次课程设计的相关资料，做好课程设计的前期准备工作， 好的开端就相当于成

14、功了一半。通过上面的过程，已经积累了不少资料，认识了通信原理和 MATLB 的相 关知识与运用，主要有基带信号的调制原理及方法、低通和带通滤波器等等，加深了对上述相关知识的了 解，使我更深刻理解了调制与解调的原理和实现方法，以及基本掌握了 MATLAB 的基本应用。在这样的 基础上，我才开始着手分析题目，进行设计。 通过本次课程设计，我又掌握了一个可用于我们专业的强大的软件MATLAB。课程设计中重新复 习了一下 FSK 的解调与调制原理。以前我对 FSK 的理解仅限于表面，会画经调制后的波形，经过这次课 程设计，利用 simulink 进行画图仿真，我又深入了解到了 FSK 的调制与解调过程，加深了我的理解。与此 同时，我感到 matlab 这个软件对于我们信息科学相关专业的重要性，学好这个软件对我们今后深入研究学 习这个专业会有非常大的帮助。 每次课程设计对我们来说都是一个很好的锻炼自己动手动脑的机会，通过实际电路或者软件仿真不仅 将课本中的知识应用到实际中，加深我们对知识的巩固理解，更重要的是锻炼了我们的思维能力，活跃了 我们的大脑。课程设计中必定会遇到很多问题，通