FSK信的解調(diào)與抗噪聲性能分析

1、課 程 設(shè) 計 課程設(shè)計名稱：通信綜合 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 課程設(shè)計時間：2014年 電子信息工程專業(yè)課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓 名 專業(yè)班 級 學(xué)號 題目 2FSK信號的解調(diào)與抗噪聲性能分析 課題性 質(zhì) 仿真 課題來源 自擬課題 指導(dǎo)教 師 同組姓名 主要內(nèi) 容 用數(shù)字基帶信號改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某 個參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相 位調(diào)制。 任務(wù)要 求 1. 掌握2FSK的調(diào)制與解調(diào)的實現(xiàn)方法，探索并分析其 抗噪聲性能。 2. 用MATLA仿真設(shè)計個2FSK信號的產(chǎn)生并進行調(diào)制 解調(diào)的數(shù)字通信系統(tǒng)。 3. 遵循本系統(tǒng)的設(shè)計原則，理順基

2、帶信號、傳輸頻帶及 兩個載頻二者間相互間的關(guān)系；加深理解 2FSK調(diào)制器與解 調(diào)器的工作原理，學(xué)會對2FSK工作過程進行檢查及對主要 性能指標進行測試的方法 參考文 獻 1、MATLABi!信仿真開發(fā)手冊 國防工業(yè)出版社孫 屹 2、現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真MATLAB!信工具箱 西安電子科技大學(xué)出版社 李建新 3、現(xiàn)代通信原理清華大學(xué)出版社曹志剛著 4、教學(xué)用“通信原理”教材 審查意 見 指導(dǎo)教師簽字： 教研室主任簽字：2014年 月日 目錄 一.課程設(shè)計的目的和意義 1.1基本要求 1.2課程設(shè)計的目的及意義 二，2FSK的基本原理和實現(xiàn) 2.1 2FSK的產(chǎn)生 2.2 2FSK濾波器的調(diào)解及

3、抗噪聲性能 三. 仿真設(shè)計步驟 （1 ）首先要確定采樣頻率fS和兩個載波f1，f2的值。 四. 仿真程序 五. 仿真結(jié)果及分析 5.1、仿真波形圖如圖5-1至圖5-5所示： 5.2、仿真結(jié)果的分析 六. 課程設(shè)計總結(jié) 參考文獻 一.課程設(shè)計的目的和意義 1.1基本要求 掌握2FSK的調(diào)制與解調(diào)的實現(xiàn)方法，探索并分析其抗噪聲性能；遵循本系統(tǒng)的設(shè)計 原則，理順基帶信號、傳輸頻帶及兩個載頻三者間相互間的關(guān)系；加深理解2FSK調(diào)制 器與解調(diào)器的工作原理，學(xué)會對 2FSK工作過程進行檢查及對主要性能指標進行測試的 方法。 1.2課程設(shè)計的目的及意義 本次課程設(shè)計是對通信原理課程理論教學(xué)和實驗教學(xué)的綜合和

4、總結(jié)。通過這次課程 設(shè)計，使同學(xué)認識和理解通信系統(tǒng)，掌握信號是怎樣經(jīng)過發(fā)端處理、被送入信道、然后 在接收端還原。要求學(xué)生掌握通信原理的基本知識，運用所學(xué)的通信仿真的方法實現(xiàn)某 種傳輸系統(tǒng)。能夠根據(jù)設(shè)計任務(wù)的具體要求，掌握軟件設(shè)計、調(diào)試的具體方法、步驟和 技巧。對一個實際課題的軟件設(shè)計有基本了解，能進一步掌握高級語言程序設(shè)計基本概 念，掌握基本的程序設(shè)計方法，拓展知識面，激發(fā)在此領(lǐng)域中繼續(xù)學(xué)習和研究的興趣， 為學(xué)習后續(xù)課程做準備。 在信道中，大多數(shù)具有帶通傳輸特性，必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，產(chǎn)生 各種已調(diào)數(shù)字信號?？梢杂脭?shù)字基帶信號改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某個 參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)

5、的數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。也可以用數(shù)字基帶信 號同時改變正弦型載波幅度、頻率或相位中的某幾個參數(shù)，產(chǎn)生新型的數(shù)字調(diào)制。 本課程設(shè)計旨在根據(jù)所學(xué)的通信原理知識，并基于MATLAB軟件，仿真一 2FSK 數(shù)字通信系統(tǒng)。2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)，即頻移鍵控的數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)。頻移鍵控是利用 載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在 2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在fl和f2 兩個頻率點間變化。因此，一個 2FSK信號的波形可以看成是兩個不同載頻的 2ASK信 號的疊加?？梢岳妙l率的變化傳遞數(shù)字基帶信號，通過調(diào)制解調(diào)還原數(shù)字基帶信號， 實現(xiàn)課程設(shè)計目標。 二, 2FSK的基本原理和實現(xiàn)

6、 二進制頻率調(diào)制是用二進制數(shù)字信號控制正弦波的頻率隨二進制數(shù)字信號的變化而 變化。由于二進制數(shù)字信息只有兩個不同的符號，所以調(diào)制后的已調(diào)信號有兩個不同的 頻率fl和f2，fl對應(yīng)數(shù)字信息“ 1 ”，f2對應(yīng)數(shù)字信息“ 0”。二進制數(shù)字信息及已調(diào)載 波如圖3-1所示。 圖3-1 2FSK信號 2.1 2FSK的產(chǎn)生 在2FSK信號中，當載波頻率發(fā)生變化時，載波的相位一般來說是不連續(xù)的，這種 信號稱為不連續(xù)2FSK信號。相位不連續(xù)的2FSK通常用頻率選擇法產(chǎn)生，如圖 3-2所 示： 圖3-2 2FSK信號調(diào)制器 兩個獨立的振蕩器作為兩個頻率發(fā)生器，他們受控于輸入的二進制信號。二進制信 號通過兩個與

7、門電路，控制其中的一個載波通過。調(diào)制器各點波形如圖3-3所示: 圖3-32FSK調(diào)制器各點波形 由圖3-3可知，波形g是波形e和f的疊加。所以，二進制頻率調(diào)制信號 2FSK可 以看成是兩個載波頻率分別為fl和f2的2ASK信號的和。由于“ 1、” “0”計獨立，因此， (3-1) 2FSK信號功率譜密度等于這兩個2ASK信號功率譜密度之和，即 2FSK信號的功率譜如圖3-4所示: 圖3-4 2FSK信號的功率譜 由圖3-4看出，2FSK信號的功率譜既有連續(xù)譜又有離散譜， 離散譜位于兩個載波頻 率fl和f2處，連續(xù)譜分布在fl和f2附近，若取功率譜第一個零點以內(nèi)的成分計算帶寬， (3-2) 2F

8、SK信號的帶寬為 顯然2FSK信號的帶寬為 為了節(jié)約頻帶，同時也能區(qū)分fl和f2，通常取|f1-f2|=2fs，因此 (3-3) 當|f1-f2|=fs時，圖3-4中2FSK的功率譜由雙峰變成單峰，此時帶寬為 (3-4)對于 功率譜是單峰的2FSK信號，可采用動態(tài)濾波器來解調(diào)。此處介紹功率譜為雙峰的2FSK 信號的解調(diào)。 2.2 2FSK濾波器的調(diào)解及抗噪聲性能 2FSK信號的解調(diào)也有相干解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)兩種。由于2FSK信號可看做是兩個 2ASK信號之和，所以2FSK解調(diào)器由兩個并聯(lián)的2ASK解調(diào)器組成。圖3-5為2FSK 相干和包絡(luò)解調(diào)。 圖3-5 2FSK信號調(diào)解器 相干2FSK抗噪聲性能

9、的分析方法和相干 2ASK很相似。現(xiàn)將收到的2FSK信號表 示為 (3-5) 波頻率為fl，信號能通過上支路的帶通濾波器。上支路帶通濾波器的輸出是信號和窄帶 噪聲ni1(t)的疊加(噪聲中的下標1表示上支路窄帶高斯噪聲)，即 acos2nr + Mi1(f) =JCos 27r/f+ n(r)cos 2勸！一蟲：()血 (3-6) 器的信號為 xl(O=p-冷 口國 (3-7) 此信號與同步載波cos2 n f1t相乘，再經(jīng)低通濾波器濾除其中的高頻成分，送給取樣判決 上式中未計入系數(shù)1/2。與此同時，頻率為fl的2FSK信號不能通過下支路中的帶通濾 住 C)=叱(0 cos2r -r)sin

10、(3-8) 波器，因為下支路中的帶通濾波器的中心頻率為f2，所以下支路帶通濾波器的輸出只有 窄帶高斯噪聲，即 此噪聲與同步載波cos2 n f2t相乘，再經(jīng)低通濾波器濾波后輸出為 (3-9)上式中 未計入系數(shù)1/2。定義 (3-10)取樣判決器 對x(t)取樣，取樣值為 (3-11) 其中，nl1、nl2都是均值為0、方差為 _ _的高斯隨機變量，所以x是 1 1 均值為a、方差為 _ 的高斯隨機變量，x的概率密度函數(shù)為 1 亠3 “2 兀 0時，判發(fā)送信息為 判決發(fā)送信息為“ Q”顯然此判決是錯誤的。由此可見， “1,”此判決是正確的; x0的概率就是發(fā) 當x=st2(i)時，貝U st=1

11、，否則st=0 四.仿真程序 fs=2000; dt=1/fs; f仁 50; f2=150; a=rou nd(ra nd(1,10); g1=a; g2=a; g11=(o nes(1,2000)*g1; g1a=g11(:); g21=(o nes(1,2000)*g2; g2a=g21(:); t=0:dt:10-dt; t1=le ngth(t); fsk1=g1a.*cos(2*pi*f1.*t); fsk2=g2a.*cos(2*pi*f2.*t); fsk=fsk1+fsk2; figure(1) no=0.01*ra ndn (1,t1); sn=fsk+no; subplo

12、t(3,1,1); plot(t ,no); title(噪聲波形) ylabel(幅度) subplot(3,1,2); plot(t,fsk); title(2fsk 信號波形) %米樣頻率 %米樣間隔 %兩個載波信號的頻率 %產(chǎn)生原始數(shù)字隨機信號 %將原始數(shù)字信號反轉(zhuǎn)與g1反向 %進行抽樣 %將數(shù)字序列變成列向量 %在010-dt之間取值，取值間隔為dt %得到頻率為f1的fsk1已調(diào)信號 %得到頻率為f2的fsk2已調(diào)信號 %已產(chǎn)生2FSK信號 %產(chǎn)生的隨機噪聲 %隨機噪聲的波形 %2FSK信號的波形 %fsk的解調(diào) %設(shè)置帶通濾波器的參數(shù) %經(jīng)過帶通濾波器后的信號 %經(jīng)過帶通濾波器1

13、的波形 %經(jīng)過帶通濾波器2的波形 %經(jīng)過相乘器1的信號 %經(jīng)過相乘器2的信號 ylabel(幅度) subplot(3,1,3); plot(t,s n); title(經(jīng)過信道后的2fsk波形) ylabel(幅度) xlabel(t) figure(2) b仁fir1(101,48/1000 52/1000); b2=fir1(101,145/1000 155/1000); H1=filter(b1,1,s n); H2=filter(b2,1,s n); subplot(2,1,1); plot(t,H1); title(經(jīng)過帶通濾波器f1后的波形) ylabel(幅度) subplot

14、(2,1,2); plot(t,H2); title(經(jīng)過帶通濾波器f2后的波形) ylabel(幅度) xlabel(t) sw1= H1.*H1; sw2=H2.*H2; figure(3) subplot(2,1,1); plot(t,sw1); title(經(jīng)過相乘器h1后的波形) ylabel(幅度) subplot(2,1,2); plot(t,sw2); title(經(jīng)過相乘器h2后的波形) ylabel(幅度) xlabel(t) %設(shè)置低通濾波器的參數(shù) bn=fir1(101,2/1000 52/1000); figure(4) st 1= filter(b n,1,sw1)

15、; st2=filter(b n,1,sw2); subplot(2,1,1); %經(jīng)過低通濾波器1的波形 title（經(jīng)過低通濾波器sw1后的波形） ylabel(幅度) subplot(2,1,2); plot(t,st2); %經(jīng)過低通濾波器1的波形 title(經(jīng)過低通濾波器sw2后的波形) ylabel(幅度) xlabel(t) for i=1:le ngth(t) if(st1(i)=st2(i) st(i)=1; else st(i)=0; end end figure(5) subplot(2,1,1); plot(t,st);%經(jīng)過抽樣判決器后解調(diào)出的波形 title(經(jīng)過

16、抽樣判決器后解調(diào)出的波形) ylabel(幅度) subplot(2,1,2); plot(t,g1a);%原始的數(shù)字序列波形 title(原始數(shù)字序列的波形) ylabel(幅度); xlabel(t); 五. 仿真結(jié)果及分析 5.1、 仿真波形圖如圖5-1至圖5-5所示： 圖5-1噪聲波形、2FSK信號波形和經(jīng)過信道后的2FSK波形圖 圖5-2 經(jīng)過帶通濾波器的波形圖 圖5-3經(jīng)過相乘器的波形圖 圖5-4經(jīng)過低通濾波器后的波形圖 圖5-5經(jīng)過相干解調(diào)后與原始數(shù)字信號的波形的對比圖 5.2、仿真結(jié)果的分析 2FSK信號的調(diào)制解調(diào)原理是通過帶通濾波器將 2FSK信號分解為上下兩路2FSK 信號

17、后分別解調(diào)，然后進行抽樣判決輸出信號。本實驗對信號2FSK采用相干解調(diào)進行 解調(diào)。由2FSK原理，相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。其中， 連續(xù)譜由兩個中心位于fl和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個載頻 fl和f2處； 連續(xù)譜的形狀隨著兩個載頻之差的大小而變化，若 | fl - f2 | fs，則出現(xiàn)雙峰。圖5-1為噪聲的波形、2FSK信號的波形 以及經(jīng)過信道后噪聲對2FSK信號的波形。從圖5-1可以看出噪聲對2FSK信號波形產(chǎn) 生了干擾作用。圖5-2說明經(jīng)過帶通濾波器后濾除了帶外噪聲，并且兩個帶通濾波器分 別濾除了頻率為f1和頻率為f2的波形，中心頻率為f1的帶通濾波

18、器只允許中心頻率為 f1的信號頻譜成分通過，濾除中心頻率為f2的信號頻譜成分。從圖5-2可以看出由于反 碼的作用，頻率為f1的波形與頻率為f2的波形表現(xiàn)出反碼的規(guī)律。由于經(jīng)過相乘器后頻 率倍頻了，且是與同頻同相的載波相乘，所以幅度全為正，如圖5-3所示。信號再通過 低通濾波器濾除高頻成分后，只有頻率分別為f1和f2的成分，從圖5-4的波形圖即可看 出頻率為單一的頻率。最后經(jīng)過判決器后將頻率為f1與頻率為f2的進行大小比較，即頻 率為f1的波形的幅度大于頻率為f2的波形的幅度時，判決器輸出“ 1 ”，否則輸出“ 0”, 從圖5-5知，解調(diào)波形與原始數(shù)字信號波形基本一致，所以成功的解調(diào)出原始數(shù)字信號。 六、課程設(shè)計總結(jié) 本次課程設(shè)計首先要選擇合適的采樣頻率，采樣間隔的大小會影響所得圖像的質(zhì)量。 在程序的編寫和調(diào)試中很容易出現(xiàn)的錯誤是，在設(shè)計矩陣相乘或數(shù)列矩陣的相乘中，必 須符合相乘的要求。即矩陣相乘時，左邊的矩陣的列數(shù)與右邊矩陣的行數(shù)相等。 力卩強了我們動手、思考和解決問題的能力。我覺得做課程設(shè)計同時也是對課本知識 的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習并不能很好的理解和運用所學(xué) 知識，而