基于matlab的頻移鍵控的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要移頻鍵控(FSK 是數(shù)據(jù)通信中最常用的一種調(diào)制方式。 FSK 方法簡單易于實(shí)現(xiàn),并且解調(diào)不需要恢 復(fù)本地載波,可以異步傳輸,抗噪聲和抗衰落性能較強(qiáng)。缺點(diǎn)是占用頻帶較寬,頻帶利用不夠經(jīng)濟(jì)。 FSK 主要應(yīng)用于低中速數(shù)據(jù)傳輸,以及衰落信道和頻帶較寬的信道中。 MA TLAB 中的通信工具箱可以用來進(jìn) 行通信領(lǐng)域的研究、開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真。闡述了計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展概況,及其重要意義,介紹了幾種 仿真軟件,著重介紹了 MA TLAB 和其通信工具箱。利用 MA TLAB 建立了 FSK 仿真模型,并對(duì)仿真模型 進(jìn)行了測(cè)試 , 結(jié)果表明,仿真結(jié)果與理論基本一致,在研究 FSK 調(diào)制解調(diào)原理的基礎(chǔ)上設(shè)

2、計(jì)了調(diào)制解調(diào)電 路。關(guān)鍵詞 :FSK MA TLAB 仿真 調(diào)制解調(diào)第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1課程設(shè)計(jì)依據(jù)在掌握頻移鍵控調(diào)制解調(diào)原理的基礎(chǔ)上, , 利用 MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1.2課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)頻移鍵控系統(tǒng),具體要求如下:1、 信源參數(shù):0碼概率 0.5 采樣時(shí)間 1s2、 載波 1參數(shù):幅度 1 頻率 100rad/s3、 載波 2參數(shù):幅度 1 頻率 20rad/s4、 BPF1參數(shù):下限頻率 95rad/s 上限頻率 105rad/s5、 BPF2參數(shù):下限頻率 15rad/s 上限頻率 25rad/s6、 LPF 參數(shù):截止頻率 10rad/s7

3、、 判決器參數(shù):門限 0.251.3課程設(shè)計(jì)要求1. 要求獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)。2. 課程設(shè)計(jì)說明書封面格式要求見天津城市建設(shè)學(xué)院課程設(shè)計(jì)教學(xué)工作規(guī)范附表 13. 課程設(shè)計(jì)的說明書要求簡潔、通順,計(jì)算正確,圖紙表達(dá)內(nèi)容完整、清楚、規(guī)范。4. 測(cè)試要求:根據(jù)題目的特點(diǎn),在 MATLAB 仿真并上觀察調(diào)制解調(diào)各個(gè)部分波形圖。5. 課設(shè)說明書要求:1 說明題目的設(shè)計(jì)原理和思路、采用方法及設(shè)計(jì)流程。2 系統(tǒng)框圖、 MATLAB 程序清單或 Simulink 框圖。3 對(duì)各部分的功能以及各部分之間的關(guān)系作較詳細(xì)的描述。說明仿真結(jié)果:調(diào)制解調(diào)各個(gè)部分波形圖。并對(duì)其進(jìn)行說明和分析第二章 2FSK調(diào)制與解調(diào)原理2

4、.1調(diào)制原理二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)碼元的“ 1”和“ 0”分別用兩個(gè)不同頻率的正弦波形來傳送,而其振幅和初始相位不 變。故其表達(dá)式為:= (s t +時(shí) 發(fā)送“ ”時(shí) 發(fā)送“ " 0, cos(1, cos 21(n n t A t A由圖可見, 2FSK 信號(hào)的波形(a 可以分解為波形(b 和波形(c , 也就是說,一個(gè) 2FSK 信號(hào)可以 看成是兩個(gè)不同載頻的 2ASK 信號(hào)的疊加。2FSK 信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種:(1模擬法,即用數(shù)字基帶信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻。如圖 1-1(a 所示。(2鍵控法,用數(shù)字基帶信號(hào) (t g 及其反 (t g 相分別控制兩個(gè)開關(guān)門電路,以此對(duì)兩個(gè)載波發(fā)

5、生器進(jìn)行 選通。如圖 1-1(b 所示。這兩種方法產(chǎn)生的 2FSK 信號(hào)的波形基本相同,只有一點(diǎn)差異,即由調(diào)頻器產(chǎn)生的 2FSK 信號(hào)在相鄰 碼元之間的相位是連續(xù)的,而鍵控法產(chǎn)生的 2FSK 信號(hào),則分別有兩個(gè)獨(dú)立的頻率源產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的 信號(hào),故相鄰碼元的相位不一定是連續(xù)的。 (a (b圖 2.1 2FSK 信號(hào)產(chǎn)生原理圖由鍵控法產(chǎn)生原理可知, 一位相位離散的 2FSK 信號(hào)可看成不同頻率交替發(fā)送的兩個(gè) 2ASK 信號(hào)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 是脈寬為 s T 的矩形脈沖表示的 NRZ 數(shù)字基帶信號(hào)。P , 0P11概率 ,概率 -=n aP 1, 0P1-=概率 ,概率 n a其中, n a 為 n a 的反碼,即若 1=n a ,則 0=n a ;若 0=n a ,則 1=n a 。2.2解調(diào)原理2FSK 信號(hào)的解調(diào)也分為 2FSK 信號(hào)的接收也分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)接收兩類。相干解調(diào)根據(jù)已調(diào)信號(hào)由兩個(gè)載波 f1、 f2調(diào)制而成,則先用兩個(gè)分別對(duì) f1、 f2帶通的濾波器對(duì)已調(diào) 信號(hào)進(jìn)行濾波,然后再分別將濾波后的信號(hào)與相應(yīng)的載波 f1、 f2相乘進(jìn)行相干

7、解調(diào),再分別低通濾波、 用抽樣信號(hào)進(jìn)行抽樣判決器即可。原理圖如下: 非相干解調(diào)接收經(jīng)過調(diào)制后的 2FSK 數(shù)字信號(hào)通過兩個(gè)頻率不同的帶通濾波器 f1、 f2濾出不需要的信 號(hào),然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號(hào)分別通過包絡(luò)檢波器檢波,最后將兩種信號(hào)同時(shí)輸入到抽樣判決器同 時(shí)外加抽樣脈沖,最后解調(diào)出來的信號(hào)就是調(diào)制前的輸入信號(hào)。其原理圖如下圖所示: 第三章 MUTLAB與 Simulink 介紹3.1 MUTLAB 3.2 SimulinkSimulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿 真工具, 是一種基于 MATLAB 的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境,是實(shí)現(xiàn) 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分 析的一個(gè)軟件包,被廣泛應(yīng)用

8、于線性系統(tǒng)、非線性 系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字 信號(hào)處理 的建模和仿真中。 對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng), 包括通訊、控制、信 號(hào)處理、視頻處理和 圖像處理 系統(tǒng), Simulink 提供了交互式圖形 化環(huán)境和可定制模塊庫來對(duì)其 進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。 . 構(gòu)架在 Simulink 基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了 Simulink 多領(lǐng)域建模功能,也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、 驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。 Simulink 與 MATLAB 緊密集成, 可以直接訪問 MATLAB 大量的工具來進(jìn)行算法 研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本 的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。其特 點(diǎn)為:1、豐富的可擴(kuò)充

9、的預(yù)定義 模塊庫。2、交互式的圖形編輯器來組合 和管理直觀的模塊圖。3、以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割 模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理 。4、通過 Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、 搜索模型中的任意 信號(hào)、參數(shù)、屬性 ,生成模 型代碼。5、提供 API 用于與其他仿 真程序的連接或與手寫代碼集 成6、使用 Embedded MATLAB 模塊在 Simulink 和 嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用 MATLAB 算法。7、使用 定步長或變步 長運(yùn)行仿真, 根據(jù)仿真模式 (Normal,Accelerator,Rapid Accelerator來決定以解釋 性的方式運(yùn)行或以編譯 C 代碼的 形式來運(yùn)

10、行模型。8、圖形化的調(diào)試器和剖析 器來檢查仿真結(jié)果,診斷設(shè)計(jì) 的性能和異常行為。9、可訪問 MATLAB 從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行 分析與可視化,定制建 模環(huán)境,定義信號(hào)參數(shù)和 測(cè)試數(shù)據(jù)模 型分析和診斷 工具來保證模型的一致性,確定 模型中的錯(cuò)誤。第四章 設(shè)計(jì)思路4.1設(shè)計(jì)調(diào)制模塊思路根據(jù)二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制的原理, 了解 MA TLAB 軟件中的仿真工具 Smulink 中各個(gè)模塊的功能后, 根 據(jù)調(diào)制的原理框圖,使用 pulse generator產(chǎn)生信號(hào),用幅度為 1 ,頻率為 100rad/s載波表示 “ 1” ,用幅度 為 1 ,頻率為 20rad/s載波表示“ 0” 。采用鍵控法,在 Smul

11、ink 文件中調(diào)用相關(guān)模塊,連線后對(duì)信號(hào)進(jìn)行 調(diào)制產(chǎn)生 2FSK 信號(hào)。4.2設(shè)計(jì)解調(diào)模塊思路利用 FSK 相干解調(diào)方法對(duì)調(diào)制的 FSK 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。根據(jù)相干解調(diào)的原理框圖,經(jīng)調(diào)制后的 2FSK 信號(hào)經(jīng)信道中加高斯白噪聲后信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)。在 Smulink 中調(diào)用相應(yīng)的模塊,連接各個(gè)模塊,設(shè)置各 個(gè)模塊的參數(shù),并用 scope 顯示仿真波形。第五章 軟件仿真5.1設(shè)計(jì)的仿真模型圖用 Pulse Generator產(chǎn)生二進(jìn)制 01信號(hào),調(diào)用倆個(gè) Sine Wave模塊產(chǎn)生頻率分別為 100和 20的兩個(gè) 載波正弦信號(hào),將此三個(gè)信號(hào)輸入到 Switch 模塊中,從而通過鍵控輸出調(diào)制后的 FSK

12、 波形。輸出的波形 經(jīng)兩路經(jīng)過帶通濾波器,再分別與先前定義的倆個(gè)不同頻率的正弦載波信號(hào)相乘,經(jīng)過低通濾波器后抽樣 判決完成對(duì) FSK 信號(hào)的解調(diào)。simulink 仿真模型圖如下所示: 5.2各模塊功能及其參數(shù)設(shè)置: 用于產(chǎn)生正弦波信號(hào),兩個(gè)正弦載波信號(hào)參數(shù)設(shè)置如下: 參數(shù)設(shè)置 脈沖信號(hào)發(fā)生器模塊,用于產(chǎn)生固定間隔的脈沖,在本課程設(shè)計(jì)中用來產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào) 在兩個(gè)輸入此模塊的載波信號(hào)之間切換。 對(duì)于此次課程設(shè)計(jì), 當(dāng)輸入方波信號(hào)的幅值大于 1時(shí),切換到高頻率的載波信號(hào)上,小于 1時(shí),切換到低頻率的載波信號(hào)上,從而完成 FSK 調(diào)制。 濾波器,通過設(shè)置其參數(shù),可以設(shè)置為低通、高通、帶通、帶阻濾波器

13、,提取出某頻率范圍 內(nèi)的信號(hào) 比較運(yùn)算模塊,可設(shè)置為 <=(小于等于 、 >=(大于等于 、 <(小于 、 >(大于等 運(yùn)算關(guān)系。此課程設(shè)計(jì)中用來行使抽樣判決,解調(diào)出 FSK 信號(hào)。 示波器模塊,用來顯示仿真過程中信號(hào)的波形,可通過修改屬性中 Number of axes的值 設(shè)置輸入信號(hào)的個(gè)數(shù)。5.3仿真波形調(diào)制過程仿真波形 解調(diào)過程波形 第六章 心得體會(huì) 此次課程設(shè)計(jì)要求用 MATLAB 軟件仿真，因?yàn)橹皼]有學(xué)過這個(gè)軟件，因此做之前，我先去圖書館 借了幾本關(guān)于 MATLAB 的書籍，上網(wǎng)搜集了此次課程設(shè)計(jì)的相關(guān)資料，做好課程設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備工作， 好的開端就相當(dāng)于成

14、功了一半。通過上面的過程，已經(jīng)積累了不少資料，認(rèn)識(shí)了通信原理和 MATLB 的相 關(guān)知識(shí)與運(yùn)用，主要有基帶信號(hào)的調(diào)制原理及方法、低通和帶通濾波器等等，加深了對(duì)上述相關(guān)知識(shí)的了 解，使我更深刻理解了調(diào)制與解調(diào)的原理和實(shí)現(xiàn)方法，以及基本掌握了 MATLAB 的基本應(yīng)用。在這樣的 基礎(chǔ)上，我才開始著手分析題目，進(jìn)行設(shè)計(jì)。 通過本次課程設(shè)計(jì)，我又掌握了一個(gè)可用于我們專業(yè)的強(qiáng)大的軟件MATLAB。課程設(shè)計(jì)中重新復(fù) 習(xí)了一下 FSK 的解調(diào)與調(diào)制原理。以前我對(duì) FSK 的理解僅限于表面，會(huì)畫經(jīng)調(diào)制后的波形，經(jīng)過這次課 程設(shè)計(jì)，利用 simulink 進(jìn)行畫圖仿真，我又深入了解到了 FSK 的調(diào)制與解調(diào)過程，加深了我的理解。與此 同時(shí)，我感到 matlab 這個(gè)軟件對(duì)于我們信息科學(xué)相關(guān)專業(yè)的重要性，學(xué)好這個(gè)軟件對(duì)我們今后深入研究學(xué) 習(xí)這個(gè)專業(yè)會(huì)有非常大的幫助。 每次課程設(shè)計(jì)對(duì)我們來說都是一個(gè)很好的鍛煉自己動(dòng)手動(dòng)腦的機(jī)會(huì)，通過實(shí)際電路或者軟件仿真不僅 將課本中的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中，加深我們對(duì)知識(shí)的鞏固理解，更重要的是鍛煉了我們的思維能力，活躍了 我們的大腦。課程設(shè)計(jì)中必定會(huì)遇到很多問題，通