基于4FSK調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生及解調(diào)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1、沈陽(yáng)理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)1 課程設(shè)計(jì)目的與要求（1）理解電子信號(hào)通信原理。（2）熟悉系統(tǒng)建模方法。（3）配置電子信號(hào)，設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用方法。（4）完成 4FSK 調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生，并進(jìn)行時(shí)頻域分析。（5）完成 4FSK 信號(hào)的數(shù)據(jù)解調(diào)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效性驗(yàn)證。2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）利用 Matlab-Simulink 建立系統(tǒng)模型。（2）信號(hào)參數(shù)：信息速率 100Hz，載波中心頻率 5MHz，采樣頻率 50MHz。（3）依據(jù)相關(guān)參數(shù)，產(chǎn)生 4FSK 調(diào)制信號(hào)。（4）設(shè)計(jì)一種方法完成 4FSK 信號(hào)的數(shù)據(jù)解調(diào)。3 MATLAB/Simulink的簡(jiǎn)介美國(guó)Mathworks公司于1967年推出了矩陣實(shí)驗(yàn)室“

2、Matrix Laboratory”（縮寫(xiě)為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。開(kāi)發(fā)的最早的目的是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好的授課和學(xué)習(xí)。從Matlab誕生開(kāi)始，由于其高度的集成性及應(yīng)用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便，能非常快的實(shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想，極大的節(jié)約了科研人員的時(shí)間，受到了大多數(shù)科研人員的支持，經(jīng)過(guò)一代代人的努力，目前已發(fā)展到了7.X版本。 Matlab是一種解釋性執(zhí)行語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡(jiǎn)單，擴(kuò)充方便，尤其是世界上有成千上萬(wàn)的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過(guò)程中擴(kuò)充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識(shí)寶庫(kù)。可以毫不夸

3、張的說(shuō)，哪怕是你真正理解了一個(gè)工具箱，那么就是理解了一門(mén)非常重要的科學(xué)知識(shí)?？蒲泄ぷ髡咄ǔ？梢酝ㄟ^(guò)Matlab來(lái)學(xué)習(xí)某個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)知識(shí)，這就是Matlab真正在全世界推廣開(kāi)來(lái)的原因。目前的Matlab版本可以方便的設(shè)計(jì)漂亮的界面，它可以像VB等語(yǔ)言一樣設(shè)計(jì)漂亮的用戶(hù)接口，因?yàn)橛凶钬S富的函數(shù)庫(kù)（工具箱），所以計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單，受到了科研工作者的歡迎。另外，,Matlab和其他高級(jí)語(yǔ)言也具有良好的接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)與其他語(yǔ)言的混合編程，進(jìn)一步拓寬了Matlab的應(yīng)用潛力?？梢哉f(shuō)，Matlab已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一，掌握這門(mén)工具對(duì)學(xué)習(xí)各門(mén)學(xué)科有非常重要的推進(jìn)作用。Simulin

4、k是MATLAB中的一種可視化仿真工具，也是目前在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一 。確切的說(shuō)，Simulink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時(shí)間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。Simulink工作環(huán)境進(jìn)過(guò)幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來(lái)建模和仿真的主流工具包。在Simulink環(huán)境中，它為用戶(hù)提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫(huà)模型圖就如同用手在紙上畫(huà)模型一樣自如、方便，故用戶(hù)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊和拖動(dòng)就能完成建模，并可直接進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結(jié)果。它的主

5、要特點(diǎn)在于：1、建模方便、快捷；2、易于進(jìn)行模型分析；3、優(yōu)越的仿真性能。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀(guān)、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink模塊庫(kù)（或函數(shù)庫(kù)）包含有Sinks（輸出方式）、Sources（輸入源）、Linear（線(xiàn)性環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線(xiàn)性環(huán)節(jié)）、Connection（連接與接口）和Extra（其他環(huán)節(jié)）等具有不同功能或函數(shù)運(yùn)算的Simulink庫(kù)模塊（或庫(kù)函數(shù)），而且每個(gè)子模型庫(kù)中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶(hù)還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶(hù)可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用

6、戶(hù)可以從最高級(jí)開(kāi)始觀(guān)看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來(lái)查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類(lèi)推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶(hù)理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后，用戶(hù)可以通過(guò)Simulink的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其他的顯示模塊，可以在仿真進(jìn)行的同時(shí)就可立即觀(guān)看到仿真結(jié)果，若改變模塊的參數(shù)并再次運(yùn)行即可觀(guān)察到相應(yīng)的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問(wèn)題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線(xiàn)性化和整理工具，MATLAB

7、的所有工具應(yīng)用工具箱都包含這些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用戶(hù)可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離MATLAB而獨(dú)立工作。 4 設(shè)計(jì)原理4.1 4FSK調(diào)制原理隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)在信號(hào)傳輸比模擬信號(hào)有許多的優(yōu)越性，數(shù)字信號(hào)傳輸也越來(lái)越重要。雖然近距離傳輸可以由數(shù)字基帶信號(hào)直接傳輸，但是要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)必須將基帶信號(hào)調(diào)制到高頻處，所以調(diào)制解調(diào)技術(shù)是數(shù)字通信中一種關(guān)鍵的技術(shù)。二進(jìn)制頻移鍵控是數(shù)字信號(hào)調(diào)制的基本方式之一。而多進(jìn)制（MFSK）的可降低信道系統(tǒng)信噪比的要求。4FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法主要有兩種：采用模擬調(diào)

8、頻電路實(shí)現(xiàn)；采用鍵控法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在二進(jìn)制基帶脈沖序列的控制下通過(guò)開(kāi)關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通，使其在每個(gè)碼元期間輸出f1和f2兩個(gè)載波之一。頻移鍵控是利用載波的頻率變化來(lái)傳遞信息的。在4FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。同理4FSK中基帶脈沖序列四個(gè)碼元（00 01 10 11）可用f1,f2,f3,f4四個(gè)載波之一；本文討論4FSK是通過(guò)并聯(lián)輸入兩位基帶信號(hào)，兩位二進(jìn)制來(lái)表示四進(jìn)制的頻移鍵控。傳“0”信號(hào)(或00)時(shí)，發(fā)送頻率為f1的載波； 傳“1”信號(hào)(或10)時(shí)，發(fā)送頻率為f2的載波； 傳“2”信號(hào)(或11)時(shí)，發(fā)送頻率為f3的載波； 傳“3”信

9、號(hào)(或01)時(shí)，發(fā)送頻率為f4的載波。4FSK調(diào)制原理如下：圖4.1 4FSK鍵控法信號(hào)波形4FSK鍵控法調(diào)頻基本原理圖如下：振蕩器f1選通開(kāi)關(guān)反相器振蕩器f2選通開(kāi)關(guān)相加器圖4.2 4FSK鍵控法調(diào)頻基本原理圖4FSK可通過(guò)基帶信號(hào)（00,01,10,11）并聯(lián)傳輸0或1來(lái)分別用f1,f2,f3,f4四個(gè)載頻表示，兩路基帶信號(hào)作為控制選通選通開(kāi)關(guān)，1路選通開(kāi)關(guān)發(fā)送0時(shí)選通載頻f1, 發(fā)送0時(shí)選通載頻f2, 1路選通開(kāi)關(guān)發(fā)送0時(shí)選通載頻f3, 送1時(shí)選通載頻f4。兩路不同載頻通過(guò)相加器得到已調(diào)信號(hào)發(fā)送出去。4FSK鍵控法調(diào)頻原理圖如4-3所示：振蕩器f1選通開(kāi)關(guān)1選通開(kāi)關(guān)2相加器振蕩器f2振蕩

10、器f3振蕩器f40或10或1圖4.3 4FSK鍵控法調(diào)頻原理框圖4.2 4FSK的解調(diào)原理4FSK信號(hào)的相干解調(diào)法原理框圖如圖4.4所示。其原理是：4FSK信號(hào)先經(jīng)過(guò)帶通濾波器去除調(diào)制信號(hào)頻帶以外的在信道中混入的噪聲，此后該信號(hào)分為四路，每路信號(hào)與相應(yīng)載波相乘，再經(jīng)過(guò)低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號(hào)的低頻信號(hào)，將其送入抽樣判決器中進(jìn)行抽樣判決，抽樣判決器的輸出分別得到兩路原基帶信號(hào)表示四進(jìn)制得到原始碼元。4FSK已調(diào)信號(hào)帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器解調(diào)信號(hào)1載波f1載波f2帶通濾波器帶通濾波器帶通濾波器相乘器相乘器相乘器低通濾波器低通濾波器低通濾波器載波f2載波f2加法器抽樣判

11、決器帶通濾波器加法器圖4.4 4FSK鍵控法解調(diào)原理框圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)流程做出軟件方案框圖如下圖所示：圖6.1 4FSK調(diào)制解調(diào)軟件實(shí)現(xiàn)方案圖7 程序代碼function FSKFc=10; %載頻Fs=40; %系統(tǒng)采樣頻率Fd=1; %碼速率N=Fs/Fd;df=10;numSymb=20;%進(jìn)行仿真的信息代碼個(gè)數(shù)M=4; %進(jìn)制數(shù)SNRpBit=80;%信噪比SNR=SNRpBit/log2(M);seed=12345 54321;numPlot=20;x=randsrc(numSymb,1,0:M-1);%產(chǎn)生20個(gè)二進(jìn)制隨機(jī)碼figure(1)ste

12、m(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);title(輸入四進(jìn)制隨機(jī)序列)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%調(diào)制y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,fsk,M,df);%4FSK調(diào)制函數(shù)numModPlot=numPlot*Fs;t=0:numModPlot-1./Fs;figure(2)plot(t,y(1:length(t),b-);axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title(調(diào)制信號(hào)輸出)xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%在已調(diào)信號(hào)中加入高斯白噪聲r(shí)andn(state,seed(2

13、);y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),measured,dB);%在已調(diào)信號(hào)中加入高斯白噪聲figure(3)plot(t,y(1:length(t),b-);%畫(huà)出經(jīng)過(guò)信道的實(shí)際信號(hào)axis(min(t) max(t) -1.5 1.5);title(加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%相干解調(diào)figure(4)z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye,M,df);title(相干解調(diào)后的信號(hào)的眼圖)%帶輸出波形的相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(5)stem(0:numPlo

14、t-1,x(1:numPlot),bx);hold on;stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),ro);hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title(相干解調(diào)輸出信號(hào)與原序列的比較)legend(原輸入二進(jìn)制隨機(jī)序列,相干解調(diào)后的信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%非相干解調(diào)figure(6)z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye/noncoh,M,df);title(非相干解調(diào)后的信號(hào)的眼圖)%帶輸出波形的非相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(7)stem(0:numPlot-1,x(

15、1:numPlot),bx);hold on;stem(0:numPlot-1,z2(1:numPlot),ro);hold off;axis(0 numPlot -0.5 1.5);title(非相干解調(diào)輸出信號(hào)與原序列的比較)legend(原輸入二進(jìn)制隨機(jī)序列,非相干解調(diào)后的信號(hào))xlabel(Time);ylabel(Amplitude);%誤碼率統(tǒng)計(jì)errorSym ratioSym=symerr(x,z1);figure(8)simbasebandex(0:1:5);title(相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計(jì))errorSym ratioSym=symerr(x,z2); figure(9)s

16、imbasebandex(0:1:5);title(非相干解調(diào)后誤碼率統(tǒng)計(jì))%濾除高斯白噪聲Delay=3;R=0.5; %滯后3syf,tf=rcosine(Fd,Fs,fir,R,Delay); %升余弦函數(shù)yo2,to2=rcosflt(y,Fd,Fs,filter,yf);%加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào)和經(jīng)過(guò)升余弦濾波器后的已調(diào)信號(hào)t=0:numModPlot-1./Fs;figure(10)plot(t,y(1:length(t),r-);hold on;plot(to2,yo2,b-);hold off;axis(0 20 -1.5 1.5);xlabel(Time);ylabel(Amplitude);legend(加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào),經(jīng)過(guò)升余弦濾波器后的已調(diào)信號(hào))title(升余弦濾波前后波形比較)eyediagram(yo2,N);%眼圖title(加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào)的眼圖)8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果8.1 4FSK調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生輸入調(diào)制信號(hào)m(n)并產(chǎn)生波形及時(shí)域分析如圖8.1所示： 圖8.1調(diào)制信號(hào)m(n)輸入調(diào)制信號(hào)m(n)并產(chǎn)生波形及頻域分析如圖8.2所示： 圖 8.2 輸入調(diào)制信號(hào)m(n)的頻譜8.2 4FSK信號(hào)的數(shù)據(jù)解調(diào) 將調(diào)制輸出信號(hào)輸入到傳輸信道進(jìn)行傳輸。在信道中由于存在干