2FSK傳輸系統(tǒng)仿真與性能分析

1、通信原理課程設(shè)計報告題目:2FSK傳輸系統(tǒng)仿真與性能分析院系：專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班級:姓名:學(xué)號:聯(lián)系方式：指導(dǎo)教師：報告成績：2015年12月30日 課程設(shè)計題目與要求2FSK傳輸系統(tǒng)仿真與性能分析：設(shè)二進(jìn)制序列0110110010,采用2FSK系統(tǒng)傳輸。碼元速率為1Bd,載波頻率為40Hz，采樣頻率為10Hz，利用MATLAB畫出以下波形：（1）、調(diào)制后的信號波形；（2）、經(jīng)過信道傳輸后的信號波形（加入高斯白噪聲）；（3）、相干解調(diào)后的信號波形；（4）、分析2FSK傳輸系統(tǒng)中誤碼率與信噪比之間的目錄TOC o 1-5 h z摘要3 HYPERLINK l bookmark4 o Cu

2、rrent Document 第一章緒論4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document MATLAB簡介4 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2課程設(shè)計目的與基本要求4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.3課程設(shè)計內(nèi)容5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 第二章2FSK基本原理和實(shí)現(xiàn)5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1二進(jìn)制移頻鍵控（2SFK）信

3、號的產(chǎn)生5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2FSK信號的解調(diào)方式8 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.2.1非相干解調(diào)8 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.2.2相干解調(diào)8高斯白噪聲9 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 誤碼率與信噪比10 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第三章2FSK調(diào)制與解調(diào)的仿真實(shí)現(xiàn)11 HYPERLINK l

4、bookmark32 o Current Document 2FSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)11 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 調(diào)制信號經(jīng)過信道后的波形12 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document FSK相干解調(diào)的實(shí)現(xiàn)13 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2FSK傳輸系統(tǒng)中誤碼率與信噪比之間的關(guān)系14 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 總結(jié)16 HYPERLINK l bookmark42 o Current

5、Document 參考文獻(xiàn)17 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 附錄18 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 源程序182FSK傳輸系統(tǒng)仿真與性能分析摘要本設(shè)計是基于MATLAB來實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制與解調(diào)的仿真，主要設(shè)計思想是利用MATLAB這個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件工具方便快捷靈活的功能實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制解調(diào)中的2FSK的調(diào)制解調(diào)設(shè)計，完成2FSK數(shù)字傳輸系統(tǒng)的仿真與性能分析。該設(shè)計主要包括2FSK信號的產(chǎn)生原理，調(diào)制解調(diào)方法，并對各個模塊進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。使用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號、添加高斯白噪聲、

6、使用相干解調(diào)、抽樣判決等實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)。可以用數(shù)字基帶信號改變正弦型載波的頻率參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字頻率調(diào)制。最后，分析2FSK傳輸系統(tǒng)中誤碼率與信噪比之間的關(guān)系。關(guān)鍵字：MATLAB、2FSK、調(diào)制，解調(diào)，誤碼率，信噪比第一章緒論MATLAB簡介MATLAB是由美國的MathWorks公司推出的一種科學(xué)技算和工程仿真軟件，它的名稱源自MatrixLaboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室），專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。它是目前國際上流行的進(jìn)行科學(xué)研究、工程計算的軟件。它起源于矩陣運(yùn)算，并已經(jīng)發(fā)展成為一種高度集成的計算機(jī)語言。MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力、方便實(shí)用的繪圖功能及語言的高度集成性。除具備卓越

7、的數(shù)值計算能力之外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真、實(shí)時控制等功能。在通信領(lǐng)域MATLAB更是優(yōu)勢明顯，因?yàn)橥ㄐ蓬I(lǐng)域中很多問題是研究系統(tǒng)性能的，傳統(tǒng)的方法只有構(gòu)建一個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用各種方法進(jìn)行測量，才能得到所需的數(shù)據(jù)，這樣不僅需要花費(fèi)大量的資金用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建，而且系統(tǒng)構(gòu)建周期長，系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整也十分困難。而MATLAB的出現(xiàn)使得通信系統(tǒng)的仿真能夠用計算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，免去構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不便，而且操作十分簡便，只需要輸入不同的參數(shù)就能得到不同情況下系統(tǒng)的性能，而且在結(jié)構(gòu)的觀測和數(shù)據(jù)的存儲方面也比傳統(tǒng)的方式有很多優(yōu)勢。因而MATLAB在通信仿真領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。新版本

8、的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C+語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持

9、了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。1.2課程設(shè)計目的與基本要求了解數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)。熟悉二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理。掌握二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式中的二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK）的調(diào)制與解調(diào)的基本原理與方法。了解并分析2FSK傳輸系統(tǒng)中誤碼率與信噪比之間的關(guān)系。學(xué)會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計方法。1.3課程設(shè)計內(nèi)容2FSK傳輸系統(tǒng)仿真與性能分析：設(shè)二進(jìn)制序列0110110010,采用2FSK系統(tǒng)傳輸。碼元速率為1Bd,載波頻率為40Hz，采樣頻率為10Hz，利用MATL

10、AB畫出以下波形：（1）、調(diào)制后的信號波形；（2）、經(jīng)過信道傳輸后的信號波形（加入高斯白噪聲）；（3）、相干解調(diào)后的信號波形；（4）、分析2FSK傳輸系統(tǒng)中誤碼率與信噪比之間的關(guān)系。第二章2FSK基本原理和實(shí)現(xiàn)2.1二進(jìn)制移頻鍵控（2SFK）信號的產(chǎn)生在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個頻率點(diǎn)間變化，則產(chǎn)生的而二進(jìn)制移頻鍵控信號（2FSK信號）。二進(jìn)制移頻鍵控信號的時間波形如下圖1所示，圖中波形g可分解為波形e和波形f,即二進(jìn)制移頻鍵控信號可以看成是兩個不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控的疊加。若二進(jìn)制基帶信號的1符號對應(yīng)載波頻率f1,0符號對應(yīng)載波頻率f2,則二進(jìn)制移頻

11、鍵控的時域表達(dá)式為：nn式中0,發(fā)送概率為Paksi(t)s2(t)cos(wlt+0n)L1,發(fā)送概率為1-P發(fā)送概率為1-Pan=1,發(fā)送概率為pi00it/WWWAAAPcos(w21+申n)s1(t)cos(w1t+0n尸AAA/s2(t)cos(w21+申n)2FSK信號圖12FSK信號的時間波形co叫工ang(t_nTs)遊叫+由圖1可以看出，口71是九是反碼，0n和氐分別代表第n個信號馬元的初始相位。在二進(jìn)制移頻鍵控信號中，鑫和氐不攜帶信息，通?？闪铞魏拓禐榱?。因此，二進(jìn)制移頻鍵控信號的時域表達(dá)式可化簡為：昴-阻）n-n2FSK信號的產(chǎn)生方法有兩種：（1）模擬法，即用數(shù)字基帶信號

12、作為調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)頻。（2）鍵控法，用數(shù)字基帶信號g（t）及其反莎相分別控制兩個開關(guān)門電路，以此對兩個載波發(fā)生器進(jìn)行選通。這兩種方法產(chǎn)生的2FSK信號的波形基本相同，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,則分別有兩個獨(dú)立的頻率源產(chǎn)生兩個不同頻率的信號，故相鄰碼元的相位不一定是連續(xù)的。在2FSK信號中，當(dāng)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。兩個獨(dú)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(jìn)制信號。二進(jìn)制信號通過兩個與門電路，控制其中的一個載波

13、通過。采用模擬調(diào)制框圖如圖2所示：I_I原in信號己調(diào)信號圖2模擬調(diào)制框圖采用鍵控法框圖如下圖3所示：圖3數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號的原理圖2FSK信號的解調(diào)方式2.2.1非相干解調(diào)其解調(diào)原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進(jìn)行解調(diào)，然后進(jìn)行判決（decision）。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小，可以不專門設(shè)置門限。判決規(guī)則應(yīng)與調(diào)制規(guī)則相呼應(yīng)，調(diào)制時若規(guī)定“1”符號對應(yīng)載波頻率f1，則接收時上支路的樣值較大，應(yīng)判為“1”；反之則判為“0”。經(jīng)過調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號通過兩個頻率不同的帶通濾波器f1、f2濾出不需要的信號，然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號分別通過

14、包絡(luò)檢波器檢波，最后將兩種信號同時輸入到抽樣判決器同時外加抽樣脈沖，最后解調(diào)出來的信號就是調(diào)制前的輸入信號。其原理圖如圖4所示：fl圖4非相干解調(diào)原理圖包絡(luò)檢波法屬于非相干解調(diào)法，其特點(diǎn)是：解調(diào)效率高，解調(diào)器輸出近似為相干解調(diào)的2倍；解調(diào)電路簡單，特別是接收端不需要與發(fā)送端同頻同相位的載波信號，大大降低實(shí)現(xiàn)難度。2.2.2相干解調(diào)根據(jù)已調(diào)信號由兩個載波f1、f2調(diào)制而成，則先用兩個分別對f1、f2帶通的濾波器對已調(diào)信號進(jìn)行濾波，然后再分別將濾波后的信號與相應(yīng)的載波f1、f2相乘進(jìn)行相干解調(diào)，再分別低通濾波、用抽樣信號進(jìn)行抽樣判決器即可。原理圖如圖5所示：cos(2Z)*抽樣判決器L帶通濾波器F

15、2抽樣脈沖圖5相干解調(diào)原理圖FSK相干解調(diào)原理：假設(shè)通過加性高斯白噪聲信道傳輸FSK信號。傳輸過程中存在延遲。因此輸入到解調(diào)器的接收信號為圖2.8,相干檢測的具體解調(diào)電路是同步檢波器，原理方框圖如圖所示。圖中兩個帶通濾波器的作用同于包絡(luò)檢波法，起分路作用。它們的輸出分別與相應(yīng)的同步相干載波相乘，再分別經(jīng)低通濾波器濾掉二倍頻信號，取出含基帶數(shù)字信息的低頻信號，抽樣判決器在抽樣脈沖到來時對兩個低頻信號的抽樣值進(jìn)行比較判決，即可還原出基帶數(shù)字信號。2.3高斯白噪聲在分析通信系統(tǒng)的抗噪聲性能時，常用高斯白噪聲作為通信信道中的噪聲模型。這是因?yàn)椋ㄐ畔到y(tǒng)中常見的熱噪聲近似為白噪聲，且熱噪聲的取值恰好服從

16、高斯分布。另外，實(shí)際信道或?yàn)V波器的帶寬存在一定限制，白噪聲通過后，其結(jié)果是帶限噪聲，若其譜密度在通帶范圍內(nèi)仍具有白色特性，則稱其為帶限白噪聲，它又可以分為低通白噪聲和帶通白噪聲。如果噪聲的功率譜密度在所有頻率上均有一常數(shù)，即P(f)二N.-2(雙邊)或P(f)二N(單邊)n0n0式中N為正常數(shù)，則該噪聲為白噪聲，用n(t)表示。如果白噪聲取值的概率分布服從高斯分布，則稱之為高斯白噪聲。我們常用它作為通信信道中的噪聲模型。高斯白噪聲在任意兩個不同時刻上的隨機(jī)變量不同，不僅是互不相關(guān)的，而且還是統(tǒng)計獨(dú)立的。2.4誤碼率與信噪比（1）誤碼率由于種種原因,數(shù)字信號在傳輸過程中不可避免地會產(chǎn)生差錯。例如

17、在傳輸過程中受到外界的干擾,或在通信系統(tǒng)內(nèi)部由于各個組成部分的質(zhì)量不夠理想而使傳送的信號發(fā)生畸變等。當(dāng)受到的干擾或信號畸變達(dá)到一定程度時,就會產(chǎn)生差錯誤碼率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)之一，表達(dá)式如下所示：錯誤碼元數(shù)P=e傳輸總碼元數(shù)（2）信噪比信噪比也是度量通信系統(tǒng)通信質(zhì)量可靠性的一個主要技術(shù)指標(biāo)。信噪比的計量單位是dB,其計算方法是SNR=10lg（Ps/Pn）,Ps和Pn分別是信號和噪聲的有效功率下圖為各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中誤碼率與信噪比之間的關(guān)系的曲線圖的比較。躺尸尸3KL+H二TWK心災(zāi)亠0f言上匕尸白勺|4空輦圖6誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系曲線第三章2FSK調(diào)制與解調(diào)的仿真

18、實(shí)現(xiàn)3.12FSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)有FSK原理可知，調(diào)制過程要定義碼率Fd和兩個載波頻率。根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，要不失真的從抽樣信號中恢復(fù)出原基帶信號，其抽樣頻率至少為帶頻信號的兩倍，因此在這里設(shè)的抽樣頻率Fs至少要比Fd和Fc大2倍以上，并且要是Fd的整數(shù)倍。FSK調(diào)制過程應(yīng)該有兩個載波，但在Matlab中采用Dmod函數(shù)進(jìn)行FSK調(diào)制時，只設(shè)置一個載波頻率Fc就行。例外，對于Matlab本身，它處理的信號本質(zhì)上只能是數(shù)字信號，在處理連續(xù)信號圖象時，要通過對信號進(jìn)行采樣，采樣頻率越高，得到的圖形就應(yīng)該看上去越連續(xù)，所以在這里取的采樣頻率比載波頻率還要大的多。故在此設(shè)參數(shù)如下：Fc=10;%載頻Fs=40;%系統(tǒng)采樣頻率Fd=1;%碼速率df=10;%頻率間隙運(yùn)行得到下圖所示結(jié)果：SIFigur