2FSK相干解调系统仿真(VCO)

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2FSK相干解调系统仿真（VCO）

学生姓名：郭艳芳指导老师：黄红兵、熊文杰

摘要同步问题是进行数字通信的前提和基础，同步性能的好坏直接影响着通信系统的性能。首先对该系统的原理进行了分析，调制和解调都是simulink建模的方法，解调部分是相干解调的方法，而且在解调的过程中都对整个系统的误码率在display模块中有显示，之后应用Matlab的simulink模块对该系统进行了仿真，最后对仿真结果仅进行了简单的分析。

关键词相干解调；2FSK；VCO；调制解调;Simulink

1 引言

本课程设计主要利用simulink对2fsk调制解调系统进行仿真，利用SIMULINK功能模块，建立FSK调制解调系统仿真模型，经过仿真分析，其结果与理论分析结果相同。数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。然而，实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号。为了使数字信号在带通系统中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。在接收端，通过解调器把带通信号还原为数字基带信号的过程称为数字解调。

数字调制的基本方式有三种：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。本文介绍的就是二进制数字频移键控系统（2FSK）。

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

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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[1]。

1.1 课程设计目的

为了使数字信号在带通系统中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。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[2]。

1.2 simulink的简介

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。

在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究[2]。

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2 设计原理

通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。

通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图1.2所示[3]。

信息源?发送设备?信道?接收设备?受信者↑

噪声源

图2.1 通信系统一般模型图

通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图2.2所示。

信信源源信道数字制器数信信字受道源信息?编?编?调? ?解?译?译?信码器码器道调器码器码器者↑

噪声源

图2.2 数字通信系统模型图

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模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图2.3所示。

信息源?调制器?信道?解调器?受信者?

噪声源

图2.3 模拟通信系统图

数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。

在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。

为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号[1]。

数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的三种数字调制方式是：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK 或DPSK)。本章重点论述2FSK数字调制系统的原理及其抗噪声性能[2]。

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3 二进制移频键控（2FSK）

在二进制数字调制中,若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化,则产生二进制移频键控信号(2FSK信号)。二进制移频键控信号的时间波形如图3.1所示，图中波形g可分解为波形e和波形f，即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2。二进制移频键控信号的产生,可以采用模拟调频电路来实现,也可以采用数字键控的方法来实现。数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图, 图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制,在一个码元Ts期间输出f1、f2两个载波。

二进制移频键控信号的解调方法很多,有模拟鉴频法和数字检测法,有非相干解调方法也有相干解调方法. 采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图3.2所示. 其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号,分别进行解调,通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号，模拟法通过VCO来振荡出2FSK的信号。

图 3.1键控法实现二进制原理移频键控信号原理图

图 3.2模拟法实现2FSK信号原理图

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二进制移频键控信号的解调方法很多,有模拟鉴频法和数字检测法,有非相干解调方法也有相干解调方法. 采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图3.3和图3.4所示。其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号,分别进行解调，通过对上下两路的抽样值进行比较最终判处输出信号。分别进行解调,通过对上下两非相干解调过程的波形的抽样值进行比较最终判决出输出信号[3]。

图3.3相干解调原理图

图 3.4非相干解调

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4 2FSK的调制系统与仿真（vco）

4.1 Simulink模型库

在MATLAB命令窗口输入“simulink”并回车，或者点击工具栏中从左往右数的第八个图标（唯一的彩色图标），就可进入Simulink模型库，点击工具栏中的第一个图标建立空白页，如图 4.1。

图 4.1Simulink模型库页面图

在MATLAB子窗口或Simulink模型库的菜单栏依次选择“File” | “New” | “Model”，也可生成空白仿真模型窗口。

从模型库中选中模块，单击鼠标右键，选择\，或直接把模块拖到仿真模型中，即可加入模块。

Simulink模型库窗口还提供了查找功能，在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字，单击\即可自动搜索整个模型库，如图4.2，输入VCO，按回车键就出来了我们所需要的器件。

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图 4.2搜索模型库过程图

4.2 参数设置

由于采用VCO的方法设计2FSK的调制与相干解调，所以调制信号只需要用到伯努利二进制随机序列和VCO两个器件就能产生调制信号，而参数设置图如下所示。

图 4.3 Bernoulli Binary Generator参数设置图

设置VCO的静止频率为10，敏感系数为20，振幅为1，如图 4.4。

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图 4.4 VCO参数设置图

图 4.5示波器参数设置图

设置示波器的参数如图 4.5，取消数据点限制时间的设置，将示波器的探头个数改为2个。

2FSK调制信号（VCO）simulink仿真模型如图 4.6所示，保存文件命名为gyf2fsk。

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图 4.6 2FSK调制信号simulink模型图

4.3 2FSK调制系统波形仿真

经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，在菜单栏中依次选择

\，运行仿真。其中，第一个示波器的接口是2FSK的调制信号，第二个接口是基带信号的波形。

图 4.7 2FSK调制系统仿真波形图

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5 2FSK的调制解调系统与仿真

5.1 Simulink调制与解调仿真模型图

图5.1 2FSK调制与解调仿真模型图

上图是理想情况下的调制解调，没有加噪声的，Bernoulli Binary Generator模块是信号源，经过VCO实现2FSK的调制，调制输出的信号分别经过两个带通滤波器，再通过乘法器进入低通滤波器，最后两信号相加经过判决抽样器输出。此处与乘法器相乘的两个载波信号是根据VCO振荡出来的信号而得出的与振荡出来同频同相的载波，波形如图 5.2所示。示波器观测的信号由上往下依次是基带信号、调制信号、sine wave function以及sine wave function1。

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图 5.2调制信号、基带信号以及载波波形图

在理想情况下的2FSK的相干解调波形如图 5.3所示，示波器波形由上往下一次表示：解调判决前最后两路的相加信号、解调信号、基带信号、带通滤波器后的波形1、带通滤波器后的波形2、通过乘法器后的波形1、经过乘法器后的波形2、经过低通滤波器后的波形1、经过低通滤波器后的波形2,如同所示，基带信号和解调信号一致。

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图 5.3调制与解调波形图

在现实生活中我们的信号一般都有噪声，所以我们在设计系统仿真时应该也要把这一成分考虑进去。我们将把噪声加在调制信号与解调之间，在此，我们也将功率谱密度的测量和误码率的计算也加入到仿真模块中，系统模型图如图 5.4 。

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图 5.4 含有噪声、误码率计算的调制解调系统图

解调前功率谱密度的测量如图5.5，解调后功率谱密度的测量如图5.6所示。

图 5.5解调前的功率谱密度

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图5.6 解调后的功率谱密度

加了噪声后的波形存在着误码率，其高斯白噪声的设置、产生的波形图以及误码率如下图所示，示波器波形由上往下一次表示：解调判决前最后两路的相加信号、解调信号、基带信号、带通滤波器后的波形1、带通滤波器后的波形2、通过乘法器后的波形1、经过乘法器后的波形2、经过低通滤波器后的波形1、经过低通滤波器后的波形2。

图5.7含有噪声的误码率

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图5.8高斯白噪声参数的设置

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图5.8含有噪声的波形

5.2 相干解调模块参数设置

我们的两载波的频率分别是20*pi和40*pi，如下图。

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图 5.9 相对低频的载波设置

图5.10另一载波设置

将带通滤波器的参数设为如下图所示，由于我们输入的信号决定了我们带通滤波器参数的设置。

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图5.11上路带通滤波器参数设置

图5.12下路带通滤波器参数设置截图

将低通滤波器的参数设为如图 5.13所示，低通滤波器通过频率设为2*pi，精度设置为6。

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图5.13 低通滤波器参数设置图

量化器参数设置如图 5.14，将Quantization Partition 设置为[0.03]，Quantization codebook设置为[1 0]。

图5.14量化器参数设置图

噪声参数设置如图 5.15，variance代表方差，方差越大，噪声越强，误码率越严重。

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图 5.15噪声设参图

误码率Error Rate Calculation的参数设置。主要设置参数有Receive Delay设为0，Output data设置为Port，延时设置为2，如图 5.16。

图5.16 误码率Error Rate Calculation参数设置图

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延时设置如图5.17所示，我们将initial condition设置为0,sample time设置为1。

图5.17 延时参数设置图

6 出现的问题及解决方法

在本次课程设计运用了MATLAB软件下Simulink建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和在老师和同学的帮助下总算得以解决，总结分析分析如下：

（1）运行后如没有出现波形、出现多路波形的混合或是出现波形的幅度过小或过大，可以点击鼠标右键，选择autoscale即可出现清晰波形。

（2）若出现波形很差，可以把修正因子（默认为1）加大，具体步骤为选择模型菜单中的“Simulink/ configuration parameters/Data import/export”修改Decimation中数据（默认为1），可加大为50或100。

（3）调制模块中，如调制结果不明显，可以加大载波频率，一般来说载波频率要比基带频率大得多。

（4）若波形出错，可以把滤波器级数(默认为8)适当减小，使滤波器精确度变小，允许误差变大，便于波形的输出。

（5）在选择带通滤波器的参数时候要严格按照需要的频率范围取值，通过计算载波和基带信号的频率可以得出该频率范围取值。

（6）在加噪声时，采样频率应该设为最大载波的十倍分之一。

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（7）在整个仿真过程中，各模块的参数设置十分重要，一定要设置合适的参数，才会得出所需要的信号。

7 结束语

在这次课程设计过程中，我获益匪浅。通过这段时间的课设，让我清楚地了解和掌握了Simulink的功能，实现了2FSK调制解调的仿真，对2FSK的原理更加熟悉了，并巩固了数字调制系统的相关知识点，在平时的上课可能模模糊糊的对这方面的知识有点概念，但这次通过三个星期针对性的学习，使得我对2FSK的原理记忆犹新，所以说时间才是知识最好的沉淀。在这段时间也体会到理论和实际是存在着较大的差距，实践离不开理论，理论只有应用于实践才能发挥其作用。学过的东西，只有自己去实践了才能更加理解，更记忆深刻，因为在实践中会遇到各种各样的trouble，有些问题可能自己百度也就会了，有些疑难问题需要跟同学和老师讨论，在整个课程设计的过程中，有不同的老师来值班，但是针对我提出的问题，每个老师有不同的解决方法，有的老师会直接告诉我们答案；有的老师会要我们自己去探索，要敢于自己尝试，如果不知道再问她；有的老师会边教我们边对我们的知识进行拓展。综合每个老师的特点，让我感触到自己的学习过程是要在于不断的更新自己的知识，拓展知识，敢于实践，这样使得我对知识的理解更加透彻。在设计的过程中，我由于粗心不管怎么改参数都有误码率，最后在老师耐心的帮助下发现了导致误码率的问题，不然还不能如期交报告了。在将理论用各种方法实现的同时，我们也在不断的搜集资料，不断的学习，获得更多的相关知识。在对MATLAB的Simulink应用中，我体会到MATLAB的功能之强大，应用之广泛，有时候都会敬佩创下这个软件的那个团体。总之这次课程设计使我感受到知识的海洋是如此有魅力，也证实了“书到用时方恨少”的这句话，我将在以后的学习中学扎实自己的专业技能，并且有意识的去拓展知识。

参考文献

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[1] 徐明远,邵玉斌编著《MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用》.西安电子科技大学出版社，2005

[2]樊昌信,曹丽娜编著《通信原理》.第7版.国防工业出版社出版，2011.8 [3]尹立强,张海燕主编《通信原理及仿真测试》.西安电子科技大学出版社出版，2012.6

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/79id.html