二进制数字频带传输系统设计 - 2FSK系统

目录

1 技术指标 ............................................................................................................................. 1 2 基本原理 ............................................................................................................................. 1

2.1 2FSK的基本原理 ..................................................................................................... 1 2.2 2FSK的调制原理 ..................................................................................................... 2 2.3 2FSK的解调原理 ..................................................................................................... 2 2.3.1 2FSK相干解调 ................................................................................................ 3 2.3.2 2FSK非相干解调 ............................................................................................ 3 3 建立模型描述 ..................................................................................................................... 4

3.1 基于SystemView的2FSK信号系统仿真设计 ..................................................... 4 3.2 基于simulink的2FSK信号系统仿真设计 .......................................................... 5 3.3基于m语言的2FSK信号系统仿真设计 ................................................................. 7 4 模型组成模块功能描述（或程序注释） ......................................................................... 7

4.1基于SystemView的2FSK信号系统仿真设计模块的功能描述 ........................... 7 4.1.1 2FSK的调制与相干解调 ................................................................................ 7 4.1.2 2FSK的调制与非相干解调 ............................................................................ 8 4.2基于simulink的2FSK信号系统仿真设计模块的功能描述 ............................... 8 4.2.1 2FSK的调制与相干解调 ................................................................................ 8 4.2.2 2FSK的调制与非相干解调 ............................................................................ 9 4.3基于m语言的2FSK信号系统仿真设计的程序注释 ........................................... 10 5 调试过程及结论 ............................................................................................................... 14

5.1基于Sytemview的2FSK信号系统仿真设计的过程和结果 ............................... 14 5.1.1 2FSK调制与相干解调过程和结果 ............................................................... 14 5.1.2 2FSK调制与非相干解调过程和结果 .......................................................... 15 5.2基于simulink的2FSK系统仿真设计的过程和结果 ......................................... 17 5.2.1 2FSK的调制与相干解调过程和结 ............................................................ 17 5.2.2 2FSK调制与非相干解调的过程和结果 ...................................................... 19 5.3基于m语言程序的2FSK仿真设计的结果 ........................................................... 20 6 心得体会 ........................................................................................................................... 22 7 参考文献 ........................................................................................................................... 23

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二进制数字频带传输系统设计——2FSK

系统

1 技术指标

设计一个2FSK数字调制系统，要求： （1）设计出规定的数字通信系统的结构；

（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止 频率等）；

（3）用Matlab或SystemView 实现该数字通信系统； （4）观察仿真并进行波形分析； （5）系统的性能评价。

2 基本原理

2.1 2FSK的基本原理

频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制

基带信号f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为

e2FSK(t)?{典型波形如图2-1所示。

ak s1(t)10Acos(?1t??n)发送“1”时Acos(?2t??n)发送“0”时

11001t s2(t) tcos(w1t+θn)tcos(w2t+φn) ts1(t) cos(w1t+θn)t s2(t) cos(w2t+φn)t2FSK信号t

图2-1 2FSK信号的时间波形

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由图可见，2FSK信号的波形可以分解成两个波形，也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可以写成

e2FSK(t)?[?ang(t-nTs)]cos(?1t+?n)+[?ag(t-nTs)]cos(?2t+?n)nn

在频移键控中，?n和?n不携带信息，通常可令其为零。

2.2 2FSK的调制原理

2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路阿里实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带举行脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不懂的独立频率源进行选通，使其在每一个码元时间输出或两个载波之一，如图2-2所示。

选通开关 振荡器1 基带信号 图2-2 键控法产生2FSK信号的原理图

这两种方法产生2FSK信号的差异在于：由调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是变化连续变化的。而键控法产生的2FSK信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。

振荡器2 选通开关 反相器 相加器 2FSK信号 2.3 2FSK的解调原理

2FSK信号的常用解调方法是非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值得大小，可以不专门设置门限。判决规则应与调制规则相呼应，

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调制时若规定“1”符号对应载波频率f1，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。

2.3.1 2FSK相干解调

ffff已调信号由两个载波1、2调制而成，则先用两个分别对1、2带通的滤波器对已调

ff信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波1、2相乘进行相干解调，再分

别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。其原理如图2-3所示。

cos2π f1t带通滤波器 F1输入相乘器抽样脉冲低通滤波器抽样判决器低通滤波器输出带通滤波器 F2相乘器cos2π f2t图2-3 2FSK相干解调原理图 相干方式原理图

2.3.2 2FSK非相干解调

ff调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器1、2滤出不需要的信号，

然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波，最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲，最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。其原理图如图2-4所示。

带通滤波器 F1输入包络检波器抽样脉冲抽样判决器输出带通滤波器 F2包络检波器非相干方式原理图图2-4 2FSK非相干解调原理图

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3 建立模型描述

3.1 基于SystemView的2FSK信号系统仿真设计

SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。它界面友好，使用方便。

SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。

SystemView以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。

SystemView仿真系统的特点： 1.能仿真大量的应用系统； 2.速方便的动态系统设计与仿真；

3.在报告中方便地加入SystemView的结论； 4.提供基于组织结构图方式的设计； 5.多速率系统和并行系统； 6.完备的滤波器和线性系统设计； 7.先进的信号分析和数据块处理； 8.可扩展性；

9.完善的自我诊断功能。

根据2FSK的原理图进行SystemView的设计与制作，首先通过学习这款软件来掌握基础操作知识和技能，然后在进行具体的设计与制作。如图3-1和图3-2分别表示2FSK键控调制与相干解调和2FSK模拟调制与非相干解调原理图。

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图3-1 2FSK模拟调制与相干解调

图3-2 2FSK模拟调制与非相干解调

3.2 基于simulink的2FSK信号系统仿真设计

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink的特点：

1.富的可扩充的预定义模块库；

2.交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图；

3.以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；

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4.通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码；

5.提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成；

6.使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型；

7.图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为； 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图；

8.可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。

根据2FSK系统原理结合Simulink的学习设计并制作了如下图3-3和图3-4的2FSK模拟调制与相干解调和2FSK模拟调制与非相干解调原理图。

图3-3 2FSK模拟调制与相干解调

图3-4 2FSK模拟调制与非相干解调

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3.3基于m语言的2FSK信号系统仿真设计

用rand函数模拟二进制信号源，ellipord和ellip函数求得椭圆低通滤波器阶数，filter函数实现滤波功能，plot函数绘图，eyediagram函数绘制眼图，simbasebandex函数用于误码率的计算。同时m文件的可编译性使得程序的调试，特别是低通滤波器的参数设置（程序中的fp，fs以及Fs）十分方便。

4 模型组成模块功能描述（或程序注释）

4.1基于SystemView的2FSK信号系统仿真设计模块的功能描述

4.1.1 2FSK的调制与相干解调

图4-1为2FSK的调制模块，采用键控法产生2FSK调制信号。随机比特流的频率为100Hz，信号源1的频率为1000Hz，信号源2的频率为2000Hz。

图4-2为2FSK的相干解调与滤波模块，带通滤波器的值分别设为700Hz——1300Hz，1700Hz——2200Hz；低通滤波器的值都为100Hz；

图4-3为2FSK的抽样比较模块，抽样判决器的抽样频率为1000Hz,比较器的值设为a小于等于b.

图4-1 调制模块 图4-2 相干解调与滤波模块

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图4-3 抽样与判决模块

4.1.2 2FSK的调制与非相干解调

调制部分与上面相同，都是采用键控法产生2FSK调制信号，解调过程不同，这是采用非相干解调，如图4-4所示。

图4-4 非相干解调

过程中依然有带通滤波、低通滤波、抽样判决的过程，与相干解调相似，具体数据也大部分相同，但是这里的判决条件是a大于等于b。

4.2基于simulink的2FSK信号系统仿真设计模块的功能描述

4.2.1 2FSK的调制与相干解调

图4-5为系统调制模块。实验中通过模拟调制产生2FSK调制信号。随机比特流的频率为100Hz，信号源1的频率为1000Hz，信号源2的频率为2000Hz。

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图4-6为系统信道模块。实验中的信道为加了加性高斯白噪声的信道。

图4-7为相干解调模块。实验中带通滤波器的值分别设为800Hz——1200Hz，1800Hz——2200Hz；低通滤波器的值都为100Hz；抽样判决器的抽样频率为100Hz。

图4-8为误码率计算模块。评估系统设计的好坏。

图4-5 系统调制模块 图4-6 系统信道模块

图4-7 系统相干解调模块 图4-8 误码率计算模块

4.2.2 2FSK的调制与非相干解调

2FSK调制与非相干解调过程的信号调制模与信道模块以及误码率计算模块与2FSK调制与相干解调过程的一样，不同之处在于解调模块，如图4-9所示，带通滤波器低通滤波器及抽样判决器的参数值与相干解调一样，Abs为全波整流器。

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图4-9 非相干解调

4.3基于m语言的2FSK信号系统仿真设计的程序注释

Fc=20; %载频

Fs=100; %系统采样频率 Fd=1; %码速率 N=Fs/Fd; df=10;

numSymb=50;%进行仿真的信息代码个数 M=2; %进制数 SNRpBit=100;%信噪比 SNR=SNRpBit/log2(M);` seed=[12345 54321]; numPlot=15;

x=randsrc(numSymb,1,[0:M-1]);%产生50个二进制随机码

figure(1)

stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),'bx'); title('二进制比特流') xlabel('Time'); ylabel('Amplitude');

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y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,'fsk',M,df);%数字带通调制 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('调制后的信号') xlabel('Time');

ylabel('Amplitude'); %加入高斯白噪声 randn('state',seed(2));

y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),'measured',[],'dB');%加入高斯白噪声

figure(3)

plot(t,y(1:length(t)),'b-'); axis([min(t) max(t) -1.5 1.5]); title('加入高斯白噪声后的已调信号') xlabel('Time');

ylabel('Amplitude');%相干解调 figure(4)

z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye',M,df); title('相干解调后信号的眼图')

%带输出波形的相干M元频移键控解调 figure(5)

stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),'bx'); hold on;

stem([0:numPlot-1],z1(1:numPlot),'ro');

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hold off;

axis([0 numPlot -0.5 1.5]);

title('相干解调后信号与原信号的比较')

legend('原输入二进制比特流','相干解调后的信号') xlabel('Time');

ylabel('Amplitude'); %非相干解调

figure(6)

z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye/noncoh',M,df); title('非相干解调后信号的眼图') figure(7)

stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),'bx'); hold on;

stem([0:numPlot-1],z2(1:numPlot),'ro'); hold off;

axis([0 numPlot -0.5 1.5]); title('非相干解调后的信号')

legend('原输入二进制比特流','非相干解调后的信号') xlabel('Time');

ylabel('Amplitude'); %误码率统计 [errorSym ratioSym]=symerr(x,z1); figure(8)

simbasebandex([0:1:5]); title('相干解调后误码率统计') [errorSym ratioSym]=symerr(x,z2); figure(9)

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simbasebandex([0:1:5]);

title('非相干解调后误码率统计') %滤除高斯白噪声 Delay=3;R=0.5;PropD=0; %滞后3s [yf,tf]=rcosine(Fd,Fs,'fir',R,Delay); [yo2,to2]=rcosflt(y,Fd,Fs,'filter',yf); t=[0:numModPlot-1]./Fs;

figure(10)

plot(t,y(1:length(t)),'r-'); hold on;

plot(to2,yo2,'b-');%滤出带外噪声 hold off;

axis([0 30 -1.5 1.5]); xlabel('Time'); ylabel('Amplitude');

legend('加入高斯白噪声后的已调信号','经过升余弦滤波器后的已调信号') title('升余弦滤波前后波形比较')

eyediagram(yo2,N);%眼图

title('加入高斯白噪声后已调信号的眼图')

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5 调试过程及结论

5.1基于Sytemview的2FSK信号系统仿真设计的过程和结果

5.1.1 2FSK调制与相干解调过程和结果

图5-1 2FSK调制波形

图5-2 2FSK相干解调上支路波形

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图5-3 2FSK相干解调下支路波形

图5-4 调制与相干解调后的对比波形

5.1.2 2FSK调制与非相干解调过程和结果

图5-5 2FSK调制波形

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图5-6 2FSK非相干解调上支路波形

图5-7 2FSK非相干解调下支路波形

图5-8 2FSK调制与非相干解调的对比波形

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5.2基于simulink的2FSK系统仿真设计的过程和结果

5.2.1 2FSK的调制与相干解调过程和结

图5-9 2FSK调制波形

图5-10 2FSK加噪声信号对比图

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图5-11 2FSK相干解调上支路波形

图5-12 2FSK相干解调下支路波形

图5-13 2FSK调制与相干解调波形

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5.2.2 2FSK调制与非相干解调的过程和结果

图5-14 2FSK调制波形

图5-15 2FSK加噪波形

图5-16 2FSK非相干解调上支路波形

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