基于MATLAB的2FSK調(diào)制解調(diào)及其仿真

福 建 師 范 大 學(xué) 應(yīng) 用 科 技 學(xué) 院本科畢業(yè)設(shè)計基于MATLAB的2FSK調(diào)制解調(diào)及其仿真 學(xué) 院：應(yīng)用科技學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程學(xué) 號：120352010025姓 名：黃小麗指導(dǎo)教師：吳淑蓮職 稱：講師目 錄1. 緒論31.1 引言31.2 MATLAB/Simulink的簡介31.2.1 MATLAB的簡介31.2.2 Simulink的簡介42. 通信的基本概念與數(shù)字通信42.1通信的基本概念42.1.1消息、信息和信號42.1.2通信的概念52.2數(shù)字通信52.2.1 數(shù)字通信的系統(tǒng)模型52.2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)的特點63. 2FSK的基本原理和實現(xiàn)63.1 2FSK的基本原理63.2 2FSK信號的功率譜及帶寬104. Smulink的模型建立和仿真114.1 建立2FSK傳輸系統(tǒng)仿真模型114.2 參數(shù)設(shè)置124.3 2FSK調(diào)制解調(diào)的波形圖184.3 不同高斯噪聲方差下的誤碼率195. 心得體會20致謝20參考文獻20基于MATLAB對2FSK調(diào)制解調(diào)及其仿真應(yīng)用科技學(xué)院 2010級 電子信息工程專業(yè) 120352010025 黃小麗 指導(dǎo)教師 吳淑蓮【摘要】目前，新產(chǎn)品或新技術(shù)研制成功并投入使用之前都要經(jīng)過無數(shù)次反復(fù)的實驗仿真，然后再根據(jù)實驗結(jié)果進行修改。MATLAB/Simulink仿真軟件是通過模擬真實的環(huán)境，可以有效降低實驗的時間和成本，也可以達到驗證設(shè)計者的思路和算法。本文通過mathlab 中的Simulink模塊構(gòu)建2FSK調(diào)制與解調(diào)模型，并進行仿真?！娟P(guān)鍵詞】2FSK,Simulink，調(diào)制，相干解調(diào)1. 緒論1.1 引言 隨著科技快速發(fā)展，用于研發(fā)、測試的設(shè)備不斷更新，且技術(shù)含量也隨之變高了，價格也隨之昂貴。并不是所有從事開發(fā)與研究的工程技術(shù)人員都能夠更新相匹配的儀器設(shè)備。在電子信息工程、現(xiàn)代通信技術(shù)和通信系統(tǒng)等的實驗研究工作中較多是使用計算機仿真。通過采用計算機模擬的方法在某種程度上能克制一些問題，如沒有工具設(shè)備所引起的問題。計算機技術(shù)經(jīng)過近年來的發(fā)展，計算機仿真得到廣泛地應(yīng)用，已成為一個很重要的科學(xué)研究方法。在生產(chǎn)實踐和社會活動的人總是需要傳達消息，此消息的整個過程稱為通信1。從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變、窄帶到寬帶、人工到智能、單一到多業(yè)務(wù)的過程，這就是通信的發(fā)展經(jīng)歷2。通信技術(shù)在近年來飛速發(fā)展，特別是數(shù)字通信技術(shù)，其應(yīng)用范圍也更廣的。通信從本質(zhì)上來講就是實現(xiàn)信息傳遞功能的一門科學(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息進行無失真，高效率地傳輸，同時還要在傳輸過程中將沒有用信息和不利信息抑制掉。今天，通信不僅能有效地傳達信息，而且還能儲存功能、采集功能、處理功能以及顯示功能等優(yōu)點，通信已和信息科學(xué)與技術(shù)密不可分2?，F(xiàn)在通信原理逐漸成為很多高校理工科專業(yè)的必修課程。1.2 MATLAB/Simulink的簡介1.2.1 MATLAB的簡介 MATLAB是由美國Mathworks公司在1967年推出了矩陣實驗室“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab），Matlab是一款商業(yè)教學(xué)軟件3。矩陣實驗室是一種主要用于科學(xué)與工程的計算機仿真軟件，它把應(yīng)用不同領(lǐng)域的計算用函數(shù)的方式提供給使用者；用戶在使用過程中，只需要簡單地調(diào)用這些函數(shù)并賦予實際的參數(shù)就可以解決實際的問題4。它涉及數(shù)值分析、自動控制、小波分析、圖像和信號處理以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等多個個領(lǐng)域的計算和圖形顯示5。MATLAB功能相當(dāng)?shù)貜姶?，即可以方便地進行科學(xué)和工程計算，也可以有效地降低了計算工作量以及極大的節(jié)約了科研人員的時間6。此外， MATLAB中使用的計算方法是最成熟的算法，并能與多種程序語言編程，大大加快他們的實際發(fā)展速度7 。眾多科學(xué)研發(fā)人員通過借助MATLAB軟件能快速測試設(shè)計構(gòu)想，給科研人員的帶來很多方便，廣受科研人員的歡迎，經(jīng)過一代又一代人的努力，目前MATLAB已發(fā)展到了7.X版本，綜合了評測系統(tǒng)性能，達到快速設(shè)計出更好的解決方案，以確保更高的技術(shù)要求8。綜合起來說，MATLAB有6個特點。(1)使用方便；(2)編程效率高；(3) 擴充能力強；(4) 語句簡單，內(nèi)涵豐富；(5)對于數(shù)組運算以及矩陣運算是高效方便的；(6)較方便的繪圖功能 9 。1.2.2 Simulink的簡介 在MATLAB仿真軟件中有一種可視化的仿真工具就是 Simulink，廣泛應(yīng)用于一些領(lǐng)域的建模與仿真，有通信仿真、線性或非線性系統(tǒng)、模糊邏輯、數(shù)字控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字信號處理等領(lǐng)域。在Simulink建模時使用的是模塊化和圖形化方式，每一個模塊有自己的輸入和輸出端口，以及特定的功能，模型結(jié)構(gòu)十分美觀與形象，適用于描述運算結(jié)構(gòu)模塊化和層次化清晰的系統(tǒng)和模型10。基于Simulink的仿真模型文件的擴展名是“.mdl”。矩陣實驗室給Simulink提供工具包，方便我們對動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析使用；在它模塊設(shè)計中，有指定的輸出信號模塊，使得模擬結(jié)果能在仿真過程隨時察看11。在仿真過程中，也可以運用Simulink中的存儲模塊，能方便把仿真數(shù)據(jù)用不同形式在工作區(qū)間或文件中儲存，使用者能在仿真完成之后對數(shù)據(jù)進行分析處理。還有Simulink具有內(nèi)在的模塊化設(shè)計，它可以將具有特定功能的代碼組織成模塊的形式，也能將這些模塊組織成具有等級結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)9。在Simulink工作環(huán)境的過程中，畫模型圖比較自由、方便，只要用戶一個簡單的點擊和拖動就能做到建模，還能直接系統(tǒng)仿真，能快速得到仿真結(jié)果。每個子模型庫有自己的功能模塊，用戶還能依據(jù)自己的需求去定制和創(chuàng)建模塊。采用示波器模塊和其他的顯示模塊，你能馬上看到仿真結(jié)果，如果你改變模塊的參數(shù)只需再次運行便能觀察到匹配的結(jié)果。但是Simulink是不能脫離MATLAB而獨立工作的12。它的主要特點在于：a、建模方便與快捷；b、易于進行模型分析；c、優(yōu)越的仿真性能。Simulink仿真軟件與傳統(tǒng)的仿真軟件相對比，優(yōu)點是方便、直觀、靈活。在仿真通信系統(tǒng)時，最常用庫有Simulink（公共模塊庫）包含有Commonly Used Blocks（常用模塊）、Continuous（連續(xù)模塊）、Discontinuities（非連續(xù)模塊）、Discrete（離散模塊）、Logic and Bit Operations（邏輯和位操作模塊）、Lookup Tables（查找表模塊）、Math Operations（數(shù)學(xué)運算模塊）、Model Verification（模型檢測模塊）、Model-Wide Utilities（模型擴充模塊）、Ports &Subsystems（端口和子系統(tǒng)模塊）、Signal Attributes（信號屬性模塊）、Signal Routing（信號線路模塊）、Sinks（接受器模塊）、Sources（輸入源模塊）、User-Defined Functions（用戶自定義函數(shù)模塊）、Additional Math &Discrete（額外數(shù)學(xué)和離散模塊），Communications Blockset（通信模塊庫）包含有Channel（信道）、Comm Filters（濾波器）、Comm Sinks（信宿）、Comm Sources（信源）、Equalizers（均衡器）、Error Detection and Correction（檢錯與糾錯）等等，Signal Processing Blockset（信號處理模塊庫）包含子庫有Estimation（估計）、Filtering（濾波）等等13。2. 通信的基本概念與數(shù)字通信2.1通信的基本概念2.1.1消息、信息和信號 人類社會是建立在信息交流的基礎(chǔ)之上，尤其是當(dāng)今世界已經(jīng)進入信息時代，如今我們越來越多地接觸到信息這一概念。消息是一種對事物物理狀態(tài)的變化，具有人們能感知的物理特性進行描述的具體形式。例如：語音、溫度、文字、圖像等等。信息（information）是指消息中所含有的一些有意義的內(nèi)容，它的概念比較抽象。信息的載體是消息，不同形式的消息，是可以包含同一個的信息，比如：分別用報紙和電視發(fā)布相同一個新聞或事件，其所包含信息內(nèi)容是相同的。信息的傳遞與交換必須通過消息的傳遞和交換才能夠完成。信號是對消息進行轉(zhuǎn)變后在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)哪撤N物理量和傳遞消息（message）。因此，信號是消息的運載工具，同時也是消息轉(zhuǎn)換來的并可以被傳輸與處理的具體形式13。2.1.2通信的概念 通信（Communication）是進行信息的時空轉(zhuǎn)移，從一方傳達到另一方的消息（或information），實現(xiàn)通信的方式與手段很多，例如：手勢、語言、消息樹、古代的烽火臺、金鼓，以及現(xiàn)代社會的信函、電報、電話、廣播、電視、因特網(wǎng)等，均屬于消息傳遞的方式和信息交流的手段。電通信方式可以達到使消息幾乎在任意的通信距離上實現(xiàn)迅速、準(zhǔn)確、有效、可靠地傳遞，所以它的增長非常迅速，并廣泛的應(yīng)用13。 通信系統(tǒng)就是傳遞信息時所需要的全部技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和，通信系統(tǒng)大致可分為數(shù)字和模擬通信系統(tǒng)這兩種。下圖（2-1）是通信系統(tǒng)一般模型。圖2-1通信系統(tǒng)一般模型132.2數(shù)字通信2.2.1 數(shù)字通信的系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)是通過使用數(shù)字（digital）信號來傳達信息的通信系統(tǒng)。系統(tǒng)模型如（圖2-2）所示。數(shù)字調(diào)試的基本方式有振幅鍵控(Amplitude Shift Keying)、頻移鍵控(Frequency Shift Keying)、絕對相移鍵控、相對相移鍵控。如果你想恢復(fù)這些信號為數(shù)字基帶信號可以采用相干（coherent）解調(diào)或非相干（noncoherent）解調(diào)。在信號檢測中帶有高斯噪聲時，通常采用相關(guān)器接收機或匹配濾波器（Comm Filters）實現(xiàn)。如(圖2-2)所示的通信系統(tǒng)被稱為數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)，要是沒有調(diào)制（modulation）器和解調(diào)（demodulation）器，稱為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)；要是不包括A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，被稱為模擬信號的數(shù)字化傳輸系統(tǒng)14。信源編碼噪聲源解調(diào)器信道譯碼信源譯碼信宿信道編碼信宿調(diào)制器信道圖2-2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型132.2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)的特點 數(shù)字通信系統(tǒng)較模擬通信系統(tǒng)而言，具有很強的抗干擾能力，且可靠性比較高；體積較小，功耗比較低，易集成；便于進行各種數(shù)字信號處理；收發(fā)信號時間要同步；便于保密、便于與計算機連接等優(yōu)點。缺點是占用頻帶寬；系統(tǒng)和設(shè)備比較復(fù)雜。因為通信系統(tǒng)和壓縮技術(shù)、集成電路技術(shù)等的發(fā)展，使得數(shù)字通信的缺點就不成為問題了。數(shù)字通信可以滿足對通信技術(shù)日益增長的需求。近年來，數(shù)字通信的發(fā)展很快，在通信領(lǐng)域中所占比例也隨之增大，如今數(shù)字通信也逐漸取代了模擬通信在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，也是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的主流。3. 2FSK的基本原理和實現(xiàn)3.1 2FSK的基本原理二進制移頻鍵控(2FSK)是利用通過頻率變化來傳達的數(shù)字信息，使用兩個不同頻率（、）的正弦信號分別表示二進制數(shù)1和0。因此，載波的頻率隨著二進制基帶信號在和兩個頻率點間變化,產(chǎn)生二進制移頻鍵控(2FSK)信號,2FSK信號的時間波形如(圖3- 1)所示,從（圖3-1）可以看出波形可分解為波形和波形,也就是說兩個不同載波的2ASK信號的疊加所得就是二進制移頻鍵控信號。因此2FSK信號的時域表達式為： （3.1-1） 式中： （3.1- 2） （3.1-3）如下（圖3-1）所示為 2FSK鍵控時間波形 圖3-1 2FSK鍵控時間波形 13由上圖可以看出,是的反碼,即若，則；若，則；可以得出，和分別代表第n個信號碼元（1或0）的初始相位，在二進制移頻鍵控信號（2FSK）中,與這兩個是不攜帶任何信息,所以一般可令與為零。因此，二進制移頻鍵控（2FSK）信號的時域表達式可以簡化為： （3.1- 4） 采用模擬調(diào)頻電路和采用數(shù)字鍵控的方法可以實現(xiàn)二進制移頻鍵控（2FSK）信號的產(chǎn)生，就是用開關(guān)電路來對兩個不同的獨立頻率源進行選通在二進制基帶矩形脈沖序列的掌握中，使得在每一個碼元期間輸出或兩個載波當(dāng)中一個，如下（圖3-2）是數(shù)字鍵控法實現(xiàn)二進制移頻鍵控（2FSK）信號的原理圖。 圖3-2 鍵控法產(chǎn)生2FSK信號的原理圖15 二進制移頻鍵控信號的解調(diào)方法有過零點（zero crossing）檢測法、非相干解調(diào)方法、相干解調(diào)方法等。解調(diào)的原理是把二進制移頻鍵控信號分為上下兩路二進制振幅鍵控信號。通過抽樣值進行對比最終判決（decision）出輸出信號，這就是解調(diào)。下面所示（圖33）為二進制移頻鍵控(2FSK)信號相干和非相干解調(diào)器的原理圖(a) 非相干解調(diào)(b) 相干解調(diào)圖3-3二進制移頻鍵控信號的原理圖15如下（圖3-4）過零檢測法原理圖和各點時間波形。（a）過零檢測法原理圖（b）各點時間波形 圖3-4過零檢測法原理圖和各點時間波形15 3.2 2FSK信號的功率譜及帶寬 由兩個不同載波的2ASK信號的疊加而成的是相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜，因此2FSK頻譜可以近似表示成中心頻率分別為和的兩個二進制振幅頻譜的組合。一個相位不連續(xù)2FSK信號表示為： （3.2-1）其中，和為兩路的二進制基帶信號。 （3.2-2） （3.2-3）2FSK信號的功率譜密度的表達式是： （3.2-4） 令概率，得： (3.2-5)由式3.2-5)以及圖3-5得，由連續(xù)譜和離散譜所組成的是相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜，其中，離散譜是位于兩個載頻和 處；連續(xù)譜是由兩個中心位于 和 處的雙邊譜疊加形成的；連續(xù)譜的形狀隨著兩個頻率之差的大小而出現(xiàn)不同形狀，要是，在處看到就是單峰；若，就顯示雙峰；假如以功率第一個零點之間的頻率間距計算二進制移頻鍵控信號的帶寬，那么近似為： （3.2-6）其中，為基帶信號的帶寬。如下面（圖3-5）所示為相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜示意圖圖3-5相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜示意圖15 4. Smulink的模型建立和仿真4.1 建立2FSK傳輸系統(tǒng)仿真模型圖4-1 2FSK傳輸系統(tǒng)仿真模型4.2 參數(shù)設(shè)置下面（圖4-2）是正弦載波的參數(shù)設(shè)置： 圖4-2正弦載波的參數(shù)設(shè)置從（圖4-2）可以看出幅度顯示的是2，頻率顯示的是4Hz，采樣周期顯示的是0.002的信號。設(shè)置依據(jù)：為了便于波形對比，就設(shè)它為4Hz。下面（圖4-3）是正弦載波的參數(shù)設(shè)置： 圖4-3正弦載波的參數(shù)設(shè)置從(圖4-3)可知的幅度(Amplitude)設(shè)為2，頻率設(shè)成16Hz，采樣周期（Sample time）設(shè)成0.002的信號。設(shè)置依據(jù)：為了方便觀察波形，就設(shè)為16Hz。 下面（圖4-4）是伯努利二進制隨機數(shù)產(chǎn)生器參數(shù)設(shè)置： 圖4-4伯努利二進制隨機數(shù)產(chǎn)生器參數(shù)設(shè)置從（圖4-4）可知伯努利二進制隨機數(shù)產(chǎn)生器參數(shù)的測試幅度被設(shè)成2，測試周期被設(shè)為3，占1比例被設(shè)為2/3。 下面（圖4-5）是加性高斯白噪聲信道的參數(shù)設(shè)置：圖4-5加性高斯白噪聲信道的參數(shù)設(shè)置下面（圖4-6）是帶通濾波器第一路的參數(shù)設(shè)置： 圖4-6帶通濾波器第一路的參數(shù)設(shè)置從（圖4-6）可知帶通范圍為27HZ 設(shè)置依據(jù)：從圖（4-2）可以看出該載波被設(shè)為4HZ，基帶號帶寬被設(shè)為1HZ，考濾濾波器會邊沿緩降，所以它設(shè)為27HZ。 下面（圖4-7）是帶通濾波器第二路的參數(shù)設(shè)置：圖4-7帶通濾波器第二路的參數(shù)設(shè)置從（圖4-7）能看出帶通范圍被設(shè)為831HZ 設(shè)置依據(jù)：從圖（4-3）可以看出載波被設(shè)為16HZ，測試基帶號帶寬設(shè)為1HZ，考慮濾波器會邊沿緩降，故設(shè)為831HZ。 下面（圖4-8）是低通濾波器的參數(shù)設(shè)置：圖4-8低通濾波器的參數(shù)設(shè)置從（圖4-8）可以看到截止頻率設(shè)為1HZ 設(shè)置依據(jù)：二進制序列的帶寬為1HZ，所以設(shè)為1HZ下面（圖4-9）是脈沖產(chǎn)生器的參數(shù)設(shè)置：圖4-9脈沖產(chǎn)生器的參數(shù)設(shè)置4.3 2FSK調(diào)制解調(diào)的波形圖下面（圖4-10）是2FSK調(diào)制波形圖4-10 2FSK調(diào)制波形下面（圖4-11）2FSK解調(diào)波形圖4-11 2FSK解調(diào)波形4.3 不同高斯噪聲方差下的誤碼率1） 高斯噪聲方差為1：圖4-12 高斯噪聲的參數(shù)設(shè)置此時誤碼率為： 圖4-13 高斯噪聲方差為1時的誤碼率2） 高斯噪聲方差為90： 圖4-14 高斯噪聲的參數(shù)設(shè)置 此時誤碼率為： 圖4-15 高斯噪聲方差為90時的誤碼率結(jié)果顯示，當(dāng)高斯噪聲方差小，誤碼率越?。坏请S著高斯噪聲方差的增加，則誤碼率越大。 5. 心得體會 這段時間在做基于MATLAB對2FSK調(diào)制解調(diào)及其仿真的論文設(shè)計過程中我遇到了許多的困惑，但也積累了不少的知識。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中遇到的問題，有以下3點：第一，基礎(chǔ)知識的不夠牢固，主要表現(xiàn)在一些常用帶通、低通濾波器不清楚，尤其在設(shè)置參數(shù)，對書本上的內(nèi)容理解不夠透徹；第二，對MATLAB/Simulink軟件不了解，體現(xiàn)在畫2FSK系統(tǒng)仿真的時候，對這些軟件操作的不熟練，浪費了很多時間。第三，對數(shù)字通信相關(guān)知識掌握不夠全面。致謝 經(jīng)過這一段時間的努力，終于按照指導(dǎo)老師要求完成了畢業(yè)設(shè)計基于MATLAB的2FSK調(diào)制解調(diào)及其仿真的系統(tǒng)框圖和波形。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，也碰到了不少的困難，但是在老師的指導(dǎo)以及同學(xué)的幫助還有自己的努力下，終于完成了這個設(shè)計，感謝我的指導(dǎo)老師和幫助我的同學(xué)，讓我最終取得了一定成果。參考文獻1 馬海武 劉毓 達新宇 編著，通信原理M，北京：北京郵電大學(xué)出版社，20042 龍光利 主編，通信原理M，北京：清華大學(xué)出版,20123 李明明 主編 李白萍 主審，電子信息類專業(yè)MATLAB實驗教程M，北京：北京大學(xué)出版社，20114 許明遠 邵玉斌 編著，MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用M，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20055 唐向宏 岳恒立 鄭雪峰 編著，MATLAB及在電子信息類課程中的應(yīng)用M，北京：電子工業(yè)出版社，20066 瞿亮 主編 凌民 傅昱 蔡立軍 副編著，基于MATLAB的控制系統(tǒng)計算機仿真M，北京：清華大學(xué)出版 北京交通大學(xué)出版社，20067 黃永安 馬路 劉敏慧 編著，MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真開發(fā)與高級工程應(yīng)用M，北京：清華大學(xué)出版社，20058 趙靜 張瑾 高新科 編著，基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真M，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20079 鄧華 編著，MATLAB通信仿真及應(yīng)用實例詳解M，北京：人民郵電出版社，200310 孫屹 主編 吳磊 編著，Simulink通信仿真開發(fā)手冊M，北京：國防工業(yè)出版社，200411 李賀冰 主編 袁潔萍 孔俊霞 副主編，Simulink通信仿真教程M，北京：國防工業(yè)出版社，200612 沈輝 編著，精通SIMULINK系統(tǒng)仿真與控制M，北京：北京大學(xué)出版社，200313 張水英 徐偉強 編著，通信原理及MATLAN/Simulink仿真M，北京：人民郵電出版社，201214 別志松 別紅霞 編著，信息與通信系統(tǒng)仿真M，北京：北京郵電大學(xué)出版社，201015 樊昌信 曹麗娜 編著，通信原理（第6版）M，北京：國防工業(yè)出版社，2012MATLAB on the 2FSK mod