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1、精品名师归纳总结摘 要2FSK 是利用数字基带信号把握载波的频率来传送信息，是数字通信中使用较早的一种调制方式。该通信系统主要接受数字信源为输入、交叉编码译码技术、 MP 信道、 2FSK的调制和非相干解调技术。本系统第一从模拟信号动身，由于数字通信系统的信源编码部分需对输入模拟信号进行数字化，所以先争论其转换成数字信号的过程。接着分析数字信号调制和解调，调制的方法主要是二进制频移键控的解调是调制的逆过程。本课程设计利用 MATLAB软件来实现对 2FSK数字调制解调器的仿真与设计。 2FSK解调有两种方法，即相干解调法和非相干解调法。本课程设计详细阐述了2FSK 数字调制解调器的实现及系统性
2、能分析。通过MATLAB软件中调试出仿真结果，实现了一串二进制序列的调制与解调仿真，并得到了良好的仿真波形图。关 键 词 : 2FSK 。 相 干 解 调 。 数 字 传 输 系 统 。 MATLAB 仿 真可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结目录1 课程设计目的 12 课程设计要求 13 相关学问 23.1 课题争论的背景和意义 .23.2MATLAB简介.24 课程设计分析34.1 2FSK 数字系统的调制原理 .34.2 2FSK 的解调方式 .44.2.1 非相干解调 44.2.2 相干解调54.2.3 2FSK 的功率谱和带宽 .54.3 2FSK 抗噪声性能分析 .55
3、 仿真65.1 程序调试 .66 结果分析 116.1 MATLAB 仿真分析 1.1.6.2 系统性能分析 1.6.7 参考文献 .17可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2FSK 数字传输系统仿真及设计1. 课程设计目的为了同学加深对所学的通信原理的学问懂得，培养同学专业素养，提高利用通信原理学问处理通信系统问题的才能，为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。使同学能比较扎实的把握本专业的基础学问和基本理 论，把握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能，受到必要工程训练和初步的科学争论方法和实践训练，增强分析和解决问题的才能，明白本通信专业的新进展。2. 课
4、程设计要求（1） ）利用通信原理中学习的理论学问，在Simulik 仿真平台中设计出各种调制与解调系统、基带传输系统、差错把握编解码系统等等，并按题目要求运行、检测系统仿真结果。（2） ）构建调制电路，并且示波器观看调制前后的信号波形，用频谱分析模块观看调制前后信号频谱的变化。（3） ）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观看调制前后的信号波形，用频谱分析模块观看调制前后信号频谱的变化。（4） ）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道的传输：用高斯白噪声模拟有线信道，并且分析高斯噪声对信号的影响。（5） ）要求编写课程设计论文，正确阐述和分析设计和试验结果。3. 相关学问3.1
5、 课题争论的背景和意义数字基带信号是低通型信号，其功率谱集中在零频邻近，它可以直接在低通型信道中传输，然而，实际信道很多是带通型的，数字基带信号无法直接通过带通型信道。因此，在发送端需要把数字基带信号的频谱搬移到带通信道的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结通带范畴内，以便信号在带通型信道中传输，这个频谱的搬移过程称为数字调制，相应的，在接受端需要将已调信号搬回来，仍原为基带信号，这个反搬移过程叫数字解调。本课程设计目的在于熟识2FSK 调制及相干解调过程，通过Matlab 软件予以仿真测试验证，并作确定的误码分析。1866 年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876 年
6、贝尔制造了电话, 利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既快速又准确，这标志着模拟通信的开头，由于它比电报更便于沟通使用，所以直到20 世纪这种接受模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为快速和广泛的进展。1937 年瑞威斯制造的脉冲编码调制标志数字通信的开头。20 世纪 60 岁月以后集成电路、电子运算机的显现，使得数字通信快速进展。在70 岁月末在全球进展起来的模拟移动电话在 90 岁月中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的进展前途。3.2 MATLAB简介美国 Mathworks 公司于 19
7、67 年推出了矩阵试验室“ Matrix Laboratory”（缩写为 Matlab ）这就是 Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮忙学校的老师和同学更好的授课和学习。从Matlab 产生开头，由于其高度的集成性及应用的便利性，在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用便利，能特殊快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已进展到了7.X 版本。 Matlab是一种说明性执行语言，具有强大的运算、仿真、绘图等功能。由于它使用简洁，扩充方便，特殊是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充 Matlab 的
8、功能，使其成为了巨大的学问宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正懂得了一个工具箱，那么就是懂得了一门特殊重要的科学学问。科研工作者通常可以通过 Matlab 来学习某个领域的科学学问，这就是Matlab 真正在全世界推广开来的缘由。目前的Matlab 版本已经可以便利的设计漂亮的界面，它可以像 VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时由于有最丰富的函数库（工具箱），所以运算的功能实现也很简洁，进一步受到了科研工作者的欢 迎。另外， ,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以便利的实现与其可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可
9、以说， Matlab已经也很有必要成为高校生的必修课之一，把握这门工具对学习各门学科有特殊重要的推动作用。4 课程设计分析4.1 2FSK 数字系统的调制原理数字频率调制又称频移键控，记作FSK。二进制频移键控记作 2FSK 。2FSK信号的产生方法有两种：(1) 模拟法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频，如图3-1 所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(2) 键控法，用数字基带信号gt 及其反gt 相分别把握两个开关门电路，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结以此对两个载波发生器进行选通，如图3-2 所示。载波 f12FSK 输出信号载波 f2二进制数据图
10、3-1 2FSK 模拟法产生原理框图如图 3-1 所示， 2FSK 调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。可以用二进制“ 1”来对应于载频 f 1 ，而“ 0”用来对应于另一相载频 w2 的已调波形，而这个可以用受矩形脉冲序列把握的开关电路对两个不同的独立的频率源 w1、f 2 进行选择。f1门电路 1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结g t 反向器2FSK 信号可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结f2gt 门电路 2图 3-2 2FSK 键控法产生原理框图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结如图 3-2 所示，频移键控是利用载波的
11、频率来传递数字信号，在2FSK中， 载波的频率随着二进制基带信号在f 1 和 f 2 两个频率点间变化，频移键控是利用 载波的频移变化来传递数字信息的。在2FSK 中，载波的频率随基带信号在f 1 和 f 2 两个频率点间变化。故其表达式为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结e2 FSK(t) Acos 1 tn Acos2 tn 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2FSK信号可以看作两个不同载频的 ASK信号的叠加，因此 2FSK信号的时域表达式又可以写成：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结s2FSK t angtnTscos1tn_an gtnTs
12、 cos2tn 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结nn4.2 2FSK 的解调方式2FSK的解调方式有两种：相干解调方式和非相干解调方式。4.2.1 非相干解调经过调制后的 2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f 1、f 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，最终将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲，最终解调出来的信号就是调制前的输入信号。 2FSK 信号的包络解调，由于 2FSK 信号可看作是两个2ASK信号之和，所以 2FSK解调器由两个并联的 2FSK解调器组成。其原理图如图 3-3 所示：带通滤波器包络检波器可编辑资料
13、 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结输入带通滤波器抽样脉冲包络检波器输出抽样判决器可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 3-3 非相干解调原理框图我们取图 3-3 的一部分分析如图 3-4 所示的 2ASK包络解调原理图：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结s2 FSKnt 带通a滤波器包络检波器b低通滤波器取样d判决器可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结c位定时可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4.2.2 相干解调图 3-4 2ASK 包络解调原理框图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结依据已调信号由两个载波 f 1、f 2
14、调制而成，就先用两个分别对 f 1、f 2 带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波 f 1、f 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。4.2.3 2FSK 的功率谱和带宽2FSK信号的功率谱既有连续谱又有离散谱，离散谱位于两个载波频率f 1 和 f 2 在 2FSK 调调制中，功率谱连续谱分布在f 1 和 f 2 邻近，如取功率谱第一个零点以内的成分运算带宽，明显 2FSK信号的带宽为 :可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结B2 FSK| f1f2 |2 f s可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4.3 2FS
15、K 抗噪声性能分析包络解调器的误码率，必需第一求出上、下两个支路中包络检波器输出端信号瞬时值的概率密度函数。当发送信息“”时，接收端收到频率为f 1 的载波为 a cos 2f1t 。此信号能通过上支路中的带通滤波器，但无法通过下支路中的带通滤波器，所以上支路带通滤波器的输出是信号和窄带高斯噪声的叠加，而下支路带通滤波器的输出却只有窄带高斯噪声。就有：上支路包络检波器输出x1 t 值服从莱斯分布，下支路包络检波器输出x2 t 的瞬时值听从瑞利分布，所以上下两个支路的取样值 x1 、 x2 的概率密度函数为：12I202 xa 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结f x1x1 ax
16、1 e2 n可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结nn可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结x222可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结f x xe 2 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结n22n可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结判决器的作用是比较两个取样值x1 和x2 ，当x1 x2 时，判“”，判决是正确可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的，不产生误码。当 x1 x2 时，判“”，判决错误，产生误码，即发“”可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结错判成了“”。由概率论学问可知，“”码错判成“”码的概率P0
17、 / 1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结为：P0 /1Px1x2 1f x 00f x2 dx2dx1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结就有：P0 /1r1 e 22可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结由于发“ 0”和发“ 1”码相同，所以有：per12e25 仿真5.1 程序调试2FSK 数字传输系统调制与解调原理图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结源程序代码Fc=10。 % 载频Fs=40。 % 系统采样频率Fd=1。 % 码速率N=Fs/
18、Fd。df=10。numSymb=25。%进行仿真的信息代码个数M=2。%进制数SNRpBit=60。%信噪比SNR=SNRpBit/log2M。%60 seed=12345 54321。numPlot=15。x=randsrcnumSymb,1,0:M-1。%产生 25 个二进制随机码figure1stem0:numPlot-1,x1:numPlot,bx。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结title二进制随机序列 xlabelTime。ylabelAmplitude。 %调制y=dmodx,Fc,Fd,Fs,fsk,M,df。%数字带通调制numModPlot=numPlot
19、*Fs。 %15*40 t=0:numModPlot-1./Fs。%数组除法（仿真时间） figure2plott,y1:lengtht,b-。axismint maxt -1.5 1.5。title调制后的信号 xlabelTime。ylabelAmplitude。 %在已调信号中加入高斯白噪声randnstate,seed2。%生成-2 到+2 之间的随机数矩阵y=awgny,SNR-10*log100.5-10*log10N,measured,dB。figure3plott,y1:lengtht,b-。%画出经过信道的实际信号axismint maxt -1.5 1.5。title加入高
20、斯白噪声后的已调信号 xlabelTime。ylabelAmplitude。%相干解调figure4z1=ddemody,Fc,Fd,Fs,fsk/eye,M,df。title相干解调后的信号的眼图 %带输出波形的相干 M元频移键控解调figure5stem0:numPlot-1,x1:numPlot,bx。hold on。stem0:numPlot-1,z11:numPlot,ro。hold off。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结axis0 numPlot -0.5 1.5。title相干解调后的信号原序列比较 legend原输入二进制随机序列 ,相干解调后的信号 xlab
21、elTime。ylabelAmplitude。 %非相干解调figure6z2=ddemody,Fc,Fd,Fs,fsk/eye/noncoh,M,df。title非相干解调后的信号的眼图 % 带输出波形的非相干 M元频移键控解调figure7stem0:numPlot-1,x1:numPlot,bx。hold on。stem0:numPlot-1,z21:numPlot,ro。hold off。axis0 numPlot -0.5 1.5。title非相干解调后的信号 legend原输入二进制随机序列 ,非相干解调后的信号 xlabelTime。ylabelAmplitude。%误码率统计e
22、rrorSym ratioSym=symerrx,z1。figure8simbasebandex0:1:5。title相干解调后误码率统计 errorSym ratioSym=symerrx,z2。figure9simbasebandex0:1:5。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=rcosineFd,Fs,fir,R,Delay。%升余弦函数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结号yo2,to2=rcosflty,Fd,Fs,filter,yf。t=0:numModPlot-1./Fs。f
23、igure10plott,y1:lengtht,r-。hold on。plotto2,yo2,b-。%滤出带外噪声hold off。axis0 30 -1.5 1.5。xlabelTime。ylabelAmplitude。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title升余弦滤波前后波形比较 eyediagramyo2,N。%眼图title加入高斯白噪声后的已调信号的眼图 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结6 结果分析6.1 MATLAB 仿真分析2FSK数字系统的调制的仿真调试图如图4-1 所示。图 4-1基带信号与载波信号模拟波形图可编辑资料 -
24、- - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在图 4-1 中，基带信号 s1 周期设为 1.5s的周期性方波，载波信号1 为周期100s 的正弦波，载波信号 2 为周期 250s 的正弦波。经过调试后所得到无噪声波形图，将基带信号反向后得到与基带信号同周期的另一新方波s2。s1 与载波信号 1 相乘，载波信号 2 与 s2 相乘，得到如图 4-2 所示波形。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 4-2调制信号模拟波形图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 4-2 中，在无干扰的情形下，可以看到s1*st1 、s2*st2的波形图。
25、在基带信 号为 0 处， s1*st1已调信号相应处为 0，为 1 时，基带信号与载波信号 1 的波形相同， s2*st2调制后波形与之相像。将两个已调制信号叠加后就得到2FSK 信号。从图中可以清楚看到 2FSK信号的产生过程以及波形图的情形。在加入高斯白噪声后的以调信号眼图如图4-3 所示。幅度噪声可能会导致规律 1的电压或功率电平垂直波动，低于样点，导致规律1码错误的标为规律 0码，即误码。抖动描述了相同的效应，但它是水平波动。抖动或定时噪声可能会导致码的边沿在水平方向中的样点内波动，导致错误。眼图的抖动较大，在其交点处直方图都变成了一个像素宽的交点块投射到时间轴上的投影。可编辑资料 -
26、 - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 4-3加入高斯噪声的已调信号眼图如图 4-4 所示，加入高斯噪声后的已调信号明显与为加入时的信号在边界处变得模糊，这时需要选择特定的解调方式来减小误差。图 4-4加入高斯白噪声后的已调信号相干解调无码明显优于非相干解调，由于其解调时接受的时钟与调制时候的时钟是一样的，如图 4-5 所示，才接受相干解调时得到的原二进制序列。图 4-5相干解调后的二进制序列可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结由于相干解调过程比较麻烦，而且需要解调时与原先载波同相同频率的函数， 所以在图 4-6 中接受非相干解调。图 4-6非相干解调后的信号经比较可知，相干解调比非
27、相干解调的误码率要小的多。6.2 系统性能分析对于数字传输系统而言，最重要的性能指标就是误码率。在白色高斯噪声可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结信道中，误码率准备于监控体制和接收端的信噪比rA 2 / 22 。对于 2FSK调可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结n制与解调系统，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率。其中，相干检测法的误码率为：p1 erfc r e22当信噪比很大时，式（ 3-1 ）可近似的表示为：pe1r / 2e2r非相干解调法接受包络检波法接收信号，其误码率为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结p1 ee2r /2可编辑资料 -
28、- - 欢迎下载精品名师归纳总结依据上面的两个式子，本系统相干检测法的误码率为：ep4.8210 151而非相干包络检波法的误码率为：ep4.6810 142可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1明显 pepe ，相干解调性能优于非相干解调。且2FSK 信号占用频带宽，2在信道中的兼容性好。7 参考文献1 黄葆华，杨晓静，牟华坤. 通信原理 M. 陕西：西安电子科技高校出版社，20072 曹弋 .MATLAB课程及实训 M. 北京：机械工业出版社，20213 樊昌信 . 通信原理教程 M. 北京：电子工业出版社，20064 刘波，文忠，曾涯.MATLAB信号处理 M. 北京：电子工业出版社，20065 张卫刚，徐国平 . 通信原理与通信技术 M. 北京：电子工业出版社，20026 孙亮 .MATLAB语言与把握系统方真 M. 北京：工业高校出版社，2006可编辑资料 - - - 欢迎下载