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2FSK数字传输系统仿真及设计
《2FSK数字传输系统仿真及设计》
课程设计指导书
班级通信工程16-1
指导教师蒋霞
塔里木大学信息工程学院
计算机科学与技术学科组
2014年12月21日
目录
2FSK数字传输系统仿真及设计1
前言1
工程概况2
摘要3
关键词3
1.1课题研究的背景和意义3
1.2课题研究的主要内容和结构安排3
2.12FSK数字系统的调制原理3
2.2FSK的解调方式4
2.2.1非相干解调4
2.2.2相干解调5
2.2.32FSK的功率谱和带宽5
3.32FSK抗噪声性能分析6
3.1程序调试6
3.2MATLAB仿真分析7
3.3系统性能分析10
小结11
参考文献11
2FSK数字传输系统仿真及设计
前言
2FSK是利用载频频率的变化来传输数字信息的。
数字载频信号有相位离散和相位连续两种情形。
若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供,它们之间的相位互不相关,这就叫相位离散的数字调频信号;若两个振荡频率由同一振荡信号源提供,是对其中一个载频进行分频,这样产生的两个载波就是相位连续的数字调频信号。
2FSK是一种在无线通信中很有吸引力的数字调制方式,目前在短波,微波和卫星通信中均被采用。
随着超大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展,数字信号处理(DSP)技术在通信领域中已有了广泛的应用。
本论文研究并实现了基于DSP全数字2FSK发送与接收系统。
本文分析并防真了基于直接数字频率合成原理的2FSK全数字调制的方法;分析并防真了基于差分基带相位傅立叶变换的载波频偏和位定时算法最终得到结果如下:
1.实现了数字的2FSK数字化调制。
本文在独立设计的DSP系统上进行了调制实验。
通过改变程序中的参数,成功实现了多种速率的数据发送。
2.实现了2FSK信号的数字化接收。
接收工作包括数据的读入,载波频偏估计,位同步,解调。
本设计所研究的内容适应当前科学技术的发展与更新,具有一定的实用价值。
本文所提的实现数字化调制,同步和解调的方法,仍然是当前通信领域中先进的技术,具有一定的理论和实践意义;在本研究中开发的DSP目标板可为实验的后续研究提供实用的研究平台。
工程概况
本次课程设计的主题是采用Matlab软件仿真实现相干解调的仿真与分析。
首先要求对Matlab软件有着较为深入地了解和认识,掌握一些Matlab软件的基本函数用法。
例如:
用Matlab软件实现2FSK的调制与解调等等。
同时利用软Matlab件也能对书本上的知识进行验证,,与书本上的讲解进行对照分析和比较。
本次课程设计要求的技术对我们通信的学习起着很大的作用。
摘要:
2FSK是利用数字基带信号控制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。
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
1.1课题研究的背景和意义
数字基带信号是低通型信号,其功率谱集中在零频附近,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通带范围内,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,相应地,在接受端需要将已调信号搬回来,还原为基带信号,这个反搬移过程叫数字解调。
本课程设计目的在于熟悉2FSK调制及相干解调过程,通过Matlab软件予以仿真测试验证,并作一定的误码分析。
1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。
1876年贝尔发明了电话,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迅速又准确,这标志着模拟通信的开始,由于它比电报更便于交流使用,所以直到20世纪这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。
1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。
20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现,使得数字通信迅速发展。
在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代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发展前途。
1.2课题研究的主要内容和结构安排
本次课程设计主要研究内容如下:
(1)设计出2FSK数字通信系统的结构,包括信源,调制,发送滤波器模块,信道,接受滤波器模块以及信宿;
(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SystemView或Matlab实现该数字通信系统;
(4)观察仿真并进行波形分析(眼图,和星座图);
(5)系统的性能评价(分析误码率)。
在本文中,首先在绪论中对课题研究的背景意义、研究的主要内容和章节安排做了详细的阐述,并在对2FSK的基本原理、实现方法、相干和非相干解调以及噪声分析的进行了详细介绍。
介绍了MATLAB软件、程序调试和性能分析。
第4章总结了本课程设计的经验和心得。
2.12FSK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2-1所示。
(2)键控法,用数字基带信号
及其反
相分别控制两个开关门电路,以此对两个载波发生器进行选通,如图3-2所示。
图2-12FSK模拟法产生原理框图
如图2-1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f1,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控制的开关电路对两个不同的独立的频率源w1、f2进行选择。
图2-22FSK键控法产生原理框图
如图2-2所示,频移键控是利用载波的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f1和f2两个频率点间变化,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f1和f2两个频率点间变化。
故其表达式为:
(2-1)
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:
(2-2)
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。
2.2.1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f1、f2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。
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2-3所示:
我们取图2-3的一部分分析如图2-4所示的2ASK包络解调原理图:
图2-42ASK包络解调原理框图
2.2.2相干解调
根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成,则先用两个分别对f1、f2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f1、f2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。
2.2.32FSK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f1和f2在2FSK调调制中,功率谱连续谱分布在f1和f2附近,若取功率谱第一个零点以内的成分计算带宽,显然2FSK信号的带宽为:
(2-3)
3.32FSK抗噪声性能分析
包络解调器的误码率,必须首先求出上、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“1”时,接收端收到频率为f1的载波为
。
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。
则有:
上支路包络检波器输出
值服从莱斯分布,下支路包络检波器输出
的瞬时值服从瑞利分布,所以上下两个支路的取样值
、
的概率密度函数为:
(2-4)
(2-5)
判决器的作用是比较两个取样值
和
,当
>
时,判“1”,判决是正确的,不产生误码;当
<
时,判“0”,判决错误,产生误码,即发“1”错判成了“0”。
由概率论知识可知,“1”码错判成“0”码的概率
为:
(2-6)
则有:
(2-7)
由于发“0”和发“1”码相同,所以有:
(2-8)
3.1程序调试
具体的程序代码请参考附录,在做信号调制模块时,多次调制都未成功,经过复查发现,振荡器的频率
和
需要为
的倍数才能够在一个时间单位内出现完整波形。
在做解调模块时,MATLAB仿真中的带通滤波器失真较大经反复调试其上限频率和下限频率之后,使其失真明显减小。
解调最后部分抽样判决不知如何实现,经询问老师得以解决。
最后在计算机误码率时,其中MATLAB一个计算误码率的模块始终出现错误,最终没有找到出错原因,决定用代码来实现其功能。
3.2MATLAB仿真分析
2FSK数字系统的调制的仿真调试图如图3-1所示。
图3-1调制信号模拟波形图
通过Matlab产生一个随机序列的基带信号,并求出基带反信号,令fs1=40,fs2=100,
用基带信号和基带反信号分别乘以fs1和fs2,得出以上波形图
图3-2
由上图可知,将sk1与sk2相加便可产生已调信号。
在给以调信号加上40db的高斯白噪声,
当加入高斯白噪声的信号经过带通滤波器,产生两个不同频率的波形,带通滤波器是只能允许一个特定频段的波通过,并且屏蔽其他频段的波形。
图3-3
将通过带通滤波器的波形进行相乘器相乘,是将以调信号与载波相乘,再将信号经过低通滤波器,使低频信号通过,将超过设设定临界值的高频信号被阻隔。
图3-4
最后将低通滤波器的波形进行抽样判决,对取得的数据按一定的抽样频率离散化,最后得到解调波形。
在加入高斯白噪声后的以调信号眼图如图所示。
幅度噪声可能会导致逻辑‘1’的电压或功率电平垂直波动,低于样点,导致逻辑‘1’码错误地标为逻辑‘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。
图3-3加入高斯噪声的已调信号眼图
如图3-4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3-4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,因为其解调时采用的时钟与调制时候的时钟是一致的,如图4-5所示,才采用相干解调时得到的原二进制序列。
图3-5相干解调后的二进制序列
由于相干解调过程比较麻烦,而且需要解调时与原来载波同相同频率的函数。
图3-6相干解调后的信号
经比较可知,相干解调比非相干解调的误码率要小的多。
3.3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。
在白色高斯噪声信道中,误码率决定于监控体制和接收端的信噪比
。
对于2FSK调制与解调系统,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:
(3-1)
当信噪比很大时,式(3-1)可近似的表示为:
(3-2)
非相干解调法采用包络检波法接收信号,其误码率为:
(3-3)
根据上面的两个式子,本系统相干检测法的误码率为:
(3-4)
而非相干包络检波法的误码率为:
(3-5)
显然
,相干解调性能优于非相干解调。
且2FSK信号占用频带宽,在信道中的兼容性好。
小结
通过对matlab7.0软件的了解与运用,并在理论指导下,我完成了这次设计的任务。
在本次实验中我遇到过很多的问题,通过上网查阅资料得以解决。
其运行结果如前面所示,较好的完成了这次课程设计。
由于信道干扰及码间干扰的影响,存在着一定的误码率。
当信道的信噪比提高时,误码率下降。
在学习通信原理理论基础后,我们又在此基础上通过利用MATLAB仿真真正的看到了通信中传输信息的一系列的问题。
比如说要使信号不失真的能够传输到接收端就要考虑很多的因数。
在发送端要注意噪声的加入,尽量的减少噪声进入信道中,以免在接收端使信号失真度过大而不能够恢复成原来的信号。
而在接收端,采用哪种解调方式能够更好的恢复出原来的信号。
对于不同的解调方式有相干解调和非相干解调。
相干解调一般是在接收端使接收的信号通过一个相乘器,同时乘上一个与原调制信号同频同相的载波,再通过低通滤波器滤出不需要的信号,然后再经过抽样、量化和编码最终得到原调制信号。
对于非相干解调可以将接收的信号通过包络检波器,然后再经过抽样、量化和编码最终也可以得到原调制信号。
这次课程设计同时也给了我一个复习基础知识的机会,懂得了把书本和实践想结合才能学得更好。
让我懂得了在学习的过程中带着问题去学会,可以在一定程度上提高学习的效率。
由于我们的知识水平有限,在学习与实践的过程中难免会出现一些问题,我们必须要学会怎样联系实际去解决问题。
通过此次设计,我不仅把知识融会贯通,而且丰富了大脑,同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识,开拓了视野,认识了将来电子的发展方向,使自己在通信专业知识方面有了质的飞跃。
总之,这次课程设计我收获很多,提升了我在通信方面的兴趣!
参考文献
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