基于Simulink的MFSK系统的实现 设计报告.docx
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基于Simulink的MFSK系统的实现设计报告
通信系统课程设计报告
基于Simulink的MFSK系统的实现
目录
1课程设计要求3
2基于Matlab的通信系统研究3
2.1Matlab简介3
2.2simulink简介4
2.3通信系统模型4
3MFSK系统分析与设计5
3.1MFSK系统组成5
3.2MFSK系统模块分析6
3.2.1FSK信号产生原理6
3.2.2FSK调制原理7
3.2.3FSK解调原理9
3.3系统simulink设计10
4系统测试结果与数据分析11
4.24FSK测试12
4.38FSK测试13
4.416FSK测试15
4.532FSK测试16
5结论及心得17
6.致谢17
7参考文献18
基于Simulink的MFSK系统的实现
[摘要]
目前,多进制数字频率调制,即MFSK,已被广泛应用于数字传输系统中,对实际信号进行调制,形成数字调制信号,通过信道传输,在接收端解调后恢复成数字信号。
本文设计了一种MFSK系统,通过Matlab软件和Simulink系统实现了MFSK系统仿真,同时在没有噪声的情况下和存在噪声的基础上分别对信号进行调制与解调,并且在解调的过程中都对整个系统的误码率在display模块中有所显示,得到了系统在噪声和不存在噪声时性能差异数据,得出了在MFSK系统中,信噪比决定了系统传输的可靠性的结论。
关键词:
simulink;MFSK;调制;解调
TheRealizationofMFSKSystemBasedonMatlabPlatform
Abstract:
Atpresent,theMFKSmodulation,hasbeenwidelyusedinthedigitaltransmissionsystem,focusingonthemodulationofrealsignal,thetransmissionofsignalchannel,andtheprocessionofconvertdigitalbitsintonaturalsignal.Inthepaper,wehasdesignedasystemaimedatMFSKmodulation.WehaveachievedthesimulationofthesystembasedonMatlabandSimulink.Meanwhile,werunthesystemwiththegaussianwhitenoise,comparingtothesystemwithoutthegaussianwhitenoiseaccordingtothebiterrorratedisplaymodule.Analyzingthedatawegot,wehavetheconclusionthenoise-signalratiohasimportantimpacttothesystem’sachievedreliability.
Keyword:
Simulink;MFSK;Modulation;Demodulation
1课程设计要求
1.设计多进制数字基带信号生成模块,产生M进制基带信号
2.设计MFSK调制模块
3.设计信道模块,加性白噪声信道,功率可调
4.设计MFSK解调系统
5.构成传输系统,设定测试点,观察各点波形,记录相关数据并分析
2基于Matlab的通信系统研究
2.1Matlab简介
Matlab是一种解释性的执行语言,具有强大的计算、仿真、绘图等功能。
由于它使用简单,扩充方便,尤其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的功能,使其成为了巨大的知识宝库。
Matlab可以方便的设计漂亮的界面,可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口,同时因为有最丰富的函数库(工具箱),所以计算的功能实现也很简单,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,可以方便的实现与其他语言的混合编程,进一步拓宽了Matlab的应用潜力。
可以说,Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一,掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。
2.2simulink简介
Simulink是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境。
它的存在使得Matlab的功能进一步扩展。
它支持连续离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多重采样率的多速率系统。
Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,采用这种结构画模型就像用笔和纸来画一样容易。
与传输的仿真软件包用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。
2.3通信系统模型
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,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所示。
图1通信系统一般模型
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所示,
图2数字通信系统模型
模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统,模型如图3所示。
图3模拟通信系统模型
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。
3MFSK系统分析与设计
3.1MFSK系统组成
多进制数字频率调制(MFSK)简称多频制,是2FSK方式的推广。
它是用多个不同的载波频率代表多种数字信息。
MFSK系统的组成方框图如下图所示。
发送端采用键控选频的方式,接收端采用非相干解调方式。
图4MFSK系统图
图中,串/并变换器和逻辑电路1将一组组输入的二进制码(每k个码元为一组)对应地转换成有M种状态的一个个多进制码。
这M个状态分别对应M个不同的载波频率。
当某组k位二进制码到来时,逻辑电路1的输出一方面接通某个门电路,让相应的载频发送出去,另一方面同时关闭其余所有的门电路。
于是当一组组二进制码元输入时,经相加器组合输出的便是一个M进制调频波形。
M频制的解调部分由M个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路2组成。
各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。
因而,当某一已调载频信号到来时,在任一码元持续时间内,只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号,其它带通滤波器只有噪声通过。
抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压,并选出最大者作为输出,这个输出是一位与发端载频相应的M进制数。
逻辑电路2把这个M进制数译成k位二进制并行码,并进一步做并/串变换恢复二进制信息输出,从而完成数字信号的传输。
多频制误码率随M增大而增加,但与多电平调制相比增加的速度要小的多。
多频制的主要缺点是信号频带宽,频带利用率低。
因此,MFSK多用于调制速率较低及多径延时比较严重的信道,如无线短波信道。
3.2MFSK系统模块分析
3.2.1FSK信号产生原理
2FSK是利用数字基带信号控制在波的频率来传送信息。
例如,1码用频率f1来传输,0码用频率f2来传输,而其振幅和初始相位不变。
故其表示式为
式中,假设码元的初始相位分别为
和
;
和
为两个不同的码元的角频率;幅度为A为一常数,表示码元的包络为矩形脉冲。
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1-1(a)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1-1(b)所示。
这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同,只有一点差异,即由调频器产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的,而键控法产生的2FSK信号,则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的信号,故相邻码元的相位不一定是连续的。
(a)(b)
图52FSK信号产生原理图
由键控法产生原理可知,一位相位离散的2FSK信号可看成不同频率交替发送的两个2ASK信号之和,即
其中
是脉宽为
的矩形脉冲表示的NRZ数字基带信号。
其中,
为
的反码,即若
,则
;若
,则
。
2FSK信号的频谱特性:
由于相位离散的2FSK信号可看成是两个2ASK信号之和,所以,这里可以直接应用2ASK信号的频谱分析结果,比较方便,即:
2FSK信号带宽为
式中,
是基带信号的带宽。
3.2.2FSK调制原理
二进制频率调制是用二进制数字信号控制正弦波的频率随二进制数字信号的变化而变化。
由于二进制数字信息只有两个不同的符号,所以调制后的已调信号有两个不同的频率f1和f2,f1对应数字信息“1”,f2对应数字信息“0”。
二进制数字信息及已调载波如图2-1所示。
图62FSK信号
在2FSK信号中,当载波频率发生变化时,载波的相位一般来说是不连续的,这种信号称为不连续2FSK信号。
相位不连续的2FSK通常用频率选择法产生,如图2-2所示:
图72FSK信号调制器
两个独立的振荡器作为两个频率发生器,他们受控于输入的二进制信号。
二进制信号通过两个与门电路,控制其中的一个载波通过。
调制器各点波形如图2-3所示:
图92FSK调制器各点波形
由上图可知,波形g是波形e和f的叠加。
所以,二进制频率调制信号2FSK可以看成是两个载波频率分别为f1和f2的2ASK信号的和。
3.2.3FSK解调原理
FSK相关调制解调的原理图如下:
图10FSK解调原理
输入的信号为:
其中ān是аn的反码。
短波8FSK调制解调实在二进制振幅键控的基础上,实现多路振幅的键控。
由于FSK信号和PSK、多路、噪声信号的频谱存在一定差异,即PSK、多路信号的频谱为梳状谱,而FSK信号存在分离的谱峰,这对信号分离有一定作用。
但在信号噪声较大或FSK信号频率分离相隔较小时,只利用频谱很难分离信号。
此外可利用希尔伯特变换提取信号瞬时频率,FSK信号的瞬时频率呈现明显的台阶状,而PSK、多路、噪声信号的瞬时频率无等间隔台阶。
信号瞬时幅度、瞬时频率参数的提取是将输入的实信号x(t)进行希尔伯特变换,求得解析信号z(t)。
z(t)是一个函数,其实部为实信号x(t),其虚部是x(t)的希尔伯特变换y(t),即z(t)=x(t)+jy(t)。
解析信号的构成公式为:
(6)。
瞬时幅度(信号包络)为:
(7)。
瞬时相位φ(t)可由解析表示式计算如下:
tan-1{y(t)/x(t)}若x(t)>0,y(t)>0
л-tan-1{y(t)/x(t)}若x(t)<0,y(t)>0
φ1(t)=л/2若x(t)=0,y(t)>0
л+tan-1{y(t)/x(t)}若x(t)>0,y(t)>0(8)
3л/2若x(t)=0,y(t)<0
2л-tan-1{y(t)/x(t)}若x(t)>0,y(t)<0。
φ1(t)是反映调制信息的非线性相位分量。
由于载频误码差以用实际相位计算是以模2л来计算的,所以必须首先恢复出无折叠相位。
为此首先要计算修正相位序列C(i):
c(t-1)-2лφ1(t-1)-φ1(t)>л
c(t)=c(t-1)+2лφ1(t-1)-φ1(t)<-л(9)。
c(t-1)其他
求得无卷叠相位:
φ(t)=φ1(t)+c(t)。
瞬时频率可由瞬时相位的导数计算求得:
f(t)=(dφ(t)/d(t))*(1/2л)(10)。
为误码率。
3.3系统simulink设计
系统simulink设计如图:
图11系统simulink仿真
4系统测试结果与数据分析
4.12FSK测试
参数设置如图:
图12参数配置图
运行结果:
图13眼图
图14波形图
4.24FSK测试
参数未改变,同2FSK。
运行结果:
图15眼图
图16波形图
4.38FSK测试
参数未改变,同上,运行结果:
图17眼图
图18波形图
4.416FSK测试
参数同上,运行结果:
图19眼图
图20波形图
4.532FSK测试
参数同上,运行结果:
图21眼图
图22波形图
4.6结论
通过调节参数,对不同进制系统测试,在信噪比为60,采样频率1Khz,采样步长0.01、其他参数合理的情况下,本系统性能良好,无失真现象。
5心得
实践是检验真理的唯一标准。
课堂上学的东西,在怎么生动都是理论,学的再怎么优秀都还是理论,要检验动手能力还得亲自上机在特定软件环境上进行磨练,练的越多越好,理论加上实践,不断磨练终会有所成就。
还有通过这次设计,让我再次领悟到了MATLAB软件的强大,利用MATLAB,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统,各种多速率系统,因此,它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。
用户在进行系统设计时,只需从Simulink配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置,完成图标间的连线,然后运行仿真操作,最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果,并且让我更加掌握8FSK调制解调的生成。
本设计重点讨论模拟通信系统中的调制解调技术,通过介绍模拟调制解调原理,使得初步认识和了解“通信原理”这门课是在模块级,系统级层次上分析和设计通信系统。
综合运用本课程的理论知识进行MFSK系统设计,通过理论推导得出相应结论,并利用MATLAB作为工具进行模拟,从而了解和复习巩固课堂所学的理论知识,提高对所学知识的综合应用能力.
6致谢
经过两周的忙碌和工作,本次课程设计已经接近尾声,在这次实习过程中,由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有导师的督促指导,以及一起工作的同学们的支持,想要一个人完成这个设计是难以想象的。
参考文献
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