课通信原理程设计报告.docx
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课通信原理程设计报告
差分码FSK调制与非相干解调系统仿真
学生姓名:
指导老师:
吴志敏
摘要本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计进行差分码FSK调制与非相干解调系统仿真。
在本次课程设计中先进行码型转换,即将基带信号的绝对码转换为差分码(相对码),再根据FSK调制与解调原理构建调制解调电路,从Simulink工具箱中找所各元件,合理设置好参数并运行,其中可以通过不断的修改优化得到需要信号,之后加入高斯、瑞利噪声,并分析对信号的影响,最后通过对输出波形和功率谱的分析得出差分码FSK调制解调系统仿真是否成功。
关键词差分码;2FSK;调制;非相干解调;Simulink
1引言
本次课程设计主要利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个差分码FSK调制与非相干解调系统仿真系统,分别在理想信道和非理想信道中运行,即为加噪声和加高斯、瑞利噪声,将三种噪声源的方差均设置相同,并把运行仿真结果输入显示器,根据显示结果分析比较通过三种不同信道后的接收信号的系统性能。
1.1课程设计目的
通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课,是通信工程专业后续专业课的基础。
掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础,可提高处理通信系统问题能力和素质。
由于通信工程专业理论深、实践性强,做好课程设计,对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。
通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解,培养学生专业素质,提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力,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。
使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知识和基本理论,掌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研究方法和实践训练,增强分析和解决问题的能力,了解本通信专业的新发展。
1.2课程设计的步骤
(1)构建调制电路,并用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
(2)再以调制信号为输入,构建解调电路,用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
(3)在调制与解调电路间加上噪声源,模拟信号在不同信道中的传输:
a用高斯白噪声模拟有线信道,b用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道。
将两种噪声源的方差均设置相同,分析比较通过两种不同信道后的接收信号的性能。
(4)在老师的指导下,要求独立完成课程设计的全部内容,并按要求编写课程设计学年论文,能正确阐述和分析设计和实验结果。
2基本原理
2.1差分码2FSK的调制与解调
(1)码型转换
先对二进制数字基带信号进行差分编码,即把表示数字信息序列的绝对编码变成相对码(差分码),然后根据相对码进行绝对调相,从而产生二进制差分相移键控信号。
(2)2FSK的调制原理
在二进制频移键控(2FSK)中,当传送“1”码时对应于载波频率
,传送“0”码时对应于载波频率
。
其中
,
,
为频率为
的载波的初始相位,
为频率为
的载波的初始相位。
令
为
的反码,即
则有:
当
时,
;当
时,
。
则2FSK信号可表示为:
其中,我们在分析中假设
为单个矩形脉冲序列,其表达式为:
由式上式可知,相位不连续的2FSK信号可以看成是两个2ASK调幅信号之和。
二进制移频键控信号的产生,可以采用模拟调频电路来实现,也可以采用数字键控的方法来实现.图2-3是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图,图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制,在一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一.。
图2–3数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图
图2-4二进制移频键控信号的时间波形
从图中可以看出b是a的反码即若a=1,则b=0,若a=0,则b=1;c为载波f1,d为载波f2,g为2FSK的调制出的信号。
(3)2FSK的解调原理
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w1、w2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。
本设计要求非相干解调,其原理图如下图所示:
图2–5二进制移频键控信号解调器原理图
图2–62FSK非相干解调时间波形图
(4)解差分码:
此为码型变换的逆过程。
3系统设计
3.1差分码2FSK信号调制与解调
(1)差分码2FSK的调制与解调
打开simulink工具箱,点击file图标,选择新建中的model,新建一个仿真空白模型,将2FSK信号调至所需要的模块拖入空白模型中。
下图中BernoulliBinaryGenerator模块为信号产生器,它能产生二进制的数字基带信号。
Sinewave1,Sinewave2为频率为f1和f2载波模块,DifferentialEncoder模块为差分码转换模块,Product为乘法器模块,Scope为示波器模块,NOT为反相器模块,PowerSpectral是功率谱模块。
2FSK信号是由频率分别为Sinewave1和Sinewave2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的,其中Sinewave1和Sinewave2是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号。
AnalogFilterDesign模块为带通滤波器,Abs模块为绝对值,其作用等同于包络检测器,Subtract模块对信号进行加法或减法运算,Zeroorderhold模块的功能为零阶保持模块,QuantizingEncoder为量化编码器模块,Zeroorderhold和QuantizingEncoder的作用等同于在定时脉冲下的抽样判决器,DifferentialDecoder模块为差分码解码模块,ErrorRate
Calculation模块是用来计算误码率,并由Display显示出来。
调制解调模型图如下图所示:
图3–1差分码2FSK信号调制与解调的simulink模型方框图
(2)差分码2FSK的调制与解调参数设置
a、载波:
f1,f2是幅度为3;频率分别为4*pi和8*pi;采样时间为1/500的信号。
图3–2载波sinwave1的参数设置
图3–3载波sinwave2的参数设置
b、信号产生器:
产生二进制的数字基带信号
图3-4基带信号BernoulliBinaryGenerator信号模块参数设置
c、带通滤波器:
由于载波f1和f2的频率分别为4*pi和8*pi,基带信号的采样时间为1,所以其频率为1HZ,1HZ等于2*pi,又因为2FSK的带通滤波器取值就是载波频率加减基带信号的频率,而通带范围最好要比原通带大一点,则带通滤波器1的取值范围是6*pi到11*pi,带通滤波器2的取值范围是14*pi到17*pi。
图3-5带通滤波器1参数设置
图3-6带通滤波器2参数设置
d、零阶保持模块:
采样时间设置必须与基带信号的采样时间保持一致。
图3-7零阶保持模块的参数设置
e、量化编码器
图3-8量化编码器的参数设置
f、ErrorRateCalculation:
有一个单位的延时
图3-9ErrorRateCalculation的参数设置
(3)差分码2FSK的调制与解调仿真以及功率谱分析
经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真,其各点的时间波形如下:
图3-10差分码2FSK调制与解调波形图
调制前后频谱分析如下图:
图3-11基带信号频谱分析
图3-12调制后的频谱分析
图3-13解调后的频谱分析
从上图可以看出,经过非相干解调后,除去由于系统误差产生延迟外,其他解调后信号功率谱与原信号功率谱是能一一对应的。
3.2加入噪声的差分码2FSK非相干解调
(1)加入噪声
高斯噪声:
它的概率密度函数服从高斯分布(即正态分布)的一类噪声。
在理想信道调制与解调的基础上,在调制信号上加入高斯噪声,把Simulink噪声源下的高斯噪声模块(GaussianNoiseGenerator)加入到模型中。
噪声参数设置、模型与波形图如下:
图3-14差分码2FSK加入高斯噪声模型
瑞利噪声:
它的概率密度函数服从瑞利分布的一类噪声。
在理想信道调制与解调的基础上,在调制信号上加入瑞利噪声,把Simulink噪声源下的瑞利噪声模块(RayleighNoiseGenerator)加入到模型中。
噪声参数设置、模型与波形图如下:
图3-15差分码2FSK加入瑞利噪声模型
(2)参数设置:
图3-16高斯躁声Variance参数设置为100
图3-17瑞利躁声Sigma参数设置为100
(3)波形比较
图3-18原理想信道下的差分码2FSK解调图
图3-19方差为100时候的高斯躁声下的差分码2FSK解调图
图3-20方差为100时候的瑞利躁声下的差分码2FSK解调图
(3)功率谱比较
高斯噪声:
图3-21基带信号频谱分析
图3-22调制后的频谱分析
图3-23解调后的频谱分析
瑞利噪声:
图3-24基带信号频谱分析
图3-25调制后的频谱分析
图3-26解调后的频谱分析
如图所示,图3-18为理想信道解调波形,图3-19为加入高斯噪声的波形图3-20为加入瑞利噪声的波形,可通过修改参数表中的方差来改变加入噪声的大小,此处把噪声的方差设为100,与理想信道的输出波形相比较可以看出,波形出现不同程度的失真,而瑞利噪声出现严重失真。
噪声能对信道产生不同程度的影响,不同的噪声使信号发生失真的参数各不相同。
在现实生活中,无处不存在着噪声,因此研究如何减小噪声对信道的影响有着重大意义。
4仿真电路分析与总结
4.1异常处理
在本次课程设计运用了MATLAB软件下Simulink建立工作模型,在仿真的过程中遇到了各种不同的问题,通过自己的探索和在老师和同学的帮助下总算得以解决,总结分析分析如下:
(1)运行后如没有出现波形、出现多路波形的混合或是出现波形的幅度过小或过大,可以点击scope菜单栏的
或者点击鼠标右键,选择autoscale即可出现清晰波形。
(2)若出现波形很差,可以把修正因子(默认为1)加大,具体步骤为选择模型菜单中的“Simulink|configurationparameters|Dataimport/export”修改Decimation中数据(默认为1),可加大为50或100。
(3)调制模块中,如调制结果不明显,可以加大载波频率,一般来说载波频率要比基带频率大得多。
(4)若波形出错,可以把滤波器级数(默认为8)适当减小,使滤波器精确度变小,允许误差变大,便于波形的输出。
(5)在选择带通滤波器的参数时候要严格按照需要的频率范围取值,通过计算载波和基带信号的频率可以得出该频率范围取值。
(6)在整个仿真过程中,各模块的参数设置十分重要,一定要设置合适的参数,才会得出所需要的信号。
4.2结论
根据原理图仿真出波形,而通过波形比较可以看出调制的成功与否,而再通过加入噪声的误码率可以看出各噪声的性能如何,而通过以上分析,可以看出此次设计是成功的,基本上达到了设计目标。
5结束语
经过为期两周的课程设计,在同学和老师的帮助下我顺利的完成了任务。
不同于在教室里上的理论,这次的课程设计需要将我们平时所学习的知识运用到实践之中,将知识学以致用。
因为是以所学理论为基础,所以在课程设计的过程中,我又重温差分码、2FSK的调制与解调等知识,更加熟悉了MATLAB里的Simulink工具箱,学会了独立建立模型,分析调制与解调结果,和加入噪声之后的情况,通过自己不断地调试,更好的理解加入噪声对信道的影响。
通过这次课程设计,我拓宽了知识面,锻炼了实际操作能力,综合素质也得到了提高,进一步加深了了我们对专业的认识和激发了我们对专业的兴趣。
参考文献
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西安电子科技大学出版社,2005
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