基于matlab的2fsk调制系统的设计-毕设论文.doc

课程设计(论文)

题 目 名 称 2FSK调制系统的设计与仿真

摘 要
2FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式.本文主要简述了2FSK的设计原理,设计步骤和设计结果及分析.设计原理包括了2FSK的介绍,调制原理和解调原理;设计步骤包括了2FSK信号的产生,调制和解调;设计结果及分析则包括了2FSK信号产生,调制和解调每一步的结果分析和用matlab实现上述的结果. 2FSK在中低速数据传输中得到了广泛的应用。所谓FSK就是用数字信号去调制载波的频率。 
关键字:2FSK；载波；调制解调 

目 录
第1章 课程设计的任务与要求 1
1.1 2FSK简介 1
1.2 课程设计的任务 1
1.3 课程设计的要求 1
第2章 课程设计的研究基础 2
2.1数字通信系统的基本模型 2
2.2 2FSK调制解调基本原理 2
第3章 2FSK调制解调系统方案设计 4
3.1 方案提出 4
3.2 方案比较 5
第4章 2FSK调制解调系统设计 6
4.1各单元模块功能介绍及电路设计 6
4.2 电路参数的计算及元器件的选择 7
4.3系统整体电路图 7
第5 章 2FSK调制解调系统仿真和调试 8
5.1 仿真软件介绍 8
5.2 系统仿真实现 9
5.3 系统测试 10
5.4 数据分析 11
第6章 总结 13
致 谢 14
参考文献 15
附录 源程序 16

第1章 课程设计的任务与要求
1.1 2FSK简介
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。然而，实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号。为了使数字信号在带通系统中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。在接收端，通过解调器把带通信号还原为数字基带信号的过程称为数字解调。 
数字调制的基本方式有三种：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。本文介绍的就是二进制数字频移键控系统（2FSK）。 
移频键控（FSK）是数据通信中最常用的一种调制方式。FSK方法简单，易于实现，并且解调不需要恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能较强。缺点是占用频带较宽，频带利用不够经济。FSK主要应用于低中速数据传输，以及衰落信道和频带较宽的信道中。
1.2 课程设计的任务
1.学习使用计算机建立通信系统仿真模型的基本方法及基本技能，学会利用仿真的手段对于实用通信系统的基本理论、基本算法进行实际验证。
2.通过系统仿真加深对通信课程理论的理解。
3.用MATLAB7.0 设计一种2FSK数字调制解调系统。
1.3 课程设计的要求
用MATLAB7.0进行仿真设计，本次是设计一个2FSK数字调制解调系统。其中包括:
（1）设计方案分析及系统原理图。
（2）2FSK已调信号的解调方法及原理图。
第2章 课程设计的研究基础
2.1数字通信系统的基本模型
从消息传输角度看,该系统包括了两个重要交换,即消息与数字基带信号之间的交换,数字基带信号与信道信号之间的交换.通常前一种交换由发收端设备完成.而后一种交换则由调制和解调完成。
信息源
编码器
信息源
信道
解调器
解码器
受信者
噪声源

图2.1.1 数字通信系统模型
2.2 2FSK调制解调基本原理
在二进制数字调制中,若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化,则产生二进制移频键控信号(2FSK信号).二进制移频键控信号的时间波形如图2.1.1所示,图中波形g可分解为波形e和波形f,即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2,则二进制移频键控信号的时域表达式为
（1-1）
式中 （1-2）
（1- 3）\
图2.2.1 二进制移频键控信号的时间波形
由图 2.2.1可看出,bn是an的反码,即若an=1,则bn=0, 若an=0,则bn=1,于是bn=，θn和分别代表第n个信号码元的初始相位.在二进制移频键控信号中,和θn不携带信息,通常可令和θn为零。因此,二进制移频键控信号的时域表达式可简化 （1-4）
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。

18

第3章 2FSK调制解调系统方案设计
3.1 方案提出
3.1.1 2FSK数字系统的调制方法
(1)数字键控法实现二进制移频键控信号,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进行选择通。如下原理图：
振荡器2

振荡器1

选通开关
相加器
反相器
选通开关
基带信号

图3.1.1 数字键控法实现二进制移频键控信号
(2) 模拟法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频，如下原理图：

调频器
2FSK信号

图3.1.2 模拟法调制
3.1.2 2FSK数字系统的解调方法
2FSK的解调方式有两种:相干解调方式和非相干解调方式.下面我们将详细的介绍
（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。其原理图如下图所示：
带通滤波器
抽样脉冲
包络检波器
带通滤波器
包络检波器
抽样判决器
输入
输出
F1
F2

图3.1.3 非相干解调
（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。原理图如下：
LPF
相乘器
LPF

LPF
相乘器
LPF

抽样判决
抽样脉冲
输入
输出
带通滤波器
F1
图3.1.4 相干解调
3.2 方案比较
3.2.1 2FSK的调制方式
使用键控法产生2FSK信号，即由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，这样的相邻码元之间相位不一定连续，本系统采用调频法。
3.2.2 2FSK的解调方式
相干解调对接受设备的复杂程度比非相干解调较高，相干解调在大多数情况下解调结果要好，本系统采用相干解调。
第4章 2FSK调制解调系统设计
4.1各单元模块功能介绍及电路设计
调制模块：把数字信号转换成电话线上传输的模拟信号

图4.1.1 调制模块
解调模块：模拟信号转换成数字信号

图4.1.2 解制模块
4.2 电路参数的计算及元器件的选择
正弦载波f 1是幅度为2频率为5Hz采样周期为0.002的信号。
设置依据：实际上载波的频率应该很高，但这里为了调制时便于波形的对比观察，故设为5HZ。f2=10Hz的设置同理。
本设计中滤波器据选择的是Analog Filter Design,选用的均是巴尔沃斯滤波器，至于低通和带通的区别只要把参数设置好就可以了,噪声选择的是高斯白噪声AWEN channel。同时选用了5个示波器scope，四个载波sine wave，四个相乘器product，以及relational operator，移相器unit delay和加法器等。
4.3系统整体电路图

图4.3.1 系统整体电路图

第5 章 2FSK调制解调系统仿真和调试
5.1 仿真软件介绍
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

5.2 系统仿真实现
1.2FSK调制输出波形

图5.2.1 调制输出波形
2.加入高斯白噪声后波形

图5.2.2 高斯白噪声波形
3. 经过带通滤波器并与F1相乘所得

图5.2.3 带通滤波器并与F1相乘波形
4.经过带通滤波器并与F2相乘所得

图5.2.4 带通滤波器并与F2相乘波形
5．解调出的波形

图5.2.5 解调出的波形
5.3 系统测试
在MATLAB的simulink环境中，利用设计好的电路图可看到2FSK的调制和解调的全过程，通过改变f1和f2的值可以得到不同的结果，选取多组数据可以更好地检验调制系统的性能优劣：
f1(Hz)
5
100
1000
f2(Hz)
10
200
2000

表5.3.1 载波数值
5.4 数据分析
参数设置
f1=5Hz,f2=10Hz

图5.4.1 载波参数

图5.4.2 延迟采样周期参数

图5.4.3 高斯白噪声参数

（a）带通滤波器参数 （b）带通滤波器参数

(c)低通滤波器参数 (d)低通滤波器参数
图5.4.4 滤波器参数

图5.4.5 关系运算符参数
以上为整个电路主要器件的参数设置，通过设置这些参数，可以使系统体现的功能与预先的设计要求相符合，从解调出的图形与调制的图形基本一致即可看出。

第6章 总结
在本次课程设计中，我、陆超、李小龙三人一组。陆超负责电路设计部分，李小龙负责软件设计部分，我负责系统仿真及论文的编写。在系统仿真时我们需要将数据率调在低于1200bps，这样实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在论文编写的过程中，我首先对本次课程设计进行了总体设计，然后根据陆超、李小龙和我各自负责的内容进行汇总编排。
通过本次课程设计，我对课本上数字通信传输系统特别是二进制频移键控（2FSK）有了重新的认识。对2FSK调制数字基带信号加深了理解。对于使用调频法产生2FSK信号、添加高斯白噪声、使用相干解调、抽样判决等，我比较系统地认识了数字通信传输系统。本课程设计使用的Simulink仿真环境，通过使用Simulink仿真环境，我可以直观地放置相应的模块，搭建通信系统，并能够动态的显示仿真结果，使学习设计不再枯燥。
这次的课程设计使我收益颇丰，对通信原理有了新的认识。体会到理论和实际是有好大不同的，实践离不开理论，理论只有应用于实践才能发挥其作用。学过的东西，只有自己实际去做了才能更熟悉，才能对其本质更了解。在将理论用各种方法实现的同时，我们也在不断的搜集资料，不断的学习，获得更多的相关知识。

致 谢
在此次设计中，何海浪老师作为我的指导老师，至始至终都给予我了不少帮助，从下任务书开始，就帮我制定规划，提醒我应注意的问题，借给我资料和实验器材，和我一起调程序，并提出了很多的修改意见以及完善方案。此外还认真批阅了我的论文，指出其中很多瑕疵和不清晰的地方，更重要的是在我遇到困难时对我的鼓励，让我不懈怠、不退缩、也让我更有信心，可以说我的每一点进展都与黄老师的付出是分不开的。
当然还在此，我向身边关心我的老师、同学致以诚挚的谢意！有其他老师和同学都帮了我不少忙，在此不再赘述。谨祝老师们工作顺利，万事如意，桃李满天下；同学们学业有成，前程似锦！

参考文献
[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第6版）.国防工业出版社，2009.5
[2]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析.清华大学出版社，2008
[3]赵静，张瑾.基于MATLAB的通信系统仿真.北京.北京航空航天大学出版社，2007
[4]王兴亮.数字通信原理与技术(第二版).西安电子科技大学出版社，2006
[5]徐明远.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安电子科技大学出版社，2005
[6]孙屹，吴磊编著.Simulink通信仿真开发手册.国防工业出版社，2003
[7]王秉钧，王少勇，王彦杰.通信原理基本教程.北京.北京邮电大学出版社，2005
[8]王兴亮 编著.数字通信原理与技术（第二版）.西安电子科技大学出版社,2006
[9]胡晓冬，董辰辉主编.MATLAB 从入门到精通.人民邮电出版社，2010
[10]黄葆华，杨晓静等.通信原理. 西安电子科技大学出版社，2007

附录 源程序
fs=2000;                     %抽样频率 
dt=1/fs;      
f1=20;                      %载波1频率 
f2=50;                     %载波2频率
 a=round(rand(1,10));           %随机信号
 g1=a; 
g2=~a;                       %信号反转，和g1反向 
g11=(ones(1,2000))'*g1;       %抽样
 g1a=g11(:)'; 
g21=(ones(1,2000))'*g2; g2a=g21(:)'; t=0:dt:10-dt; t1=length(t); 
fsk1=g1a.*cos(2*pi*f1.*t); fsk2=g2a.*cos(2*pi*f2.*t);  
fsk=fsk1+fsk2;                 %产生的信号 
no=0.01*randn(1,t1);         %噪声 
sn=fsk+no; subplot(311); 
plot(t,no);                  %噪声波形 
title('噪声波形')
ylabel('幅度') 
subplot(312);
 plot(t,fsk); 
title('产生的波形') 
ylabel('幅度') 
subplot(313); 
plot(t,sn); 
title('将要通过滤波器的波形') 
ylabel('幅度的大小')
 xlabel('t') 
figure(2)                     %FSK解调 
b1=fir1(101,[1/800 20/800]); 
b2=fir1(101,[40/800 60/800]); %设置带通参数 
H1=filter(b1,1,sn); 
H2=filter(b2,1,sn);           %经过带通滤波器后的信号 
subplot(211); plot(t,H1); 
title('经过带通滤波器f1后的波形')
 ylabel('幅度')
 subplot(212) plot(t,H2); 
title('经过带通滤波器f2后的波形') 
ylabel('幅度') 
xlabel('t') sw1=H1.*H1; 
sw2=H2.*H2;                      %经过相乘器 
figure(3) subplot(211);
plot(t,sw1); 
title('经过相乘器h1后的波形') 
ylabel('幅度')
 subplot(212); 
plot(t,sw2); 
title('经过相乘器h2后的波形')
 ylabel('幅度') 
xlabel('t') 
bn=fir1(101,[2/800 10/800]);      %经过低通滤波器 
figure(4) 
st1=filter(bn,1,sw1); 
st2=filter(bn,1,sw2);
 subplot(211); 
plot(t,st1); 
title('经过低通滤波器sw1后的波形') 
ylabel('幅度') 
subplot(212); 
plot(t,st2); 
title('经过低通滤波器sw2后的波形') 
ylabel'幅度') 
xlabel('t')                       %判决  
for i=1:length(t)     
if(st1(i)>=st2(i))        
 st1(i)=0;     
else st1(i)=st2(i);      
end 
End
figure(5) st=st1+st2; 
subplot(211); 
plot(t,st); 
title('经过抽样判决器后的波形') 
ylabel('幅度')
 subplot(212);
 plot(t,sn); 
title('原始的波形') 
ylabel('幅度') 
xlabel('t');