2fsk數(shù)字通信系統(tǒng)課程設計--數(shù)字通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、<p>　　數(shù)字通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)</p><p>　　摘要：數(shù)字頻帶系統(tǒng)作為一切數(shù)字通信傳輸?shù)幕A，無論在多么復雜的數(shù)字通信傳輸中數(shù)字頻帶系統(tǒng)永遠都會存在，2FSK是利用數(shù)字基帶信號控制載波的頻率來傳送信息，是數(shù)字通信中使用較早的一種調(diào)制方式。本設計為實現(xiàn)2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)，設計中利用SystemView仿真軟件，采用2FSK的設計方法對基帶信號進行調(diào)制解調(diào)，完成整個傳輸系統(tǒng)仿真。仿真過程旨在對傳

2、輸系統(tǒng)各模塊的參數(shù)設置包括碼速率，濾波器的截止頻率等，觀察并分析波形。最后達到對該傳輸系統(tǒng)的一個全面性能分析。</p><p>　　關鍵詞：2FSK；SystemView；系統(tǒng)仿真</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 引言1</b></p><p>　　

3、1.1 背景和意義1</p><p>　　1.2 本課程設計的主要內(nèi)容及結構安排2</p><p>　　1.2.1 主要內(nèi)容2</p><p>　　1.2.2 本次設計的結構安排2</p><p>　　第2章 2FSK基本原理3</p><p>　　2.1 2FSK的基本原理3</p><

4、;p>　　2.2 2FSK的調(diào)制原理4</p><p>　　2.3 2FSK的解調(diào)原理4</p><p>　　2.3.1 2FSK相干解調(diào)5</p><p>　　2.3.2 2FSK非相干解調(diào)5</p><p>　　第3章 2FSK系統(tǒng)設計6</p><p>　　3.1 基于SYSTEMVIEW的2FS

5、K信號系統(tǒng)仿真設計6</p><p>　　3.2 2FSK調(diào)制部分仿真設計7</p><p>　　3.3 2FSK解調(diào)部分仿真設計10</p><p>　　3.4 仿真結果13</p><p>　　3.5 系統(tǒng)性能分析14</p><p>　　第4章 結束語15</p><p>&l

6、t;b>　　參考文獻16</b></p><p><b>　　第1章 引言</b></p><p><b>　　1.1 背景和意義</b></p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，信息時代快速的來到了人們的生活中了，而實現(xiàn)這一切的信息靠的都是通信系統(tǒng)的。通信系統(tǒng)的設計已經(jīng)成為當今社會一門非常重要的學科，

7、其帶動了信息社會的發(fā)展，在電話通信、軍事、航天等眾多領域起著無比重要的作用，已經(jīng)于人們的生活息息相關，可以說離開了通信系統(tǒng)，社會將無法正常運行。在通信系統(tǒng)中分為模擬通信和數(shù)字通信，模擬通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菭顟B(tài)連續(xù)變化的模擬信號，數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菭顟B(tài)離散的數(shù)字信號。目前，不論是模擬通信還是數(shù)字通信，在實際的通信業(yè)務總都得到了廣泛的應用。不過，近年來隨著數(shù)字通信的迅速發(fā)展，數(shù)字通信在整個通信領域中所占的比重日益增長。與模擬通信相比，數(shù)字通信

8、有許多優(yōu)點，歸納起來主要有以下幾點：</p><p>　?。?）抗噪聲性能好。數(shù)字通信傳送的信號時數(shù)字信號，它的取值有限，因此，在有噪聲的情況下，接收端易于識別。尤其在遠距離傳輸過程中，各中繼站可以對數(shù)字信號波形進行整形再生兒消除噪聲的積累。此外，還可以采用各種差錯控制編碼方法，使抗噪聲性能進一步得到提高。</p><p>　　（2）便于使用現(xiàn)代計算機技術對所傳輸?shù)男畔⑦M行處理，接口問題也

9、容易解決。</p><p>　　（3）數(shù)字信號易于進行加密，有利于實現(xiàn)通信保密。</p><p>　?。?）數(shù)字通信可以傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)變得通用、靈活。</p><p>　?。?）數(shù)字通信系統(tǒng)中絕大部分部件采用數(shù)字電路，而近年來，由于生產(chǎn)技術的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路已被廣泛應用，因而數(shù)字通信設備容易做到體積小，功耗低，制造簡單，可靠性高。</p>

10、;<p>　　數(shù)字基帶信號是低通型信號，其功率譜集中在零頻附近，它可以直接在低通型信道中傳輸，然而，實際信道很多是帶通型的，數(shù)字基帶信號無法直接通過帶通型信道。因此，在發(fā)送端需要把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到帶通信道的通帶范圍內(nèi)，以便信號在帶通型信道中傳輸，這個頻譜的搬移過程稱為數(shù)字調(diào)制，相應地，在接受端需要將已調(diào)信號搬回來，還原為基帶信號，這個反搬移過程叫數(shù)字解調(diào)。本課程設計目的在于熟悉2FSK調(diào)制及相干解調(diào)過程，通過Sys

11、temView軟件予以仿真測試驗證，并作一定的誤碼分析。</p><p>　　1.2 本課程設計的主要內(nèi)容及結構安排</p><p>　　1.2.1 主要內(nèi)容</p><p>　　本次課程設計主要研究內(nèi)容如下：</p><p>　　(1) 設計出2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)的結構，包括信源，調(diào)制，發(fā)送濾波器模塊，信道，接受濾波器模塊以及信宿； <

12、;/p><p>　　(2) 根據(jù)通信原理，設計出各個模塊的參數(shù)； </p><p>　　(3) 用SystemView 實現(xiàn)該數(shù)字通信系統(tǒng)； </p><p>　　(4) 觀察仿真并進行波形分析； </p><p>　　(5) 系統(tǒng)的性能評價。</p><p>　　1.2.2 本次設計的結構安排</p>&l

13、t;p>　　是引言部分，介紹本次設計的背景、意義和主要內(nèi)容。</p><p>　　是介紹2FSK的調(diào)制和解調(diào)原理。</p><p>　　是2FSK的設計內(nèi)容、設計步驟及設計結果。</p><p>　　是對本次課程設計的總結。</p><p>　　第2章 2FSK基本原理</p><p>　　2.1 2FSK的基本

14、原理</p><p>　　頻移鍵控是利用載波的頻率來傳遞數(shù)字信號，在2FSK中，載波的頻率隨著二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。2FSK信號的產(chǎn)生方法主要有兩種。一種可以采用模擬電咱來實現(xiàn)；另一種可以采用鍵控法來實現(xiàn)，即在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關對兩個不同的獨立源進行先通，使其在每一個碼元期間輸出f1和f2兩個載波之一。這兩種方法產(chǎn)生2FSK信號的差異在于：由調(diào)頻法產(chǎn)生的2FSK信呈在相鄰

15、碼元之間的相位是連續(xù)變化的，而鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號，是郵電子開關在兩個獨立的頻率源之間轉換形成，故相鄰碼元之間的相位不一不定期連續(xù)。頻移鍵控是利用載波的頻移變化來傳遞數(shù)字信息的。故其表達式為：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　典型波形如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 2FSK信號的時間波形&

16、lt;/p><p>　　由圖可見，2FSK信號的波形可以分解成兩個波形，也就是說，一個2FSK信號可以看成是兩個不同的2ASK信號的疊加。因此，2FSK信號的時域表達式又可以寫成:</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　2.2 2FSK的調(diào)制原理</p><p>　　2FSK信號的產(chǎn)生方法主要有

17、兩種。一種可以采用模擬調(diào)頻電路阿里實現(xiàn)；另一種可以采用鍵控法來實現(xiàn)，即在二進制基帶舉行脈沖序列的控制下通過開關電路對兩個不懂的獨立頻率源進行選通，使其在每一個碼元時間輸出或兩個載波之一，如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 鍵控法產(chǎn)生2FSK信號的原理圖</p><p>　　這兩種方法產(chǎn)生2FSK信號的差異在于：由調(diào)頻法產(chǎn)生的2FSK信號在相鄰碼元之間的相位是變化連續(xù)變化的。而鍵

18、控法產(chǎn)生的2FSK信號，是由電子開關在兩個獨立的頻率源之間轉換形成，故相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。</p><p>　　2.3 2FSK的解調(diào)原理</p><p>　　2FSK信號的常用解調(diào)方法是非相干解調(diào)（包絡檢波）和相干解調(diào)。其解調(diào)原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調(diào)，然后進行判決。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值得大小，可以不專門設置門限。判決規(guī)則應與調(diào)

19、制規(guī)則相呼應，調(diào)制時若規(guī)定“1”符號對應載波頻率，則接收時上支路的樣值較大，應判為“1”；反之則判為“0”。</p><p>　　2.3.1 2FSK相干解調(diào)</p><p>　　已調(diào)信號由兩個載波、調(diào)制而成，則先用兩個分別對、帶通的濾波器對已調(diào)信號進行濾波，然后再分別將濾波后的信號與相應的載波、相乘進行相干解調(diào)，再分別低通濾波、用抽樣信號進行抽樣判決器即可。其原理如圖2-3所示。<

20、/p><p>　　圖2-3 相干方式原理圖</p><p>　　2.3.2 2FSK非相干解調(diào)</p><p>　　調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號通過兩個頻率不同的帶通濾波器、濾出不需要的信號，然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號分別通過包絡檢波器檢波，最后將兩種信號同時輸入到抽樣判決器同時外加抽樣脈沖，最后解調(diào)出來的信號就是調(diào)制前的輸入信號。其原理圖如圖2-4所示。</p&g

21、t;<p>　　圖2-4 非相干方式原理圖</p><p>　　第3章 2FSK系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1 基于SystemView的2FSK信號系統(tǒng)仿真設計</p><p>　　SystemView是美國ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具。它界面友好，使用方便。</p><p

22、>　　SystemView是一個信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設計、仿真，是一個強有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設計、直到復雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設計、仿真要求。它可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌霞岸嗨俾氏到y(tǒng)，可用于各種線性、非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真。</p><p>　　SystemView以模塊化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口環(huán)境下，為用戶

23、提供了一個嵌入式的分析引擎。使用SystemView你只需要關心項目的設計思想和過程，而不必花費大量的時間去編程建立系統(tǒng)仿真模型。用戶只需使用鼠標器點擊圖標即可完成復雜系統(tǒng)的建模、設計和測試，而不必學習復雜的計算機程序編制，也不必擔心程序中是否存在編程錯誤。</p><p>　　SystemView仿真系統(tǒng)的特點：</p><p>　　1.能仿真大量的應用系統(tǒng)；</p>&l

24、t;p>　　2.速方便的動態(tài)系統(tǒng)設計與仿真；</p><p>　　3.在報告中方便地加入SystemView的結論；</p><p>　　4.提供基于組織結構圖方式的設計；</p><p>　　根據(jù)2FSK的原理圖進行SystemView的設計與制作，首先通過學習這款軟件來掌握基礎操作知識和技能，然后在進行具體的設計與制作。如圖3-1表示2FSK鍵控調(diào)制與相干

25、解調(diào)原理圖。</p><p>　　圖3-1 2FSK模擬調(diào)制與相干解調(diào)</p><p>　　3.2 2FSK調(diào)制部分仿真設計</p><p>　　根據(jù)第2章所提到的2FSK的調(diào)制原理，設計出2FSK調(diào)制部分設計圖如下圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 2FSK調(diào)制部分設計圖</p><p>　　基帶信號在經(jīng)

26、過整流之后就變成了單極性碼，用高頻信號調(diào)制后用加法器合并還原信號完整內(nèi)容。</p><p><b>　　各器件備注如下：</b></p><p>　　Token0：基帶信號（電平=1V；頻率=4Hz，偏移=0）；</p><p>　　其波形如下圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 基帶信號的波形圖</p&

27、gt;<p>　　Token1：波形觀察窗（示波器）；</p><p>　　Token2：半波整流器（門限電壓=0V）；</p><p>　　當基帶信號通過半波整流器后，其波形圖如下圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 基帶信號通過半波整流器后的波形</p><p>　　由上圖可以看出，基帶信號通過半波整流器后，其電平小

28、于0V的部分被整流成0V輸出。</p><p>　　Token3：載波正弦信號發(fā)生器（f1；電平=1V；頻率=10Hz）；</p><p>　　其波形圖如下圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 載波正弦信號（f1），頻率10Hz</p><p>　　Token4：乘法器；</p><p>　　被整流后的波與載波

29、信號f1相乘后的波形如下圖3-5所示：</p><p>　　圖3-5 基帶信號通過半波整流后與載波信號f1相乘后的波形</p><p>　　Token5：反相器；</p><p>　　Token6：半波整流器（門限電壓=0V）；</p><p>　　Token7：載波正弦信號發(fā)生器（f2；電平=1V；頻率=20Hz）；</p>

30、<p>　　其波形圖如下圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 載波正弦信號（f2），頻率20Hz</p><p>　　Token8：乘法器；</p><p>　　基帶信號通過反相器、半波整流器后，與載波信號f2相乘后的波形圖如圖3-7所示：</p><p>　　圖3-7 基帶信號通過反相器、半波整流器后，與載波信號f2相乘后

31、的波形圖</p><p>　　Token9：波形觀察窗（示波器）；</p><p>　　Token27：波形觀察窗（示波器）；</p><p>　　Token34：波形觀察窗（示波器）；</p><p>　　Token35：加法器；</p><p>　　通過加法器后，即是調(diào)制成功后的波形，如圖3-8所示：</p&

32、gt;<p>　　圖3-8 2FSK調(diào)制成功的波形</p><p>　　3.3 2FSK解調(diào)部分仿真設計</p><p>　　根據(jù)第一章所提到的2FSK的解調(diào)原理，設計出2FSK調(diào)制部分設計圖如下圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 2FSK解調(diào)部分設計圖</p><p>　　2FSK信號的解調(diào)原理是通過帶通濾波器將2

33、FSK信號分解為上下兩路2FSK信號后分別解調(diào)，然后進行抽樣判決輸出信號。</p><p><b>　　各器件備注如下：</b></p><p>　　Token32：帶通濾波器（主要是過濾出與載波f1頻率相同的波形）；</p><p>　　2FSK調(diào)制后的波形，通過帶通濾波器后的波形如圖3-10所示：</p><p>　

34、　圖3-10 2FSK通過帶通濾波器后的波形</p><p>　　Token14：載波正弦信號發(fā)生器（f1；電平=1V；頻率=10Hz）；</p><p>　　Token12：乘法器；</p><p>　　通過帶通濾波器器后與其載波正弦信號f1相乘后的波形如圖3-11所示：</p><p>　　圖3-11 通過帶通濾波器器后與其載波正弦信號f

35、1相乘后的波形</p><p>　　Token16：低通濾波器；</p><p>　　通過低通濾波器后的波形如圖3-12所示：</p><p>　　圖3-12 通過低通濾波器后的波形</p><p>　　Token36：帶通濾波器（主要是過濾出與載波f2頻率相同的波形）；</p><p>　　2FSK調(diào)制后的波形，通

36、過帶通濾波器后的波形如圖3-13所示：</p><p>　　圖3-13 2FSK通過帶通濾波器后的波形</p><p>　　Token15：載波正弦信號發(fā)生器（f2；電平=1V；頻率=20Hz）；</p><p>　　Token13；乘法器；</p><p>　　通過帶通濾波器器后與其載波正弦信號f2相乘后的波形如圖3-14所示：</

37、p><p>　　圖3-14 通過帶通濾波器器后與其載波正弦信號f2相乘后的波形</p><p>　　Token19：低通濾波器；</p><p>　　Token20：反相器；</p><p>　　通過低通濾波器后再反向的波形如圖3-15所示：</p><p>　　圖3-15 通過低通濾波器后再反向的波形</p>

38、;<p>　　Token21：加法器；</p><p>　　通過加法器后的波形如圖3-16所示：</p><p>　　圖3-16 通過加法器后的波形</p><p>　　Token31：信號發(fā)生器，在此為0電平輸出，作為比較器的比較信號；</p><p>　　Token30：判決器（參數(shù)設置為輸入信號大于比較信號時，輸出高電平=

39、1V；輸入信號小于比較信號時，輸出低電平=-1V）；</p><p>　　其通過判決器后的輸出波形如圖3-17所示：</p><p>　　圖3-17 解調(diào)后的波形</p><p><b>　　3.4 仿真結果</b></p><p>　　各部分搭建完成后，運行程序?？傻梅抡娼Y果如下圖3-18所示，第一子圖為基帶信號，第

40、二子圖為調(diào)制結果圖，第三子圖為解調(diào)結果圖。</p><p>　　圖3-18 2FSK仿真結果</p><p>　　3.5 系統(tǒng)性能分析</p><p>　　對于數(shù)字傳輸系統(tǒng)而言，最重要的性能指標就是誤碼率。在白色高斯噪聲信道中，誤碼率決定于監(jiān)控體制和接收端的信噪比。對于2FSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率。其中，相干檢測法的誤碼率為：

41、</p><p>　?。?-1） </p><p>　　根據(jù)上面式子，可以計算出本系統(tǒng)的相干檢測法的誤碼率。但本系統(tǒng)在仿真過程中，因抽樣判決存在一些問題，導致誤碼率較高，而理論上相干調(diào)解性能優(yōu)良，誤碼率很低。</p><p><b>　　第4章 結束語</b></p><p>

42、　　有了前面一次課程設計的經(jīng)驗，這次就沒有以前對于課設的迷茫和害怕。端正了態(tài)度，調(diào)整好心態(tài)去面對課設。開始，又是一次自己選擇課題，其實也不知道哪一個好或者說適合自己，所以就對所有的題目都看了看，大致了解下，然后選擇了2FSK這個題目，因為我自己對于通信原理的學習以及掌握的并不好，很多知識運用的也不熟練，所以太難的我怕自己做不好，還不如選個有些挑戰(zhàn)而且自己還能有不錯的發(fā)揮的題目。個人覺得2FSK相對2ASK要復雜些，有點挑戰(zhàn)性，而相對2D

43、PSK有簡單些，不會太難對我來說。既然選好了題目，就開始了查閱各種資料，上網(wǎng)查，各種書籍，還到圖書館借些書來看。老師在出題之時說過可以自己隨便選擇要使用的軟件，通過各種方法找到一些資料，發(fā)現(xiàn)主要使用的有三種軟件，而我感覺SystemView仿真軟件更模塊化，更容易理解，同時也更形象化，所以經(jīng)過再三思考，我才選擇了此軟件，初步學習后發(fā)現(xiàn)此軟件簡單好用而且易于通信系統(tǒng)仿真。</p><p>　　在設計2FSK信號系統(tǒng)

44、的過程中，通過查看課本及其他資料，更加深了我對2FSK通信系統(tǒng)的理解，并且對整個通信系統(tǒng)有了一個整體到部分的認識，同時也學習了如何判定通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點及其性能指標。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理（第六版）.北京：國防工業(yè)出版社，2007. </p><p>　　[2] 黃葆華

45、，等.通信原理基礎教程.北京：機械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[3] 樊昌信，曹麗娜著．通信原理．北京：國防工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[4] 謝希仁著．計算機網(wǎng)絡第4版．北京：電子工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[5] 翁劍楓，葉志前.MATLAB LabView SystemView仿真分析基礎.北京：機械工業(yè)出版社，