通信原理課程設(shè)計(jì)--數(shù)字傳輸系統(tǒng)仿真

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文主要是利用MATLAB7.0來實(shí)現(xiàn)2FSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)解調(diào)器的設(shè)計(jì).該設(shè)計(jì)模塊包含信源,調(diào)制,發(fā)送濾波器模塊,信道,接收濾波器模塊,解調(diào)以及信宿.并為各個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置在此基礎(chǔ)上熟悉MATLAB的功能及操作,最后通過觀察仿真圖形進(jìn)行波形分析(眼圖)及系統(tǒng)的性能評價(jià)(分析誤碼率).</p><p&g

2、t;　　關(guān)鍵詞 2FSK MATLAB 調(diào)制解調(diào) 噪聲</p><p><b>　　Summary</b></p><p><b>　　引言</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)目的及任務(wù)要求</b></p><p>　　1． 學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)建立通信系統(tǒng)仿真模型的基本方法及

3、基本技能，學(xué)會(huì)利用仿真的手段對于實(shí)用通信系統(tǒng)的基本理論、基本算法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證；</p><p>　　2． 學(xué)習(xí)現(xiàn)有流行通信系統(tǒng)仿真軟件MATLAB7.0的基本使用方法，學(xué)會(huì)使用這些軟件解決實(shí)際系統(tǒng)出現(xiàn)的問題；</p><p>　　3． 通過系統(tǒng)仿真加深對通信課程理論的理解。</p><p>　　4.. 用MATLAB7.0 設(shè)計(jì)一種2FSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。<

4、;/p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　用MATLAB7.0進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),本次是設(shè)計(jì)一個(gè)2FSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。其中包括:</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)方案分析及系統(tǒng)原理圖</p><p>　　（2）2FSK已調(diào)信號(hào)的解調(diào)方法及原理圖</p><p>　　第一章:2F

5、SK數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)的原理圖.</p><p>　　1.1 2FSK數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制原理圖.</p><p>　　2FSK調(diào)制就是使用兩個(gè)不同的頻率的載波信號(hào)來傳輸一個(gè)二進(jìn)制信息序列?？梢杂枚M(jìn)制“1”來對應(yīng)于載頻f1，而“0”用來對應(yīng)于另一相載頻w2的已調(diào)波形，而這個(gè)可以用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個(gè)不同的獨(dú)立的頻率源w1、f2進(jìn)行選擇通。如下原理圖：</p>&l

6、t;p>　　1.2 2 FSK的解調(diào)方式</p><p>　　2FSK的解調(diào)方式有兩種:相干解調(diào)方式和非相干解調(diào)方式.下面我們將詳細(xì)的介紹:</p><p>　　1.2.1 非相干解調(diào)</p><p>　　經(jīng)過調(diào)制后的2FSK數(shù)字信號(hào)通過兩個(gè)頻率不同的帶通濾波器f1、f2濾出不需要的信號(hào)，然后再將這兩種經(jīng)過濾波的信號(hào)分別通過包絡(luò)檢波器檢波，最后將兩種信號(hào)同時(shí)輸

7、入到抽樣判決器同時(shí)外加抽樣脈沖，最后解調(diào)出來的信號(hào)就是調(diào)制前的輸入信號(hào)。其原理圖如下圖所示：</p><p><b>　　1</b></p><p>　　1.2.2 相干解調(diào)</p><p>　　根據(jù)已調(diào)信號(hào)由兩個(gè)載波f1、f2調(diào)制而成，則先用兩個(gè)分別對f1、f2帶通的濾波器對已調(diào)信號(hào)進(jìn)行濾波，然后再分別將濾波后的信號(hào)與相應(yīng)的載波f1、f2相乘

8、進(jìn)行相干解調(diào)，再分別低通濾波、用抽樣信號(hào)進(jìn)行抽樣判決器即可。原理圖如下：</p><p>　　二章: 2FSK的的調(diào)制與解調(diào)過程的MATLAB 仿真原理圖及其分析</p><p>　　2.1 利用MATLAB建立系統(tǒng)的仿真圖。</p><p>　　按照2FSK系統(tǒng)的物理與數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)模型。根據(jù)相干方式的原理圖利用MATLAB的Simulink建立系統(tǒng)的模擬仿真圖

9、。如下圖所示：</p><p>　　2.2 系統(tǒng)中仿真模塊的作用及主要參數(shù)的設(shè)置分析</p><p>　　2.2.1 Bernoulli Binary Generator模塊</p><p>　　貝努力二進(jìn)制序列產(chǎn)生器,用來產(chǎn)生調(diào)制二進(jìn)制信號(hào).要設(shè)置的參數(shù)兩個(gè),一個(gè)是Probability of a zero即二進(jìn)制中”0”產(chǎn)生的概率,設(shè)置成0.5;另一個(gè)是Samp

10、le time即每秒發(fā)送多少個(gè)脈沖,這個(gè)值可以由仿真后的Scope中的數(shù)據(jù)與仿真時(shí)間相除得到，可以任意設(shè)置。這里設(shè)置成1/1800,即一秒發(fā)送1800個(gè)脈沖。</p><p>　　2.2.2 M-FSK Modulator Baseband 模塊</p><p>　　作用是用來產(chǎn)生兩個(gè)載頻信號(hào)來調(diào)制二進(jìn)制脈沖序列,實(shí)現(xiàn)2FSK的調(diào)制功能。 主要的參數(shù)有：</p><p&

11、gt;　?、佟-ary number,指的是載頻的個(gè)數(shù)，由于本設(shè)計(jì)中需要2個(gè)載頻，所以設(shè)為2。</p><p>　?、凇requency separation,指的兩個(gè)載頻的間隔頻率，高置適中即可，設(shè)為1000HZ。</p><p>　　2.2.3 M-FSK Demodulator Baseband模塊</p><p>　　由于是實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能，所以主要參數(shù)相應(yīng)

12、的要高置成一樣，即M-ary number為2；Frequency separation設(shè)為1000HZ 。</p><p>　　2.2.4 Channels模塊</p><p>　　作用是用模擬一個(gè)加性高斯白噪聲信道。主要參數(shù)：</p><p>　　Mode,有Eb/no、Es/no、SNR等幾種選擇，都是表示信道中噪聲對信號(hào)的大小，這里設(shè)為Eb/no;b、Eb/

13、no，大小不同，信道中噪聲對信號(hào)的大小就不同，Eb/no越大信道中噪聲對信號(hào)就越小，誤碼率就小，這個(gè)大小仿真后的scope 模塊中看到,設(shè)為15. c、Symbol period,設(shè)成與二進(jìn)制產(chǎn)生的速度一們，每秒1800，即1/1800。</p><p>　　2.2.5 Error rate Calculation模塊</p><p>　　用來計(jì)算接收到的信號(hào)的差錯(cuò)率，輸出結(jié)果有三組，依次

14、是差錯(cuò)率、已檢到的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)、統(tǒng)計(jì)的總比特?cái)?shù)；主要參數(shù)：Receive delay表示接收信號(hào)的延遲時(shí)間，用來等待所有輸入端信號(hào)的到達(dá)。在這里1s就夠了，所以設(shè)為1；Output data,指的是輸出端的形式，根據(jù)后面接的什么決定，由于此設(shè)計(jì)中接的是scope模塊，所以設(shè)為Poet。</p><p>　　2.2.6 Scope模塊</p><p>　　作用是顯示輸出信號(hào)的結(jié)果。主要參數(shù)：N

15、umber of axes,表示坐標(biāo)系的數(shù)目，由于有3個(gè)輸入端，所以設(shè)為3。</p><p>　　2.2.7 Display模塊</p><p>　　作用是顯示輸出信號(hào)的結(jié)果。主要參數(shù)：Format,用一來設(shè)置顯示結(jié)果的格式，如：整數(shù)、科學(xué)計(jì)數(shù)，這里設(shè)為short_e。</p><p>　　2.2.8 Relational Operator模塊</p>

16、<p>　　作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的比較運(yùn)算，比較二進(jìn)序列產(chǎn)生器發(fā)出的信號(hào)與解調(diào)后的信號(hào)，若兩個(gè)信號(hào)相同，則輸出0，否則輸出1。主要參數(shù)：relational operator設(shè)為~=。</p><p>　　2.2.9 Dlay模塊</p><p>　　用來延遲。默認(rèn)參數(shù)即可 。</p><p>　　2.2.10 Eye diagram scope模塊<

17、;/p><p>　　用眼圖的形式來觀察輸出信號(hào)。默認(rèn)參數(shù)即可 。</p><p>　　第三章: 2FSK的的調(diào)制與解調(diào)過程的MATLAB仿真結(jié)果波形圖及分析</p><p>　　3.1眼圖的定義、模塊、波形及其分析</p><p>　　3.1.1眼圖的定義</p><p>　　評價(jià)基帶傳輸系統(tǒng)性能的一種定性而方便的方法是觀

18、察接受端的基帶信號(hào)波形。如果將接受波形輸入示波器的垂直放大器，把產(chǎn)生水平掃描的鋸齒波周期與碼元定時(shí)同步（這時(shí)每個(gè)碼元將重疊到間隔（0，Ts）上），則在示波器屏幕上可以觀察到類似人眼的圖案，稱之為“眼圖”(eye pattern).</p><p>　　眼圖為基帶傳輸系統(tǒng)的性能提供了大量的信息。在一般情況下：</p><p>　　眼圖張開部分的寬度決定了接受波形可以不受串?dāng)_影響而抽樣、重建的

19、時(shí)間間隔，顯然，抽樣的最佳時(shí)刻是“眼睛”張開最大的時(shí)刻；</p><p>　　“眼睛”在特定抽樣時(shí)刻的張開高度決定了系統(tǒng)的噪聲容限；</p><p>　　“眼睛”的閉合斜率決定了系統(tǒng)對抽樣定時(shí)誤差的敏感程度，斜率愈大則對定時(shí)誤差愈敏感。</p><p>　　3.1.2眼圖的模塊</p><p>　　模塊名稱：離散時(shí)間眼圖（Discrete E

20、ye Diagram Scope）</p><p>　　位置：Communication Blockset\Comm Sinks</p><p>　　3.1.3眼圖的波形</p><p>　　根據(jù)頻移鍵控的Simulink模型得到眼圖的波形，如下圖所示：</p><p>　　3.1.4眼圖波形的分析</p><p>　

21、　根據(jù)Simulink系統(tǒng)仿真系統(tǒng)可以得到2FSK解調(diào)后的眼圖。由眼圖可以看出系統(tǒng)的誤碼率很低,這都是Channels模塊中的Eb/no設(shè)為15的原因, Eb/no有點(diǎn)大,但眼圖的為0的下面那根線沒有,還是有一些失真。這時(shí)display 為：</p><p>　　由于二進(jìn)制產(chǎn)生模塊的參數(shù)Sample time設(shè)為1/1800，并且仿真時(shí)間為10S，所輸出碼元為1.7999e+004。誤碼率為1.1112e-004

22、,誤碼個(gè)數(shù)為2.000e+000,即2個(gè)。當(dāng)Eb/no設(shè)為200后，眼圖及display如下所顯示：</p><p>　　由此圖可以看出眼圖看不出什么變化，但display卻有了明顯變化，誤碼率及誤碼個(gè)數(shù)都為0了，說明了Eb/no越大信道中噪聲對信號(hào)就越小，誤碼率就小。</p><p>　　3.2 Scope端的最終波形圖</p><p>　　在對系統(tǒng)模塊參數(shù)與系統(tǒng)

23、仿真參數(shù)設(shè)置之后，接下來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。為了能夠清楚地觀察仿真結(jié)果，我們截取一段時(shí)間的仿真結(jié)果進(jìn)行觀察。根據(jù)頻移鍵控的Simulink模型最終在Scope端得到不同信號(hào)的數(shù)字波形圖。如下圖所示：</p><p>　　上圖中第一張圖是發(fā)送信號(hào)的波形，第二張圖是接收信號(hào)的波形，第三張是發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)的比較結(jié)果波形圖。</p><p>　　從上圖顯示的結(jié)果可以看出，誤碼率很低，但這只是目

24、測的結(jié)果，事實(shí)上，使用Error Rate Calculation模塊，我們可以準(zhǔn)確的計(jì)算出該系統(tǒng)的誤碼率。其分析在上面的已經(jīng)介紹過了。在這里不要介紹。</p><p>　　隨著AWGN Chanel模塊的參數(shù)的不同，最終得到的誤碼率也不同。當(dāng)次模塊中的Eb/no的值的不同最終的誤碼率有很大的變化。當(dāng)次值很小的時(shí)候，輸出的誤碼率就大，在調(diào)制與解調(diào)的過程中出現(xiàn)出錯(cuò)的幾率就很大。當(dāng)逐漸增大此值，誤碼率就減小。值越大最

25、終的誤碼率就有可能為0。例如當(dāng)此值為200的時(shí)候得到的對比的圖形如下圖所示</p><p>　　由此可以看出此時(shí)的誤碼率為0了。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　FSK是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，也是數(shù)字通信中用得較廣的一種方式。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好，適合中低速數(shù)據(jù)的傳

26、輸?shù)膽?yīng)用。通常數(shù)據(jù)率在低于1200bps時(shí)使用FSK方式。在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它也被廣泛采用。相干解調(diào)對接受設(shè)備的復(fù)雜程度比非相干解調(diào)較高。</p><p>　　自從因特網(wǎng)把我們領(lǐng)進(jìn)信息時(shí)代開始，人類的歷史翻開了璀璨的一頁。隨著信息的飛速發(fā)展，通信原理也隨之崛起。從而，使得培養(yǎng)新世紀(jì)的技術(shù)人才顯得分外重要。</p><p>　　在學(xué)習(xí)通信原理理論基礎(chǔ)后，我們又在此基礎(chǔ)上通過利用MATL

27、AB仿真真正的看到了通信中傳輸信息的一系列的問題。比如說要使信號(hào)不失真的能夠傳輸?shù)浇邮斩司鸵紤]很多的因數(shù)。在發(fā)送端要注意噪聲的加入，盡量的減少噪聲進(jìn)入信道中，以免在接收端使信號(hào)失真度過大而不能夠恢復(fù)成原來的信號(hào)。而在接收端，采用哪種解調(diào)方式能夠更好的恢復(fù)出原來的信號(hào)。對于不同的解調(diào)方式有相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)一般是在接收端使接收的信號(hào)通過一個(gè)相乘器，同時(shí)乘上一個(gè)與原調(diào)制信號(hào)同頻同相的載波，再通過低通濾波器濾出不需要的信號(hào)，然后

28、再經(jīng)過抽樣、量化和編碼最終得到原調(diào)制信號(hào)。對于非相干解調(diào)可以將接收的信號(hào)通過包絡(luò)檢波器，然后再經(jīng)過抽樣、量化和編碼最終也可以得到原調(diào)制信號(hào)。</p><p>　　通過這次的課程設(shè)計(jì)即上網(wǎng)實(shí)際操作，進(jìn)一步了解了二進(jìn)制頻移鍵控即2FSK的基本原理及其解調(diào)方法（非相干解調(diào)，相干解調(diào)）。當(dāng)然在學(xué)習(xí)過程中，遇到過許多困難，比如參數(shù)設(shè)置的不理想因此總是會(huì)出現(xiàn)波形失真的現(xiàn)象等問題。但是通過上網(wǎng)查找資料和查詢參考書能夠讓我更好的

29、完成此次設(shè)計(jì)。同時(shí)這次設(shè)計(jì)也讓我能夠更好的對應(yīng)用工具M(jìn)ATLAB有一個(gè)進(jìn)一步的了解和應(yīng)用。</p><p>　　這次的課程設(shè)計(jì)使我收益頗豐，對通信原理有了新的認(rèn)識(shí)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　趙靜，張瑾.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真.北京.北京航空航天大學(xué)出版社.2007</p><