通信原理课程设计

西南科技大学

通信原理课程设计报告

课程名称：通信原理

设计名称：2FSK调制解调器建模仿真与抗噪声性能分析

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西南科技大学信息工程学院制

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2FSK调制解调器建模仿真与抗噪声性能分

析

一、摘要（150-250字）

数字频率调制又称频移键控（FSK—Frequency Shift Keying），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。

关键词：2FSK；相干解调；数字传输系统；

二、设计目的和意义

随着通信技术日新月异的发展，尤其是数字通信的快速发展越来越普及，研究人员对其相关技术投入了极大的兴趣。为使数字信号能在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制，其调制方式与模拟信号调制相类似。根据数字信号控制载波的参量不同也分为调幅、调频和调相三种方式。因数字信号对载波参数的调制通常采用数字信号的离散值对载波进行键控，故这三种数字调制方式被称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。经调制后的信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。因此，调制解调技术是实现现代通信的重要手段，促进通信的快速发展。另外，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ISDN网），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。因此，对数字通信系统的分析与研究越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要部分之一，对它的研究也是有必要的。通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进系统，获得更佳的传输性能。

典型的数字通信系统由信源、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节构成，如图 2-1所示，数字调制是数字通信系统的重要组成部分，数字调制系统的输入端是经编码器编码后适

合在信道中传输的基带信号。对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心基带信号的码型，因此，我们在仿真的时候可以给数字调制系统直接输入数字基带信号，不用在经过编码器。

图1.1 数字通信系统模型

图2-1数字通信系统

三、 设计原理

数字频率调制又称频移键控，记作FSK ；二进制频移键控记作2FSK 。 3.1 2FSK 调制原理

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。两种FSK 信号的调制方法的差异在于：由直接调频法产生的2FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续变化的（这一类特殊的FSK ，称为连续相位FSK （Continous-Phase FSK ，CPFSK ）），而键控法产生的2FSK 信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。图2-2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f 1或f 2两个载波之一。

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

所示。

(2) 键控法，用数字基带信号)(t g 及其反)(t g 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3-2所示。

图3-1 2FSK 模拟法产生原理框图

如图3-1所示，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f

1，而“0”用来对应于另一相载频w

2

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w

1、f

2

进行选择。

f

图3-2 2FSK键控法产生原理框图

如图2所示，频移键控是利用载波的频率来传递数字信号，在2FSK中，载波的频率随着

二进制基带信号在f

1和f

2

两个频率点间变化，频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信

息的。在2FSK中，载波的频率随基带信号在f

1和f

2

两个频率点间变化。故其表达式为：

(3-1-1) 2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加，因此2FSK信号的时域表达式又可以

写成：

（3-1-2）

3.2 2FSK解调原理

数字调频信号的解调方法很多，如相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。

下面就非相干解调法与相干解调法进行介绍。

3.2.1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f

1、f

2

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。2FSK信号的包络解调，由于2FSK信号可看作是两个2ASK信号之和，所以2FSK解调器由两个并联的2FSK解调器组成。其原理图如图3-3所示：

图3-3 非相干解调原理框图

我们取图3的一部分分析如图4所示的2ASK 包络解调原理图：

位定时

图3-4 2ASK 包络解调原理框图

3.2.2相干解调

根据已调信号由两个载波f 1、f 2调制而成，则先用两个分别对f 1、f 2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f 1、f 2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如图（5）。

图3-5 2FSK 相干解调原理框图 3.3 2FSK 抗噪声性能分析

包络解调器的误码率，必须首先求出上、下两个支路中包络检波器输出端信号瞬时值的概率密度函数。当发送信息“１”时，接收端收到频率为f 1的载波为

此信号能通过上支路中的带通滤波器，但无法通过下支路中的带通滤波器，所以上支路带

通滤波器的输出是信号和窄带高斯噪声的叠加，而下支路带通滤波器的输出却只有窄带高斯噪声。则有：上支路包络检波器输出1()x t 值服从莱斯分布，下支路包络检波器输出2()x t 的瞬时值服从瑞利分布，所以上下两个支路的取样值1x 、2x 的概率密度函数为：

（3-3-1） （3-3-2） 判决器的作用是比较两个取样值1x 和2x ，当1x ＞2x 时，判“１”，判决是正确的，不产生误码；当1x ＜2x 时，判“０”，判决错误，产生误码，即发“１”错判成了“０”。由概率论知识可知，“１”码错判成“０”码的概率(0/1)P 为：

（3-3-3）

则有：

（3-3-4） 由于发“0”和发“1”码相同，所以有：

（3-3-5）

3.4 2FSK 信号的表达式和波形图

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f 1和f 2两个频率点间变化，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 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f 1，0符号对应于载波频率f 2，则二进制移频键控信号的时域表达式为

(3-4-1) (3-4-2)

(3-4-3)

图3-3 二进制频移键控信号的波形

由图2-1可看出b

n 是a

n

的反码，即若a

n

=1，则b

n

=0，若a

n

=0，则b

n

=1；两个相角分

别代表第n个信号码元的初始相位。在二进制频移键控信号中，均不携带信息，通常令其为零。因此，二进制频移键控信号的时域表达式可简化为

（3-4-4）

3.5 系统性能分析

对于数字传输系统而言，最重要的性能指标就是误码率。在白色高斯噪声信道中，误码率决定于监控体制和接收端的信噪比对于2FSK调制与解调系统，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率。其中，相干检测法的误码率为：

（3-5-1）当信噪比很大时，式（3-1）可近似的表示为：

（3-5-2）非相干解调法采用包络检波法接收信号，其误码率为：

（3-5-3）根据上面的两个式子，本系统相干检测法的误码率为：

（3-5-4）而非相干包络检波法的误码率为：

（3-5-5）

显然,相干解调性能优于非相干解调。且2FSK信号占用频带宽，在信道中的兼容性好。

四、详细设计步骤

4.1 建立模块

根据2FSK的调制解调原理绘制总的仿真模型（如图）

图4-1 2FSK调制与解调及误码分析的总体仿真模型

4.2 相关参数的设置

4.2.1 载波相关参数的设置（如图）

（1）上载波参数的设置

载波频率：2HZ，幅度为+1

设置依据：载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为2HZ。

图4-2-1 载波（上）参数设置

（2）下载波参数的设置(设置方法如上)

载波频率：10HZ，幅度为+1

设置依据：要求两载波相角均为0，幅度相同，所以幅度设为+1，又载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为10HZ。

4.2.2 带通滤波器参数设置

（1）模块上路的带通滤波器参数设置：（如图）

带通滤波器参数：带通范围为1～5HZ

设置依据：载波频率为2HZ，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为1～5HZ。

图4-2-2 带通滤波器（上）参数设置

（2）模块下路的带通滤波器参数设置：（设置方法如上）

带通滤波器参数：带通范围为9～13HZ

设置依据：载波频率为10HZ，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为9～13HZ。

4.2.3低通滤波器（Digital Filter Design）参数设置

（1）模块上路的低通滤波器参数设置：

低通滤波器参数：截止频率为2HZ

（2）模块下路的低通滤波器参数设置：

低通滤波器参数：截止频率为10HZ

4.2.4取样判决器（relay）参数设置：

设置依据：当大于0.5时输出1，当小于0.5时输出0，能达到在0变1不变的取样规则下正确解码的目的。

五、设计结果及分析

5.1 使用simulink仿真得到的波形

5.1.1 伯努利二进制随机序列

5.1.2 上下两个载波波形

5.1.3二进制、上下载波及调制后的波形

单独调制后的2FSK信号图：

5.1.4二进制、解调和调制的波形

上图中第一个波形是随机二进制序列，第二个波形是解调后的波形，第三个波形是调制后的波形。可以看出解调输出的波形比原信号存在了延时接近1个码元。这是因为由滤波和抽样所导致的。所以在不考虑延时的情况下原信号与解调后的信号是一致的。即整个调制解调系统的设计是正确的。

5.2加入噪声后的误码率

模块图：

图5.2.1实现误码率的模块

如图所示，将原始信号延时1个码元周期后与解调信号同时送入误码率计算模块中计算误码率，结果显示在Display模块中。由于一次仿真只能获得一个误码率值，无法绘制误码率曲线，故编写脚本文件来循环多次调用仿真模型，绘制误码率曲线。

误码率的实现是在matlab下通过编写的代码来实现的。代码如下：

clc

clear

BER = zeros(1,7);

SNR = zeros(1,7);

for i=0:5:30

EbNo = i;

sim('design');

SNR(i/5+1) = EbNo;

BER(i/5+1) = grayBER(101,1);

end

plot(SNR,BER);

xlabel('SNR/db');

ylabel('Bit Error Rate');

其中，EbNo是信道信噪比变量名，garyBER为误码率值，每次循环将garyBER(101,1)即误码率取出放入BER中，循环仿真结束后调用plot函数绘制出误码率曲线图，如下：

可以看出，误码率随信噪比的增大而减小，与理论趋势一致，当信噪比大于25db时，解调输出信号与原信号完全一致，没有误码。

六、总结

通过对matlab7.0软件的了解与运用，并在理论指导下，我完成了这次设计的任务。首先需要自己学习matlab软件中的simulink开发环境，在此开发环境下把2FSK的调制和解调原理图通过软件中所提供的器件整理出来，实现所需要的结果。在本次实验中我遇到过很多的问题，通过上网查阅资料得以解决。其运行结果如前面所示，较好的完成了这次课程设计。由于信道干扰及码间干扰的影响，存在着一定的误码率。当信道的信噪比提高时，误码率下降。

在发送端要注意噪声的加入，尽量的减少噪声进入信道中，以免在接收端使信号失真度过大而不能够恢复成原来的信号。而在接收端，采用哪种解调方式能够更好的恢复出原来的信号。对于不同的解调方式有相干解调和非相干解调。相干解调一般是在接收端使接收的信号通过一个相乘器，同时乘上一个与原调制信号同频同相的载波，再通过低通滤波器滤出不需要的信号，然后再经过抽样、量化和编码最终得到原调制信号。对于非相干解调可以将接收的信号通过包络检波器，然后再经过抽样、量化和编码最终也可以得到原调制信号。

七、体会

这次课程设计同时也给了我一个复习基础知识的机会，懂得了把书本和实践想结合才能学得更好。让我懂得了在学习的过程中带着问题去学会，可以在一定程度上提高学习的效率。由于我们的知识水平有限，在学习与实践的过程中难免会出现一些问题，我们必须要学会怎样联系实际去解决问题

八、参考文献（递增引用，引用相关内容）

[1] 曹志刚，钱亚生.现代通信原理清华大学出版社，2013

[2] 樊昌信.通信原理教程[M].北京：电子工业出版社，2006

[3] 张卫刚，徐国平.通信原理与通信技术[M].北京：电子工业出版社，2002

[4] 达新宇，邱伟，孟繁茂通信原理实验与课程设计北京：北京邮电大学出版社，2004

[5] 吴玲达，李国辉，杨冰等. 计算机通信原理与技术[M]. 北京：国防科技大学出版社，2003