通信原理专业课程设计.doc

课程设计

数字
原理

课程设计报告

班 级：

姓 名：

学 号：

指引教师：

成 绩：

电子与信息工程学院
信息与通信工程系

目录

引 言 1
1 软件简介 2
1.1 Matlab简介 2
1.2 Simulink简介 2
2 2FSK调制与解调 3
2.1 2FSK调制原理 3
2.2 2FSK解调原理 4
3 仿真系统模型设计 5
3.1仿真思路 5
3.2 程序和仿真成果 5
3.3 Simulink仿真模型图 8
3.4 成果分析 11
3.4.1 Matlab仿真成果分析 11
3.4.2 simulink仿真成果分析 12
结论 13
参 考 文 献 14
附录A MATLAB仿真程序 15
引 言
移频键控（FSK）是数据传播中最惯用一种调制方式，FSK办法简朴，易于实现，抗噪声和抗衰落性能较强。FSK重要应用于中低速数据传播以及衰落信道和频带较宽信道中。
本次课程设计重要运用MATLAB软件，在Simulink平台下建立仿真模型，实现模仿基带信号经2FSK调制与解调传播过程，通过度析比较调制与解调输出波形，理解2FSK调制原理。在分别加入高斯白噪声，观测对波形影响，并对其进行分析总结。

1 软件简介
1.1 Matlab简介
Matlab[1]是一种解释性执行语言，具备强大计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简朴，扩充以便，特别是世界上有成千上万不同领域科研工作者不断在自己科研过程中扩充Matlab功能，使其成为了巨大知识宝库。科研工作者普通可以通过Matlab来学习某个领域科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来因素。当前Matlab版本已经可以以便设计美丽界面，它可以像VB等语言同样设计美丽顾客接口，同步由于有最丰富函数库（工具箱），因此计算功能实现也很简朴，进一步受到了科研工作者欢迎。此外，,Matlab和其她高档语言也具备良好接口，可以以便实现与其她语言混合编程，进一步拓宽了Matlab应用潜力。可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要推动作用。
1.2 Simulink简介
Simulink[2]是MATLAB最重要组件之一，它提供一种动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简朴直观鼠标操作，就可构造出复杂系统。Simulink具备适应面广、构造和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等长处，并基于以上长处Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号解决复杂仿真和设计。
Simulink是MATLAB中一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析一种软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号解决建模和仿真中。它支持多速率系统，也就是系统中不同某些具备不同采样速率。为了创立动态系统模型，Simulink提供了一种建立模型方块图图形顾客接口(GUI) ，这个创立过程只需单击和拖动鼠标操作就能完毕，它提供了一种更快捷、直接明了方式，并且顾客可以及时看到系统仿真成果。
2 2FSK调制与解调
2.1 2FSK调制原理
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]。
2FSK产生办法有两种：
（1） 模仿法：即用数字基带信号作为调制信号进行调频。
（2） 键控法：用数字基带信号g（t）及其反相g（t）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2-1所示。

图2-1 键控法产生2FSK信号原理图
两个独立作为作为两个频率发生器，它们受控于输入二进制输入信号，二进制输入信号通过两个选通开关，控制一种载波通过。调制器各点波形如图2-2所示。

图2-2 调制器各点波形
从图2-2可以看出b是a反相码，c是载波f1，d是载波f2，g为2FSK调制输出信号。
2.2 2FSK解调原理
2FSK信号惯用解调办法[4]是采用如图2-3所示非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行调解，然后进行判决。

（a）非相干解调

（b）相干解调
图2-3 2FSK信号解调原理图
3 仿真系统模型设计
3.1仿真思路
先拟定采样频率fs和两个载波频率值f1，f2，产生2FSK信号，然后进行调制与解调。
（1）写出输入已经信号表达式S(t)。由于S(t)中有反码存在，则需要将信号先反转后在从原信号和反转信号中进行抽样。写出已调信号表达式S(t)。
（2）在2FSK解调过程中，信号一方面通过带通滤波器，设立带通滤波器参数，后用一维数字滤波函数filter对信号S(t)数据进行滤波解决。输出通过带通滤波器后信号波形。由于已调信号中有两个不同载波（ω1,ω2）,则通过两个不同频率带通滤波器后输出两个不同信号波形H1,H2。
（3）通过带通滤波器后2FSK信号再通过相乘器（cosω1，cosω2），两序列相乘MATLAB表达式y=x1.*x2→SW=Hn.*Hn，输出得到相乘后两个不同2FSK波形h1,h2。
（4）通过相乘器输出波形再通过低通滤波器，设立低通滤波器参数，用一维数字滤波韩式filter对信号数据进行新一轮滤波解决。输出通过低通滤波器后两个波形（sw1,sw2）。
（5）将信号sw1和sw2同步通过抽样判决器，分别输出st1,st2。其抽样判决器输出波形为最后输出波形st。对抽样判决器经定义一种时间变量长度i，当st1(i)>=st2(i)5时，则st=0，否则st=st2(i).其中st=st1+st2。
（6）使用MATLAB编程（m文献）完毕系统仿真。
3.2 程序和仿真成果
仿真程序见附录A。

仿真图像如下

图3-1 MATLAB仿真图

图3-2 MATLAB仿真图

图3-3 MATLAB仿真图

图3-4 MATLAB仿真图

图3-5 MATLAB仿真图
3.3 Simulink仿真模型图
2FSK信号Simulink仿真模型图如下：

图3-6 Simulink仿真模型图
其中sin wave和sin wave1是两个频率分别为f1和f2载波，Pulse Generator模块是信号源，NOT实现反相，再通过相乘器和相加器生成2FSK信号，然后接带通滤波器与低通滤波器完毕调制与解调，又接入Error Rate calculation实现误码率计算。
参数设立如下

表3-1 Simulink仿真各模型参数设立
模块 参数
Sine Wave1 Amplitude：1 Frequency：25
Sine Wave2 Amplitude：1 Frequency：45
Sine Wave3 Amplitude：1 Frequency：25
Sine Wave4 Amplitude：1 Frequency：45
Pulse Generator Amplitude：1 Period：2 Pulse width：1
Sample time：1
Analog Filter Filter order：8 Lower passband edge frequency：15
Design1 Upper passband edge frequency：35
AnalogFilter Filter order：8 Lower passband edge frequency：35
Design2 Upper passband edge frequency：55
Analog Filter Filter order：8 Passband edge frequency：35
Design3
Analog Filter Filter order：8 Passband edge frequency：55
Design4
Gaussian Noise Mean value：0 Variance：1 Initial seed：41
Generator Sample time：1

通过以上参数设定后就可以进行系统仿真，其各点时间波形如下：

图3-7 Simulink仿真各点波形
由仿真系统中误码率计算可知：此系统误码率为0
提高噪声影响，将Gaussian Noise Generator中Variance“1”改为“10”,得到波形如下图所示：

图3-8 变化参数后各点波形
由仿真系统中误码率计算可知：此系统误码率为0.1
再次提高噪声影响，将Gaussian Noise Generator中Variance“1”改为“100”得到波形如下图所示

图3-9 修改参数后得到各点波形
由仿真系统中误码率计算可知：此系统误码率为0.3
3.4 成果分析
3.4.1 Matlab仿真成果分析
本实验对信号2FSK采用相干解调进行解调。2FSK信号调制解调原理是通过带通滤波器将2FSK信号分解为上下两路2FSK信号后分别解调，然后进行抽样判决输出信号。设“1”符号相应载波频率f1，“0”符号相应载波频率f2。采用两个带通滤波器来区别中心频率分别为f1和f2信号。中心频率为f1带通滤波器之容许中心频率为f1信号频谱成分通过，滤除中心频率为f2信号频谱成分。
接受端上下支路两个带通滤波器输出波形中H1,H2。在H1,H2波形中在分别具有噪声18 n1,n2，其分别为高斯白噪声ni通过上下两个带通滤波器输出噪声——窄带高斯噪声，其均值同为0，方差同为(σn)2,只是中心频率不同而已。其抽样判决是直接比较两路信号抽样值大小，可以不专门设立门限。判决规制应与调制规制相呼应，调制时若规定“1”符号相应载波频率f1，则接受时上支路抽样较大，应判为“1”，反之则判为“0”。
3.4.2 simulink仿真成果分析
本次课程设计实现了2FSK调制与解调过程。通过误码率为0分析，也许是系统自身因素导致或者系统没有多大误差，但依照示波器波形看出初始时候有某些失真因素也许是初始信号不稳定导致。通过变化信噪比，系统误码率升高，噪声干扰越大，相应波形失真越严重，误码率越高。本实验用一种逻辑比较器代替抽样判决模块，简化了模块。
结论
本次课程设计重要涉及到了通信原理和MATLAB有关知识与运用，是自己更深刻理解了调制与解调团里和实现办法，以及基本掌握了MATLAB基本应用。在课程设计过程中，又重温了2FSK调制与解调等知识，更加熟悉了MATLAB里面Simulink工具箱学会了独立建立模型，分析调制与解调成果，和加入噪声状况，通过自己不断调试，更好理解了噪声对信道影响。
在本次课程设计中，除了获得了某些收获外，我还感到了自身某些局限性。对于在matlab中实现编程对于我来说的确是有某些困难，受限于这样因素，因此只得从网上找到与其相应程序，通过修改参数，收货了波形仿真，对于这方面局限性，还需要加强这方面学习。总体来说，通过这次课程设计，使我拓宽了知识面，锻炼了实际操作能力，综合素质得到了提高，进一步加深了对专业结识和激发了对本专业兴趣
参 考 文 献
{1} 张化光，孙秋野.MATLAB/Simulink实用教程.北京：人民邮电出版社，
[2] 姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真基本，北京：西安电子科技大学出版社，
[3] 樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社，
[4] 达新宇.通信原理与课程设计.北京：北京邮电大学出版社，

附录A MATLAB仿真程序
fs=；%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,))'*g1；%抽样
g1a=g11(:)';
g21=(ones(1,))'*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('产生波形')
ylabel('幅度')
subplot(313);
plot(t,sn);
title('将要通过滤波器波形')
ylabel('幅度大小')
xlabel('t')
figure(2) %FSK解调
b1=fir1(101,[1/800 20/800]);
b2=fir1(101,[40/800 60/800])；%设立带通参数
H1=filter(b1,1,sn);
H2=filter(b2,1,sn)；%通过带通滤波器后信号
subplot(211);
plot(t,H1);
title('通过带通滤波器f1后波形')
ylabel('幅度')
subplot(212)
plot(t,H2);
title('通过带通滤波器f2后波形')
ylabel('幅度')
xlabel('t')
sw1=H1.*H1;
sw2=H2.*H2；%通过相乘器
figure(3)
subplot(211);

plot(t,sw1);
title('通过相乘器h1后波形')
ylabel('幅度')
subplot(212);
plot(t,sw2);
title('通过相乘器h2后波形')
ylabel('幅度')
xlabel('t')
bn=fir1(101,[2/800 10/800])；%通过低通滤波器
figure(4)
st1=filter(bn,1,sw1);
st2=filter(bn,1,sw2);
subplot(211);
plot(t,st1);
title('通过低通滤波器sw1后波形')
ylabel('幅度')
subplot(212);
plot(t,st2);
title('通过低通滤波器sw2后波形')
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('通过抽样判决器后波形')
ylabel('幅度')
subplot(212);
plot(t,sn);
title('原始波形')
ylabel('幅度')
xlabel('t')