課程設計----基于matlab的4fsk系統(tǒng)設計仿真

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課程名稱： 專業(yè)課程設計 </p><p>　　題 目： 基于matlab的4FSK系統(tǒng)設計仿真 </p>

2、<p>　　學 院： 電子系 系： 信息工程學院 </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學 號：

3、 </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師：職稱：

4、 </p><p>　　學院審核（簽名）： </p><p>　　審核日期：

5、 </p><p>　　設計基本原理與系統(tǒng)框圖</p><p>　　以前學過2FSK信號的產(chǎn)生，知道它有兩種方法：調(diào)頻法和開關(guān)法，前者是用二進制基帶矩形脈沖信號去調(diào)制一個調(diào)頻器，使其能輸出兩個不同頻率的碼元；后者是用一個受基帶脈沖控制的開關(guān)電路去選擇兩個獨立頻率源的振蕩作為輸出。2FSK鍵控法調(diào)頻原理圖如下：</p><p>　　這里我們要研究的是4FS

6、K信號，是采用第二種方法得到的，即用基帶四進制信號去鍵控四個頻率不同的載波，就可以得到四進制頻移鍵控信號，其中4FSK是采用四個不同的頻率分別表示四進制的的四個碼元00、01、10、11，每個碼元都含有2bit的信息，其波形如圖1-1所示，這時仍和2FSK時的條件相同，即要求每個載頻之間的距離足夠大，使不同頻率的碼元頻譜能夠用濾波器分離開，或者說使不同頻率的碼元相互正交。4FSK調(diào)制原理如下：</p><p>　

7、　傳“0”信號(或00)時，發(fā)送頻率為f1的載波； 傳“1”信號(或10)時，發(fā)送頻率為f2的載波； 傳“2”信號(或11)時，發(fā)送頻率為f3的載波； 傳“3”信號(或01)時，發(fā)送頻率為f4的載波。</p><p>　　系統(tǒng)方框圖如圖1-2所示</p><p><b>　　各單元電路圖設計</b></p><p>　　本次系統(tǒng)設計大致可分為四

8、大模塊：㈠晶體振蕩器與信源共用，位于信源單元；㈡多級分頻電路；㈢4FSK調(diào)制中的邏輯電路單元；㈣二進制基帶信號的串/并轉(zhuǎn)換模塊。</p><p><b>　　信源單元電路</b></p><p>　　本模塊是整個課程設計系統(tǒng)的發(fā)終端，模塊內(nèi)部只使用+5V電壓，其原理方框圖如圖1-3所示本單元用來產(chǎn)生晶振信號和NRZ信號，圖1-4為信源單元電路圖，它上面的元器件與圖1-

9、3上各單元對應關(guān)系如下：</p><p>　　晶振 CRY：晶體； U1：反相器7404</p><p>　　分頻器 U2：計數(shù)器74161；U3：計數(shù)器74193；U4：計數(shù)器40160</p><p>　　并行碼產(chǎn)生器 K1、K2、K3：8位手動開關(guān)，從左至右依次與幀同步碼、數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2相對應；發(fā)光二極管：左起分別與一幀中的24位

10、代碼相對應</p><p>　　八選一 U5、U6、U7：8位數(shù)據(jù)選擇器4512</p><p>　　三選一 U8：8位數(shù)據(jù)選擇器4512</p><p>　　倒相器 U20：非門74LS04</p><p>　　抽樣 U9：D觸發(fā)器74LS74</p><p>　　

11、從晶振產(chǎn)生一個4.096KHz的信號，一路做時鐘信號CLK，一路送到74LS193，74193完成÷2、÷4、÷8運算，輸出BS、S1、S2、S3等4個信號。BS為位同步信號，頻率為2048MHz，S1、S2、S3為3個選通信號，頻率分別為BS信號頻率的1/2、1/4和1/8。74193是一個4位二進制加/減計數(shù)器，當CD= PL =1、MR=0時，可在QA、QB、QC及QD端分別輸出上述4個信號。<

12、/p><p><b>　?、?、多級分頻電路</b></p><p>　　它是由晶振電路和一個具有分頻功能的74LS193芯片構(gòu)成的。系統(tǒng)要求產(chǎn)生四個頻率不同的脈沖序列，所以要通過分頻電路將主時鐘輸出的信號分別進行2分頻、4分頻、8分頻。根據(jù)頻率的不同，采用三個分頻器進行分頻。CLK信號由一個晶振電路實現(xiàn)，信號分別是由三個串接的二分頻器而得到的，它們的頻率分別為CLK頻率的

13、1/2、1/4、1/8，其電路圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 分頻電路圖，</p><p>　?、纭?FSK調(diào)制中的邏輯電路單元</p><p>　　類似于2FSK調(diào)制模塊，4FSK調(diào)制模塊是采用一個四選一數(shù)據(jù)選擇器，經(jīng)過多次分頻產(chǎn)生的四個不同頻率的信號作為數(shù)據(jù)選擇器的四個輸入端，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換的兩路并行信號作為數(shù)據(jù)選擇器的兩個地址端，對應的每一種地

14、址選中不同頻率的輸入信號，即“00”時選中頻率為的信號；“01”時選中頻率為的信號；“10”時選中頻率為的信號；“11”時選中頻率為的信號。</p><p><b>　　圖3-1 邏輯電路</b></p><p>　　圖3-1中的邏輯電路即為雙四選一數(shù)據(jù)選擇器，接口分別接來自多次分頻的頻率不同的四種信號附加控制端接地，分別接串/并轉(zhuǎn)換電路的兩個輸出端，輸出端即為4FS

15、K調(diào)制信號。</p><p>　?、?、二進制基帶信號的串/并轉(zhuǎn)換模塊</p><p>　　串/并轉(zhuǎn)換器：移位寄存器除了具有存儲代碼的功能以外，還具有移位功能。所謂移位功能，是指寄存器里存儲的代碼能在移位脈沖的作用下依次左移或右移，因此移位寄存器還可以用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖5.1所示電路是由對稱式多諧振蕩器和二位移位寄存器（邊沿觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的D

16、觸發(fā)器組成）構(gòu)成的串并轉(zhuǎn)換模塊電路，其中對稱式多諧振蕩器是用來產(chǎn)生串行輸入信號和移位脈沖的，第一個觸發(fā)器的輸入端接收串行輸入信號，其余的每個寄存器輸入端均與前邊一個觸發(fā)器的Q端相連。</p><p>　　圖5-1串并轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　因為從CP上升沿到達開始到輸出端新狀態(tài)的建立需要經(jīng)過一段傳輸延遲時間，所以當CP的上升沿同時作用于所有的觸發(fā)器時，它們輸入端的狀態(tài)還沒有改變。于

17、是按原來的狀態(tài)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　例如，在4個時鐘周期內(nèi)輸入代碼依次為1011，而移位寄存器的初始狀態(tài)為=00，那么在移位寄存器的作用下，移位寄存器里的代碼移動情況如表5-2所示，圖5-3給出了各觸發(fā)器在移位過程中的電壓波形圖。 </p><p>　　可以看到，經(jīng)過四個CP信號以后，串行輸入的4個代碼全部移入了移位寄存器中，同時在4個觸發(fā)器的輸出端得到了并行輸出的代碼。</p

18、><p><b>　　表5-2</b></p><p>　　總電路圖如圖5.4所示</p><p>　　圖5.4所示 總電路圖</p><p>　　三、4FSk的解調(diào)原理</p><p>　　4FSK信號的相干解調(diào)法原理框圖如圖1.2所示。其原理是：4FSK信號先經(jīng)過帶通濾波器去除調(diào)制信號頻帶以外的在

19、信道中混入的噪聲，此后該信號分為四路，每路信號與相應載波相乘，再經(jīng)過低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號的低頻信號，將其送入抽樣判決器中進行抽樣判決，抽樣判決器的輸出分別得到兩路原基帶信號表示四進制得到原始碼元。</p><p>　　圖1.2 4FSK鍵控法解調(diào)原理框圖</p><p>　　四、 4FSK 調(diào)制算法分析</p><p>　　(1)、將輸入的二進制

20、序列按奇位、偶位進行串并轉(zhuǎn)換。</p><p>　　(2)、根據(jù)DMR標準中的符號和比特的對應關(guān)系表1[4]，將二進制的0、1序列映射為相應</p><p><b>　　的四電平符號流。</b></p><p>　　(3)、將這些符號流每符號插入8個數(shù)值點，并輸入平方根升余弦濾波器進行平滑處理，</p><p>　　則可

21、得到輸入調(diào)制信號m(n)。</p><p>　　濾波器為平方根升余弦濾波器[4]，奈奎斯特升余弦濾波器的一部分用于抑制鄰道干擾，</p><p>　　另一部分用于接收機抑制噪聲。抑制鄰道干擾濾波器的輸入包含一系列脈沖，這些脈沖之間</p><p>　　的間隔為208，33ms(1/4800s)。通過定義根升余弦濾波器的頻率響應為奈奎斯特升余弦濾波</p>

22、<p>　　器的平方根，來定義奈奎斯特升余弦濾波器的分割。濾波器的群延遲在帶通范圍|f|<2880Hz</p><p>　　內(nèi)是平滑的。濾波器的的幅頻響應由下面公式近似給出[4]：</p><p>　　F( f ) =1 當 |f|≤ 1920 Hz</p><p>　　F( f ) = cos(π f / 1920) 當 1920 Hz<

23、 |f| ≤ 2880 Hz (1)</p><p>　　F( f ) = 0 當 |f|>2880 Hz</p><p>　　其中F( f ) 代表平方根升余弦濾波器的幅頻響應。</p><p>　　則該濾波器的傳輸頻率df 為2880-1920=960Hz，</p><p>　　濾波器的等效截止頻率F0 為240

24、0Hz。</p><p>　　(4)、將m(n)輸入頻率調(diào)制器進行FM調(diào)制。則可得到4FSK調(diào)制輸出信號。</p><p><b>　　調(diào)頻信號：</b></p><p>　　式中: kf 為調(diào)頻指數(shù)。</p><p>　　將其離散化,在nTs的時間內(nèi)對信號m(n)累加求和,得:</p><p>

25、　　由(2)式得該4FSK系統(tǒng)調(diào)制實現(xiàn)方框圖如下:</p><p>　　五、4FSK 解調(diào)算法分析</p><p>　　解調(diào)過程跟調(diào)制過程恰好相反，將經(jīng)過信道傳輸?shù)浇邮斩说男盘柾ㄟ^頻率解調(diào)器進行</p><p>　　解調(diào)。對于同一種數(shù)字調(diào)制信號，采用相干解調(diào)方式的誤碼率低于采用非相干解調(diào)方式的誤</p><p>　　碼率，所以這里采用相干解調(diào)

26、方式。將解調(diào)后的信號經(jīng)濾波器后，再經(jīng)抽樣判決則可輸出四</p><p>　　電平符號，將其按表1反映射，即可輸出二進制比特。</p><p><b>　　解調(diào)框圖如下所示：</b></p><p>　　解調(diào)中F(f)濾波器的幅頻響應與調(diào)制中相同。</p><p>　　將(2)式cos部分按三角公式展開得：</p&g

27、t;<p>　　將其經(jīng)過低通濾波器，濾掉高頻分量，則(8)式剩下1/ 2A* I (nTs)分量，(10)式只剩下</p><p>　　1/ 2A*Q(nTs)分量。</p><p>　　將(13)式經(jīng)相位校正后，再由(14)即可解調(diào)出m(n)。</p><p>　　由于在數(shù)字域內(nèi)，頻率和相位的關(guān)系是簡單的一階差分關(guān)系，如公式(13)所示。在實際<

28、;/p><p>　　中，要想準確實現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào)，差分鑒頻必須滿足以下要求[6][7]：</p><p>　　(a)、相鄰的兩個相位差應限制在[?π ,π ]內(nèi)，否則出現(xiàn)相位跳變。</p><p>　　(b)、當相位差大于2π 時，應進行模2π 處理。</p><p>　　4FSK 相干解調(diào)的實現(xiàn)方框圖如下：</p><p&

29、gt;　　最后將解調(diào)后的信號m(n)經(jīng)過匹配濾波器后，再經(jīng)過抽樣判決，可獲得四電平符號，</p><p>　　由標準中的表1 所示對應關(guān)系，可將四電平符號再反映射為二進制比特流。</p><p><b>　　六、 軟件實現(xiàn)方案</b></p><p>　　按照上節(jié)的算法分析及調(diào)制、解調(diào)方框圖，做出軟件實現(xiàn)方案圖如圖7 所示。</p>

30、<p>　　FSK調(diào)制解調(diào)MATLAB源代碼</p><p>　　關(guān)鍵詞：FSK 高斯白噪聲 調(diào)制 眼圖 信噪比function FSK</p><p>　　Fc=10;   %載頻Fs=40;   %系統(tǒng)采樣頻率Fd=1;    %碼速率N=Fs/Fd;df=10;numSymb=20;%進行仿真的信

31、息代碼個數(shù)M=4;       %進制數(shù)SNRpBit=80;%信噪比SNR=SNRpBit/log2(M);seed=[12345 54321];numPlot=20;x=randsrc(numSymb,1,[0:M-1]);%產(chǎn)生20個二進制隨機碼figure(1)stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),'bx');title(

32、9;輸入四進制隨機序列')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');</p><p>　　%調(diào)制y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,'fsk',M,df);%4FSK調(diào)制函數(shù)numModPlot=numPlot*Fs;t=[0:numModPlot-1]./Fs;figure(2)plot(t,y(1:length(

33、t)),'b-');axis([min(t) max(t) -1.5 1.5]);title('調(diào)制信號輸出')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');</p><p>　　%在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲randn('state',seed(2));y=awgn(y,SNR-10*log10(0

34、.5)-10*log10(N),'measured',[],'dB');%在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲figure(3)plot(t,y(1:length(t)),'b-');%畫出經(jīng)過信道的實際信號axis([min(t) max(t) -1.5 1.5]);title('加入高斯白噪聲后的已調(diào)信號')xlabel('Time');ylabel(

35、'Amplitude');</p><p>　　%相干解調(diào)figure(4)z1=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye',M,df);title('相干解調(diào)后的信號的眼圖')%帶輸出波形的相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(5)stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),'bx');hold on;s

36、tem([0:numPlot-1],z1(1:numPlot),'ro');hold off;axis([0 numPlot -0.5 1.5]);title('相干解調(diào)輸出信號與原序列的比較')legend('原輸入二進制隨機序列','相干解調(diào)后的信號')xlabel('Time');ylabel('Amplitude');

37、%非相干解調(diào)figure(6)z2=ddemod(y,Fc,Fd,Fs,'fsk/eye/noncoh',M,df);title('非相干解調(diào)后的信號的眼圖')%帶輸出波形的非相干M元頻移鍵控解調(diào)figure(7)stem([0:numPlot-1],x(1:numPlot),'bx');hold on;stem([0:numPlot</p><p>

38、;<b>　　七、 軟件實現(xiàn)結(jié)果</b></p><p>　　本文給出了MATLAB軟件實現(xiàn)4FSK 調(diào)制解調(diào)過程中的詳細結(jié)果。</p><p>　　7.1 調(diào)制過程仿真實現(xiàn)結(jié)果</p><p>　　先將截取的二進制比特流按奇、偶位分開，再按照前面表1 所示的映射關(guān)系，將二進制</p><p>　　序列映射為四電平符號，

39、得到的四電平符號局部如下圖8 所示：</p><p>　　圖 8將二進制比特流映射為四電平符號</p><p>　　對四電平符號進行插值濾波，并進行平滑濾波后得到輸入調(diào)制信號m(n)，濾波器即為</p><p>　　前面介紹的平方根升余弦濾波器。</p><p>　　插值濾波后生成的局部的與上述顯示四電平符號對應的輸入調(diào)制信號m(n)顯示如下

40、圖</p><p><b>　　9：</b></p><p>　　圖 9 輸入調(diào)制信號m(n)</p><p>　　做輸入調(diào)制信號m(n)的頻譜(由于重在觀察調(diào)頻前后頻譜的搬移情況，為便于觀察，取</p><p>　　頻譜的絕對值，并將零頻時圖形轉(zhuǎn)換至圖的正中來顯示)，如下圖10：</p><p&g

41、t;　　圖 10 輸入調(diào)制信號m(n)的頻譜</p><p>　　做出調(diào)制輸出信號的頻譜如下圖11 所示(為便于觀察頻譜的搬移情況，取了頻譜的絕</p><p>　　對值，并將零頻時的圖形轉(zhuǎn)換到了圖的正中間顯示，若未轉(zhuǎn)換，頻譜邊帶在載頻+fc 與-fc</p><p>　　周圍分布)，顯然可以看到，調(diào)制過程實現(xiàn)了頻譜的搬移，將輸入調(diào)制信號的頻譜由低頻搬</p

42、><p>　　移到了中頻fc 處。</p><p>　　圖 11調(diào)制輸出信號頻譜</p><p>　　7.2 解調(diào)過程仿真實現(xiàn)結(jié)果</p><p>　　將調(diào)制輸出信號輸入到傳輸信道進行傳輸。在信道中由于存在干擾，則到達接收端的</p><p>　　在調(diào)制輸出信號基礎上附加了高斯白噪聲。下面開始解調(diào)過程。</p>

43、<p>　　我們采用相干解調(diào)方式對其進行解調(diào)。將接收到信號分別乘上本地載波 與</p><p>　　后通過低通濾波器，濾掉高頻分量，然后對其進行抽樣，可得到Ik2 與Qk2。</p><p>　　用Ik2 與Qk2 計算相位，應用(14)式，就可以得到解調(diào)后的序列。顯示如下圖12。</p><p>　　圖 12 解調(diào)后得到的信號</p>

44、<p>　　做解調(diào)后得到的信號的頻譜(為便于觀察， 取了頻譜的絕對值，并將零頻轉(zhuǎn)換至了圖</p><p>　　的正中顯示)，顯示如下圖13：</p><p>　　圖 13 解調(diào)后得到信號的頻譜</p><p>　　對產(chǎn)生的解調(diào)后信號每8 點取一個抽樣點，得一新序列，對按下面三個門限+2，0，-2</p><p>　　依次進行抽樣判決

45、，即可得到解調(diào)后的四電平符號。</p><p>　　解調(diào)出的四電平符號局部顯示如下圖14：</p><p>　　圖 14 解調(diào)后得出的四電平符號</p><p>　　按照與表1 相反的過程，將該四電平符號反映射為二進制序列，即可完成解調(diào)過程。</p><p>　　MATLAB仿真眼圖</p><p><b>

46、　　6.3 誤碼率計算</b></p><p>　　輸入二進制比特流與輸出二進制比特流均為二進制序列，則二者對應不同的位即為誤</p><p>　　碼位，統(tǒng)計出誤碼位的個數(shù)，則可求出此過程的誤碼率來。使信噪比發(fā)生改變，則誤碼率也</p><p>　　相應發(fā)生變化，可以做出誤碼率與信噪比之間的關(guān)系圖。</p><p>　　誤碼率與信

47、噪比關(guān)系如下圖15 所示：</p><p>　　圖 17 信噪比與誤碼率關(guān)系圖</p><p>　　由上面誤碼率與信噪比的關(guān)系圖，我們可以看到，在這種相干解調(diào)方式中，隨著信噪</p><p>　　比的增大，誤碼率逐漸降低，與實際信道是相吻合的。</p><p><b>　　八、心得體會</b></p>&l

48、t;p>　　首先，通過練習熟悉和掌握通信仿真軟件System View的使用，在練習的同時我又重新復習了通信原理很多知識，進一步加深了對通信系統(tǒng)知識的掌握，把所學的知識理論與實踐相結(jié)合。</p><p>　　其次，在通信系統(tǒng)仿真的過程中，我遇到了很多的問題，我通過自己查資料，請教老師和同學一一的解決遇到的各種問題。我不僅學會獨立思考問題、分析問題、解決問題，而且加深了對理論知識的掌握，還增強了自己的動手能力