通信原理課程設(shè)計(jì)--差分碼fsk信號(hào)的相干解調(diào)系統(tǒng)仿真

1、<p>　　差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)系統(tǒng)仿真</p><p>　　學(xué)生姓名：** 指導(dǎo)老師： </p><p>　　摘 要 本次課程設(shè)計(jì)是利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)仿真系統(tǒng)，并把運(yùn)行仿真過(guò)程中各點(diǎn)的波形結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析驗(yàn)證差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)。之后加入高斯噪聲、萊斯噪聲、瑞利噪

2、聲等噪聲源，并觀察解調(diào)后波形變化，得出不同噪聲源以及加入噪聲的大小對(duì)解調(diào)波形的影響。</p><p>　　關(guān)鍵詞 差分碼；FSK；Simulink；調(diào)制；相干解調(diào)</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的目的是利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)仿

3、真系統(tǒng)，分析驗(yàn)證差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)。之后加入高斯噪聲、萊斯噪聲、瑞利噪聲等噪聲源，并觀察解調(diào)后波形變化，得出不同噪聲源以及加入噪聲的大小對(duì)解調(diào)波形的影響。</p><p>　　1.1 課程設(shè)計(jì)目的</p><p>　　通信原理課程設(shè)計(jì)是重要地實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。在進(jìn)行了專業(yè)基礎(chǔ)課和《通信原理》課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)或分析一個(gè)簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)，有助于加深對(duì)通信系統(tǒng)原理及組成的理解。本課程設(shè)

4、計(jì)指導(dǎo)書適用通信工程專業(yè)及其相近專業(yè)的本科學(xué)生。學(xué)生通過(guò)課程設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步理解通信系統(tǒng)的基本組成、模擬通信和數(shù)字通信的基礎(chǔ)理論、通信系統(tǒng)發(fā)射端信號(hào)的形成及接收端信號(hào)解調(diào)的原理、通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸質(zhì)量的檢測(cè)等方面的相關(guān)知識(shí)。并可綜合運(yùn)用這些知識(shí)解決一定的實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生在所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力上以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力上得到一定的提高。同時(shí)通過(guò)課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，認(rèn)真的工作作風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。</p><

5、p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)基本要求</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的要求包括熟悉掌握差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)的原理及實(shí)現(xiàn)，同時(shí)學(xué)習(xí)MATLAB的基本知識(shí)，熟悉MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)的特點(diǎn)、規(guī)范及語(yǔ)法結(jié)構(gòu)、編寫方法。利用通信原理中學(xué)習(xí)的內(nèi)容，在Simulink 仿真平臺(tái)中設(shè)計(jì)差分碼FSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)、基帶傳輸系統(tǒng)、A/D-D/A系統(tǒng)或差錯(cuò)控制編解碼系統(tǒng)，并按題目要求運(yùn)行、檢

6、測(cè)系統(tǒng)仿真結(jié)果。</p><p>　　1.3 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是利用MATLAB軟件的Simulink模塊進(jìn)行差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)系統(tǒng)仿真，并加入不同噪聲源，觀察其對(duì)調(diào)制后波形的影響。</p><p><b>　　2 基本原理</b></p><p>　　2.1 FSK數(shù)字信號(hào)的

7、產(chǎn)生</p><p>　　FSK信號(hào)是利用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波的頻率來(lái)傳送信息。例如，1碼用頻率f1來(lái)傳輸，0碼用f2來(lái)傳輸，而其振幅和初始相位不變，所以其表達(dá)式為</p><p>　　FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種：</p><p>　　（1）模擬法，即用數(shù)字基帶信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻。如圖2-1所示。</p><p>　?。?）鍵控法，用數(shù)

8、字基帶信號(hào)及其反相分別控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)門電路，以此對(duì)兩個(gè)載波發(fā)生器進(jìn)行選通，如圖2-2所示。</p><p>　　這兩種方法產(chǎn)生的FSK信號(hào)的波形基本相同，只有一點(diǎn)差異，即由調(diào)頻器產(chǎn)生的FSK信號(hào)在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的，而鍵控法產(chǎn)生的FSK信號(hào)，則分別有兩個(gè)獨(dú)立的頻率源產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，故相鄰碼元的相位不一定是連續(xù)的。</p><p>　　圖2-1 模擬法產(chǎn)生FSK信號(hào)原理圖<

9、;/p><p>　　圖2-2 鍵控法產(chǎn)生FSK信號(hào)原理圖</p><p>　　由鍵控法產(chǎn)生原理可知，一位相位離散的FSK信號(hào)可看成不同頻率交替發(fā)送的兩個(gè)ASK信號(hào)之和，即</p><p>　　其中，g(t)是脈沖寬度為T的矩形脈沖表示的NRZ數(shù)字基帶信號(hào)。</p><p>　　2.2 FSK信號(hào)的頻譜特性</p><p>

10、　　由于相位離散的FSK信號(hào)可看成兩個(gè)ASK信號(hào)之和，所以，這里可以直接應(yīng)用ASK信號(hào)的頻譜分析結(jié)果比較方便，即</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)產(chǎn)生FSK信號(hào)采用的是鍵控法。</p><p>　　2.3 差分碼FSK原理</p><p>　　差分碼FSK信號(hào)發(fā)生的方式是利用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化傳遞數(shù)字信息，所以又稱相對(duì)頻移鍵控，假設(shè)為當(dāng)前碼元與前一碼元的

11、載波相位差，可定義一種數(shù)字信息與之間的關(guān)系為</p><p>　　△φ=0 表示數(shù)字信號(hào)“0”</p><p>　　△φ=1 表示數(shù)字信號(hào)“1”</p><p>　　于是可以將一組二進(jìn)制信息與其對(duì)應(yīng)的差分碼FSK信號(hào)的載波相位關(guān)系示例如下：</p><p>　　二進(jìn)制數(shù)字信息： 1 0 1 1 0

12、 1 1 1 0 0</p><p>　　差分碼FSK (0) 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0</p><p>　　圖2-3 差分碼FSK信號(hào)波形</p><p><b>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p>&l

13、t;p><b>　　3.1 差分碼生成</b></p><p>　　利用MATLAB的Simulink模塊將信號(hào)進(jìn)行差分原理連線如圖3-1所示</p><p>　　圖3-1 差分碼生成接線圖</p><p>　　產(chǎn)生的差分碼如圖3-2所示</p><p>　　圖3-2 產(chǎn)生的示例差分碼波形圖</p>

14、<p>　　3.2 差分碼FSK信號(hào)的調(diào)制及其相干解調(diào)</p><p>　　利用MATLAB的Simulink模塊連接成的差分碼FSK信號(hào)的調(diào)制及其相干解調(diào)如圖3-3所示</p><p>　　圖3-3 差分碼FSK信號(hào)的調(diào)制及其相干解調(diào)模塊接線圖</p><p>　　差分碼FSK信號(hào)的調(diào)制過(guò)程：</p><p>　　差分的FSK信號(hào)

15、的調(diào)制采用的是鍵控法產(chǎn)生，即在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列的控制下通過(guò)開(kāi)關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。</p><p>　　在調(diào)制模塊中，基帶信號(hào)Bernoulli Binary Generator、載波1 sine wave1、載波2 sine wave2、選通開(kāi)關(guān) Switch、差分模塊Logical Operator、Unit Delay、Data Type Conversion參數(shù)設(shè)置分別如圖3-4、3

16、-5、3-6、3-7、3-8、3-9、3-10所示</p><p>　　圖3-4 基帶信號(hào)Bernoulli Binary Generator參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖3-5 載波1 sine wave1參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖3-6 載波2 sine wave2參數(shù)設(shè)置</p><p>　　3-7 選通開(kāi)關(guān) Switch參數(shù)設(shè)

17、置</p><p>　　圖3-8 Logical Operator參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖3-9 Unit Delay參數(shù)設(shè)置</p><p>　　3-10 Data Type Conversion參數(shù)設(shè)置</p><p>　　差分碼FSK信號(hào)調(diào)制波形如圖3-11所示</p><p>　　圖3-11 差分碼FS

18、K信號(hào)調(diào)制仿真波形</p><p>　　圖中，第一個(gè)波形是基帶信號(hào)波形，第二個(gè)是載波1波形，第三個(gè)是載波2波形，第四個(gè)是基帶信號(hào)差分碼波形，第五個(gè)是差分碼的FSK調(diào)制波形。</p><p>　　差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)過(guò)程：</p><p>　　FSK信號(hào)的常用解調(diào)方法是采用非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）和相干解調(diào)。其解調(diào)原理是將FSK信號(hào)分解為上下兩路ASK信號(hào)分別進(jìn)行

19、解調(diào)。然后進(jìn)行判決（decision）。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號(hào)值抽樣的大小，可以不專門設(shè)置門限。判決規(guī)則應(yīng)與調(diào)制規(guī)則相呼應(yīng)，調(diào)制時(shí)若規(guī)定“1”符號(hào)對(duì)應(yīng)載波頻率f1，則接收時(shí)上支路的樣值較大，應(yīng)判為“1”；反之則判為“0”。</p><p>　　FSK信號(hào)相干解調(diào)原理如圖3-12所示</p><p>　　圖3-12 FSK信號(hào)相干解調(diào)原理圖</p><p>

20、　　信號(hào)解調(diào)過(guò)程中，上路帶通濾波器及低通濾波器參數(shù)設(shè)置如3-13、3-14所示</p><p>　　圖3-13 上路帶通濾波器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖3-14 上路低通濾波器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　下路帶通濾波器及低通濾波器參數(shù)設(shè)置如3-15、3-16所示</p><p>　　圖3-15 下路帶通濾波器參數(shù)設(shè)置</p>

21、;<p>　　圖3-16 下路低通濾波器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　乘法器參數(shù)設(shè)置如下圖3-17 （a）Main /(b)Signal Attributes</p><p>　　(a) Main (b) Signal Attributes</p><p>　　圖3-17 乘法器參數(shù)設(shè)置</p>

22、;<p>　　加減法器參數(shù)設(shè)置如圖3-18所示</p><p>　　圖3-18 加減法其參數(shù)設(shè)置</p><p>　　Zero-Order Hold模塊參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖3-19</p><p>　　圖3-19 Zero-Order Hold模塊參數(shù)設(shè)置</p><p>　　Quantizing Encoder模塊參數(shù)設(shè)置如圖3-20

23、</p><p>　　圖3-20 Quantizing Encoder模塊參數(shù)設(shè)置</p><p>　　差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)過(guò)程中，解差分部分的模塊與差分部分的模塊參數(shù)設(shè)置一樣，再次不再列舉。</p><p>　　示波器參數(shù)設(shè)置如下圖3-21</p><p>　　圖3-21 示波器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　在

24、所有模塊連接正確，并正確設(shè)置各模塊參數(shù)后，進(jìn)行Simulink仿真，能在示波器上得到已解調(diào)波形，并可以在誤碼率模塊看出解調(diào)的誤碼率。</p><p>　　經(jīng)過(guò)解調(diào)后，得到的解調(diào)信號(hào)如圖3-22所示</p><p>　　圖3-22 解調(diào)仿真波形</p><p>　　圖中，第一個(gè)為基帶信號(hào)，第二個(gè)為基帶信號(hào)的差分信號(hào)，第三個(gè)為載波1的波形，第四個(gè)為載波2的波形，第五個(gè)為

25、調(diào)制后的差分FSK信號(hào)，第六個(gè)為解調(diào)后的信號(hào)。</p><p>　　3.3 解調(diào)信號(hào)誤碼率分析</p><p>　　為了對(duì)信號(hào)解調(diào)后進(jìn)行誤碼分析，在解調(diào)信號(hào)后加入誤碼率模塊，誤碼率模塊部分由Error Rate Calculation模塊和Display模塊組成。</p><p>　　其參數(shù)設(shè)置分別如圖3-23及圖3-24所示</p><p>

26、;　　圖3-23 Error Rate Calculation模塊參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖3-24 Display模塊參數(shù)設(shè)置</p><p>　　經(jīng)信號(hào)解調(diào)后，得到的誤碼率如圖3-25所示</p><p><b>　　圖3-25 誤碼率</b></p><p>　　有輸出結(jié)果可知，此次解調(diào)在沒(méi)有加入噪聲信號(hào)的情

27、況下誤碼率為0.025。</p><p>　　3.3 差分的FSK信號(hào)調(diào)制及相干解調(diào)的頻譜分析</p><p>　　在差分的FSK信號(hào)調(diào)制及相干解調(diào)simulink仿真圖里加入頻譜分析模塊，得到的模塊連接圖如圖3-26所示</p><p>　　圖3-26 差分的FSK信號(hào)調(diào)制及相干解調(diào)頻譜分析連線圖</p><p>　　圖中，Power Sp

28、ectralDensity1模塊對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，Power SpectralDensity2模塊對(duì)調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，Power SpectralDensity3模塊對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。</p><p>　　Power SpectralDensity模塊的參數(shù)設(shè)置如下圖3-27</p><p>　　圖3-27 Power SpectralDensity模塊的參數(shù)設(shè)置&

29、lt;/p><p>　　進(jìn)行仿真后，基帶信號(hào)頻譜分析圖（Power SpectralDensity1）如圖3-28所示</p><p>　　圖3-28 基帶信號(hào)頻譜分析圖（Power SpectralDensity1）</p><p>　　調(diào)制后信號(hào)頻譜分析圖（Power SpectralDensity2）如圖3-29所示</p><p>　　圖

30、3-29 調(diào)制后信號(hào)頻譜分析圖（Power SpectralDensity2）</p><p>　　解調(diào)后信號(hào)頻譜分析圖（Power SpectralDensity3）如圖3-30所示</p><p>　　圖3-30 解調(diào)后信號(hào)頻譜分析圖（Power SpectralDensity3）</p><p>　　3.3 加入噪聲源的差分碼FSK調(diào)制及其相干解調(diào)分析<

31、/p><p>　　在調(diào)制與解調(diào)電路間加上噪聲源，模擬信號(hào)在不同信道中的傳輸：a用高斯白噪聲模擬有線信道，b用瑞利噪聲模擬有直射分量的無(wú)線信道，c用萊斯噪聲模擬無(wú)直射分量的無(wú)線信道。</p><p>　　a 信道中加入高斯噪聲電路圖如圖3-31所示</p><p>　　圖3-31 信道中加入高斯噪聲電路圖</p><p>　　高斯噪聲發(fā)生器參數(shù)設(shè)置

32、如圖3-32所示</p><p>　　圖3-32 高斯噪聲發(fā)生器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　加入高斯噪聲后的仿真波形及其誤碼率如圖3-33和3-34所示</p><p>　　圖3-33 加入高斯噪聲后的仿真波形圖</p><p>　　圖3-34 加入高斯噪聲后的仿真波形誤碼率</p><p>　　由此可知，在加入高斯

33、噪聲之后，誤碼率提高為0.125</p><p>　　在調(diào)節(jié)高斯噪聲發(fā)生器中variance值為100后，得到的誤碼率如圖3-35所示</p><p>　　圖3-35 variance值為100時(shí)誤碼率</p><p>　　由此可見(jiàn)，在提高高斯噪聲的方差后，解調(diào)后的誤碼率明顯加大。</p><p>　　b信道中加入瑞利噪聲電路圖如圖3-36所

34、示</p><p>　　圖3-36 信道中加入瑞利噪聲電路圖</p><p>　　瑞利噪聲發(fā)生器參數(shù)設(shè)置如圖3-37所示</p><p>　　圖3-37 瑞利噪聲發(fā)生器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　加入瑞利噪聲后的仿真波形及其誤碼率如圖3-38和3-39所示</p><p>　　圖3-38 加入瑞利噪聲后的仿真波形&l

35、t;/p><p>　　圖3-39加入瑞利噪聲后的仿真波形誤碼率</p><p>　　調(diào)節(jié)瑞麗噪聲發(fā)生器sigma值為100后，得到的誤碼率如圖3-40所示</p><p>　　圖3-40 sigma值為100時(shí)誤碼率</p><p>　　由此可見(jiàn)，在提高瑞麗噪聲的sigma后，解調(diào)后的誤碼率明顯加大。</p><p>　　

36、c信道中加入萊斯噪聲的電路圖如圖3-41所示</p><p>　　圖3-41 信道中加入萊斯噪聲的電路圖</p><p>　　萊斯噪聲發(fā)生器參數(shù)設(shè)置如圖3-42所示</p><p>　　圖3-42 萊斯噪聲發(fā)生器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　加入萊斯噪聲后的仿真波形及其誤碼率如圖3-43和3-44所示</p><p>

37、　　圖3-43 加入萊斯噪聲后的仿真波形</p><p>　　圖3-44 加入萊斯噪聲后誤碼率</p><p>　　調(diào)節(jié)瑞麗噪聲發(fā)生器sigma值為100后，得到的誤碼率如圖3-45所示</p><p>　　圖3-45 sigma值為100時(shí)誤碼率</p><p>　　由此可見(jiàn)，在提高萊斯噪聲的sigma后，解調(diào)后的誤碼率明顯加大</p

38、><p><b>　　仿真電路分析與總結(jié)</b></p><p><b>　　出現(xiàn)的問(wèn)題</b></p><p>　　1 在差分碼FSK信號(hào)的相干解調(diào)電路連接過(guò)程中，上下兩路信號(hào)不能同時(shí)連入抽樣判決器。</p><p>　　2 各帶通濾波器和低通濾波器設(shè)置不正確，導(dǎo)致無(wú)法正確的到波形圖。</p&g

39、t;<p>　　3 示波器在仿真完后，總是只顯示后面一段。</p><p>　　4 抽樣時(shí)間沒(méi)有設(shè)置成同一值，導(dǎo)致無(wú)法正確得到解調(diào)波形。</p><p><b>　　解決方法</b></p><p>　　1 上下兩路信號(hào)應(yīng)有一個(gè)加減法其相連，加入加減法器后，兩信號(hào)正確連接在一起。</p><p>　　2 通

40、過(guò)測(cè)試通過(guò)各濾波器各波形的頻譜，根據(jù)數(shù)據(jù)，正確設(shè)置相關(guān)參數(shù)，最后得出正確波形。</p><p>　　3 在示波器參數(shù)設(shè)置中，將“只保留最后5000個(gè)抽樣點(diǎn)”去掉，再重新進(jìn)行仿真后，就能完整現(xiàn)實(shí)整個(gè)時(shí)間段的波形了。</p><p>　　4 經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查，將抽樣時(shí)間設(shè)置為同一值后，問(wèn)題解決，得到正確波形。</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b>

41、</p><p>　　經(jīng)過(guò)這次為期2周的通信原理課程設(shè)計(jì)，不僅是對(duì)我理論知識(shí)的一個(gè)考驗(yàn)，也是對(duì)我獨(dú)立思考、動(dòng)手能力的一個(gè)考驗(yàn)。在這兩周的時(shí)間里我真真切切的學(xué)到了很多東西，不僅提高了自己用 MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際操作能力，也大大鞏固了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與運(yùn)用。</p><p>　　在這兩周，從開(kāi)始對(duì)待題目的茫然，到如今報(bào)告完成的喜悅，自己也是感概頗多。通過(guò)不斷

42、地從書本，網(wǎng)絡(luò)等地方查找資料，我學(xué)習(xí)到了很多課堂上無(wú)法學(xué)習(xí)到的東西。到后來(lái)的實(shí)際操作MATLAB，我也是困難重重，幾乎對(duì)Simulink模塊是一無(wú)所知，也是通過(guò)自己去查看相關(guān)書籍以及動(dòng)手摸索，一步一步地將問(wèn)題解決了，只有在自己努力后解決了問(wèn)題，才能體會(huì)到那種成功的喜悅。再后來(lái)的一些小細(xì)節(jié)上，我也由于不細(xì)心，導(dǎo)致了很多不必要的錯(cuò)誤，比如參數(shù)設(shè)置不完整，抽樣時(shí)間設(shè)置不統(tǒng)一等等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查才得以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。讓我無(wú)形當(dāng)中讓我學(xué)會(huì)了

43、對(duì)待任何事情都要細(xì)心，不得馬虎?？傊@次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)習(xí)了很多，也收獲了很多。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)的圓滿完成，也多虧了指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)與同學(xué)們的不吝幫助，正是由于他們，才讓我順利解決一個(gè)一個(gè)難題，最后得到正確結(jié)果，在這里，向他們一致表示感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]鄧華.MA

44、TLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解.人民郵電出版社，2003.9</p><p>　　[2] 樊昌信 曹麗娜 編著通信原理（第六版）.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.3</p><p>　　[3] 邵玉斌 編著 Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析 北京.清華大學(xué)出版社.2008.6</p><p>　　[4] 達(dá)新宇 林家薇 杜思深 編著. 通信原