4FSK课程设计与仿真

课程设计I(数据通信原理)设计说明书4FSK数字通信系统的设计与仿真学生姓名学号班级成绩指导教师数学与计算机科学学院2015年9月12日2015—2016学年第1学期课程设计名称：通信原理课程设计题目：4FSK数字通信系统的设计与仿真完成期限：自2015年8月31日至2015年9月11日共2周设计内容：1．任务设计一个4FSK调制解调系统2．要求1)4FSK信号波形的载频和相位参数应随机设置2)系统要求加入高斯白噪声3)4FSK解调方框图采用相干接收形式4)分析误码率3．参考文献[1]《通信原理》王福昌清华大学出版社2006[2]《电子技术实验教程[M]》王紫婷西南交大出版社2001[3]《MATLAB仿真技术与应用教程》钟麟王峰国防工业出版社2003[4]《MATLAB通信仿真与技术应用》刘敏魏玲国防工业出版社2001指导教师：教研室负责人：课程设计评阅评语：指导教师签名：年月日摘要在数字信号的调制方式中4PSK是目前最常用的一种数字信号的调制方式，它具有较高的频谱利用率，较强的抗干扰性，在电路时实现也较为简单。调制技术是通信领域里非常重要的环节，一种好的调制技术不仅可以节约频谱资源而且可以提供良好的通信性能。4PSK调制是一种具有较高频带利用率和良好坑噪声性能的调制方式，在数字移动通信中已经得到了广泛的应用。本次设计在理解4PSK调制解调原理的基础上应用MATLAB语言来完成仿真，仿真出4PSK的调制以及解调的仿真图，包括已调信号的波形，解调后的信号波形，眼图和误码率。在仿真的基础上分析了各种调制方法的性能，并通过比较仿真模型与理论计算的性能，证实仿真模型的可行性。关键词：2FSK；4FSK；MATLAB目录1绪论.............................................................11.1通信技术的历史与发展.......................................11.1.1通信的概念............................................11.1.2通信的发展史简介......................................11.2数字调制的发展现状与趋势...................................21.3MATLAB软件的介绍..........................................1024FSK调制解调的基本原理设计......................................32.1调制原理..................................................32.14FSK调制算法分析..........................................52.1解调原理..................................................72.14FSK解调算法分析..........................................834FSK的调制和解调MATLAB仿真.....................................123.14FSK于MATLAB的仿真....................................123.2误码率的计算............................................154总结.............................................................16参考文献............................................................1711绪论1.1通信技术的历史与发展1.1.1通信的概念通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息就是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音，文字，数据，图形和图像等都是消息（Message）。消息有模拟消息（语音，图像等）以及数字消息（如数据，文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号后才能在通信系统中传输。所有，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的载体。相应的信号可以分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但是幅度是连续的，如电话机，电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但是幅度是离散的，如计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。数字通信系统较模拟通信系统而言，具有较强的抗干扰性，便于加密，易于实现集成化，便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的高要求。1.1.2通信的发展史简介远古时代，远距离的传递消息是以书信的形式来完成的，这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息，人们不断地尝试所能找到的各种最新的传递手段。1837年发明的莫尔斯电磁式电报标志着电通信的开始。之后，利用电进行通信的醒酒取得了长足的进步。1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876年贝尔发明了电话，利用了电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变得既迅速有准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以知道20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报得到了更为迅速和广泛的发展。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志着数字通信的开始。20世纪60年代以后集成电路，电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。21.2数字调制的发展现状与趋势进入20世纪以来，随着晶体管，集成电路的出现与普及，无线通讯迅速发展。特别是在20世纪后半叶，随着人造卫星的发射，大规模集成电路，电子计算机和光导纤维等技术成果的问世，通信技术在以下几个不同的方向都取得了巨大的成功。（1）微波中继通信使长距离，大容量的通信成为了现实。（2）移动通信和卫星通信飞人出现，使人们随时随地的可通信的愿望可以实现。（3）光导纤维的出现更使通信的容量提高到了以前无法想象的地步。（4）电子计算机的出现将使通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成可地球村。（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。例如2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化，网络化，智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来，到那时人们的生活越来越离不开通信。此外，随着技术的发展，特别是超大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，使得复杂的电路设计得以用少量的几块集成电路模块实现，有些硬件电路的功能还可以用软件代替。因此使得一些复杂的调制技术能够容易的实现并投入使用。这方面的条件使得新的更复杂的调制体制迅速的不断涌现。324FSK调制解调的基本原理设置2.14FSK的调制与解调2.1.1调制原理二进制频移键控是数字信号调制的基本方式之一。而多进制（MFSK）的可降低信道系统信噪比的要求。2FSK信号的产生方法主要有两种：采用模拟调频电路实现；采用键控法来实现，即在二进制基带脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每个码元期间输出f1和f2两个载波之一。频移键控是利用载波的频率变化来传递信息的。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。同理4FSK中基带脉冲序列四个码元（00011011）可用f1,f2,f3,f4四个载波之一；本文讨论4FSK是通过并联输入两位基带信号，两位二进制来表示四进制的频移键控。2FSK键控法调频原理图如下图2-12FSK调制原理4FSK可通过基带信号（00,01,10,11）并联传输0或1来分别用f1,f2,f3,f4四个载频表示，两路基带信号作为控制选通选通开关，1路选通开关发送0时选通载频f1,发送0时选通载频f2,1路选通开关发送0时选通载频f3,送1时选通载频f4。两路不同载频通过相加器得到已调信号发送出去。振荡器f1选通开关反相器相加器振荡器f2选通开关44FSK键控法调频原理图如下：图2-24FSK调制原理52.1.24FSK调制算法分析(1)、将输入的二进制序列按奇位、偶位进行串并转换。(2)、根据DMR标准中的符号和比特的对应关系表1[4]，将二进制的0、1序列映射为相应的四电平符号流。信息比特符号4FSK频编Bit1Bit001+3+1.944KHz0+1+0.648KHz1-1-0.648KHZ11-3-1.944KHz图2-3符号和比特对应关系表(3)、将这些符号流每符号插入8个数值点，并输入平方根升余弦滤波器进行平滑处理，则可得到输入调制信号m(n)。滤波器为平方根升余弦滤波器，奈奎斯特升余弦滤波器的一部分用于抑制邻道干扰，6另一部分用于接收机抑制噪声。抑制邻道干扰滤波器的输入包含一系列脉冲，这些脉冲之间的间隔为208，33ms(1/4800s)。通过定义根升余弦滤波器的频率响应为奈奎斯特升余弦滤波器的平方根，来定义奈奎斯特升余弦滤波器的分割。滤波器的群延迟在带通范围|f|2880Hz内是平滑的。滤波器的的幅频响应由下面公式近似给出：F(f)=1当|f|≤1920HzF(f)=cos(πf/1920)当1920Hz|f|≤2880HzF(f)=0当|f|2880Hz其中F(f)代表平方根升余弦滤波器的幅频响应。则该滤波器的传输频率df为2880-1920=960Hz，滤波器的等效截止频率F0为2400Hz。(4)、将m(n)输入频率调制器进行FM调制。则可得到4FSK调制输出信号。调频信号：])(cos[)(tfccFMdxktAtS式中:kf为调频指数。将其离散化,在nTs的时间内对信号m(n)累加求和,得:])(cos[)(nksscskmKfTnTAnTS式得该4FSK系统调制实现4FSK系统调制实现方框图如下:图2-74FSK系统调制实现方框图2.1.3解调原理4FSK信号的相干解调法原理框图如图1.2所示。其原理是：4FSK信号先经过带通滤波器去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为四路，每路信号与相应m(n)KfTsWcnTsS(nTs)内插滤波累加求和*+7载波相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出分别得到两路原基带信号表示四进制得到原始码元。图2-84FSK解调原理4FSK已调信号带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器解调信号1载波f1载波f2带通滤波器带通滤波器带通滤波器相乘器相乘器相乘器低通滤波器低通滤波器低通滤波器载波f2载波f2加法器抽样判决器带通滤波器加法器82.1.44FSK解调算法分析解调过程跟调制过程恰好相反，将经过信道传输到接收端的信号通过频率解调器进行解调。对于同一种数字调制信号，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率，所以这里采用相干解调方式。将解调后的信号经滤波器后，再经抽样判决则可输出四电平符号，将其按表1反映射，即可输出二进制比特。解调框图如下所示：图2-94FSK解调器解调中F(f)滤波器的幅频响应与调制中相同。将上式cos部分按三角公式展开得：图2-10公式展开详解图9将其经过低通滤波器，滤掉高频分量，则(8)式剩下1/2A*I(nTs)分量，(10)式只剩下1/2A*Q(nTs)分量。图2-11详解图4FSK相干解调的实现方框图如下：图2-124FSK相干