频移键控2FSK系统的设计建模与计算机仿真分析

通信系统课程设计报告题目：频移键控2FSK系统的设计、建模与计算机仿真分析系别信息工程学院专业班级学生姓名学生学号提交日期2015年6月26日目录1设计目的.......................................................................................................................................12设计要求与设计指标...................................................................................................................13设计内容.......................................................................................................................................13.1频移键控2FSK工作原理.................................................................................................13.1.1频移键控2FSK调制原理......................................................................................13.1.2频移键控2FSK解调原理......................................................................................23.2频移键控2FSK仿真电路..................................................................................................33.3频移键控2FSK仿真结果与分析...................................................................................73.3.1调制信号仿真分析................................................................................................73.3.2非相干解调仿真分析...........................................................................................83.3.3相干解调仿真分析................................................................................................84本设计改进建议...........................................................................................................................85总结..............................................................................................................................................8参考文献...........................................................................................................................................91频移键控2FSK系统的设计、建模与计算机仿真分析1设计目的通信的目的是传递消息中所包含的信息。通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统；数字通信系统是利用数字信号来传递信息的。在传输数字信号过程中，虽然基带数字信号可以在传输距离不远情况下直接传送，但如果要远距离传输时，特别是在无线或光纤信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了是数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：幅度调制(ASK)，频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。本文通过选用二进制频移键控(2FSK)通过使用SystemView软件对随机生成的二进制信号进行调制与解调并进行仿真分析。2设计要求与设计指标本设计使用SystemView对2FSK信号的调制与解调进行电路仿真，调制过程中分别使用模拟调频法和键控法对随机产生的二进制基带信号进行调制，并将两种调制结果进行对比分析，调制时选取的信号频率分别为50Hz，100Hz，300Hz。解调时选取键控法的调制结果作为解调对象，使用通带频率为50Hz--150Hz和250Hz--350Hz的带通滤波器和截止频率为52Hz的低通滤波器进行滤波，为使解调结果更加清晰明了，在基带信号前加入0.0125s的延时，分别使用相干解调和非相干解调两种方式对调制信号进行解调。3设计内容3.1频移键控2FSK工作原理3.1.1频移键控2FSK调制原理频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在1f和2f两点间变化，其表达式为：”时发送“”时发送“0)cos(1)cos(212nnFSKtAtAe2FSK信号产生的方式主要有两种方法：一种可以采用模拟调频电路（图1）来实现；另一种可以采用数字键控（图2）来实现，即在二进制基带矩形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，使其在一个码元sT期间输出1f或2f两个载波之一。初期通信传送的频移键控大部分使用了直接调频法，即使用矩形脉冲序列调制载波的频率。键控法则是两个输入和一个输出，受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立输入频率源进行选通。键控法2的特点是转换速度快、波形质量高、稳定度高且易于实现，所以得到广泛的应用。两种调制方法的原理框图见图1，图2。图1模拟调频法图2键控法调频法设置输出为两个不同频率的码元，就是用二进制矩形基带脉冲信号去调制一个调频器。直接调频法调频信号的相位是连续的，虽然调频容易实现，但是这种方法调制频率的速度比较慢，而且调制出的频率很不稳定，这种方法的特点是调频器输出的2FSK信号的相位在相邻码元之间是连续不断的。采用键控法时，在转换开关发生转换的那个瞬时时刻，高频振荡输出的两个电压常常不可能相等，当基带信号发生转换时，信号输出电压会发生跳变，这个现象是频率键控特有的，即不连续的相位。键控法输出的2FSK信号有较高稳定度的频率输出，键控法的输出波形质量高，转换速度快，而且不需要过渡频率。这两种产生2FSK信号的差异在于：由调频方法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的，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，故相邻码元之间得相位不一定连续。3.1.2频移键控2FSK解调原理常用的2FSK解调方法有两种，即相干解调法和非相干解调法。另外还有鉴频法、过零检测法、查分检测法。相干解调法是利用载波与已调信号进行相乘后滤波输出得到，在上面的2FSK中要两个载波，所以解调也要两个载波，分别与已调信号相乘后利用低通，最后相加即可得到我们的滤波输出，最后判压输出得到解调信号。非相干解调也是利用包络检波法检测得到的。图3非相干解调法3由图3可知2FSK非相干解调就是分别对双极性码进行，再对调制后的已调信号分别进行带通滤波，滤波完进行包络检波，包络检波器与一个整流器和低通滤波器是等价的。然后抽样判决，上面的大，则判“1”，下面的抽样值大，则判“0”。图4相干解调法图4的相干解调与非相干解调相差不大，分别进行带通滤波之后与载波相乘，然后低通滤波，把2倍频的分量滤除掉。最后得到接近直流的分量，在进行抽样判决，若上面的值大，则判“1”，下面的大，则判“0”。注意若信噪比大，则不能用包络检波法，要用相干解调法进行解调。3.2频移键控2FSK仿真电路图52FSK信号调制仿真原理图图5中所用到的仿真原件，参数设置见表1：4表12FSK信号调制电路图符说明图符号库：图符名称参数设置0Source：PNSeqRate=50Hz，No.Level=2，Offset=0.5，Amplitude=0.5V1Source：SinusoidFreq=100Hz，Amplitude=1V2Source：SinusoidFreq=300Hz，Amplitude=1V3Logic：SPDTGateDelay=0s,CtrlThresh=0.5v4，27,29Sink：SystemView5，33,34Operator：DelayDelay=0.125sec28Function：reqModFreq=100Hz，Amplitude=1V，ModGain=900Hz/V通过运行图5所示的仿真电路（抽样点数1024，采样频率3000Hz）产生的基带信号，调制信号及调制信号功率谱密度图见图6至10：图6基带信号图7键控法调制已调信号图8键控法调制功率谱5图9调频法调制已调信号图10调频法调制功率谱图112FSK信号调制与解调仿真原理图在解调过程中所用到的仿真原件，参数设置见表2所示：6表22FSK信号解调电路图符说明图符号库：图符名称改变的参数设置3Logic：AnaCmpGateDelay=0s,TrueOutput=1v6Adder8,16Operator：AnalogBandpassButterworthLowCuttoff=50Hz，HiCuttoff=150Hz9,17Operator：AnalogBandpassButterworthLowCuttoff=250Hz，HiCuttoff=350Hz10,11Function：HalfRctfyZeroPoint=0v12,13,18,19Operator：AnalogLowpassButterworthLowCuttoff=100，No.ofPoles=315,24Sink：SystemView20,21Multiplier25Source：SinusoidFreq=100Hz，Amplitude=1V26Source：SinusoidFreq=300Hz，Amplitude=1V如图11所示，我们选取了键控法的已调信号作为研究对象，为了比较不同解调方法的解调效果，我们在同一2FSK信号解调仿真电路中分别加入了相干解调法与非相干解调法进行研究，在解调过程中，存在延时，使我们的解调结果不能够很好的体现出来，为此，我们在基带信号，调制信号前面加入延时器使其与解调结果保持同步，是我们在观察时更加的一目了然。运行图11所示的仿真电路，产生的基带信号，调制信号，调制信号的功率谱，两种解调结果如图12至16所示。图12基带信号7图13已调信号图14已调信号功率谱图15非相干解调图16相干解调3.3频移键控2FSK仿真结果与分析3.3.1调制信号仿真分析图6输入的基带信号是二进制单极性伪随机码（即PN序列），频率为50Hz，从图中可看出输入的序列为“1001111101”。当发送的双极性基带的码元为“1”时有频率100Hz的载波为其进行调制，当发送的双极性基带的