《通信原理》课程设计报告2FSK与PAM混合调制的非相干解调系统仿真.docx
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《通信原理》课程设计报告2FSK与PAM混合调制的非相干解调系统仿真
《通信原理》课程设计报告-2FSK与PAM混合调制的非相干解调系统仿真
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第1页共21页
长沙理工大学
《通信原理》课程设计报告
学院计算机与通信工程专业通信工程班级通信0901学号200957学生姓名指导教师吴志敏课程成绩完成日期2011/12/16
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第2页共21页
课程设计任务书
计算机与通信工程学院通信工程专业
2011,2012学年第一学期16,17周课程名称通信原理时间
学生姓名指导老师吴志敏
题目2FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真
主要内容:
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个2FSK与PAM混合调制与非相干解调通信系统,分别在理想信道和非理想信道中运行,并把运行仿真结果输入显示器,根据显示结果分析所设计的系统性能。
要求:
1)构建调制电路,并用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分析模块观察调制前后
信号频谱的变化。
2)再以调制信号为输入,构建解调电路,用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分
析模块观察调制前后信号频谱的变化。
3)在调制与解调电路间加上噪声源,模拟信号在不同信道中的传输:
用高斯白噪声模拟
有线信道,并将噪声源的方差适当设置,分析比较通过三种不同信道后的接收信号的
性能。
4)在老师的指导下,要求独立完成课程设计的全部内容,并按要求编写课程设计学年论
文,能正确阐述和分析设计和实验结果。
应当提交的文件:
(1)课程设计学年论文。
(2)课程设计附件(主要是源程序)。
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第3页共21页
课程设计成绩评定
学院计算机与通信工程专业通信工程班级通信0901学号学生姓名**指导教师吴志敏完成日期2011-12-16
指导教师对学生在课程设计中的评价
评分项目优良中及格不及格
课程设计中的创造性成果
学生掌握课程内容的程度
课程设计完成情况
课程设计动手能力
文字表达
学习态度
规范要求
课程设计论文的质量
指导教师对课程设计的评定意见
综合成绩指导教师签字年月日
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第4页共21页
FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真
学生姓名:
指导老师:
摘要本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计进行FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真。
在本次课程设计中先根据FSK与PAM混合调制与解调原理构建调制解调电路,从Simulink工具箱中找所各元件,合理设置好参数并运行,其中可以通过不断的修改优化得到需要信号,之后加入高斯,并分析对信号的影响,最后通过对输出波形和功率谱的分析得出2FSK调制解调系统仿真是否成功。
关键词Simulink;FSK;PAM;混合调制;非相干解调
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第5页共21页
1引言..............................................................6
1.1课程设计目的.....................................................6
1.2课程设计步骤.....................................................62基本原理............................................................7
2.1FSK调制与解调...................................................7
2.2PAM调制与解调...................................................93系统设计...........................................................11
3.1FSK与PAM混合调制.............................................11
3.2FSK与PAM非相干解调...........................................15
3.3加入高斯噪声的FSK与PAM混合调制与非相干解调....................18
4仿真电路分析与总结................................................205结束语.............................................................21
参考文献.............................................................22
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第6页共21页
1引言
本次课程设计主要运用MATLAB软件,在Simulink平台下建立仿真模型。
实现模拟基带信号经FSK与PAM混合调制与非相干解调的传输过程,通过分析比较调制解调输出波形以及功率谱特征,理解FSK与PAM混合调制原理。
在分别加入高斯噪声,观察对波形的影响,并对其进行分析总结。
1.1课程设计的目的
通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课,是通信工程专业后续专业课的基础。
掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础,可提高处理通信系统问题能力和素质。
由于通信工程专业理论深、实践性强,做好课程设计,对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。
通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解,培养学生专业素质,提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力,为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。
使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知识和基本理论,掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能,受到必要工程训练和初步的科学研究方法和实践训练,增强分析和解决问题的能力,了解本通信专业的新发展。
1.2课程设计的步骤
(1)构建调制电路,并用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
(2)再以调制信号为输入,构建解调电路,用误码测试仪测量误码率,用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
(3)在调制与解调电路间加上噪声源,模拟信号在不同信道中的传输:
a用高斯白噪声模拟有线信道;b用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道;c用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。
将三种噪声源的方差均设置为0.1,分别观察此时的误码率与无噪声时的误码率有何区别。
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第7页共21页(4)在系统中固定选择一种噪声源,改变信噪比,测试各种不同情况下的误码率,并绘制出误码率随信噪比的变化曲线。
此时要求用m文件中的sim(‘模块名’)来启动仿真,并将各种信噪比下的误码率输出至工作空间保存,并绘图。
(5)可以尝试在接收端加滤波器,观察调制性能变化。
2基本原理
2.1FSK的调制与解调
(1)2FSK的调制原理
在二进制频移键控(2FSK)中,当传送“1”码时对应于载波频率,传送“0”码时对应于载波频率。
其中,,为频率为的载波的初始相位,为频率为的载波的初始相位。
令为的反码,即
则有:
当时,;当时,。
则2FSK信号可表示为:
其中,我们在分析中假设为单个矩形脉冲序列,其表达式为:
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第8页共21页
由式上式可知,相位不连续的2FSK信号可以看成是两个2ASK调幅信号之和。
二进制移频键控信号的产生,可以采用模拟调频电路来实现,也可以采用数字键控的方法来实现.图2-1是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图,图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制,在一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一.。
图2–1数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第9页共21页
图2-2二进制移频键控信号的时间波形
从图中可以看出b是a的反码即若a=1,则b=0,若a=0,则b=1;c为载波f1,d为载波f2,g为2FSK的调制出的信号。
(2)2FSK的解调原理
经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器w1、w2滤出不需要的信号,然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波,最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲,最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。
本设计要求非相干解调,其原理图如下图所示:
图2–3二进制移频键控信号解调器原理图
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第10页共21页
图2–42FSK非相干解调时间波形图
2.2PAM调制解调原理
PAM类似于AM,用二进制脉冲序列作为载波受控于基带信号的幅度,就是取样定理。
而解调只需通过相关的低通滤波器,滤出基带信号。
(1)幅度调制原理
设脉冲载波以s(t)表示,它是由脉宽为τ秒、重复同期为Ts秒的矩形脉冲
fH串组成,其中Ts是按抽样定理确定的,即有Ts=1/
(2)秒。
其产生方框图为2-5(a)所示,基带信号的波形及频谱如图2-5(b)所示;脉冲载波的波形及频谱如图2-5(c)所示;已抽样的信号波形及频谱如图2-5(d)所示。
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第11页共21页
图2-5矩形脉冲为载波调制原理与波形和频谱
因为已抽样信号是与的乘积,所根据频率卷积定理,可以写出相应xt()st()
1,的频域表达式:
(2-1)XsSanXn,,[X()*S()]=HH()()
(2),,,,,,,,,πT2
式(3-6)中是的频谱函数,根据信号的定义可以认为,表示S(),St()St()St()的矩形脉冲串是由脉宽为τ秒的门函数与周期性冲激函数卷积得到,gt,(),T()t根据频率卷积定理,其相应的时域和频域表达式分别如下:
,,,1,||/2tgtGS,()()(),,,a,,,,0,||/2t,,2
2π,,,,,,,TsTHttkTn,,,,,()()()
(2),,sT
2π,(2-2)stgttSGSann,,,,,,,,TTHH,()()()()()()()
(2),,,,,,,,,,,Ts
(2)PAM的解调原理
图2-6矩形脉冲为载波解调原理图
(/)(),,TXsn分析式(2-2)可以发现,当=0时得到的频谱函数为,与信号xt()X(),(/),Ts的频谱函数进行比较,只是差一个比例常数,因此,采样频率
ffsH?
2fBffHsH?
?
只要满足,就可以用一个带宽满足的理想低通滤波器,把X(),xt()的成分取出来,以不失真地恢复的波形如图3.4所示。
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第12页共21页
3系统设计
3.1FSK与PAM混合调制
(1)FSK与PAM混合调制部分
打开simulink工具箱,点击file图标,选择新建中的model,新建一个仿真空白模型,将2FSK信号调至所需要的模块拖入空白模型中,也可点击鼠标左键单击“addtountitled”。
下图中BernoulliBinaryGenerator模块为随即序列信号模块,Sinewave,Sinewave1为频率为f1和f2载波模块,PulseGenerator为脉冲产生器模块,Product为乘法器模块,Scope为示波器模块,NOT为反相器模块,PowerSpectra是功率谱模块,ToFile为封装模块,目的是方便调用调制部分。
调制模型图如下图所示:
图3-1FSK与PAM混合调制部分的simulink模型方框图
(2)2FSK的调制部分参数设置
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第13页共21页
图3-2sinewave的参数设置图3-3sinewave1的参数设置
图3-4PulseGenerator1的参数设置
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第14页共21页(3)2FSK与PAM混合调制部分仿真以及功率谱分析
经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真,其各点的时间波形如下:
图3-6FSK与PAM混合调制波形图图3-5PAM调制波形图
其中图3-5中,第1段图形为载波f1的波形图;第2段位信号源的波形图;第3段为载波f2的波形图;第4段为f1和f2的调制波形。
图3-6中,第一段图形为FSK调制波形;第二段图形为随机脉冲即PAM波形;第三段图形为FSK与PAM混合调制波形。
调制前后频谱分析如下图:
图3-7调频前频谱
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第15页共21页
图3-8调频后的频谱
由图可知基带信号的频谱在调制前后只是显现搬移,未发生较大变化。
3.2FSK与PAM混合调制信号的非相干解调
(1)FSK与PAM混合调制非相干解调部分
打开simulink工具箱,点击file图标,选择新建中的model,新建一个仿真空白模型,将2FSK信号调至所需要的模块拖入空白模型中,也可点击鼠标左键单击“addtountitled”。
下图中FromFile模块为调制部分的封装ToFile模块,GaussianNoise
Generator模块为高斯噪声产生器,AnalogFilterDesign模块为带通滤波器,Abs模块为绝对值,其作用等同于保罗检测器,Scope模块为示波器,Subtract模块对信号进行加法或减法运算,PowerSpectral模块是功率谱,Zeroorderhold模块的功能为零阶保持模块,QuantizingEncoder为量化编码器模块,Zeroorderhold和QuantizingEncoder的作用等同于在定时脉冲下的抽样判决器。
解调模型图如下图所示:
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第16页共21页
图3-9FSK与PAM调制部分的simulink模型方框图
(2)2FSK的调制部分参数设置
图3-10低通滤波器2参数设置图3-11低通滤波器3的参数设置
图3-12带通滤波器的参数设置图3-13带通滤波器1的参数设置
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第17页共21页
图3-14QuantiringEncoder的参数设置
图3-15高斯噪声的参数设置(3)FSK与PAM混合调制解调部分仿真以及功率谱分析
图3-16FSK与PAM信号解调部分的simulink模型方框图
第1段是载波f1经过解调的波形图;第2段是载波f1和f2经过解调的波形图;第3段是f1经过全波整流出现的波形图;第4段是f2经过全波整流出现的
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第18页共21页波形图;第5段是经过包络检波出现的波形图;第6段为解调后出现的波形图;第7段为信号输入的波形图。
在0~1时间段出现延时。
解调前后频谱分析如下图:
-17图3-18图3
从上图可以看出,经过非相干解调后,出去由于系统误差产生延迟外,其他解调后信号功率谱与原信号功率谱是能一一对应的。
3.3加入高斯噪声的FSK与PAM非相干解调
高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布(即正态分布)的一类噪声。
在理想信道调制与解调的基础上,在调制信号上加入高斯噪声,把Simulink噪声源下的高斯噪声模块(GaussianNoiseGenerator)加入到模型中。
噪声参数设置与波形图如下:
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第19页共21页
图3-19噪声方差设置为1
图3-20噪声方差为1时解调波形与输入波形对比
图3-21噪声方差设为2
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第20页共21页
图3-22噪声方差为2时时解调波形与输入波形对比
如图所示,图3-16为理想信道解调波形,图3-21和图3-22均为加入高斯噪声的波形,可通过修改参数表中的方差来改变加入噪声的大小,把噪声的方差分别设为1和2,与理想信道的输出波形相比较可以看出,波形均出现不同程度的失真,当方差为1的时候比较接近原理想信道下的波形图,当方差为2时,已经出现严重失真,并且失真是随着噪声方差的变化而发生改变,方差越小,通过加入噪声信道的波形就越接近理想信道的波形。
噪声能对信道产生不同程度的影响,不同的噪声使信号发生失真的参数各不相同。
在现实生活中,无处不存在着噪声,因此研究如何减小噪声对信道的影响有着重大意义。
4仿真电路分析与总结
在本次课程设计运用了MATLAB软件下Simulink建立工作模型,在仿真的过程中遇到了各种不同的问题,通过自己的探索和在老师和同学的帮助下总算得以解决,总结分析分析如下:
(1)运行后如没有出现波形、出现多路波形的混合或是出现波形的幅度过小或过大,可以点击scope菜单栏的或者点击鼠标右键,选择autoscale即可出现清晰波形。
(2)若出现波形很差,可以把修正因子(默认为1)加大,具体步骤为选择模型菜单中的“Simulink|configurationparameters|Dataimport/export”修改Decimation中数据(默认为1),可加大为50或100。
(3)调制模块中,如调制结果不明显,可以加大载波频率,一般来说载波频率要比基带频率大得多。
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第21页共21页
(4)若波形出错,可以把滤波器级数(默认为8)适当减小,使滤波器精确度变小,允许误差变大,便于波形的输出。
(5)在选择带通滤波器的参数时候要严格按照需要的频率范围取值,通过计算载波和基带信号的频率可以得出该频率范围取值。
(6)在整个仿真过程中,各模块的参数设置十分重要,一定要设置合适的参数,才会得出所需要的信号。
5结束语
经过为期两周的课程设计,在同学和老师的帮助下我顺利的完成了任务。
不同于在教室里上的理论,这次的课程设计需要将我们平时所学习的知识运用到实践之中,将知识学以致用。
因为是以所学理论为基础,所以在课程设计的过程中,我又重温2FSK的调制与解调等知识,更加熟悉了MATLAB里的Simulink工具箱,学会了独立建立模型,分析调制与解调结果,和加入噪声之后的情况,通过自己不断地调试,更好的理解加入噪声对信道的影响。
通过这次课程设计,我拓宽了知识面,锻炼了实际操作能力,综合素质也得到了提高,进一步加深了了我们对专业的认识和激发了我们对专业的兴趣。
**《FSK与PAM混合调制与非相干解调系统仿真》第22页共21页
参考文献
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北京邮电大学出版社,2003[3]徐远明.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安:
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人民邮电出版社,2009[5]姚俊,马松辉.Simulink建模与仿真基础.北京:
西安电子科技大学出版社,2002
MATLAB通信仿真及应用实例详解(北京:
国防工业出版社,2003[6]邓华(
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