信号分析处理课程设计.docx
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信号分析处理课程设计
目录
摘要1
Abstract2
12FSK调制与解调原理3
1.1数字通信系统的基本模型3
1.22FSK调制原理3
1.32FSK解调原理5
1.3.1相干解调5
1.3.2非相干解调6
22FSK调制解调系统方案7
2.1调制模块设计7
2.2解调模块设计7
32FSK调制解调系统设计8
3.1各单元模块功能介绍及电路设计8
3.2元器件属性介绍9
3.3系统整体电路图13
42FSK调制解调系统仿真和调试14
4.1仿真工具介绍14
4.1.1MATLAB14
4.1.2Simulink14
4.2系统仿真实现15
4.2.12FSK调制仿真波形15
4.2.22FSK解调仿真波形16
4.32FSK结果分析16
5心得体会18
参考文献19
摘要
FSK主要应用于低中速数据传输,以及衰落信道和频带较宽的信道中。
移频键控(FSK)是数据通信中最常用的一种调制方式。
方法简单易于实现,并且解调不需要恢复本地载波,可以异步传输,抗噪声和抗衰落性能较强。
缺点是占用频带较宽,频带利用不够经济。
MATLAB中的通信工具箱可以用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。
利用MATLAB建立了FSK仿真模型,在研究FSK调制解调原理的基础上设计了调制解调电路。
关键词:
调制解调;FSK;MATLAB;仿真
Abstract
FSKismainlyusedinlowandmedium-speeddatatransmission,aswellaswide-bandfadingchannelandachannel.Frequencyshiftkeying(FSK)isadatacommunicationisthemostcommonlyusedmodulation.Methodissimpleandeasytoimplement,anddonotneedtorestorethelocalcarrierdemodulationcanbeasynchronoustransmission,anti-noiseandanti-fadingperformanceisstrong.Disadvantageisoccupiedbandwidebandunderutilizedeconomy.CommunicationtoolboxinMATLABcanbeusedforcommunicationsresearch,development,systemdesignandsimulation.FSKestablishedusingMATLABsimulationmodel,FSKmodulationanddemodulationprincipleinthestudybasedonthedesignofmodulationanddemodulationcircuit.
Keywords:
modulationanddemodulation;FSK;MATLAB;simulation
12FSK调制与解调原理
1.1数字通信系统的基本模型
从消息传输角度看,该系统包括了两个重要交换,即消息与数字基带信号之间的交换,数字基带信号与信道信号之间的交换.通常前一种交换由发收端设备完成.而后一种交换则由调制和解调完成。
图1.1数字通信系统模型
1.22FSK调制原理
二进制频移键控信号码元的“1”和“0”分别用两个不同频率的正弦波形来传送,而其振幅和初始相位不变。
故其表达式为:
典型波形如图1.2所示,由图可见,2FSK信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形(c),也就是说,一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。
2FSK信号的产生方法有两种:
模拟法,即用数字基带信号作为调制信号进行调频。
如图1-3(a)所示。
键控法,用数字基带信号及其反相分别控制两个开关门电路,以此对两个载波发生器进行选通。
如图1-3(b)所示。
这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同,只有一点差异,即由调频器产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的,而键控法产生的2FSK信号,则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的信号,故相邻码元的相位不一定是连续的。
图1.2二进制移频键控信号的时间波形
图1.3(a)调频法2FSK信号产生原理图
图1.3(b)键控法2FSK信号产生原理图
由键控法产生原理可知,一位相位离散的2FSK信号可看成不同频率交替发送的两个2ASK信号之和,即
其中是脉宽为的矩形脉冲表示的NRZ数字基带信号。
1.32FSK解调原理
2FSK信号的解调也分为2FSK信号的接收也分为相干解调和非相干解调接收两类。
1.3.1相干解调
相干解调根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成,则先用两个分别对f1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波,然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干解调,再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。
原理图如图1.4所示:
图1.4相干解调原理框图图
1.3.2非相干解调
非相干解调接收经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f1、f2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。
其原理图如图1.5所示:
图1.5非相干解调原理框图
22FSK调制解调系统方案
2.1调制模块设计
方案一:
使用键控法产生2FSK信号,即由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成,所以本系统采用键控法。
根据二进制频移键控调制的原理,了解MATLAB软件中的仿真工具Smulink中各个模块的功能后,根据调制的原理框图,使用pulsegenerator产生信号,用幅度为1,频率为100rad/s载波表示“1”,用幅度为1,频率为20rad/s载波表示“0”。
采用键控法,在Smulink文件中调用相关模块,连线后对信号进行调制产生2FSK信号。
方案二:
使用键控法产生2FSK信号,即由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成,这样的相邻码元之间相位不一定连续,故采用调频法,用数字基带信号作为调制信号进行调频。
本次课设选择两种不同2FSK调制方案进行比较。
2.2解调模块设计
相干解调在大多数情况下解调结果要好,本系统采用相干解调。
利用FSK相干解调方法对调制的FSK信号进行解调。
根据相干解调的原理框图,经调制后的2FSK信号经信道中加高斯白噪声后信号进行相干解调。
在Smulink中调用相应的模块,连接各个模块,设置各个模块的参数,并用scope显示仿真波形。
32FSK调制解调系统设计
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
仿真过程中用PulseGenerator产生二进制01信号,调用俩个SineWave模块产生频率分别为100和20的两个载波正弦信号,将此三个信号输入到Switch模块中,从而通过键控输出调制后的FSK波形。
输出的波形经两路经过带通滤波器,再分别与先前定义的俩个不同频率的正弦载波信号相乘,经过低通滤波器后抽样判决完成对FSK信号的解调。
图3.1和图3.2即为调制与解调电路。
图3.1(a)方案一调制模块
图3.1(b)方案二调制模块
图3.2解制模块
3.2元器件属性介绍
1、正弦波发生器,用于产生正弦波信号,正弦载波信号参数设置如图3.3所示:
图3.3高频载波和低频载波参数设置
2、脉冲信号发生器,用于产生固定间隔的脉冲模拟二进制信号,具体参数设置如图3.4所示:
图3.4脉冲信号发生器模块参数设置
3、选择开关,在两个输入此模块的载波信号之间切换。
当输入方波信号的幅值大于1时,切换到高频率的载波信号上,小于1时,切换到低频率的载波信号上,从而完成2FSK调制。
具体参数设置如图3.5所示:
图3.5键控开关参数设置
4、滤波器,可以设置为低通、高通、带通、带阻滤波器,提取出某频率范围内信号,具体设置参数如图3.6所示:
图3.6
(1)带通滤波器参数的设置
图3.6
(2)低通滤波器参数的设置
5、比较运算器,可设置为<=(小于等于)、>=(大于等于)、<(小于)、>(大于)等运算关系。
用于抽样判决,解调出FSK信号。
属性设置如图3.7所示。
图3.7比较运算模块参数的设置
6、示波器模块,用来显示仿真过程中信号的波形,可通过修改属性中Numberofaxes的值设置输入信号的个数。
设置显示如图3.8所示。
图3.8示波器参数设置及波形显示
3.3系统整体电路图
图3.9系统整体电路图
42FSK调制解调系统仿真和调试
4.1仿真工具介绍
4.1.1MATLAB
MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称,是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
4.1.2Simulink
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
对各种时变系统,包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
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构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB紧密集成,可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
其特点为:
1、丰富的可扩充的预定义模块库。
2、交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。
3、以设计功能的层次性来分割模型,实现对复杂设计的管理。
4、通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性,生成模型代码。
5、提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成
6、使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。
7、使用定步长或变步长运行仿真,根据仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)来决定以
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- 信号 分析 处理 课程设计