程序单及结果.docx
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程序单及结果
引言
本次通信原理课程设计主要利用MATLAB中的Simulink仿真软件,对2FSK系统进行仿真,分析2FSK数字信号的调制方式和相干解调系统。
2FSK信号的产生方法主要有两种。
一种可以采用模拟调频电路来实现,另一种可以采用键控法来实现,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,使其在每一个码元T期间输出F1或F2两个载波频率之一。
这两种方法产生2FSK信号的差异在于:
由调频发产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。
而键控发产生的2FSK信号,是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成,故相邻码元之间的相位不一定连续。
本次课程设计采用第二种方法产生2FSK信号。
2FSK信号的常用解调方法分为相干解调和非相干解调。
其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调,然后进行判决,这里的抽样判决时比较两路信号抽样值的大小,可以不专门设置门限。
判决规则应与调制规则相呼应,调制时若规定“1”符号对应再拨频率f1,则接收时上支路的样值较大,应判为“1”:
反之则判为“0”。
除此之外,2FSK信号还有其他的解调方法,比鉴频法、差分检波法、过零检测法等。
本次课程设计采用的是相干解调。
1.1课程设计目的
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课程设计的基本任务和要求
本次课程设计的基本任务:
(1)使学生通过专业课程设计掌握通信中常用的信号处理方法,能够分析简单通信系统的性能。
(2)使学生掌握通信电路的设计方法,能够进行设计简单的通信电路系统。
(3)了解通信工程专业的发展现状及发展方向。
(4)与运用学过的MATLAB基本知识,熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台的使用
课程设计中必须遵循下列要求:
(1)利用通信原理中学习的理论知识,在Simulik仿真平台中设计出各种调制与解调系统、基带传输系统、差错控制编解码系统等等,并按题目要求运行、检测系统仿真结果。
(2)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。
(3)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。
(4)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,分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。
(5)要求编写课程设计论文,正确阐述和分析设计和实验结果。
1.3Matlab和Simulink简介
MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称,是美国MathWorks公司推出的商业数学软件,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两大部分。
20世纪70年代,美国新墨西哥大学计算机科学系主任CleveMoler为了减轻学生编程的负担,用FORTRAN编写了最早的MATLAB。
1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。
到20世纪90年代,MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。
(1)MATLAB介绍
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、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。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
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。
MATLAB的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。
附加的工具箱(单独提供的专用MATLAB函数集)扩展了MATLAB环境,以解决这些应用领域内特定类型的问题。
MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多,并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++,JAVA的支持。
可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用。
MATLAB由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件,其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级,MATLAB的用户界面也越来越精致,更加接近Windows的标准界面,人机交互性更强,操作更简单。
而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统,极大的方便了用户的使用。
简单的编程环境提供了比较完备的调试系统,程序不必经过编译就可以直接运行,而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
(2)Simulink介绍
Simulink是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
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。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
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。
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。
同时Simulink还具有如下的特点:
丰富的可扩充的预定义模块库,交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图,以设计功能的层次性来分割模型,实现对复杂设计的管理,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,提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成,使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法,使用定步长或变步长运行仿真,根据仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型,图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果,诊断设计的性能和异常行为,可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化,定制建模环境,定义信号参数和测试数据,模型分析和诊断工具来保证模型的一致性,确定模型中的错误。
22FSK调制与相干解调系统的设计方案
2.12FSK调制与相干解调的基本原理
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信号,在2FSK中,载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点之间变化,故其表达式为:
典型波形如图所示。
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信号可以看成两个不同载频的2ASK信号的叠加。
因此2FSK信号的时域表达式又可写成:
式中:
g(t)为单个矩形脉冲,脉宽为;
2.22FSK信号的调制
2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。
可以用二进制“1”来对应于载频f1,而“0”用来对应于另一相载频f2的已调波形,而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源f1、f2进行选择通。
如下原理图:
振荡器1
f1
反相器
振荡器2
f2
相乘器
相乘器
相加器
基带信号
2FSK调制原理图
2.32FSK信号的相干解调
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。
原理图如下:
输入
抽样脉冲
Cos2πf1t
Cos2πf2t
相乘器
低通滤波器
带通滤波器
F1
带通滤波器
F2
抽样判决器
相乘器
低通滤波器
输出
图2.2相干解调
32FSK的调制和想干解调过程的MATLAB仿真原理图及其分析
3.1利用MATLAB建立系统仿真图
2路FDM的2FSK调制与相干解调系统仿真图
按照2FSK调制系统的物理与数学模型建立系统模型。
根据2FSK信号调制方式的原理图利用MATLAB的Simulink建立系统的模拟仿真图。
如下图3.1所示:
图3.12FSK的调制原理图
然后根据2FSK解调系统模型的原理图,利用MATLAB的Simulink建立系统的模拟仿真图。
如下图3.2所示:
图3.22FSK信号的解调原理图
3.2系统中仿真模块的参数设置
根据2FSK调制和解调系统模型的原理图,在MATLAB的Simulink中找出需要的模块,连好线,然后对各个模块进行参数设置,不同的模块在系统中的作用是不一样的,如Bernoull
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