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毕业设计论文无线衰落信道中编码FSK的性能研究模板
无线衰落信道中编码FSK的性能研究
摘要
随着社会的不断发展,通信对我们来说越来越显的重要.对于通信技术来讲,通信的质量也就显的非常的关键.通信的根本任务是如何保证远距离传输信息的正确性,在这方面数字通信系统具有先天的优势。
这主要是因为数字通信系统中传输的是离散的数字信号,由于信号是离散的,被噪声干扰后的信号只要没有超过门限,接收端就能够完全正确地判断出传输的信息;而对于模拟传输系统,只要有稍微的干扰都会使传输的信息产生错误。
也正是由于这样的原因,数字通信系统才能在各方面逐渐代替模拟通信系统成为现代通信的最基本方式。
为了便于区别信号与噪声,使通信不失真和不受干扰,往往给测量信号赋以一定特征,这就是调制的主要功能。
调制就是用一个信号(称为调制信号)去控制另一作为载体的信号(称为载波信号),让后者的某一特征参数按前者变化。
再将测量信号调制,并将它和噪声分离,放大等处理后,还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号,这一过程称为解调。
为了更好地利用通信信道的带宽并使信号能够传送更大的距离,在数字载波通信中,我们采用了三种解调方式:
幅移键控(ASK)频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。
调制信号为二进制信号的调制称为二进制数字调制,二进制调制又分为二进制幅移键控(2ASK)、二进制频移键控(2FSK)、二进制相移键控(2PSK)和差分二进制相移键控(2DPSK)等多种基本的类型,本文主要研究在MATLAB环境下建立编码FSK的调制的仿真系统,利用仿真系统对无线衰落信道中编码FSK性能进行仿真,并且和卷积编码FSK硬判决解调系统的性能进行对比。
关键词:
数字通信,FSK信号,仿真,调制解调
英文摘要
ABSTRACT
Alongwithsocietyofcontinuouslydevelopment,correspondencemoreandmoreshowtousofimportance.Speakforthecorrespondencetechnique,thequalityofthecorrespondencealsoshowveryofkey.Correspondenceofrootmissionishowassurancelong-distanceleavetodeliveraninformationofaccuracy,inthisaspectnumeralcorrespondencethesystemhaveinbornofadvantage.Thismainisbecauseofnumeralcorrespondencewhattodeliverbelong-lostinthesystemofnumeralsignal,becauseofthesignalbelong-lost,driveZaovoiceinterferenceempressofsignalwant~onlyhavenoexceedthreshold,receivetocarrycancompletewithaccuracyjudgmenttheinformationfordeliver;Butforimitatetodeliversystem,aslongashavealittlebitoftheinterferencewillmaketheinformationcreationfordeliverfalse.Isexactlyalsobecauseofsoofreason,numeralcorrespondencesystemthencanineveryone'snoodlesgradualreplaceimitatecorrespondencesystemtobecomemoderncorrespondenceofthemostbasicway.ForthesakeofeasytodifferentiationsignalandZaovoice,makecorrespondencedon'tlosetruewithbefreefrominterference,usuallygivediagraphsignaltoendowwithcertaincharacteristic,thisbethemainfunctionformake.Makeisthesignal(becalledtocarryasignal)whichuseasignal(becalledtomakesignal)tocarryabodytocontrol'sanotheraconductandactions,letthelatterofsomecharacteristicparameterpresstheformervariety.Willmeasuresignaltomakeagain,andwillitwithZaovoiceseparate,afterenlargeetc.processing,returnwanttowithdrawreflectionfromhavealreadymakeofthesignalquiltmeasuredvalueofmeasuresignal,thisprocessbecalledsolutiontoadjust.Thebandwidthusingcorrespondenceletterwayforthesakeofbetterlandutilizationalsomakesignalcantransmissionlargerofdistance,inthenumeralcarrythewavethecorrespondence,weadoptionthreekindsofsolutionadjustaway:
Movekeytocontrol(ASK)Pintomovekeytocontrol(FSK)withmutuallymovekeytocontrol(PSK).Makesignalbecalledbinarysystemnumeraltomakeforthemakeofbinarysystemsignal,thebinarysystemmakeandisdividedintoabinarysystemtomovekeytocontrol(2ASK),thebinarysystemPinmovekeytocontrol(2FSK),thebinarysystemmutuallymovekeytocontrol(2PSK)withbadcentthebinarysystemmutuallymovekeytocontrol(2DPSK)etc.varietybasictype,thistopicmainisnumeralthefrequencymakeandcallPintomovekeytocontrol(FSK).InthemeantimemakeuseofsystemviewsoftwarerealizationtoimitateFSKsystemtruewithanalysis,passanusageimitatethusofthesenseofvisionturnofmeanstorealizationattainsolutiontoadjustofpurpose.
Keyword:
ThePinmovekeytocontrol、Movekeytocontrol、Mutuallymovekeytocontrol、Losetrue、Correspondence
目录
前 言5
第一章绪论6
1.1课题研究背景及内容6
1.1.1研究背景6
1.2课题设计要求7
1.3课题设计步骤7
1.4MATLAB简介7
第2章FSK系统的理论综述9
2.1实现调制的方法9
2.1.1直接调频法9
2.1.2频率键控法(频率转换法)9
2.2FSK信号的解调方法10
2.2.1过零检测法10
2.2.2差分检测法10
2.2.3包络检测法11
2.2.4相干检测法11
2.3频移键控FSK13
2.3.1FSK调制原理13
2.3.2FSK的解调原理14
第3章基于MATLAB的FSK系统的解调仿真及其特性分析15
3.1随机数字信号的产生与调制15
3.2FSK解调实现17
3.3FSK信噪比对误码率的影响分析18
3.4与卷积编码硬判决调制结果进行比较19
结 论20
参考文献21
致 谢22
附 录23
前 言
随着国民经济建设的发展,人类社会对信息的需求,即时掌握信息的变化,信息为社会服务的重要性,已越来越受到社会广泛的重视。
人民对通信的要求也越来越多样化。
因而加速发展新颖,完善的现代通信确是刻不容缓的一个重点工作。
通信的种类较多,按传输信号不同可分为模拟通信和数字通信;按传输媒介可分为有线通信和无线通信。
无线电系统在通信网中发挥着特殊的作用与应用。
数字技术的飞速发展及计算机在通信领域中的广泛应用,使信息的传输与交换在形式上发生了巨大变化,用数字通信取代模拟通信来进行信号传输和交换已成为必然趋势。
通信中大部分采用频带传输系统,其中关键的技术是数字调制技术。
数字调制的类型主要有ASK(振幅键控)、FSK(移频键控)、PSK(相移键控)。
ASK因效率低,实际中很少应用;FSK转换速度快,波形好,频率稳定,设备较复杂;PSK抗噪声性能由于前两者,且频带利用率较高,在中、高速数字通信中广泛应用。
无线电通信系统在通信网中的作用越来越大。
无线进网比有线进网更经济,维护更容易,可以中继至远端用户。
无线进网设备装拆容易,投资可逐步进行,投资风险小。
因此,无线进网对发展中国家来讲尤其重要。
数字通信不仅能使人与人之间通信,而且能完成人与机器,机器与机器之间的通信,为现代通信奠定了良好的基础。
数字通信具有抗干扰能力强,通信可靠,易于接入计算机,方便灵活等优点。
因此,数字无线通信系统的深入研究和广泛应用受到人们的广泛关注。
第一章绪论
随着社会的不断发展,通信对我们来说越来越显的重要。
对于通信技术来讲,对我们来讲的质量也就显的非常的关键。
通信的根本任务是如何保证远距离传输信息的正确性,在这方面数字通信系统具有先天的优势。
这主要是因为数字通信系统中传输的是离散的数字信号,由于信号时离散的,被噪声干扰后的信号只要没有超过门限,接收端就能完全正确的判断出传输的信息;而对于模拟传输系统,只要有稍微的干扰都会使传输信息产生错误。
也正是由于这样的原因,数字通信系统才能在各方面逐渐的取代模拟通信系统成为现代通信的最基本的方式。
为了方便区别于信号和噪声,使通信不失真和不受干扰,往往给测量信号赋以一定特征,这就是调制的功能。
调制就是用一个信号(称为调制信号)去控制另一个作为载体的信号(称为载波信号),让后者的某一特征参数按前者变化。
再将测量信号调制,并将它和噪声分离,放大等处理后,还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号,这一过程称为解调。
为了更好地利用通信信道的带宽并使信号能够传送更大的距离,在数字载波通信中,我们采用了三种解调方式:
幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。
其中频移键控(FSK)是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是:
实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好,因此在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
本课题主要是数字频率调制又称频移键控(FSK)。
同时利用MATLAB软件实现对FSK系统的仿真和分析,从而通过运用模拟的视觉化的手段来实现达到解调调制的目的。
1.1课题研究背景及内容
1.1.1研究背景
数字技术的飞速发展与数字器件的广泛使用,使得数字信号处理在通信系统中的应用越来越重要。
现代通信系统中,由于数字信号较模拟信号的抗干扰能力强,无噪声积累传输质量好;保密性高;便于与计算机连接;通信设备便于集成化、小型化、智能化;便于差错控制等优势。
信号往往采用数字进行传输。
数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。
频带传输系统也叫数字调制系统,该系统对基带信号进行调制,使其频谱搬移到适合在信道(一般为带通信道)上传输的频带上。
FSK技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点,广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。
1.1.2研究内容
编码FSK可以采用非相干解调,适用于中低速无线数据采集系统,本课题研究无线衰落信道中编码FSK调制的性能,并和卷积编码硬判决FSK解调系统的性能进行对比。
1.2课题设计要求
在MATLAB环境下建立编码FSK的调制的仿真系统,利用仿真系统对无线衰落信道中编码FSK性能进行仿真,并且和卷积编码FSK硬判决解调系统的性能进行对比。
1.3课题设计步骤
本课程设计步骤如下:
1、随机产生原始数字信号序列并对其进行FSK调制;
2、对已调信号进行解调,并绘制出解调后的数字信号序列;
3、分析解调结果,对照不同参数设置下的解调效果;
4、分析噪声对误码率的影响。
1.4MATLAB简介
MATLAB是由MATHWORKS公司于1984年推出的一种面向科学与工程的计算软件,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。
通过MATLAB和相关工具箱,工程师、科研人员、数学家和教育工作者可以在统一的平台下完成相应的科学计算工作。
MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称,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。
其主要特点是:
(1)具有丰富的数学功能
包括矩阵各种运算。
如:
正交变换、三角分解、特征值、常见的特殊矩阵等。
包括各种特殊函数。
如:
贝塞尔函数、勒让德函数、伽码函数、贝塔函数、椭圆函数等。
包括各种数学运算功能。
如:
数值微分、数值积分、插值、求极值、方程求根、FFT、常微分方程的数值解等。
(2)具有良好的图视系统
可方便地画出两维和三维图形。
高级图形处理。
如:
色彩控制、句柄图形、动画等。
图形用户界面GUI制作工具,可以制作用户菜单和控件。
使用者可以根据自己的需求编写出满意的图形界面。
(3)可以直接处理声音和图形文件
声音文件。
如:
WAV文件(例:
wavread,sound等)。
图形文件。
如:
bmp、gif、pcx、tif、jpeg等文件。
(4)具有若干功能强大的应用工具箱
如:
SIMULINK、COMM、DSP、SIGNAL等16种工具箱。
(5)使用方便,具有良好的扩张功能
使用MATLAB语言编写的程序可以直接运行,无需编译。
可以将M文件转变为独立于平台的EXE可执行文件。
MATLAB的应用接口程序API是MATLAB提供的十分重要的组件,由一系列接口指令组成。
用户就可在FORTRAN或C中,把MATLAB当作计算引擎使用。
(6)具有很好的帮助功能
提供十分详细的帮助文件(PDF、HTML、demo文件)。
联机查询指令:
help指令(例:
helpelfun,helpexp,helpsimulink),lookfor关键词(例:
lookforfourier)。
第2章FSK系统的理论综述
数字调制具有调幅、调频和调相3种基本形式,对应的3种基本调制方法是振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK),在此基础上还可以派生出许多其他的形式。
数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传输的信息,在接收端也对载波信号的离散调制参量进行检测,数字调制采用正弦波调制,即被调制信号为高频正弦波。
二进制数字频率调制(简称2FSK)是利用二进制数字基带信号控制载波的频率进行频谱变换的过程。
在发送端,产生不同的频率的载波振荡来传输数字信息“1”或“0”,在接收端,把不同频率的载波振荡还原成相应的数字基带信号。
其中2FSK有两种形式即相位连续(CPFSK,ContinuousphaseFSK)和相位不连续(DPFSK,discreatephaseFSK)。
所谓CPFSK是指在一个码元内相位是不产生突变的,随时间平滑地变化,及在各码元转换时间上,以及在各码元转换时间上,前后码元的相位是相等的。
2.1实现调制的方法
由于2FSK有连续和不连续两类,因此FSK信号的产生可以分为两类。
2.1.1直接调频法
即用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数,直接改变振荡频率,输出不同频率的信号。
2.1.2频率键控法(频率转换法)
即用数字矩形脉冲控制电子开关在两个振荡器之间进行转换,从而输出不同频率的信号。
从而输出不同频率的信号。
方框图如所示。
数字信号为“1”时,正脉冲使控制门1接通,门2断开,输出频率f1,数字信号为“0”时,门1断开,门2接通,输出频率f2。
振荡器的频率f1、f2可以是直接所需的载频,也可以由低频范围通过混频、倍频方式搬移到载频范围。
实际使用时可以由频率合成器供给这两个频率的振荡,并可获得高的频率稳定度。
e(t)
基带信
号输入s(t)s(t)输出
图1-6频率键控法产生2FSK信号的方框图
2.2FSK信号的解调方法
数字调频信号的解调方法很多,如:
鉴频法、过零检测法、包络检测法、相干解调法等。
2.2.1过零检测法
单位时间内信号经过零点的次数多少,可以用来衡量频率的高低。
过零检测法就是用计算机信号过零数目的方法来解调2FSK信号的。
下面是实现它的方框图:
abcdef
图1-7过零检测法方框图
假如一个相位连续的2FSK信号a,经限副得到一个矩形方波b,经微分得到双向微分尖脉冲d。
单向尖脉冲的密集程度反映了输入信号的频率高低,尖脉冲的个数就是信号过零点的数目。
单向脉冲触发一脉冲发生器,产生一串幅度为E、宽度为τ的矩形脉冲e。
脉冲串e的直流分量代表着信号的频率。
脉冲越密,直流分量越大,反映着输入信号的频率越高。
经低通滤波器就可得到脉冲串e的直流分量f。
2.2.2差分检测法
差分检测2FSK信号的原理如下图:
y(t)z(t)x(t)s’(t)
yi(t)y(t-τ)cp
图1-8差分检测法方框图
输入信号经带通滤波器滤除带外无用信号后被分成两路,一路直接送到乘法器另一路经时延τ后送到乘法器,相乘后再经低通滤波器除去高频成分即可取出基带信号。
2.2.3包络检测法
用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1及f2的高频脉冲,经包络检波后分别取出它们的包络。
把两路输出同时送到抽样判决器进行比较,从而判决输出基带数字信号。
2FSK信号的包络检测方框图及波形图如下:
ω1y1(t)v1(t)
输入输出
y(t)取样脉冲s’(t)
ω2
y2(t)v2(t)
图1-9包络检测方框图
设频率f1代表数字信号1;f2代表0,则抽样判决器的判决准则应定为:
v1>v2即 v1-v2>0,判为1;v1 其中v1和v2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。 上图中的抽样判决器,要比较v1、v2的大小,或者说把差值v1-v2与零电平比较。 因此,有时称这种比较器的判决门限为零电平。 2.2.4相干检测法 两个带通滤波器的作用同上,起分路作用。 它们的输出分别与相应的相干载波相乘,再分别经低能滤波器取出基带数字信息的低频信号,抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号进行比较判决,即可还原出基带数字信号。 2FSK信号相干检测法方框图如下: ω1 y1(t)z1(t) 输入x1(t) yi(t)输出 取样脉冲s’(t) ω2 y1(t)z1(t)x2(t) 图1-10相干检测法方框图 (1)、相位不连续的2FSK信号的功率谱及带宽 相位不连续的2FSK信号可以看作是两个2ASK信号的叠加,所以它功率谱为Pe(f)=Pe1(f)+Pe2(f) (2)、相位连续的2FSK信号的带宽 由于DP2FSK信号的频谱比较复杂,我们经常用的公式可以总结为下表: D=│f1-f2│/2 0.5 0.6-0.7 0.8-1.0 1.5 BCP2FSK fb 1.5fb 2.5fb 3.0fb BDP2FSK 2.5fb (2.6-2.7)fb (2.8-3.0)fb 3.5fb 由上表可见,偏移率D较小时(即是数码率fb一定时│f1-f2│较小的情况)两种2FSK信号的带宽差别较大;偏移率D较大时,两者差别不大;D大于2以后,可认为两者近似相等。 偏移率D小于0.7时,相位连续的2FSK信号的带宽比2ASK信号的带宽还窄。 所以,不能笼统的说2FSK信号的带宽比2ASK信号的宽。 相干解调是指利用乘法器,输入一路与载频相干(同频同相)的参考信号与载频相乘。 比如原始信号A与载频cos(ωt+θ)调制后得到信号Acos(ωt+θ); 解调时(2FSK解调)引入相干(同频同相)的参考信号cos(ωt+θ),则得到: Acos(ωt+θ)cos(ωt+θ) 利用积化和差公式可以得到 A*1/2*[cos(ωt+θ+ωt+θ)+cos(ωt+θ-ωt-θ)] =A*1/2*[cos(2ωt+2θ)+cos(0)] =A/2*[cos(2ωt+2θ)+1] =A/2+A/2cos(2ωt+2θ) 利用低通滤波器将高频信号cos(2ωt+2θ)滤除,即得原始信号A。 因此相干解调需要接收机和载波同步。 2.3频移键控FSK 所谓FSK就是用数字信号去调制载波频率,是数字信号传输中用的最早的一种调制方式。 此方式实现起来比较容易,抗噪声和抗衰减性能好,稳定可靠,是中低速数据传输最佳选择。 频移就是把振幅、相位作为常量,而把频率作为变量,通过频率的变化来实现信号的识别,在FSK中传送的信号只有0和1两个。 2.3.1FSK调制原理 在频移键控的调制解调中,我们将源数字信号1和0分别进行不同频率调制,载波的频率随二进制基带信号在 和 两个频率点间切换。 其表达式为
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