频移键控2FSK系统的设计建模与计算机仿真分析.docx
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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1
2设计要求与设计指标1
3设计内容1
3.1频移键控2FSK工作原理1
3.1.1频移键控2FSK调制原理1
3.1.2频移键控2fsk解调原理2
3.2频移键控2FSK仿真电路3
3.3频移键控2FSK仿真结果与分析7
3.3.1调制信号仿真分析7
3.3.2非相干解调仿真分析8
3.3.3相干解调仿真分析8
4本设计改进建议8
5总结8
参考文献9
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
和
两点间变化,其表达式为:
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
期间输出
或
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
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:
表12FSK信号调制电路图符说明
图符号
库:
图符名称
参数设置
0
Source:
PNSeq
Rate=50Hz,No.Level=2,Offset=0.5,Amplitude=0.5V
1
Source:
Sinusoid
Freq=100Hz,Amplitude=1V
2
Source:
Sinusoid
Freq=300Hz,Amplitude=1V
3
Logic:
SPDT
GateDelay=0s,CtrlThresh=0.5v
4,27,29
Sink:
SystemView
5,33,34
Operator:
Delay
Delay=0.125sec
28
Function:
reqMod
Freq=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
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:
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
3
Logic:
AnaCmp
GateDelay=0s,TrueOutput=1v
6
Adder
8,16
Operator:
AnalogBandpass
Butterworth
LowCuttoff=50Hz,HiCuttoff=150Hz
9,17
Operator:
AnalogBandpass
Butterworth
LowCuttoff=250Hz,HiCuttoff=350Hz
10,11
Function:
HalfRctfy
ZeroPoint=0v
12,13,18,19
Operator:
AnalogLowpass
ButterworthLowCuttoff=100,No.ofPoles=3
15,24
Sink:
SystemView
20,21
Multiplier
25
Source:
Sinusoid
Freq=100Hz,Amplitude=1V
26
Source:
Sinusoid
Freq=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
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码元为“0”时有频率300Hz的载波为其进行调制,键控法调制结果如图7所示。
图9为调频法调制的最终结果。
3.3.2非相干解调仿真分析
由图3可知2FSK非相干解调就是分别对单极性码进行调频,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,一个半波整流器和低通滤波器与包络检波器是等价的。
最后进行抽样判决。
图12为基带调制信号波形,图15为2FSK非相干解调低通滤波输出波形。
对照原基带信号可以知道,波形在时间上稍有延迟,但系统的输入和输出信号基本保持一致。
3.3.3相干解调仿真分析
从图4看出,解调原理是用同频同相得本地高频型号进行解调得到同步信号,在用低通滤波器滤除高频载波,通过反向器并通过加法器相加后,得到原始基带型号,通过抽样,保持,判决,得到准确的原始信号。
解调出来的波形有波动,主要是滤波器滤波误差造成的,该波形通过抽样,保持,判决后输出波形,可见滤波器造成的误差得到了解决最终仿真结果的准确性比较高,对照原基带信号可以知道,波形在时间上稍有延迟,但系统的输入和输出信号基本保持一致。
图16给出了最终解调信号的频谱图。
4本设计改进建议
在进行2FSK的解调过程中还有鉴频法,差分检测法,过零检测法等。
为了使解调的结果更加理想,后期可以采取这些方法与本文中所选用的相干解调和非相干解调进行对比研究。
在实际操作过程中,由于所使用的各种元器件都难以达到理想状态下,我们对信号的调制与解调过程中都会伴随着各种噪声干扰,从而使我们的调制解调结果难以达到完善的状态,在后期的完善过程中我们可以加入噪声的影响,是我们的仿真结果更加接近现实状况,对我们实际应用中的信号的调制与解调更加具有指导意义。
5总结
本次通信原理的课程设计,将我之前所学的东西进行了一次整合。
学会了SystemView软件基本使用,2FSK调制解调技术还有动手解决问题的能力。
从开始的课题选择,到电路设计,到参数设置,到问题分析,直至最后的到调试,都需要用到我们之前学过的东西。
这次课设首先要学会用systemview这个专业方面的软件,之前玩全没有接触过,所以刚开始时完全是按照参考资料上面的指示一步一步来写,练习几天后才稍微懂些基本的用途。
在选择课程设计的课题上,我本来是想要完成2DPSK的调制及采用锁相环的方式进行解调的,但由于对锁相环这一块儿了解的不是很透彻,后期时间又比较紧,所以就选择了2FSK的调制与解调最为最终的设计课题。
在仿真原理图的设计上,我主要参考了资料上的电路图,在这一步中要很清楚基带信号从发生到调制到解调每一步的过程及实现方式,确定后要到器件库中找到模拟器件,调好估计的参数,这个对systemview这个软件部熟悉,相对困难,整个电路搭建完成后,就是后面的调试构成,应为有一些参数设置不合理甚至错误之处,要用到理论知识去分析参数的设置,包括载波频率,抽样频率,时钟设置,截止频率等等,只有这些都配合好,后面出的结果才会准确好看。
通过本次的课程设计,我也认识到课本上的只是永远都是基础,只有先将这些基础知识学懂学透才能在仿真过程中游刃有余,但同时我们需要注意的是仅仅依靠课本是远远不够的,理论值在实际操作过程中很大程度上是可以有所改进的,改善的好了出来的效果图也会更加的完善。
参考文献
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[5]周润景,张斐.数字信号处理的SystemView设计与分析[M].北京航空航天大学出版社,2010.
[6]冯育涛.通信系统仿真[M].国防工业出版社,2002.
[7]李东生.SystemView系统设计及仿真入门与应用[M].电子工业出版社,2008.
[8]罗卫兵,孙桦,张捷编著.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计[M].西安电子科技大学出版社,2008.
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- 关 键 词:
- 键控 FSK 系统 设计 建模 计算机仿真 分析