1、本科毕业设计（20 届）基于 MATLAB 的 2FSK 调制解调及其仿真所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2目 录1. 绪论 .31.1 引言 .31.2 MATLAB/Simulink 的简介 .31.2.1 MATLAB 的简介 .31.2.2 Simulink 的简介 .42. 通信的基本概念与数字通信 .42.1 通信的基本概念 .42.1.1 消息、信息和信号 .42.1.2 通信的概念 .52.2 数字通信 .52.2.1 数字通信的系统模型 .52.2.2 数字通信系统的特点 .63. 2FSK 的基本原理和实现 .63.1 2
2、FSK 的基本原理 .63.2 2FSK 信号的功率谱及带宽 .104. Smulink 的模型建立和仿真 .114.1 建立 2FSK 传输系统仿真模型 .114.2 参数设置 .124.3 2FSK 调制解调的波形图 .184.3 不同高斯噪声方差下的误码率 .195. 心得体会 .20致谢 .20参考文献 .203基于 MATLAB 对 2FSK 调制解调及其仿真【摘要】目前，新产品或新技术研制成功并投入使用之前都要经过无数次反复的实验仿真，然后再根据实验结果进行修改。MATLAB/Simulink 仿真软件是通过模拟真实的环境，可以有效降低实验的时间和成本，也可以达到验证设计者的思路和
3、算法。本文通过 mathlab 中的 Simulink 模块构建 2FSK 调制与解调模型，并进行仿真。【关键词】2FSK,Simu link，调制，相干解调MATLAB on the 2FSK modulation and demodulation based on Simulink【Abstract】 At present, a new product or new technology successfully developed and put into use in industries, must go throught stimulations and experiments c
4、ountless times, then according to the result of the experiment was modified. MATLAB/Simulink is adopted to simulate the real environment, which is not noly can effectively reduce the time and cost of experiment. But also can achieve the idea or algorithm of the test designer. 2FSK which is a binary
5、frequency shift keying abbreviation, is achieved by using Simulink MATLAB software platform, to build the 2FSK modulation and demodulation model, and simulation in this paper.【Key words】2FSK, Simulink, modulation, coherent demodulation 41. 绪论1.1 引言随着科技快速发展，用于研发、测试的设备不断更新，且技术含量也随之变高了，价格也随之昂贵。并不是所有从事开
6、发与研究的工程技术人员都能够更新相匹配的仪器设备。在电子信息工程、现代通信技术和通信系统等的实验研究工作中较多是使用计算机仿真。通过采用计算机模拟的方法在某种程度上能克制一些问题，如没有工具设备所引起的问题。计算机技术经过近年来的发展，计算机仿真得到广泛地应用，已成为一个很重要的科学研究方法。在生产实践和社会活动的人总是需要传达消息，此消息的整个过程称为通信 1。从模拟到数字的转变、系统到网络的转变、窄带到宽带、人工到智能、单一到多业务的过程，这就是通信的发展经历 2。通信技术在近年来飞速发展，特别是数字通信技术，其应用范围也更广的。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大
7、量有用的信息进行无失真，高效率地传输，同时还要在传输过程中将没有用信息和不利信息抑制掉。今天，通信不仅能有效地传达信息，而且还能储存功能、采集功能、处理功能以及显示功能等优点，通信已和信息科学与技术密不可分 2。现在通信原理逐渐成为很多高校理工科专业的必修课程。1.2 MATLAB/Simulink 的简介1.2.1 MATLAB 的简介MATLAB 是由美国 Mathworks 公司在 1967 年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为 Matlab） ，Matlab 是一款商业教学软件 3。矩阵实验室 是一种主要用于科学与工程的计算机仿真软件，它把应用不同领域的计算
8、用函数的方式提供给使用者；用户在使用过程中，只需要简单地调用这些函数并赋予实际的参数就可以解决实际的问题 4。它涉及数值分析、自动控制、小波分析、图像和信号处理以及神经元网络等多个个领域的计算和图形显示 5。MATLAB 功能相当地强大，即可以方便地进行科学和工程计算，也可以有效地降低了计算工作量以及极大的节约了科研人员的时间 6。此外， MATLAB 中使用的计算方法是最成熟的算法，并能与多种程序语言编程，大大加快他们的实际发展速度 7 。众多科学研发人员通过借助 MATLAB 软件能快速测试设计构想，给科研人员的带来很多方便，广受科研人员的欢迎，经过一代又一代人的努力，目前 MATLAB
9、已发展到了 7.X 版本，综合了评测系统性能，达到快速设计出更好的解决方案，以确保更高的技术要求 8。综合起来说，MATLAB 有 6 个特点。 (1)使用方便；(2)编程效率高；(3) 扩充能力强；(4) 语句简单，内涵丰富；(5)对于数组运算以及矩阵运算是高效方便的 ；(6) 较方便的绘图功能 9 。1.2.2 Simulink 的简介在 MATLAB 仿真软件中 有一种可视化的仿真工具就是 Simulink，广泛应用于一些领域的建模与仿真，有通信仿真、线性或非线性系统、模糊逻辑、数字控制神经网络以及数字信号处理等领域。在 Simulink 建模时使用的是模块化和图形化方式，每一个模块有自
10、己的输入和输出端口，以及特定的功能，模型结构十分美观与形象，适用于描述运算结构模块化和层次化清晰的系统和模型 10。基于 Simulink 的仿真模型文件的扩展名是 “.mdl”。矩阵实验室给 Simulink 提供工具包，方便我们对动态系统建模、仿真和分析使用；在它模5块设计中，有指定的输出信号模块，使得模拟结果能在仿真过程随时察看 11。在仿真过程中，也可以运用 Simulink 中的存储模块，能方便把仿真数据用不同形式在工作区间或文件中储存，使用者能在仿真完成之后对数据进行分析处理。还有 Simulink 具有内在的模块化设计，它可以将具有特定功能的代码组织成模块的形式，也能将这些模块组
11、织成具有等级结构的子系统 9。在 Simulink 工作环境的过程中，画模型图 比较自由、方便，只要用户一个简单的点击和拖动就能做到建模，还能直接系统仿真，能快速得到仿真结果。每个子模型库有自己的功能模块，用户还能依据自己的需求去定制和创建模块。采用示波器模块和其他的显示模块，你能马上看到仿真结果，如果你改变模块的参数只需再次运行便能观察到匹配的结果。但是 Simulink 是不能脱离 MATLAB 而独立工作的 12。它的主要特点在于：a、建模方便与快捷；b、易于进行模型分析；c、优越的仿真性能。Simulink 仿真软件与传统的仿真软件相对比，优点是方便、直观、灵活。在仿真通信系统时，最常
12、用库有Simulink（公共模块库）包含有 Commonly Used Blocks（常用模块） 、Continuous（连续模块） 、Discontinuities （非连续模块） 、Discrete（离散模块） 、Logic and Bit Operations（逻辑和位操作模块） 、Lookup Tables（查找表模块） 、Math Operations（数学运算模块） 、Model Verification（模型检测模块） 、Model-Wide Utilities（模型扩充模块） 、Ports &Subsystems（端口和子系统模块） 、Signal Attributes（信号属
13、性模块） 、Signal Routing（信号线路模块） 、Sinks（接受器模块） 、Sources（输入源模块） 、User-Defined Functions（用户自定义函数模块） 、Additional Math &Discrete（额外数学和离散模块） ，Communications Blockset（通信模块库）包含有 Channel（信道） 、Comm Filters（滤波器） 、Comm Sinks（信宿） 、Comm Sources（信源） 、Equalizers （均衡器） 、Error Detection and Correction（检错与纠错）等等， Signal P
14、rocessing Blockset（信号处理模块库）包含子库有Estimation（估计） 、Filtering（滤波）等等 13。2. 通信的基本概念与数字通信2.1 通信的基本概念2.1.1 消息、信息和信号人类社会是建立在信息交流的基础之上，尤其是当今世界已经进入信息时代，如今我们越来越多地接触到信息这一概念。消息是一种对事物物理状态的变化，具有人们能感知的物理特性进行描述的具体形式。例如：语音、温度、文字、图像等等。信息（information）是指消息中所含有的一些有意义的内容，它的概念比较抽象。信息的载体是消息，不同形式的消息，是可以包含同一个的信息，比如：分别用报纸和电视发布相
15、同一个新闻或事件，其所包含信息内容是相同的。信息的传递与交换必须通过消息的传递和交换才能够完成。信号是对消息进行转变后在通信系统中传输的某种物理量和传递消息（message） 。因此，信号是消息的运载工具，同时也是消息转换来的并可以被传输 与处理的具体形式 13。2.1.2 通信的概念通信（Communication）是进行信息的时空转移，从一方传达到另一方的消息（或information） ，实现通信的方式与手段很多，例如：手势、语言、消息树、古代的烽火台、金鼓，以及现代社会的信函、电报、电话、广播、电视、因特网等，均属于消息传递的方6式和信息交流的手段。电通信方式可以达到使消息几乎在任意的
16、通信距离上实现迅速、准确、有效、可靠地传递，所以它的增长非常迅速，并广泛的应用 13。通信系统就是传递信息时所需要的全部技术设备和传输媒质的总和，通信系统大致可分为数字和模拟通信系统这两种。下图（2-1）是通信系统一般模型。图 2-1 通信系统一般模型 132.2 数字通信2.2.1 数字通信的系统模型 数字通信系统是通过使用数字（digital）信号来传 达信息的通信系统。系统模型如（图 2-2）所示。数字调试的基本方式有振幅键控 (Amplitude Shift Keying)、频移键控(Frequency Shift Keying)、绝对相移键控、相对相移键控。如果你想恢复这些信号为数字
17、基带信号可以采用相干（coherent）解调或非相干（noncoherent）解调。在信号检测中带有高斯噪声时，通常采用相关器接收机或匹配滤波器（Comm Filters）实现。如(图 2-2)所示的通信系统被称为数字频带传输系统，要是没有调制（modulation）器和解调（demodulation ）器，称为数字基带传输系统；要是不包括 A/D 转换环节，被称为模拟信号的数字化传输系统 14。信源编码噪声源解调器信道译码信源译码信宿信道编码信宿调制器信道图 2-2 数字通信系统模型 1372.2.2 数字通信系统的特点数字通信系统较模拟通信系统而言，具有很强的抗干扰能力，且可靠性比较高；体
18、积较小，功耗比较低，易集成；便于进行各种数字信号处理；收发信号时间要同步；便于保密、便于与计算机连接等优点。缺点是占用频带宽；系统和设备比较复杂。因为通信系统和压缩技术、集成电路技术等的发展，使得数字通信的缺点就不成为问题了。数字通信可以满足对通信技术日益增长的需求。近年来，数字通信的发展很快，在通信领域中所占比例也随之增大，如今数字通信也逐渐取代了模拟通信在大多数通信系统中，也是现代通信系统的主流。3. 2FSK 的基本原理和实现3.1 2FSK 的基本原理二进制移频键控(2FSK)是利用通过频率变化来传达的数字信息，使用两个不同频率（、 ）的正弦信号分别表示二进制数 1 和 0。因此 ，载
19、波的频率随着二进制基带信号f12在 和 两个频率点间变化 ,产生二进制移频键控(2FSK )信号,2FSK 信号的时间波形如(图 3- 1)所示 ,从（图 3-1）可以看出波形 可分解为波形 和波形 ,也就是说两个不同gfe载波的 2ASK 信号的叠加 所得就是二进制移频键控信号。因此 2FSK 信号的时域表达式为：（3.1-2 1 2()()cos()()cos()FSKnnnbnetagtTtatTt1） 式中：（3.1- 2）Pan-110发 送 概 率 为发 送 概 率 为（3.1-3）bn发 送 概 率 为发 送 概 率 为如下（图 3-1）所示为 2FSK 键控时间波形8图 3-1
20、 2FSK 键控时间波形 13由上图可以看出, 是 的反码 ,即若 ，则 ；若 ，则 ；可以bna1n0bnan1bn得出 ， 和 分别代表第 n 个信号码元（1 或 0）的初始相位，在二进制移频n键控信号（2FSK）中, 与 这两个是不携带任何信息,所以一般可令 与 为零。n n因此，二进制移频键控（2FSK）信号的时域表达式可以简化为：（3.1- tntgttgt wTbwTaensnsFSK 212 co)(co)()( 4）采用模拟调频电路和采用数字键控的方法可以实现二进制移频键控（2FSK）信号的产生，就是用开关电路来对两个不同的独立频率源进行选通在二进制基带矩形脉冲序列的掌握中，使
21、得在每一个码元 期间输出 或 两个载波当中一个，如下（图 3-2）是数sf12字键控法实现二进制移频键控（2FSK）信号的原理图。9图 3-2 键控法产生 2FSK 信号的原理图 15二进制移频键控信号的解调方法有过零点（zero crossing）检测法、非相干解调方法、相干解调方法等。解调的原理是把二进制移频键控信号分为上下两路二进制振幅键控信号。通过抽样值进行对比最终判决（decision）出输出信号，这就是解调。下面所示（图 33）为二进制移频键控(2FSK)信号相干和非相干解调器的原理图(a) 非相干解调10(b) 相干解调图 3-3 二进制移频键控信号的原理图 15如下（图 3-4）过零检测法原理图和各点时间波形。（a）过零检测法原理图（b）各点时间波形图 3-4 过零检测法原理图和各点时间波形 15
