FSK的调制与解调系统仿真.docx
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FSK的调制与解调系统仿真
通信工程专业
《通信原理》课程设计
题目FSK的调制与解调系统仿真
学生姓名王凡学号1113024024
所在院（系）陕西理工学院物理与电信工程学院
专业班级通信工程专业1102班
指导教师魏瑞
完成地点陕西理工学院物理与电信工程学院实验室
2014年3月22日
摘要3
Abstract4
第1章绪论5
1.1MATLAB/Simulink的简介5
1.2通信技术的历史和发展6
1.2.1通信的概念6
1.2.2通信的发展史简介8
1.3通信技术的发展现状和趋势9
第2章数字频带传输10
2.1二进制移频键控（2FSK）11
2.2四进制移频键控（4FSK）15
2.2.14FSK的调制原理15
2.2.24FSK的解调原理16
第3章调制与解调仿真17
3.12FSK的调制与解调仿真17
3.1.1调制仿真17
3.1.2解调仿真20
3.24FSK的调制与解调仿真23
3.2.1调制仿真23
3.2.2解调仿真28
第4章出现过的问题与解决办法29
总结30
心得体会32
附录12FSK调制与解调仿真系统整体图34
附录4FSK调制与解调仿真系统整体图34
参考文献35
摘要
Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平台的著名仿真环境Simulin作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具，目前已被越来越多的工程技术人员所青睐，它搭建积木式的建模仿真方式既简单又直观，而且已经在各个领域得到了广泛的应用。
本文主要是以simulink为基础平台，对2FSK、4FSK信号的仿真。
文章第一章内容是对simulink的简单介绍和通信技术的目前发展和未来展望；第二章是对2FSK和4FSK信号调制及解调原理的详细说明；第三章是本文的主体也是这个课题所要表现的主要内容，第三章是2FSK和4FSK信号的仿真部分，调制和解调都是simulink建模的的方法，在解调部分各信号都是采用相干解调的方法，本文的主要目的是对simulink的熟悉和对数字通信理论的更加深化和理解。
Abstract
SimulinkisMathworks'sfamousSimulinsimulationenvironmentbasedonMatlabplatformasaprofessionalandfunctionalsimulationtoolandtheoperationissimple,hasbeenfavoredbyengineeringandtechnicalpersonnelmoreandmore,itbuildsthemodelingmethodofmodularissimpleandintuitive,andhasbeeninvariousfieldshavebeenwidelyapplied.
ThispaperismainlybasedontheSimulinkplatform,thesimulationof2FSK,4FSKsignals.ThefirstchapteristhebriefintroductiontoSimulinkandcommunicationtechnology,thedevelopmentandthefutureoutlook;thesecondchapterisadetaileddescriptionofthe2FSKand4FSKsignalmodulationanddemodulationprinciple;thethirdchapteristhemaincontentofthispaperisthesubjectisthesubjectofthethirdchapteristhepartofthesimulation,2FSKand4FSKsignals,modulationanddemodulationareSimulinkmodelingmethod,thedemodulationpartofthesignalsarecoherentdemodulationmethodused,themainpurposeofthispaperisfamiliarwithSimulinkanddigitalcommunicationtheorytodeepenunderstanding.
第1章绪论
1.1MATLAB/Simulink的简介
美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“MatrixLaboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早的雏形。
开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。
从Matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大的欢迎。
由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本。
Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。
由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。
可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。
科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。
目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。
另外，,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。
可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。
确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。
系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。
Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。
在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。
它的主要特点在于：
1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。
它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。
Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。
用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。
用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。
在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。
菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。
采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。
仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。
模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。
由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。
但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。
1.2通信技术的历史和发展
1.2.1通信的概念
通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。
消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息（Message）。
消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。
所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。
所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。
相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的（分别如图1-2-1所示），如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。
数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的（分别如图1-2-2所示），如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。
通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息（Information）。
消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。
通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。
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，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。
当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。
通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿（受信者），它的一般模型如图1-2-3所示。
↑
通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。
数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2-4所示，
↑
图1-2-4数字通信系统模型
模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2-5所示。
图1-2-5模拟通信系统模型
数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。
因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。
近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。
1.2.2通信的发展史简介
远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。
为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。
1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。
1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。
1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。
1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。
20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。
在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。
数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。
1.3通信技术的发展现状和趋势
进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。
特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。
（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。
（2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。
（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。
（4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。
（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。
例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。
根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。
随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。
随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。
到那时人们的生活将越来越离不开通信。
第2章数字频带传输
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。
然而，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。
为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。
这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。
在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调。
通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。
由于是借助于正线载波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号的，所以带通传输也叫载波传输
在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。
然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。
必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。
图2-1数字调制系统的基本结构
数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。
但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。
这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。
基本的三种数字调制方式是：
振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK或DPSK）。
数字频率调制又称频移键控（FsKFrequency Shift Keying），二进制频移键控记作2FSK。
数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。
2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。
从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。
模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。
2FSK键控法 则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。
键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。
本章重点论述二进制数字调制系统的原理及其抗噪声性能，简要介绍多进制数字调制原理。
2.1二进制移频键控（2FSK）
在二进制数字调制中,若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化,则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）.二进制移频键控信号的时间波形如图2-1所示,图中波形g可分解为波形e和波形f,即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加.若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1,0符号对应于载波频率f2,则二进制移频键控信号的时域表达式为
（2-1-1）
（2-1-2）
（2-1-3）
图2-1二进制移频键控信号的时间波形
由图2-1可看出,bn是an的反码,即若an=1,则bn=0,若an=0,则bn=1,于是bn=
，θn和
分别代表第n个信号码元的初始相位.在二进制移频键控信号中,
和θn不携带信息,通常可令
和θn为零.因此,二进制移频键控信号的时域表达式可简化为
（2-1-4）
二进制移频键控信号的产生,可以采用模拟调频电路来实现,也可以采用数字键控的方法来实现.图2-2是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图,图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制,在一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一.
二进制移频键控信号的解调方法很多,有模拟鉴频法和数字检测法,有非相干解调方法也有相干解调方法.采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图2-3所示.其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号,分别进行解调,通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号.非相干解调过程的时间波形如图2-4所示解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别解调，然后进行判决。
这里的抽样判决是直接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”符号对应载波频率f1，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”.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。
其原理图如下图所示：
图2–2数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图
图2–3二进制移频键控信号解调器原理图
（a）非相干解调;（b）相干解调
图2-42FSK非相干解调过程的时间波形
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。
数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。
过零检测法方框图及各点波形如图2.5所示。
在图中，2FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的尖脉冲序列，这些尖脉冲的密集程度反映了信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点数。
把这些尖脉冲变换成较宽的矩形脉冲，以增大其直流分量，该直流分量的大小和信号频率的高低成正比。
然后经低通滤波器取出此直流分量，这样就完成了频率——幅度变换，从而根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。
2.2四进制移频键控（4FSK）
2.2.14FSK的调制原理
随着时代的发展，数字信号在信号传输比模拟信号有许多的优越性，数字信号传输也越来越重要。
虽然近距离传输可以由数字基带信号直接传输，但是要进行远距离传输时必须将基带信号调制到高频处，所以调制解调技术是数字通信中一种关键的技术。
二进制频移键控是数字信号调制的基本方式之一。
而多进制（MFSK）的可降低信道系统信噪比的要求。
2FSK信号的产生方法主要有两种：
采用模拟调频电路实现；采用键控法来实现，即在二进制基带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，使其在每个码元期间输出f1和f2两个载波之一。
频移键控是利用载波的频率变化来传递信息的。
在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。
同理4FSK中基带脉冲序列四个码元（00011011）可用f1,f2,f3,f4四个载波之一；本文讨论4FSK是通过并联输入两位基带信号，两位二进制来表示四进制的频移键控。
2FSK键控法调频原理图（2.6）如下：
图2.62FSK键控法调频原理图
4FSK可通过基带信号（00,01,10,11）并联传输0或1来分别用f1,f2,f3,f4四个载频表示，两路基带信号作为控制选通选通开关，1路选通开关发送0时选通载频f1,发送0时选通载频f2,1路选通开关发送0时选通载频f3,送1时选通载频f4。
两路不同载频通过相加器得到已调信号发送出去。
4FSK键控法调频原理图（图2.7）如下：
图2.74FSK键控法调频原理框图
2.2.24FSK的解调原理
4FSK信号的相干解调法原理框图如图2.6所示。
其原理是：
4FSK信号先经过带通滤波器去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为四路，每路信号与相应载波相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出分别得到两路原基带信号表示四进制得到原始码元。
第3章调制与解调仿真
3.12FSK的调制与解调仿真
3.1.1调制仿真
（1）建立模型方框图
2FSK信号是由频率分别为f1和f2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中f1和f2是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号，2FSK信号产生的
图3-12FSK信号的simulink模型方框图
其中sinwave和sinwave1是两个频率分别为f1和f2的载波，BernoulliBinaryGenerator是伯努利二进制信号发生器，产生二进制随机信号，通过键控法控制f1和f2产生2FSK调制信号，各参数设置如下：
载波f1和f2的参数设置如下
图3-2载波sinwave的参数设置
其中幅度为，f1=1000Hz,采样时间为0.00001s
图3-3载波sinwave的参数设置
其中幅度为，f2=3000Hz,采样时间为0.00001s
二进制信号发生器参数如下
图3-4二进制信号源的参数设置
其中方波是幅度为1，频率为200HZ的随机信号
经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形如下：
图3-52FSK信号调制各点的时间波形
3.1.2解调仿真
解调方框图如下所示：
图3-62FSK信号解调方框图
两个带通滤波器分别将2FSK信号上下分频f1和f2,两个带通滤波器的作用是滤除带外噪声，乘法器和低通滤波器组成检波器，功能是卸下基带信号，然后通过判决器得到解调信号，以下为各个模块的参数设置:
F1带通滤波器参数设置如下
图3-72FSK信号f1带通滤波器参数设置
载波f1的频率为1000HZ，基带信号频率为200HZ，所以带通滤波器的范围为800HZ-1200HZ。
F2带通滤波器参数设置如下
图3-82FSK信号f2带通滤波器参数设置
载波f2的频率为3000HZ，基带信号频率为200HZ，所以带通滤波器的范围为2800HZ-3200HZ。
F1低通滤波器参数设置如下
图3-92FSK信号f1低通滤波器参数设置
F2低通滤波器参数设置如下
图3-102FSK信号f2低通滤波器参数设置
经过系统仿真后的各点时间波形如下：
图3-112FSK信号解调各点时间波形
3.24FSK的调制与解调仿真
3.2.1调制仿真
2FSK信号的产生方法主要有两种：
采用模拟调频电路实现；采用键控法来实现，即在
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