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1、通信原理课程设计报告题 目：短波8AFSK调制与解调器的仿真专 业： 通信工程 班 级： 姓 名： 学 号： 湖南科技大学信息与电气工程学院课程设计任务书题 目短波8AFSK调制与解调器的仿真设 计 时 间2016年7月4日-2016年7月8日设 计 目 的：1巩固所学的专业技术知识；2熟悉SystemView仿真环境并能在其环境下了解并掌握通信系统的一般设计方法，具备初步的独立设计能力；3提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；4更好地将理论与实践相结合。设 计 要 求：建立系统的数学模型；在SystemView5.0仿真环境下，从各种功能库中选取、拖动可视化图符，组建系统，在信号
2、源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接收器图符库中选取满足需要的功能模块，将其图符拖到设计窗口，按设计的系统框图组建系统；设置、调整参数，实现系统模拟；设置观察窗口，分析模拟数据和波形。总体方案实现：指导教师评语： 摘 要AudioFrequencyShiftKeying-声频频移键控 频移键控(FrequencyShiftKeying，简称FSK)是二进制信号的频移键控的英文缩写，它是指传号（指发送1）时发送某一频率正弦波，而空号（指发送0）时发送另一频率正弦波。 根据Bell202的建议，来电显示的数据传送采用连续相位的二进制频移键控，比特率是1200bps，而1对应的频率是1200Hz
3、，0对应的频率是2200Hz。 FSK的数字调频可用键控法来实现。FSK键控法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。来电显示的信息传输方式有2种：FSK和DTMF。FSK方式与DTMF方式相比有如下的优点：数据传输速率高，在规定时间内能传的字符数多FSK方式支持ASCII字符集，而DTMF方式只支持数字及少数字符。System View 是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，System Vie
4、w 在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。本课程设计采用System View 这个平台进行声频频移键控仿真。关键字： System VieW 仿真 短波 8AFSK 调制与解调器；AbstractAudioFrequencyShiftKeyingFrequency shift keying (FrequencyShiftKeying (FSK) signal binary frequency shift keying of the English abbreviation, it is to pass, refers to send 1) to send a
5、frequency sine wave, and empty to send 0) to send another frequency sine wave. According to Bell202s proposal, the caller ID data transmission using the continuous phase of the binary frequency shift keying, bit rate is 1200BPS, and the frequency is 1200Hz, 0 corresponding frequency is 2200Hz. FSK d
6、igital frequency modulation can be achieved by the key control method. FSK key control method is to use the rectangular pulse sequence control of the switching circuit for two different independent frequency source. Key control method is characterized by fast conversion speed, good waveform, high st
7、ability and easy to achieve, it is widely used. Calls to display the information transmission in 2 ways: FSK and DTMF. FSK and DTMF mode compared with the following advantages: high data transmission rate, in the specified time internal energy transfer character of multiple FSK mode support ASCII ch
8、aracter set, and DTMF mode only supports digital and a handful of characters. View System is a dynamic system analysis platform for the design and Simulation of modern engineering and scientific system. From the filter design, signal processing, the design and Simulation of a complete communication
9、system, until the general mathematical model of the system establishment in various fields, system view in a friendly and functional window environment, for the user provides a sophisticated embedded analysis tools. This course is designed by System View this platform audio frequency shift keying si
10、mulation.Keywords: VieW System simulation HF 8AFSK modulation and demodulation 目 录1巩固所学的专业技术知识；23提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；21、 课程设计的目的。61巩固所学的专业技术知识；63提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；62、原理介绍及设计方案的论证。62.1短波通信的概述62.1.2 短波通信的特点72.1.3 短波通信的现状与趋势72.2数字调制信号8AFSK的识别技术82.2.1 信号识别原理概述82.2.2 数字调制信号与识别82.3 8AFSK调制解调的实
11、现92.3.1 8AFSK调制92.3.2 带通滤波器的设计93、 各具体模块实现及调试过程。103.1 System View介绍104、 结果分析及比较。105、总结及体会。136、 参考文献（包括电路图和元器件清单）14参考书目：171、 课程设计的目的。1巩固所学的专业技术知识；2熟悉SystemView仿真环境并能在其环境下了解并掌握通信系统的一般设计方法，具备初步的独立设计能力；3提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；4更好地将理论与实践相结合。2、原理介绍及设计方案的论证。 2.1短波通信的概述短波通信又称为高频(HF)无线电通信，主要利用天波进行传播，短波单次反射的
12、最大地面传播距离可达4000km，多次反射可达上万千米。短波通信和其它通信相比，具有设备简、成本低廉、灵活机动以及通信距离远等优点，短波通信一度成为承担国际通信业务的主要技术手段，广泛应用于政府、军事、外交、气象、商业等部门，用于传送语音、文字、图像、数据等信息。 电离层反射信道是一种时变色散信道，其特点是路径损耗、噪声和干扰等都随频率、地点、季节的变化而不断地变化，因此，短波通信中工作频率是不能任意选择的。从 20 世纪60 年代开始，由于卫星、光纤等通信技术的飞速发展，短波通信的适应性问题和它一些缺点逐渐暴露出来，短波通信也因此渐渐遭到了冷落。经过长期的实践发展，人们发现卫星通信也不能满足
13、所有用户的需要，并且其成本高、战时易被摧毁、发射入轨后难以维修等缺点也很难克服；另一方面，自适应选频、自适应均衡及自适应速率控制等现代通信技术的出现，使短波通信在克服多径衰落、改善通信质量、提高频谱利用率等方面取得了突破性进展，而以超大规模集成电路制造技术为代表的微电子技术也在硬件方面给予了短波通信足够的支持，加上短波通信能够不断结合当今的高端前沿技术，因此从 80 年代开始，短波通信的应用再度蓬勃发展起来。 2.1.2 短波通信的特点短波通信主要是利用电离层反射来传递信息的,因此,它与电离层有直接的关系。由于电离层介质受太阳辐射、空间粒子等影响,其传输特性在不同季节和昼夜中随机变化,具有时变
14、色散的特性,使得短波信道存在着多径效应、多普勒频移、衰落、各种噪声和干扰。1.多径效应由于电离层不均匀性对电磁波产生漫反射而形成不同的反射路径,使同一信号经过多条路径到达接收点,这就是短波信道的多径效应,它是产生多径时延与衰落的根本原因。通常,出现多径多为、条,出现概率为,其中出现条路径的情况最多。信号经过不同的路径到达接收点的时间是不同的,两条路径的时间差为时延,而多条路径间的最大时间差称为多径时延。多径时延不仅与距离有关,而且与频率有关。大量的统计数据表明在中长距离传输系统中,的多径时延的大小在一之间,最大的时延可达。2.多普勒频移短波传输中存在的多径效应不仅使接收端的信号幅度随机地变化,
15、而且也使信号的相位起伏不定。相位的起伏使频率发生抖动,产生多普勒频移。多普勒频移的分布特性近似高斯分布。在日出和日落期间多普勒频移呈现更大的数值,在其它时间多普勒频移大约在一之间。当发生磁暴时,频移可达。若电波以多跳模式传播,则总频移值可按下式计算 式中n为跳数,为总的频移值,为单跳多普勒频移值。3.衰落在短波通信中,接收端信号的振幅总是呈现出忽大忽小的随机变化,这种现象称之为“衰落”。在短波传播中,衰落有快衰落和慢衰落之分。连续出现持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快衰落持续时间比较长的衰落可能达一小时或者更长称为慢衰落。根据衰落产生的原因,可以归结为干涉衰落、吸收衰落以及极化衰落三种。4.
16、噪声与干扰短波信道的噪声主要包括大气噪声、宇宙噪声和各种工业干扰噪声。其中大气噪声为主要部分。大气噪声可看作是高斯白噪声,其幅度服从正态分布,功率谱密度近似为常数。短波信道中还存在着部分边带噪声干扰和单音干扰,认为其幅度服从瑞利分布或高斯分布。 2.1.3 短波通信的现状与趋势尽管当前新型无线通信系统的应用较多，但是由于短波在军事通信和某些民用通信上的不可替代性，20 世纪 80 年代以来，短波通信仍然受到了普遍重视。近年来，随着短波组网、信道自适应、信道编码、信道均衡等技术的发展，短波通信发展过程中遇到的许多问题得以解决；并且随着微型计算机、移动通信和微电子技术的快速发展，人们利用数字信号处
17、理器、微处理器，不断提高短波通信质量和数据传输速率，短波通信系统得到了较大的发展。 目前，短波通信在军事通信中的地位变得尤为重要，它的传播媒质电离层不容易被摧毁，比如，我们使用的电话线路由于人为因素或外力被切断，地面中继系统和卫星中继系统可能发生故障或被摧毁，而电离层不容易被破坏或摧毁，即使用高空原子弹进行爆炸，也只是在有限的电离层区域内影响电离密度达到短时间的失效，短波通信的安全可靠度比卫星通信要高。另外，短波通信还有它固有的一些优点：设备体积小，机动灵活，适合车载、舰载、机载；成本低，技术简单，容易维护；目标小，抗毁性强，设备不易被摧毁。这些优点在军事通信中有着重要的意义，因此各国的军事科
18、研单位都十分重视对短波通信技术的研究。 对短波通信的研究虽然已经有了很大的进展，但仍然存在着很多问题需要进一步的研究，未来的研究内容可从以下几个方面考虑：高速调制解调技术、抗干扰技术、组网技术等。 2.2数字调制信号8AFSK的识别技术 2.2.1 信号识别原理概述数字基带信号对载波进行调制是将数字基带信号的功率谱搬移到载频附近，产生各种已调数字信号。基本的三种数字调制方式是：振幅键控(Amplitude Shift Keying，ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)和相移键控(Phase Shift Keying，PSK)。数字基带信号可以是二进制的，也
19、可以是多进制的，分别称作二进制调制和多进制调制。要截获并分析通信信号的信息，首先需要判断出信号的调制信息。调制识别是在未知调制信息内容的前提下，通过一定的算法判断出信号的调制方式。因此调制识别是非协作通信的基础，在通信对抗、频谱管理等军事和民用领域都有广泛的应用，具有重要的研究意义。调制识别通常由三个部分组成：信号预处理、特征参数提取和分类识别。信号预处理对信号的参数进行估计，提供适合识别的参数；特征参数提取部分是从数据中提取信号的时域特征或变换域特征，时域特征包括信号的瞬时幅度、瞬时相位或瞬时频率的统计参数，变换域特征包括功率谱、谱相关函数、时频分布等统计参数，经过特征提取和选择得到的特征矢
20、量对不同调制类型有明显的差别；分类识别根据一个或几个特征参数，识别出某类的调制类型。 2.2.2 数字调制信号与识别运用基于决策理论的方法和提取不同的特征值的方法，实现数字调制信号的识别，这些方法具有算法简单、计算量不大、易于编程等优点，所以得到了较普遍的应用。对各种数字调制信号(如 2ASK，4ASK，2FSK，4FSK，8FSK，2PSK、4PSK 和 8PSK 等)，这些方法都取得了较好的识别效果。数字调制信号的自动识别：数字调制信号主要有 2ASK，4ASK，2FSK，4FSK，8FSK，2PSK、4PSK 和 8PSK，用于数字调制信号自动识别的主要特征参数有：零中心归一化瞬时幅度谱
21、密度的最大值:其中，为取点数，而为零点归一化瞬时幅度，由下列计算：其中，而为瞬时幅度的平均值，用平均值来对瞬时值的幅度进行归一化的目的是为了消除信道增益的影响。 2.3 8AFSK调制解调的实现 2.3.1 8AFSK调制第二代短波通信采用 8AFSK 调制信号，8 个正交单音，每个单音代表 3 比特数据，每个单音持续8ms，其码元速率为 125 波特，数据速率为 375 比特/秒。8 种频率依次为 750Hz，1000Hz，2250Hz，2500Hz，相邻单音频率间隔为 250Hz，遵循奈奎斯特准则，这里采用的采样频率sf 为8KHz。已知码元速率为 125 波特，所以可知在一个码元时间内，
22、有 8000/125=64 个采样点，对应单音频率 750Hz 在一个码元时间内有 750/125=6 个完整波形，同理可知对应频率 1000Hz、1250Hz、1500Hz、1750Hz、2000Hz、2250Hz、2500Hz 分别有 8、10、12、14、16、18、20个完整波形。以发送“TO 123”信号字为例来分析发送端的具体过程。报头“TO”对应二进制“010”，基本地址“123”对应字符“1”“2”，“3”的 ASCII 码值，转化为十进制分别为 49、50、51，可知信号的结构分为 4 个部分，依次是 3比特、7 比特、7 比特、7 比特，所以把“1”，“2”，“3”对应的
23、ASCII 码值转换成7 比特的二进制数，依次为“0110001”，“0110010”，“0110011”，这时便得到了 24比特的 ALE 基本字，又根据图 3.1 可知，要进行 Golay 编码需要先将数据进行分组，分成 2 组，每组 12 比特，即“010011000101”，“100100110011”，然后将两组数据分别进行 Golay 编码，每组编后的结果都是 24 比特，接下来进行交织，形成 48 比特的信息 A，交织的方法是将第一组 24 比特的第一比特信息放在 A1(A的最高位)，再将第二组 24 比特的第一比特信息放在 A2(A 的次高位)，A3存放第一组 24 比特的第二
24、比特，以此类推，就得到 48 比特的信息 A，完成交织之后，再在 48 比特的后面添加第 49 比特，令第 49 比特的值为零，这样便得到了一串 49比特的信息，然后进行三倍冗余，即将 3 个 49 比特的信息依次连接起来形成 147比特的信息，再从高位到低位将每 3 比特信息转换成对应的十进制数，形成 49 个码元，最后为了保证 ALE 信号波形在各个单音之间的过渡是连续的，并且是在波形的最大处实现过渡，则每个单音都选用初相位为零的余弦函数，这样便完成了8FSK 调制，8FSK 调制后的输出波形如图 可知，前 64 个采样点包含了 10 个完整波形，可知其对应的频率为1250Hz，第二组 6
25、4 个采样点包含了 6 个完整波形，可知其对应的频率为 750Hz，以此类推，可以看出信号经过 8FSK 调制之后的波形特点。8AFSK解调采用最佳相干解调方式，所谓“最佳”是最小差错概率的接收方式，接收端接收到的信号经过 FIR 数字带通滤波器之后，此时得到的信号分成八路分别和八种单音载波相乘，计算每 64 点的各个信号能量积分，每64 点进行一次判决，输出此 64 点中最大一路对应的码元，并确定出是哪种频率的信号，这样进行49 次积分运算，接下来进行 49 次判决，即可输出 49 个码元及每个码元对应的频率。 2.3.2 带通滤波器的设计带通滤波器的作用是滤掉传输信道中传输频带之外的干扰信
26、号，只允许通过某一频率范围内的频率分量，将其它范围的频率分量衰减到极低的水平。在通常的数字滤波器设计中，为了保证系统的稳定以及线性的相位，通常设计滤波器都采用有限冲激响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器形式。在实际中，所有的DSP滤波器必须用有限精度实现，FIR数字滤波器具有理想的数字特性，实现简单，稳定性好，易于实现线性相位，不需要反馈；易于理解和设计；易于计机辅助设计。FIR滤波器设计方法主要有窗函数法、频率采样法和切比雪夫等纹波逼近法三种方法。理想滤波器的单位脉冲响应 一般是非因果的无限长序列，但 FIR 滤波器系数 的长度是有限的，最简单的办法是按照滤波
27、器系数长度直接截取其一段来代替，但是采用这样的突然截断的方法在时域会产生跳变，导致设计出的滤波器特性变差。为了改善滤波器的特性，可以用一个向两边衰减的窗函数与理想滤波器单位脉冲响应相乘，即H(n)=w(n)C(n) ，减小了采用系数截断的方法所造成的误差。FIR 滤波器设计中常用的几种窗函数有： 矩形窗：Hanning 窗：Hamming 窗:Blackmen 窗:3、 各具体模块实现及调试过程。3.1 System View介绍美国ELANIX公司于1995年开始推出SystemView软件工具，最早的1.8版为16bit教学版，自1.9版开始升为32bit专业版，目前已推出了3.0版。Sy
28、stemView是在Windows95/98环境下运行的用于系统仿真分析的软件工具，它为用户提供了一个完整的动态系统设计、仿真与分析的可视化软件环境，能进行模拟、数字、数模混合系统、线性和非线性系统的分析设计，可对线性系统进行拉氏变换和Z变换分析。 4、 结果分析及比较。该图为设备SYSTEM VIEW 仿真电路图。其中串并转换并未做仿真，直接使用了8路二进制为随机数据代替。当某路输入电平为1时就输出对应的副载波频率，电平为“0”时不输出信号。8个副载波频率分别为：750hz、1050hz、1350hz、1950hz、2550hz、2850hz。8路输出经过合路器送入射频调制信道。为了节省仿真
29、时间，只画出了其中的4路（750、1350、1950、2550）。射频电路也没有进行仿真，仅仅只用一个宽带3400hz的低通滤波器来代替。信道的影响使用了多经到图符。由于8FSK信号有8种单音频率，其功率谱是相互独立的，所以峰值是互不相交的，当在一定时间内求出最大功率谱时，则每种频率对应一种单一谱线，此时刻与标准信号最为接近，将这个功率谱最大的时刻称为判决时刻，码元同步的目的是希望得到的判决时刻尽量接近或达到最佳判决时刻如果一定时间内采样信号跨距两个单音频率时，经过FFT后会出现两个功率谱的峰值，但是这个功率谱相对于只有一种单音信号的功率谱来说，幅度要小一些，并且和其相邻的其它的谱线相比来看幅
30、度差距不大。这样，采用做连续的滑动FFT的方法，功率谱会从一个最大的峰值逐渐过渡到另一个最大的峰值。（1）输入信号为无频偏的8FSK信号时，实现码元同步的过程：对无频偏的8FSK信号做64点的滑动FFT，每次滑动点数为1点，由于采样率为8000Hz，当输入为无频偏的8FSK信号时，做64点的FFT之后，会得到8FSK信号的所示，此时的横坐标为频率，我们可以直观地看出信号的频率，输入的8FSK信号的频率为750Hz。虽然当横坐标为频率时，我们可以直观地看出信号的频率，但是另一方面我们想要在连续滑动FFT的过程中看到一个最大功率谱到另一个最大功率谱的变化过程，这时就需要把横坐标设置为时间。由于做的
31、是64点的FFT运算，会得到64根谱线，谱线号依次标记为1，2，64，每个谱线号间隔频率为8000/64=125Hz，所以750Hz的单音对应的谱线号是7，同理1000Hz，1250Hz，1500Hz，1750Hz，2000Hz，2250Hz，2500Hz分别对应的谱线号为9，13，15，17，19，21，每个谱线号对应不同的单音频率。所以，当把横坐标设置为时间时，输入的无频偏的8FSK信号的功率谱如图3.12所示，我们可以看出信号的最大功率谱对的谱线号为7，即对应的频率为750Hz，和图3.11所示的信号频率是相同的，所以，采用横坐标为时间来显示信号的功率谱同样能反映信号的频率信息，并且，做
32、连续的滑动FFT时，它还可以显示一个最大功率谱到另一个最大功率谱的变化过程。做连续的滑动FFT时，对输入的8FSK信号做64点的滑动FFT，每次滑动1点，将每次FFT的功率谱的最大值保存下来，并找出最大功率谱对应的位置，即判决出其对应的谱线号。为了更直观地看出每个功率谱对应的谱线号，说明存在不同频率的单音信号，将判决得到的谱线号和功率谱放在一个数量级以方便进行比较，如图所示。5、总结及体会。首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识
33、，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。在为期一个星期中我学到了很多上课所学不到的知识，以前总是以为自己学的理论知识不知道用到哪里感觉学的知识没什么用，同时也觉得自己学的这些知识将来又用不到哪里去所以学的很吃力。但是经过这个星期感觉自己以前学的知识点还有有用的比如在这次设计中的滤波器中我看到了模电知识的体现，开始时由于学的很久了，自己也忘记了。所以在学习的时候感觉不知道怎样设计但是当自己翻开以前的模电书的时候。书上密密麻麻的笔记让我感觉了自己在滤波器这一块又有了新的体会。让我觉得原来知识的深奥。同时我发觉了知识只有结合实际也就是动手能力这样自己在学的时候能够更好的掌握。同时我很感谢我的指导老
34、师和伙伴。在很多有关软件的学习由于其准备工作做得不到位所以上手比较慢。在学习的时候遇到了很多的不懂这期间有老师的细心教导，也有同学的热心帮助。为此我很是感谢！ 其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计中的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。由于这次机会我又学到了很多平时上理论课没有学到的知识。同时也是的自己对通信原理这门功课有了更大的兴趣。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。6、 参考文献（包括电路图和元器件清单）参考书目：1 胡中豫.现代短波通信.国防工业出版社.2003.2 张曲，李晓峰. ALE Modem 8FSK信号解调研究.四川工业学院学报.2001年第20第1期.3 李德.短波电台 ALE 技术及其模块实现 J.电子科技大学.硕士学位论文.2003. 4 宁向延.自动链路建立协议的DSP实现D.西安电子科技大学.硕士学位论文.2002年.5 张辉，曹丽娜.现代通信原理与技术.西安电子科技大学出版社.2003.
