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1、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
2、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
3、，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 Along with society of continuously development, correspondence more and more show to us of importance. Speak for the correspondence technique, the quality of the correspondence also
4、 show very of key. Correspondence of root mission is how assurance long-distance leave to deliver an information of accuracy, in this aspect numeral correspondence the system have inborn of advantage. This main is because of numeral correspondence what to deliver be long-lost in the system of numera
5、l signal, because of the signal be long-lost, drive Zao voice interference empress of signal want only have no exceed threshold, receive to carry can complete with accuracy judgment the information for deliver; But for imitate to deliver system, as long as have a little bit of the interference will
6、make the information creation for deliver false. Is exactly also because of so of reason, numeral correspondence system then can in everyones noodles gradual replace imitate correspondence system to become modern correspondence of the most basic way. For the sake of easy to differentiation signal an
7、d Zao voice, make correspondence dont lose true with be free from interference, usually give diagraph signal to endow with certain characteristic, this be the main function for make. Make is the signal(be called to carry a signal) which use a signal(be called to make signal) to carry a body to contr
8、ols another a conduct and actions, let the latter of some characteristic parameter press the former variety. Will measure signal to make again, and will it with Zao voice separate, after enlarge etc. processing, return want to withdraw reflection from have already make of the signal quilt measured v
9、alue of measure signal, this process be called solution to adjust. The bandwidth using correspondence letter way for the sake of better land utilization also make signal can transmission larger of distance, in the numeral carry the wave the correspondence, we adoption three kinds of solution adjust
10、a way: Move key to control(ASK) Pin to move key to control(FSK) with mutually move key to control(PSK).Make signal be called binary system numeral to make for the make of binary system signal, the binary system make and is divided into a binary system to move key to control(2 ASK), the binary system
11、 Pin move key to control(2 FSK), the binary system mutually move key to control(2 PSK) with bad cent the binary system mutually move key to control(2 DPSK) etc. variety basic type, this topic main is numeral the frequency make and call Pin to move key to control(FSK).In the meantime make use of syst
12、em view software realization to imitate FSK system true with analysis, pass an usage imitate thus of the sense of vision turn of means to realization attain solution to adjust of purpose.Keyword: The Pin move key to control、Move key to control、Mutually move key to control、Lose true、Correspondence目 录
13、前言5第一章 绪论61.1课题研究背景及内容61.1.1研究背景61.2课题设计要求71.3课题设计步骤71.4 MATLAB简介7第2章 FSK系统的理论综述92.1实现调制的方法92.1.1直接调频法92.1.2频率键控法（频率转换法）92.2 FSK信号的解调方法102.2.1 过零检测法102.2.2差分检测法102.2.3包络检测法112.2.4 相干检测法112.3 频移键控FSK132.3.1 FSK调制原理132.3.2 FSK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153.1随机数字信号的产生与调制153.2 FSK解调实现173. 3 FSK
14、信噪比对误码率的影响分析183.4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
15、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
16、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
17、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
18、，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
19、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
20、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。1.4 MATLAB简介MATLAB是由MATH WORKS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（Matrix
21、Laboratory）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
22、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
23、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：help elfun，help exp，help simulink），look for关键词（例：look for fourier）。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
24、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，Continuous phase FSK）和相位不连续(DPFSK,discreate phase FSK)。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
25、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
26、高的频率稳定度。 振荡器f1控制门1倒相器相加器振荡器 f2f2控制门2 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2.2 FSK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： 放大 限副微分整流脉冲形成低通 a b c d e f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
27、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：带通低 通抽 样 延 迟 y(t) z(t) x(t) s(t) yi(t) y(t-) 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。
28、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： 带 通 滤波器 包 络 检波器 带 通 滤波器 包 络 检波器取 样 判决器 1 y1(t) v1(t) 输入 输出y(t) 取样脉冲 s(t) 2 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：v1v2 即v1-v20，判为1；v1v2 即v1-v20，判为0。其中v1和v2分别为抽样时刻两个包络检波器
29、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： 1 带 通 滤波器相乘器 低 通 滤波器 带 通 滤波器相乘器 低 通 滤波器抽 样判决器 y1(t) z1(t) 输入 x1(t)yi(t) 输出 取样脉冲 s(t) 2 y1(t) z1(t) x2(t)
30、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-f2/20.50.6-0.70.8-1.01.5BCP2FSKfb1.5 fb2.5 fb3.0fbBDP2FSK2.5 fb(2.6-2.7) fb(2.8-3.0)fb3.5 fb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
31、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(t + ) 调制后得到信号 Acos(t + )；解调时（2FSK解调）引入相干（同频同相）的参考信号 cos(t + )，则得到：Acos(t+)cos(t+)利用积化和差公式可以得到A*1/2*cos(t+t+)+cos(t+-t-) =A*1/2*cos(2t+2)+cos(0) =A/2*cos
32、(2t+2)+1 =A/2+A/2cos(2t+2)利用低通滤波器将高频信号cos(2t+2)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。2.3.1 FSK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
33、达式为 （2-1）频移键控常采用调制方式需要两个不同频率段的载波信号，码元为“1”和码元为“0”时的载波频率不同，其数学表达式为（2-2）其中（2-3）（2-4）（2-5）（2-6）FSK调制的原理框图如图2-1所示：图2-1 频移键控调制原理框图2.3.2 FSK的解调原理在解调时可采用相干解调，同步检测的方式。其原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。这里的抽样判决是直接比较两路信号的抽样值大小，可以不专门设置门限。相干解调的原理框图如图2-2所示：图2-2 同步检测解调原理框图第3章 基于MATLAB的FSK系统的解调仿真及其特性分析3.1随机数字信号的
34、产生与调制这里，我们用代码src=rand(1,n)ave2 final(i)=1;%信号经过滤波后进行比较，分支1大于分支2为1，反之为0else final(i)=0;end而滤波在MATLAB中我们用filtfilt命令实现,对已调信号进行滤波后的码元波形见图(3-3).图-已调信号经低通滤波后时域图最后,经过抽样判决,可以得到解调后的数字信号序列,其波形见图(3-1).通过对比我们可以看出解调后的码元和原始码元一致.说明仿真过程是正确的.3. 3 FSK信噪比对误码率的影响分析由理论分析值我们知道调制相干解调的误码率为(3-7)我们在附件2的MATLAB程序中对其进行了验证,具体方法是
35、产生足够多的码元,加入高斯白噪声后,调制解调,然后统计误码率,并用循环求得不同信噪比下的统计误码率值,并画图与理论值进行了比较.其结果见图(3-4).结果显示，实验结果与理论结果基本一致。3.4与卷积编码硬判决调制结果进行比较软判决译码是将经 B P S K调制后的二进制波形信号进行 8级 3比特的量化， 然后传给维特比译码器， 而硬判决就没必要这么复杂， 可直接将解调器输出的 2级 2比特 0和 l信号送给译码器进行硬判决。本设计中，硬判决仿真误码率与理论误码率比较见图（3-5）：图3-5：理论误码率与仿真误码率对比将两系统所得到误码率数据利用 “ To Work space ” 模块导人
36、MATLA工作空间计算并画出E d - p对比曲线图，如图3-6所示。结果表明，对于高斯信道而言，8级量化比2级量化的Ed提高了大约2dB， 这表明为了获得相同的比特误码性能， 8级软判决需要的比硬判决低2dB，显然软判决 维特比译码的性能优于硬判决维特比译码性能。 图3-6硬判决译码与软判决译码的误码率对比从仿真过程可以清楚地看到，译码器做出的所有信息的最终判决都将是硬判决 ，而映射解调子系统不是做硬判决 ，而是发送较多的数据( 本文采用的是 8级3比特的软判决数据) 给译码器，以提供译码器更多的中间信息，提高其判决的准确度，使其能更好地恢复原始信源数据 ，因而软判决译码所获得差错性能优于硬
37、判决译码。结合如图 5所示 的仿真结果可知， 软判决译码所获得差错性能的提高是以其系统设计的复杂程度为代价的。 结论在本次设计过程中，虽然对我来说困难比较大，但获益匪浅。实现了所学FSK调制解调的仿真，对FSK的原理更加熟悉了，对解调过程中的软判决与硬判决各自的优缺点有了充分认识，体会到理论和实际是有好大不同的，实践离不开理论，理论只有应用于实践才能发挥其作用。学过的东西，只有自己实际去做了才能更熟悉，才能对其本质更了解。在将理论用各种方法实现的同时，我们也在不断的搜集资料，不断的学习，获得更多的相关知识。在对MATLAB的应用中和学习别人的程序时，我体会到MATLAB的功能之强大，应用之广泛
38、，任何一件作品都是没有最好，只有更好，但是无论通过怎样的途径，我们都能表达出理论的成果。因此对其产生了更大的兴趣。参考文献【1】、樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京.国防工业出版社.2006【2】、贾团发等.移动通信.重庆大学出版社.2005【3】、郝文华MATLAB图形图像处理应用教程.中国水利水电出版社.2002【4】、徐金明.MATLAB实用教程.清华大学出版社【5】、刘美玲.篇名：FSK调制与解调.刊名：通信原理实验讲义.2008【6】、张森，张正亮.MATLAB仿真技术与应用实例教程.北京机械工业出版社.2004【7】、E. Biglieri, “Coding for Wireless
39、Channels”, Springer, 2005【8】、J. B. Anderson, A. Svensson, “Coded Modulation Systems”, Kluwer Academic Publishers, 2002【9】、A. Glavieux, “Channel Coding in Communication Networks”, ISTE Ltd., 2007致谢 至此，本次设计基本完成。在这里，我要向在此次设计中给予我极大帮助的老师和同学表示衷心的谢意，谢谢你们，没有你们，我不可能这么顺利的完成此次设计，同学，谢谢你们，老师，您辛苦了，谢谢。附录 设计部分程序function FSKFc=10; %载频Fs=40; %系统采样频率Fd=1; %码速率N=Fs/Fd;df=10;numSymb=25;%进行仿真的信息代码个数M=2; %进制数
