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1、FSK信号差分检波系统仿真 学生姓名：李秩期 指导老师：曹敦 摘 要 本课程设计主要利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个FSK信号差分检波系统。观察FSK调制前后的信号波形,并对调制前后信号的频谱进行分析,再以调制信号为输入，构建差分检波解调系统电路，观察解调前后的信号波形，并对解调前后信号的频谱进行分析。加入噪声分析通过三种不同信道FSK信号差分检波系统接受信号的性能。仿真结果，基本达到课程设计要求。 关键词 Simulink；FSK；调制；解调；差分检波 1 引 言本课程设计利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个FSK信号差分检波系统，并把
2、运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。1.1 课程设计目的在通信领域，为了传送信息，一般都将原始信号进行某种变换使其变成适合于通信传输的信号形式。在数字通信系统中，一般将原始信号（图像、声音等）经过量化编码变成二进制码流，称为基带信号。但数字基带信号一般不适合于直接传输，要将数字信号进行调制后再进行传输，FSK即为一种常用的数字调制方式。通过本课程设计, 了解FSK信号的产生过程及电路的实验方法, 和差分检波法及电路的实现方法，通过加载不同噪声分析理解FSK信号差分检波系统的性能优缺点。1.2 课程设计的步骤(1)用Simulink构建FSK信号调制电路，并用示波器观察调制
3、前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。(2)再以FSK调制信号为输入，用Simulink构建差分检波电路，用示波器观察解调前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。(3)在FSK信号调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a 用高斯白噪声模拟有线信道，b 用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道，c 用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。将三种噪声源的方差均设置为0.1，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。2 基本原理用MATLAB集成环境中的Simulink仿真平台，根据通信原理理论课中学过的,数字调制信号,在二进制时有振幅键控(ASK)、
4、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种基本信号形式1。其中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,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。本课程设计采用的是二进制移频键控(2FSK)，设信息源发出的是由二进制符号0、1组成的序列，且假定0符号出现的概率为P，1符号出现的概率为1-P，它们彼此独立。对于2FSK信号，0符号对应于载频1，而1符号对应于载频2(与1不同的另一载频)的已调波形，而且1与2之间的改变是瞬时完成的。产生2FSK信号的方法有两种，模拟调频法和键控法。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来获得2FSK
5、信号2。键控法是利用受矩形脉冲控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通来获得2FSK信号。以上两种产生方法及波形示例如图2-1所示，图中，s(t)代表信息的二进制矩形脉冲序列，e0(t)代表2FSK号。根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达试为： (2-1)式中g(t)为单个矩形脉冲,脉宽为Ts。(a) (b) (c)图2-1 2FSK信号的产生及波形示例 0 发送的概率为Pan= (2-2) 1 发送的概率为1-P 0 发送的概率为1-Pbn= (2-3)1 发送的概率为Pbn是an的反码，即若an=1，则bn=0， 若an=0，则bn=1，于是bn=n0，n和n分别代表第n
6、个信号码元的初始相位。在二进制频移键控信号中，n和n不携带信息，通常可令n和n为零。因此，二进制频移键控信号的时域表达式可简化为 (2-4)2FSK信号常用的解调方法有非相干检测法和相干检测法这两种,如图2-2所示。这里的抽样判决器是判定哪一个样值大，此时可以不专门设置门限电平。 (a) (b)图2-2 2FSK信号常用接收系统（a）非相干方式（b）相干方式2FSK信号除此之外还有其他解调方法，如鉴频法、过零检测法及差分检波法等。本课程设计到差分检波法。其原理图如图2-3。图2-3 差分检波法原理方框图观察上面的差分原理框图可知:输入信号经接收滤波器带外无用信号后将分成两路,一路直接送到乘法器
7、,另一路经时延送到乘法器，相乘后再经低通滤波器提取信号。解调的原理如下：设输入为Acos(0+)t,它与延时之波形的乘积为Acos(0+)t.Acos(0+)(t-)=(A2/2)cos(0+)+( A2/2)cos2(0+)t-(0+) (2-5)若用低通滤波器除去倍频分量，则其输出为V =A2/2cos(0+) (2-6)可见，V是角频率偏移的函数，但却不是一个简单的函数关系。现在我们适当地选择，使cos0=0则有sin0=1.故此时有V=-A2/2sin 当0=/2或 V=+A2/2sin 当0=-/2若角频率较小，即1，则有V- A2/2 当0=/2 V+ A2/2 当0=-/2由此可
8、见。当满足条件cos=0及1时，输出电压V将与角频偏呈线形关系。这正是鉴频特性所要求的。差分检波法基于输入信号与其延迟的信号相比较，信道上的延迟失真将同时影响相邻信号，故不影响最终的鉴频效果。实践表明，当延迟失真为零时，这时方法的检测性能不如普通鉴频法；但当有教严重延迟失真时，它的性能要比鉴频法优越。不过差分检波法的实现将受条件cos0=0的限制。3 系统设计3.1 2FSK调制电路的设计及分析2FSK信号是由频率分别为1和2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的3，其中1和2是两个频率有明显差别。2FSK信号产生的Simulink仿真模型图如图3-1所示，其中sin wave和sin w
9、ave1是两个频率分别为和1的载波，Bipolar to Unipolar Converter模块是信号源，NOT实现方波的反相，最后经过相乘器和相加器生成2FSK信号，参数设置如图3-2、图3-3所示。图3-1 2FSK调制信号的Simulink模型图图3-2 二进制贝努力产生器参数设置图其中方波是幅度为1，占1比为1/2的基于采样的信号。图3-3两路载波参数设置=40Hz, 1=20Hz,抽样时间均设为0.005s。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图3-4。图3-4 2FSK调制信号波形图由上图可以看出经过和1两个载波的调制，2FSK信号有明显的频率上的差别。如
10、图3-5、3-6所示，可以观测到2FSK调制信号调制前后的频谱图。图3-5 基带信号频谱图图3-6 2FSK调制信号频谱图3.2 2FSK解调电路设计与分析如图3-7所示 fsk是一个封装模块，就是2FSK信号的调制模块，端口Out1连接基带信号，端口Out2连接调制后的信号，调制后的2FSK信号通过和一路时延后的信号相乘之后，再经低通滤波器提取信号，之后再加上判决电平，最后连入示波器。Transport Delay起时延作用，低通滤波器起滤波的作用。图3-7 2FSK解调信号的Simulink模型图 图3-8 时延模块参数图 图3-9 低通滤波器参数图由于差分检波法受cos=0的限制，受限制
11、，与1的中心频率即=30，由公式cos=0，算出=1/60s。图 3-10 Quantizing Encoder和Sampleand Hold参数图由波形图可看出2FSK调制解调电路基本解调成功。图3 -11 2FSK信号调制与解调波形图频谱分析模块的参数设置如图3-12所示。图 3-12 频谱分析模块参数图图3-13 2FSK解调信号相乘的频谱图由2FSK解调频谱图可以看出，其图形与2FSK基带信号基本相同，解调基本成功。图3-14 2FSK信号解调频谱图3.3 2FSK调制解调电路的抗噪声性能分析把2FSK信号的解调电路也封装，如图3-15所示,各部件参数设置不变参数图3-15 封装2FS
12、K解调电路的Simulink模型图分别对2FSK调制解调电路加载高斯噪声、瑞利噪声和莱斯噪声，将三种噪声源的方差均设置为0.1，并与2FSK调制信号相加再连接解调电路。如图3-16、图3-20和图3-23所示。图3-16 2FSK信号加载高斯噪声的Simulink模型图图3-17 AWGN Channel参数图由图3-18可知高斯噪声对2FSK信号的解调影响并不大,解调信号稍有延迟。图3-18 2FSK信号加载高斯噪声波形图由图3-19所示，加入高斯噪声后，解调信号频谱无明显变化。图3-19系统加入高斯噪声后前后的解调信号频谱图即使加大噪声，设置高斯噪声的Variance为0.2，2FSK信号
13、解调仍然如图3-18、3-19所示，没有明显变化。 在设瑞利噪声参数sigma为0.1时，2FSK信号解调未受影响。如图3-20所示， 将sigma设置为0.2。 图3-20 2FSK信号加载瑞利噪声的Simulink模型图与瑞利噪声模块参数图由图3-21可知瑞利噪声对2FSK信号的解调有一定影响，解调信号有少许误码和延迟。图3-21 2FSK信号加载瑞利噪声波形图由图3-22所示，加入瑞利噪声后，解调信号频谱有少许变化。图 3-22系统加入瑞利噪声后前后的解调信号频谱图在设莱斯噪声参数sigma为0.1时，2FSK信号解调未受影响。如图3-23所示，将莱斯噪声参数sigma设置为0.2。 图
14、3-23 2FSK信号加载莱斯噪声的Simulink模型图与莱斯噪声模块参数图由图3-24可知，在sigma同设为0.2的情况下，莱斯噪声对2FSK信号解调的影响较大，解调信号有较多的误码，不能正常解调。图3-24 2FSK信号加载莱斯噪声波形图由图3-22所示，加入莱斯噪声后，解调信号频谱有较明显的变化。图 3-25系统加入莱斯噪声后前后的解调信号频谱图由加载不同噪声后的波形图和频谱图可知，在噪声参数设置相同的条件下，加载莱斯噪声时波形失真最严重，对2FSK信号的解调影响最大。4 仿真电路分析与总结4.1 2FSK信号差分检波系统分析与总结在2FSK的解调中要使已调有效的恢复出调制信号，在S
15、imulink仿真中没有引入信道和噪声，所以不涉及系统的抗噪性能，而且没有噪声对误码率的影响。而在加入不同噪声后，出现了不同程度的时延和误码,2FSK信号差分检波系统在加入高斯噪声后，系统能正常解调，在加入瑞利噪声后，系统解调出现少许误码，在加入莱斯噪声后，系统不能正常解调。由此可知，2FSK信号差分检波系统对高斯噪声的抗噪声性能最好，对瑞利噪声的抗噪声性能次之,系统对高斯信号的抗噪声性能最好对莱斯噪声的抗噪声性能最差。4.2 异常处理2FSK信号的解调系统在不加噪声的情况下，正常解调基本没有问题，虽然解调信号会有少许失真，但从其波形图中可以看出解调是成功的如图4-1，但从功率谱图中却看出解调
16、并不理想，如图4-2所示。所以在2FKS解调系统加入不同噪声后，从波形图和功率谱中不能明显看出系统对不同噪声抗噪声性能的差别，不能对系统性能进行分析。 图 4-1 未加判决电平时的波形图 图 4-2 未加判决电平时的频谱图 图 4-3 加入判决电平后的波形图 图 4-4加入判决电平后的频谱图为了解决这个问题，就要在解调系统后加入判决电平，对信号进行判决，这样就可以对比出2FSK信号解调系统对不同噪声的抗噪声性能，如图4-3、4-4所示。5 结束语通过对数字信号的Simulink建模仿真，使我数字键控的概念又有了更深的了解，而且也熟悉了Simulink软件的操作。我在设计和论文的过程中主要做了F
17、SK信号差分检波系统，在设计电路的时候遇到的不少困难。比如在加频谱分析模块时不知道要先加入Zore Order Hold模块，滤波器参数设置问题，在设置解调电路的时延参数时，我一开始没有考虑cos=0这个条件，所以总是得不到满意的解调信号，加入噪声的参数设置问题等等。在解决这些问题的过程中，我不断明白的FSK调制与解调的方法和知识，也学到了收集、整理资料、分析处理问题等许多方面的知识。通过这次课程设计，使我各方面的能力都有所提高，这离不开老师的指导和跟同学的交流，我真诚感谢这期间老师给予我的全力帮助，细心指导，以及同学对我的帮助。由于个人能力有限，在设计和论文中还有许多不足之处，希望老师指出并改正。参考文献1樊昌信，张甫翊，徐炳祥，吴成柯. 通信原理(第5版)M. 北京：国防工业出版社，2007.2肖闽进，陈莹，沈润泉. 通信原理教程M. 电子工业出版社，2003.3孙屹，吴磊.Simulink通信仿真开发手册M.国防工业出版社,2003.
