课程设计（论文）-基于MATLAB的FSK调制解调系统基带仿真

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1、 基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真 第 1 页 共 18 页基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真学生姓名： 指导老师： 摘 要 本课程设计利用 MATLAB 集成环境下的 M 文件，编写程序来实现 FSK 的调制解调，并绘制出解调前后的时域和频域波形及叠加噪声时解调前后的时频波形，并观察解调前后频谱有何变化以加深对 FSK 信号解调原理的理解。对信号叠加噪声，并进行解调，绘制出解调前后信号的时频波形，改变噪声功率进行解调，根据运行结果和波形来分析该解调过程的正确性及信道对信号传输的影响。完成整个 FSK 的调制解调基带仿真过程。程序开发平台为 MATLAB7

2、.1，使用其自带的 M 文件实现，运行平台为 Windows 2000。关键词： FSK ；调制解调 ；MATLAB7.1 ；M 文件1 引言本课程设计是利用 MATLAB 集成环境下的 M 文件，编写程序来实现 FSK 的调制解调基带仿真，并绘制出解调前后的时域和频域波形及叠加噪声时解调前后的时频波形，根据运行结果和波形来分析该解调过程的正确性及信道对信号传输的影响1.1 课程设计目的此次课程设计的目的是熟悉 MATLAB 中 M 文件的使用方法，编写 M 文件实现FSK 的调制和解调，绘制出 FSK 信号解调前后在时域和频域中的波形，观察调解前后频谱的变化，再对信号进行噪声叠加后解调同样绘

3、制解调前后的信号时频波形，最后改变噪声功率进行调解，分析噪声对信号传输造成的影响，加深对 FSK 信号解调原理的理解。1.2 课程设计要求熟悉 MATLAB 中 M 文件的使用方法，并在掌握 FSK 调制解调原理的基础上， 基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真 第 2 页 共 18 页编写程序来实现 FSK 的调制解调基带仿真。在 M 文件环境下运行程序绘制出 FSK信号解调前后在时域和频域中的波形，观察波形在解调前后的变化，对其作出解释，同时对信号加入噪声后解调，得到解调后的时频波形，分析噪声对信号传输造成的影响解释所得到的结果。1.3 课程设计步骤本课程设计采用 M 文件编

4、写的方法实现二进制的 FSK 的调制与解调的基带仿真，然后在信号中叠加高斯白噪声。一，调用 dmode 函数实现 FSK 的调制，并绘制出FSK 信号调制前后在时域和频域中的波形，两者比较。二，调用 ddemod 函数解调，绘制出 FSK 信号解调前后在时域和频域中的波形，两者比较。三，调用 awgn 函数在信号中叠加不同信噪比的噪声，绘制在各种噪声下的时域频域图，最后分析结果。1.4 设计平台简介Matlab 是美国 MathWorks 公司开发的用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境。是目前最好的科学计算类软件。 作为和 Mathematica、Maple 并列的三大数

5、学软件。其强项就是其强大的矩阵计算以及仿真能力。Matlab 的由来就是 Matrix + Laboratory = Matlab，这个软件在国内也被称作矩阵实验室 。Matlab 提供了自己的编译器：全面兼容 C+以及 Fortran 两大语言。Matlab 7.1 于 2005.9 最新发布-完整版,提供了 MATLAB，SIMULINK 的升级以及其他最新的 75 个模块的升级。7.1 版本提高了产品质量，同时也提供了新的用于数据分析、大规模建模、固定点开发、编码等。所以 Matlab 是工程师，科研工作者手上最好的语言，最好的工具和环境。设计原理2.1 FSK 基本原理 频移键控是利用

6、载波的频率变化来传递数字信息。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。故其表达式为e2fsk(t)=Acos(1t+n) 发送“1”时；e2fsk(t)=Acos( 2t+n) 发送“0”时。一个 2FSK 可以看成两个不同载频的 2ASK 信号的叠加。因此 2FSK 信号时域表达式又可以写成 基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真 第 3 页 共 18 页e2fsk(t)= ang(t-nTs)cos(1t+n)+ ng(t-nTs)cos(2+n) (2-1)n na式中：g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为 Ts；an=1 时，概率为 P;

7、 an=0 时，概率为 1-P;an 是 an 的反码，若 an=1，则 n=0；若若 an=0，则 n=1，于是n =1 时，概率为 1-P; n =0 时，概率为 P;n 和 n 分别是第 n 个信号码元（1 或 0）的初始相位。在移频键控中 n 和 n 不携带信息，通常和令 n 和 n 为零。因此 2FSK 信号表达式可简化为 :e2fsk(t)=s1(t)cos1t+ s2(t)cos2t (2-2)s1(t)= ang(t-nTs) (2-3)ns2(t)= ng(t-nTs) (2-4)a2.2 FSK 调制原理在二进制频移键控中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着输入码流的变化而切

8、换（称为高音和低音，代表二进制的 1 和 0） 。产生 FSK 信号最简单的方法是根据输入的数据比特是还是，在两个独立的振荡器中切换。采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是不连续的，因此这种 FSK 信号称为不连续 FSK 信号。 ）其实现如图一 所示：振荡器FH振荡器FL放大 输出输入图 2-1 非连续相位 FSK 的调制方式2.3 FSK 解调原理 基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真 第 4 页 共 18 页对于 FSK 信号的解调方式很多：相干解调、滤波非相干解调、正交相乘非相干解调。而 FSK 的非相干解调一般采用滤波非相干解调，解调原理是将 2FSK 信号分为上下

9、两路 2ASK 信号分别进行解调，然后判决，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。判决则应与调制规则相呼应，调制时若规定“1”符号为对应载波频率 f1,则接受时上支路的样值大小，应判为“1” 反之则判为“0”。带通滤波FH带通滤波 FL包络检波包络检波判决FSK图 2-2 2FSK 信号非相干解调原理图 基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真 第 5 页 共 18 页3 仿真实现过程3.1 FSK 信号的产生产生二进制随机序列作为 FSK 的输入信号在 matlab 产生随机信号的方法为x=randint(1,50);m=1:length(x); st

10、airs(m,x); %绘制离散序列 xtitle(基带信号波形)axis(1,length(x),-1,1.5)调用 dmodce 函数实现 FSK 的调制：fd = 10; %基带信号速率 fs =100; %采样频率 M=2; %表示 M-FSK 中 M 的取值basefsk=dmodce(x,fd,fs,fsk,M,tone); (3-1)其中 basefsk 为已调信号；x 为调制信号；Fs=100 系统采样频率；Fd=10 码元速率。其产生的二进制随机数字序列和调制信号的频谱图如图 3-1 与图 3-2 所示图 3-1 输入的二进制随即序列对该信号进行调制后对其进行频谱分析其调制信

11、号的频谱波形如图 3-2 所示进行频谱分析用 FFT()函数其方法为；n=0:length(basefsk)-1;Y=fft(basefsk,length(basefsk); 基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真 第 6 页 共 18 页magY=abs(Y);f=n*fs/length(basefsk);plot(f,magY);xlabel(频率 /Hz);ylabel(振幅);title(调制后的频谱图);grid on;图 3-2 调制后的频谱图通过调制，从所得的图形可知输入的二进制随机信号没受到噪声干扰的时候是很规则的信号。3.2 FSK 的解调在 MATLAB 中对

12、 FSK 调制信号进行解调所用到的函数是 ddemodce 其方法为demod_basefsk=ddemodce(basefsk,fd,fs,fsk,M,tone);经过对已调的 FSK 调制信号利用以上方法进行解调后，对比原数字信号对其进行时域对比和频域对比可找出二者的差别。其分析结果可以从图 3-4 看出。 基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真 第 7 页 共 18 页图 3-4 解调前后的信号的时域与频域比较图从图 3-4 来看，经过解调后，在没有噪声的干扰下，解调出来的信号在时域和频域上和原信号十分吻合，基本没有误差。3.3 叠加噪声的 FSK 解调在信号中如果存在了不

13、需要的电信号，我们称之为噪声。 而 在 通 信 系 统 中 ， 我们 一 般 需 要 处 理 的 是 高 斯 白 噪 声 。 一 般 在 物 理 上 把 它 翻 译 成 白 噪 声 （ white noise） 。调 用 awgn 函 数 来 实 现 给 FSK 信 号 的 噪 声 叠 加 ：basefsk_noise1=awgn(basefsk,snr1); (3-2)basefsk_noise1 为加了噪声后的信号， basefsk 为需要叠加噪声的信号。调用前面已经产生的调制信号，我们设定噪声比分别为 snr1=-10,snr2=1,snr3=15，通过对以上加入噪声后的已调信号进行解调

14、再与原二进制随机序列的比较。对比其时域和频域的波形可以得到解调的效果。其对比波形如图 3-5，图3-6，图 3-7 所示。 基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真 第 8 页 共 18 页图 3-5 原始信号与 SNR=-10 的解调调信号比较从图 3-5 可知，加入噪声之后的解调信号与原信号有明显的区别，其频域波形的波动明显增大，信号的失真情况很明显，但对信号的波动没有很大的改变。由此说明，叠加噪声之后信号传输效果会受到影响。图 3-6 原始信号与 SNR=1 的解调调信号比较从图 3-6 可知，加入噪声（snr=1 ）之后的解调信号与原信号无明显的区别， 基于 MATLAB 的 FSK 调制解调系统基带仿真 第 9 页 共 18 页其频域波形的波动区别也不是很明显，信号的失真情况很明显，但对信号的波动没有很大的改变。由此说明，信噪比越大对信号的影响越小图 3-7 原始信号与 SNR=15 的解调调信号比较从图 3-7 可以看出当 SNR=15 时其解调信号与原信号无区别，其频谱上也看不去明显差别说明此时噪声对信号基本上没有影响通过上述的操作之后，信道中噪声对信号的传输有一定的影响，噪声越大影响越明显，掩盖了原始信号，所以我们在平常信号传输中，尽量减少信道中噪声的干扰，保证信号的传输效率。 基于