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1、 差分码差分码 FSK 信号的相干解调系统仿真信号的相干解调系统仿真学生姓名：* 指导老师： 摘 要 本次课程设计是利用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台，设计一个差分码 FSK 信号的相干解调仿真系统，并把运行仿真过程中各点的波形结果输入显示器，根据显示结果分析验证差分码 FSK 信号的相干解调。之后加入高斯噪声、莱斯噪声、瑞利噪声等噪声源，并观察解调后波形变化，得出不同噪声源以及加入噪声的大小对解调波形的影响。关键词 差分码；FSK；Simulink；调制；相干解调1 引引 言言本次课程设计的目的是利用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台，设计一个
2、差分码 FSK 信号的相干解调仿真系统，分析验证差分码 FSK 信号的相干解调。之后加入高斯噪声、莱斯噪声、瑞利噪声等噪声源，并观察解调后波形变化，得出不同噪声源以及加入噪声的大小对解调波形的影响。1.1 课程设计目的通信原理课程设计是重要地实践性教学环节。在进行了专业基础课和通信原理课程教学的基础上，设计或分析一个简单的通信系统，有助于加深对通信系统原理及组成的理解。本课程设计指导书适用通信工程专业及其相近专业的本科学生。学生通过课程设计，可以进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识
3、。并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使学生在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。同时通过课程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和团队协作精神。1.2 课程设计基本要求本次课程设计的要求包括熟悉掌握差分码 FSK 信号的相干解调的原理及实现，同时学习 MATLAB 的基本知识，熟悉 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台的特点、规范及语法结构、编写方法。利用通信原理中学习的内容，在 Simulink 仿真平台中设计差分码FSK 信号的调制与解调系统、基带传输系统、A/D-D/A 系统或差错控制编解码系统，并按题目要求运行、检测系统仿真
4、结果。1.3 课程设计内容本次课程设计的内容是利用 MATLAB 软件的 Simulink 模块进行差分码 FSK 信号的相干解调系统仿真，并加入不同噪声源，观察其对调制后波形的影响。2 基本原理基本原理2.1 FSK 数字信号的产生FSK 信号是利用数字基带信号控制载波的频率来传送信息。例如，1 码用频率 f1 来传输，0 码用 f2 来传输，而其振幅和初始相位不变，所以其表达式为FSK 信号的产生方法有两种：（1）模拟法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频。如图 2-1 所示。（2）键控法，用数字基带信号及其反相分别控制两个开关门电路，以此对两个载波发生器进行选通，如图 2-2 所示。这
5、两种方法产生的 FSK 信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的 FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续的，而键控法产生的 FSK 信号，则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。图 2-1 模拟法产生 FSK 信号原理图图 2-2 键控法产生 FSK 信号原理图由键控法产生原理可知，一位相位离散的 FSK 信号可看成不同频率交替发送的两个 ASK信号之和，即其中，g(t)是脉冲宽度为 T 的矩形脉冲表示的 NRZ 数字基带信号。2.2 FSK 信号的频谱特性由于相位离散的 FSK 信号可看成两个 ASK 信号之和，所以，这里可以直接应用 ASK
6、 信号的频谱分析结果比较方便，即本次课程设计产生 FSK 信号采用的是键控法。2.3 差分码 FSK 原理差分码 FSK 信号发生的方式是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对频移键控，假设为当前码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息与之间的关系为=0 表示数字信号“0”=1 表示数字信号“1”于是可以将一组二进制信息与其对应的差分码 FSK 信号的载波相位关系示例如下：二进制数字信息： 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0差分码 FSK (0) 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0图 2-3 差分码 FSK 信号波形3 系统设计系统设计3.1 差分码生成利用
7、 MATLAB 的 Simulink 模块将信号进行差分原理连线如图 3-1 所示图 3-1 差分码生成接线图产生的差分码如图 3-2 所示图 3-2 产生的示例差分码波形图3.2 差分码 FSK 信号的调制及其相干解调利用 MATLAB 的 Simulink 模块连接成的差分码 FSK 信号的调制及其相干解调如图3-3 所示图 3-3 差分码 FSK 信号的调制及其相干解调模块接线图差分码 FSK 信号的调制过程：差分的 FSK 信号的调制采用的是键控法产生，即在二进制基带矩形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。在调制模块中，基带信号Bernoulli Binary
8、Generator、载波1 sine wave1、载波2 sine wave2、选通开关 Switch、差分模块Logical Operator、Unit Delay、Data Type Conversion参数设置分别如图3-4、3-5、3-6、3-7、3-8、3-9、3-10所示图3-4 基带信号Bernoulli Binary Generator参数设置图 3-5 载波 1 sine wave1 参数设置图 3-6 载波 2 sine wave2 参数设置3-7 选通开关 Switch 参数设置图 3-8 Logical Operator 参数设置图 3-9 Unit Delay 参数设
9、置3-10 Data Type Conversion 参数设置差分码 FSK 信号调制波形如图 3-11 所示图 3-11 差分码 FSK 信号调制仿真波形图中，第一个波形是基带信号波形，第二个是载波 1 波形，第三个是载波 2 波形，第四个是基带信号差分码波形，第五个是差分码的 FSK 调制波形。差分码 FSK 信号的相干解调过程：FSK 信号的常用解调方法是采用非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将FSK 信号分解为上下两路 ASK 信号分别进行解调。然后进行判决（decision） 。这里的抽样判决是直接比较两路信号值抽样的大小，可以不专门设置门限。判决规则应与调制规则相呼应，
10、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” 。FSK 信号相干解调原理如图 3-12 所示图 3-12 FSK 信号相干解调原理图信号解调过程中，上路带通滤波器及低通滤波器参数设置如 3-13、3-14 所示图 3-13 上路带通滤波器参数设置图 3-14 上路低通滤波器参数设置下路带通滤波器及低通滤波器参数设置如 3-15、3-16 所示图 3-15 下路带通滤波器参数设置图 3-16 下路低通滤波器参数设置乘法器参数设置如下图 3-17 （a）Main /(b)Signal Attributes(a) Main (b) Signal
11、 Attributes图 3-17 乘法器参数设置加减法器参数设置如图 3-18 所示图 3-18 加减法其参数设置Zero-Order Hold模块参数设置见图3-19图3-19 Zero-Order Hold模块参数设置Quantizing Encoder模块参数设置如图3-20图3-20 Quantizing Encoder模块参数设置差分码FSK信号的相干解调过程中，解差分部分的模块与差分部分的模块参数设置一样，再次不再列举。示波器参数设置如下图3-21图3-21 示波器参数设置在所有模块连接正确，并正确设置各模块参数后，进行Simulink仿真，能在示波器上得到已解调波形，并可以在误
12、码率模块看出解调的误码率。经过解调后，得到的解调信号如图3-22所示图3-22 解调仿真波形图中，第一个为基带信号，第二个为基带信号的差分信号，第三个为载波1的波形，第四个为载波2的波形，第五个为调制后的差分FSK信号，第六个为解调后的信号。3.3 解调信号误码率分析为了对信号解调后进行误码分析，在解调信号后加入误码率模块，误码率模块部分由Error Rate Calculation模块和Display模块组成。其参数设置分别如图3-23及图3-24所示图3-23 Error Rate Calculation模块参数设置图3-24 Display模块参数设置经信号解调后，得到的误码率如图3-2
13、5所示图3-25 误码率有输出结果可知，此次解调在没有加入噪声信号的情况下误码率为0.025。3.3 差分的FSK信号调制及相干解调的频谱分析在差分的FSK信号调制及相干解调simulink仿真图里加入频谱分析模块，得到的模块连接图如图3-26所示图3-26 差分的FSK信号调制及相干解调频谱分析连线图图中，Power SpectralDensity1模块对基带信号进行频谱分析，Power SpectralDensity2模块对调制后的信号进行频谱分析，Power SpectralDensity3模块对解调后的信号进行频谱分析。Power SpectralDensity模块的参数设置如下图3-
14、27图3-27 Power SpectralDensity模块的参数设置进行仿真后，基带信号频谱分析图（Power SpectralDensity1）如图3-28所示图3-28 基带信号频谱分析图（Power SpectralDensity1）调制后信号频谱分析图（Power SpectralDensity2）如图3-29所示图3-29 调制后信号频谱分析图（Power SpectralDensity2）解调后信号频谱分析图（Power SpectralDensity3）如图3-30所示图3-30 解调后信号频谱分析图（Power SpectralDensity3）3.3 加入噪声源的差分码F
15、SK调制及其相干解调分析在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。a 信道中加入高斯噪声电路图如图3-31所示图3-31 信道中加入高斯噪声电路图高斯噪声发生器参数设置如图 3-32 所示图 3-32 高斯噪声发生器参数设置加入高斯噪声后的仿真波形及其误码率如图 3-33 和 3-34 所示图 3-33 加入高斯噪声后的仿真波形图图 3-34 加入高斯噪声后的仿真波形误码率由此可知，在加入高斯噪声之后，误码率提高为 0.125在调节高斯噪声发生器中 variance 值
16、为 100 后，得到的误码率如图 3-35 所示图 3-35 variance 值为 100 时误码率由此可见，在提高高斯噪声的方差后，解调后的误码率明显加大。b 信道中加入瑞利噪声电路图如图 3-36 所示图 3-36 信道中加入瑞利噪声电路图瑞利噪声发生器参数设置如图 3-37 所示图 3-37 瑞利噪声发生器参数设置加入瑞利噪声后的仿真波形及其误码率如图 3-38 和 3-39 所示图 3-38 加入瑞利噪声后的仿真波形图 3-39 加入瑞利噪声后的仿真波形误码率调节瑞丽噪声发生器 sigma 值为 100 后，得到的误码率如图 3-40 所示图 3-40 sigma 值为 100 时误码率由此可见，在提高瑞丽噪声的 sigma 后，解调后的误码率明显加大。c 信道中加入莱斯噪声的电路图如图 3-41 所示图图 3-41 信道中加入莱
