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1、学 号： 104972093055课程名称计算机数字通信论文题目数字通信技术的应用与发展学 院自动化学院专 业控制科学与工程班 级自研1105姓 名指导教师2012年01月15日MATLAB应用于数字通信系统调制解调技术的仿真设计研究摘 要 如今社会已经步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输及通信起着支撑作用。而对于信息的传输，数字通信已经成为重要的手段。因此信号的调制方式也由模拟方式持续、广泛地向数字方式转换。本论文根据当今现代通信技术的发展，对信号的数字调制方式的一种 MFSK的调制解调原理进行了研究和实验。并用城市地形对设计结果进行了论证。关键词：城市地形 ；通信系统；FSK ；MF
2、SK；仿真Abstract：Now it is an information society. In the all of information technologies, transmission and communication of information take an important effect. For the transmission of information, Digital communication has been an important means . So the way of signal modulation is converted from a
3、nalog to digital continually and widely. This thesis studies the theory of modulation and demodulation of MFSK scheme which is a kind of digital method depending on the development of todays communication technologies. And the result of design has been validated with urban topographic.Key Words：urba
4、n topographic; communication system; FSK; MFSK; simulation1 绪论 当今， 通信技术的发展 日新月异， 通信系统也 日趋复杂，因此在各种通信系统的设计研发环节中， 软件仿真已成为必 不可少的部分。Matlab语言的 simulink动态系统仿真软件包，是一个常用的电子设计 自动化( E D A ) 软件， 它支持连续、 离散两种混合的线性和非线性系统 ， 也支持具有多种采样速率的 多速率系统。尤其是它所包含的各种通信仿真模块已作为各 种通信系统分析、 设计 、 仿真和实验的综合平台。在频带受限的信道中，总是希望既能提高频带利用率，又能在
5、不增加信道 传输带宽的前提下降低差错率。多进制频移控（MFSK，multiple frequency shift keying），是一种在各种频率离散音频脉冲爆发传送数字信息的信号调制方法。它原来是欧洲和英国政府机构在20世纪中叶使用。在那时它叫做Piccolo,一种乐器的名字，这种乐器的声音音调很高，就像一个MFSK信号经过收音机的喇叭时发出的声音。 MFSK类似频移监控（FSK），但是使用的频率要至少多两个。最常见的MFSK形式使用16个频率，叫做MFSK16。这些音调一次传送一个。每个音调持续时间不到一秒。MFSK中波特（每秒传输的数目）与比特/秒（bps）的比率要比二进制中小。这减少了
6、噪音和对数据传输速率的干扰的错误的产生。为了提供更大的精确性，前向纠错技术（FEC）被使用。 MFSK的缺点包括：给定数据速率的信号带宽比二进制大，接收设备的调整比较严格。为了使MFSK的减少错误的特性发挥作用，接收器必须能够杂长时间保持固定频率。 即使MFSK是一个几十年的老方法，一些工程师仍认为它是一种尖端的方法。先在，它的主要使用者是业余无线电试验者。带声卡的计算机能够产生、解码和显示信号。 使用MFSK16de业余无线电报务员说使用合适的发报机它能够提供可靠的半双工长距离通信，而且有时在其它方法失败时，它却能够成功。 随着通信系统的规模和复杂度不断增加,传统的设计方法已经不能适应发展的
7、需要,通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视。传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种，可以得到与真实环境十分接近的结果，但耗时长，方法比较繁杂，而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法，它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行模拟仿真。早期，多采用计算机高级程序语言(FORTRAN、PASCAL、C等)进行仿真，用这些高级程序语言编写系统仿真程序，虽然比上述两种方法更加便捷，但在程序编写中仍需花费大量时间精力考虑事件的发生、处理以及结果的可视化等因素。即使是一个简单系统，程序都十分冗长，难于调试1。随着计算机仿真技术的发展，构筑通信系统仿真平
8、台，可以在计算机上显示不同系统的工作原理，进行波形观察、频谱分析和性能分析等，为通信系统设计和研究提供强有力的指导。多进制频移键控MFSK调制原理：在MFSK方式中，MFSK信号常用频率选择法产生。调制器框图如图1-7所示，先将数据比特流经过一个串/并转换器变成多路并行数据，将这多路并行数据分别用不同的频率通过线性门进行选择，再将各线性门输出的数据进行叠加，输出的即为MFSK信号。图1-1 MFSK调制器框图解调原理：MFSK的解调方法常用非相干解调，如图1-2所示，将接受到的MFSK信号通过滤波器进行滤波，然后将滤波后的信号分别送到个带通滤波器进行滤波，再将输出信号进行包络检波，最后将这个信
9、号进行抽样和判决，最后经过一个逻辑电路，将多进制信号转化为二进制信号即可。图1-2 MFSK信号非相干解调2 数字通信系统及调制解调2.1数字通信系统最简单的数字通信系统模型由信源、信道和信宿三个基本部分组成。实际的数字通信系统模型要比简单的数字通信系统模型复杂得多。一般的数字通信系统模型如图1-1所示。图2-1 数字通信系统模型2.2信道编码2.2.1信道编码的基本思想和基本方式信道编码的基本思想是：在发端被传输的信息序列上附加一些多余的检验码元，这些监督码元与信息码元间以某种特定的规则相互关联。接收端按照既定的规则检验信息码元与监督码元间的关系，一但传输出错，则两者间的关系将会受到破坏，从
10、而可以发现错误，乃至纠正错误。信道编码的基本方式是：前向纠错（FEC）、检错重传（ARQ）、混合差错控制（HEC）和信息反馈（IRQ）。2.2.2常用的信道编码（1）线性分组码在分组码中，编码后的码元序列每n位为一组，其中k是信息码元，r（r=n-k）个是附加的监督码元。如果信息元与监督码元之间呈线性关系，则为线性分组码。奇偶校验码和汉明码是典型的线性分组码。循环码是线性分组码，既可纠错又可检错。特点是任一码组的每一次循环移位得到的是码中的另一码组。BCH码是一类纠正多个随机错误的循环码。（2）卷积码卷积码是另一类信道编码，它也是把k位信息编成n（n大于等于k）位，但k和n都很小，适于串行传输
11、。特点是编码后的n个码元不仅与当前段的k位信息有关，而且与前N-1段的信息有关，编码过程中相互关联的码元有Nn个。纠错能力随N的增加而增加，而差错率随N的增加而指数下降。编码过程可以看成是输入信息序列与由移位寄存器和模2加连接所决定的的另一序列的卷积，因此称为卷积没码。N称为约束长度，m=N-1称为编码存储。2.3调制解调技术调制解调是数字通信系统的重要组成部分。调制解调的目的是使已调信号具有高的频谱利用率和的抗干扰和抗衰落的能力。下面就对数字调制解调技术进行介绍。2.3.1调制解调的概念所谓调制，就是用调制信号（基带）去控制或改变载波的一个或几个参数，使调制后的信号（已调信号）含有原来调制信
12、号的全部信息，但载波的某些参数按调制信号的规律变化。调制的目的是使传输的信号与信道相匹配，从而有效传输信号。解调是调制的逆过程，它是从已调信号中恢复出原来调制信号的过程。从广义上讲，调制与解调属于信道编/译码范畴，但调制与解调的目的是实现载波传输，而信道编/译码的主要目的是实现差错控制。2.3.2数字调制的基本类型数字信号调制的基本类型分振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。此外，还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型调制技术。表2-1给出调制方式以及主要用途。表2-1 调制方式及用途 调制方式主要用途振幅键控ASK数据传输频率键控FSK数据传输相位键控PSK、DP
13、SK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信高效数字调制QAM、MSK等（提高频带利用率）数字微波、空间通信2.3.3在实际应用中，有两类用得最多的数字调制方式（1）线性调制技术这里包括PSK、QPSK、DQPSK、OK-QPSK和多电平的PSK等。所谓的“线性”，是指这类调制技术要求设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线性。这种要求在制造移动设备中增加了难度和成本，但这种方式可获得较高的频谱利用率。（2）恒定包络调制技术主要包括MSK、GMSK和TFM等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。另一种获得迅速
14、发展的数字调制技术是振幅和相位联合调制（QAM）。2.3.4几种常见的数字调制方式（1）二进制频移键控（2FSK）调制原理：在二进制移频键控中，调制信号1或0，分别对应载波的两个频率f1 或 f2 。因此，其调制实现方法就是用输入的二进制信号去控制两个独立的载波发生器，如图2-2所示。图2-2 2FSK调制解调也有相干和非相干两种。更简单的方法是过零检测器法：根据移频键控的过零率的大小来检测已调信号的频率变化，其组成及各点波形如图2-3所示。图2-3 2FSK信号过零检测法解调波形示意图其中a是已调信号，b是限幅后已调信号，c是经过微分的信号，d是整流后的已调信号，e是经过宽脉冲发生后的已调信
15、号，f是经过低通的输出信号。（2）最小移频键控（MSK）调制原理：MSK是FSK的一种特殊情况，其特殊之处在于MSK在相邻符号交界处相位保持连续，是一种连续相位FSK。若FSK看作非正交2FSK，则MSK调制方法如图2-4。图2-4 MSK非正交调制式解调原理：MSK可用2FSK方法进行相干解调，并每隔Tb时刻作出判决；也可用鉴频器的方法进行非相干解调。（3）二进制移相键控（BPSK）调制原理：载波的相位（通常为00或1800）随调制信号“1”或“0”而改变，这种调制称为二进制移频键控。BPSK信号是双极性非归零码的双边带调制。BPSK调制有直接相乘方法和相位选择法两种，见图2-5。图2-5 BPSK调制方法解调原理：对于BPSK信号的解调必须采用相干解调的方法。由于BPSK解调器中的本地载波的相位有00、1800的模糊，通常采用在调制输入的数字基带信号中进行差分编码的方法来解决。这种方法称为二进制差分移相键控（2DPSK）。解调时利用延迟电路将其前一码元延迟一个码元时间Ts作为参考相位，并与后一码元相乘，再进行低通滤波，最后经取样判决后恢复出原二进制码。差分相干解调法见图2-6。图2-6 BPSK差分相干解调法（4）多进制频移键控MFSK
