二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真和分析課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　課程設(shè)計(jì)名稱： 通信綜合課程設(shè)計(jì) </p><p>　　專 業(yè) 班 級 ： 電子信息工程 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 ： </p><p>　　學(xué) 號 ： </p&

2、gt;<p>　　指 導(dǎo) 教 師 ： </p><p>　　課程設(shè)計(jì)時(shí)間： </p><p>　　電子信息工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容與任務(wù)要求</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容

3、</b></p><p>　　主要是數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)建模和時(shí)域頻域分析，本次設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容是：對二進(jìn)制數(shù)字信源進(jìn)行數(shù)字調(diào)制（2FSK），畫出信號波形及功率譜，并分析其性能。這次通信綜合課程設(shè)計(jì)目的是培養(yǎng)我們科學(xué)理論結(jié)合實(shí)際工程的能力，通過該課程設(shè)計(jì)，要求我們掌握應(yīng)用通信基本理論設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)、計(jì)算通信系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)，并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證其設(shè)計(jì)的正確性等綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?lt;/p><p&

4、gt;<b>　　設(shè)計(jì)的任務(wù)要求</b></p><p>　?。?）本次課程設(shè)計(jì)要求我們理解通信系統(tǒng)的基本工作原理，能夠?qū)φn程中講授的理論指示融會貫通，掌握通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的含義和計(jì)算方法并能夠進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算，對系統(tǒng)建模并通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）掌握二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)。</p><p>　?。?/p>

5、3）用MATLAB產(chǎn)生獨(dú)立等概的二進(jìn)制信源。畫出2FSK信號波形及其功率譜。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)思路</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　2FSK信號是用載波頻率的變化來表示被傳信息的狀態(tài)的，被調(diào)載波的頻率隨二進(jìn)制序列“0”、“1”狀態(tài)而變化，即載頻為f0時(shí)代表

6、傳“0”，載頻為f1時(shí)代表傳“1”。顯然，2FSK信號完全可以看成兩個(gè)分別以f0和f1為載頻、以an和/an為被傳二進(jìn)制序列的兩種2ASK信號的合成。2FSK信號的典型時(shí)域波形如圖1所示。其一般時(shí)域表達(dá)式為：</p><p>　　S_2FSK(t)=[∑an*g(t-nTs)]cos(w0*t)+[∑/an*g(t-nTs)]cos(w1*t)</p><p>　　式中，w0=2*pi*f

7、0，w1=2*pi*f1，/an是an的反碼，即：當(dāng)概率為p時(shí)，an=0,/an=1；當(dāng)概率為1-p時(shí)，an=1，/an=0；</p><p><b>　　圖 1</b></p><p>　　因?yàn)?FSK是數(shù)字頻率調(diào)整方式，通?？啥x其頻移鍵控指數(shù)為：</p><p>　　h=│f1-f0│Ts=│f1-f0│/Bs</p>&

8、lt;p>　　式中，Ts為基帶信號的碼元周期。顯然，h與模擬調(diào)頻信號的調(diào)頻指數(shù)的性質(zhì)是一樣的，其大小對已調(diào)波帶寬有很大的影響。2FSK信號與2ASK信號的相似之處是含有載頻離散譜分量，也就是說，二者均可以采用非相干方式進(jìn)行解調(diào)?？梢钥闯?，當(dāng)h<1時(shí)，2FSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜極為相似，呈單峰狀；當(dāng)h>>1時(shí)，2FSK信號的功率譜呈雙峰狀，此時(shí)的信號帶寬近似為</p><p>

9、;　　B_2FSK=┃f1-f0┃+2Bs</p><p>　　2FSK信號的產(chǎn)生通常有兩種方式：（1）頻率選擇法；（2）載波頻率法。由于頻率選擇法產(chǎn)生的2FSK信號為兩個(gè)彼此獨(dú)立的載波振蕩器輸出信號之和，在二進(jìn)制碼元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換（0—>1或1—>0）時(shí)刻，2FSK信號的相位通常是不連續(xù)的，這會不利于已調(diào)信號功率譜旁瓣分量的收斂。載波調(diào)頻法是在一個(gè)直接調(diào)頻器中產(chǎn)生2FSK信號，這時(shí)的已調(diào)信號出自同一個(gè)振

10、蕩器，信號相位在載頻變化時(shí)始終是連續(xù)的，這將有利于已調(diào)信號功率譜旁瓣分量的收斂，使信號功率更集中于信號帶寬內(nèi)。頻率選擇法的調(diào)制原理框圖如圖2所示。</p><p>　　系帶信號2FSK信號</p><p><b>　　輸入</b></p><p><b>　　圖 2</b></p><p>　　

11、若兩個(gè)振蕩器的頻率分別由不同的獨(dú)立振蕩器提供，它們之間的相位互不相關(guān)，并由基帶數(shù)字信號進(jìn)行選通，則輸出為相位離散的數(shù)字調(diào)頻信號；若兩個(gè)振蕩器的頻率由同一個(gè)振蕩器提供，由載波f1進(jìn)行分頻得到載波f2，經(jīng)基帶數(shù)字信號進(jìn)行選通，則輸出為相位連續(xù)的數(shù)字調(diào)頻信號。</p><p>　　兩個(gè)載波經(jīng)分頻電路分頻而得，數(shù)字基帶信號的時(shí)鐘頻率也來源于載頻信號。這樣，f1、f2、fs三個(gè)頻率是相干的，所以，也可以在示波器屏幕上觀察到

12、穩(wěn)定的2FSK波形。</p><p>　　由圖2可知，將從“基帶輸入端”輸入的基帶信號分成兩路，一路經(jīng)反相器后接至開關(guān)1的控制端，另一路直接接至開關(guān)2的控制端。載波1和載波2分別接至開關(guān)1和開關(guān)2的輸入端。當(dāng)基帶信號為“0”時(shí)，開關(guān)1接通，開關(guān)2關(guān)閉，輸出載波1；當(dāng)基帶信號為“1”時(shí)，開關(guān)1關(guān)閉，開關(guān)2接通，輸出載波2；最后通過相加器相加即獲得2FSK調(diào)制信號。</p><p>　　本次課

13、程設(shè)計(jì)是借助MATLAB軟件，通過軟件建模和實(shí)驗(yàn)，在MATLAB軟件的平臺上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字信號的調(diào)制（以2FSK信號為例）。</p><p><b>　　2．設(shè)計(jì)思路及步驟</b></p><p>　　（1）實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制的基本思路是：首先產(chǎn)生數(shù)字基帶信號（偽隨機(jī)碼NRZ），再把數(shù)字基帶信號變換為與信道特性相匹配的數(shù)字帶通信號，即數(shù)字信號在帶通信道中傳

14、輸時(shí)，必須用數(shù)字系帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號與信道的特性相匹配。一般來說，這種頻帶傳輸是借助于正弦載波的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號的。</p><p><b>　?。?）設(shè)計(jì)步驟：</b></p><p>　　1）首先對基帶波形進(jìn)行采樣，設(shè)置好波形的幅度、頻率、抽樣個(gè)數(shù)，碼元數(shù)和抽樣間隔等參數(shù)；</p><p>　　2）用MATLA

15、B軟件中的所帶的庫函數(shù)和自定義函數(shù)來產(chǎn)生二進(jìn)制信源，其中用到的庫函數(shù)有：randn()、sign()和ones()；用到的自定義函數(shù)有擴(kuò)展函數(shù)sigexpand()；</p><p>　　3）利用MATLAB仿真軟件中的subplot()和plot()函數(shù)畫出輸入NRZ信號的波形和輸入NRZ信號的頻譜圖；</p><p>　　4）產(chǎn)生2FSK信號，即對輸入的NRZ信號進(jìn)行數(shù)字調(diào)制；<

16、/p><p>　　5）用subplot()和plot()函數(shù)畫出2FSK信號的波形及其頻譜圖，其中用到了T2F（）函數(shù)，它是一個(gè)自定義函數(shù)，功能是信號波形實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換。其中第3）步和第5）步中畫頻譜圖還用到庫函數(shù)：以10為底的對數(shù)函數(shù)log10()和絕對值函數(shù)abs()；</p><p><b>　　程序流程圖</b></p><p>&

17、lt;b>　　程序源代碼</b></p><p>　　腳本M文件，程序代碼如下：</p><p>　　clear all;</p><p><b>　　A=1;%幅度</b></p><p><b>　　fc=3;%3HZ</b></p><p>　　N_s

18、ample=8;</p><p>　　N=800;%碼元數(shù)</p><p>　　Ts=1;%抽樣間隔1Baud/s</p><p>　　dt=Ts/fc/N_sample;%波形采樣間隔</p><p>　　t=0:dt:N*Ts-dt;</p><p>　　L=length(t);</p><p&

19、gt;<b>　　%產(chǎn)生二進(jìn)制信源</b></p><p>　　d=sign(randn(1,N));</p><p>　　d1=sigexpand((d+1)/2,fc*N_sample);</p><p>　　gt=ones(1,fc*N_sample);%NRZ波形</p><p><b>　　figur

20、e(1)</b></p><p>　　subplot(2,1,1);%輸入NRZ信號波形（單極性）</p><p>　　s_nrz=conv(d1,gt);</p><p>　　plot(t,s_nrz(1:length(t)));</p><p>　　axis([0 20 0 1.2]);ylabel('輸入信號'

21、;);</p><p>　　subplot(2,1,2);%輸入NRZ頻譜</p><p>　　[f,s_nrzf]=T2F(t,s_nrz(1:length(t)));</p><p>　　plot(f,10*log10(abs(s_nrzf).^2/Ts));</p><p>　　axis([-2 2 -50 20]);ylabel(&#

22、39;輸入信號功率譜密度（dB/HZ）');</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p><b>　　% 2FSK</b></p><p>　　% s_2fsk=Acos(2*pi*fc*t+int(2*d_NRZ-10));</p><p>　　sd_2fsk=

23、2*s_nrz-1;</p><p>　　s_2fsk=A*cos(2*pi*fc*t+2*pi*sd_2fsk(1:length(t)).*t);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(t,s_2fsk);</p><p>　　axis([0 10 -1.2 1.2]);xlabel('t

24、');ylabel('2FSK');</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　[f,s_2fskf]=T2F(t,s_2fsk);</p><p>　　plot(f,10*log10(abs(s_2fskf).^2/Ts));</p><p>　　axis([-fc-4 fc+4 -50

25、 10]);</p><p>　　xlabel('f');ylabel('2FSK功率譜密度（dB/HZ）');</p><p>　　所用到的自定義函數(shù)如下：</p><p>　?。?）function [out]=sigexpand(d1,M)</p><p>　　N1=length(d1);</p&g

26、t;<p>　　out=zeros(M,N1);</p><p>　　out(1,:)=d1;</p><p>　　out=reshape(out,1,M*N1);</p><p>　　（2）function [f,sf]=T2F(t,st)</p><p>　　dt=t(2)-t(1);%采樣間隔</p><

27、;p><b>　　T=t(end);</b></p><p><b>　　df=1/T;</b></p><p>　　N2=length(st);</p><p>　　f=-N2/2*df:df:N2/2*df-df;</p><p>　　sff=fft(st);</p><

28、;p>　　sf=T/N2*fftshift(sff);%將頻率中心點(diǎn)移到零頻位置</p><p><b>　　仿真結(jié)果圖</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)結(jié)果分析</b></p><p>　　1. 仿真結(jié)果圖分析</p><p>　　（1） 第一個(gè)仿真圖為輸入信號NRZ的波形，它是隨機(jī)

29、產(chǎn)生的單極性碼。</p><p>　?。?）從第二個(gè)仿真圖可看出，它是2FSK信號的波形及頻譜，在時(shí)域波形圖中，波形疏密程度不同，有疏有密，密的波形代表的比較高的載波頻率，疏的波形代表比較低的載波頻率。</p><p>　?。?） 從2FSK信號的頻譜圖中可看出，其頻譜與2ASK信號的頻譜有點(diǎn)相似，它是通過2ASK信號頻譜的疊加而成的。從圖中可看出，相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和

30、離散譜組成，其中，連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于載頻f1和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個(gè)載頻f1和f2處；還可以根據(jù)理論分析，連續(xù)譜的形狀會隨著兩個(gè)載頻之差f1-f2的大小而變化，若│f1-f2│<fs，連續(xù)譜在f0處出現(xiàn)單峰；若│f1-f2│>fs，則出現(xiàn)雙峰。（其中f0=（f1+f2）/2）</p><p>　?。?）若以功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔計(jì)算2FSK信號的帶寬，則其帶寬近似為B_2FS

31、K=│f2-f1│+2fs。其中fs=1/Ts為基帶信號的帶寬。</p><p><b>　　性能分析</b></p><p>　　衡量一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能好壞的指標(biāo)有很多，最主要的是有效性和可靠性。對于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)而言，這些性能指標(biāo)主要包苦：誤碼率性能、頻帶利用率、以及調(diào)制信號對信道的適應(yīng)能力等。</p><p>　　（1）2FSK的誤

32、碼率：當(dāng)用相干解調(diào)時(shí)，Pe=1/2*erfc（sqrt（r/2））；當(dāng)用非相干解調(diào)時(shí)，Pe=1/2*exp（-r/2）；（其中r為信噪比）可以看出，在相同信噪比Pe情況下，2FSK 系統(tǒng)的誤碼率比2PSK系統(tǒng)的誤碼率大，但比 2ASK系統(tǒng)的誤碼率小，所以2FSK 性能在2PSK和 2ASK 之間。</p><p>　?。?）頻帶利用率：B_2FSK=│f2-f1│+2fs=│f2-f1│+2/Ts，從此式中可看出

33、，2FSK信號的帶寬很寬，比2PSK和2ASK都要寬，所以，2FSK信號的頻帶利用率最低，即2FSK的有效性最差。</p><p>　　（3）在2FSK系統(tǒng)中，判決器是根據(jù)上下兩個(gè)支路解調(diào)輸出樣值得大小作出判決，不需要認(rèn)為地設(shè)置判決門限，所以2FSK對信道的變化不敏感，對信道具有很好的適應(yīng)能力。非相干2FSK適用于中低速率數(shù)據(jù)傳輸中，特別是在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p&

34、gt;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1．《MATLAB通信仿真開發(fā)手冊》 國防工業(yè)出版社 孫屹</p><p>　　2．《現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真－MATLAB通信工具箱》西安電子科技大學(xué)出版社 李建新</p><p>　　3．《通信系統(tǒng)仿真原理與無線應(yīng)用》 機(jī)械工業(yè)出版社 William H. Tranter著 肖明波譯&l

35、t;/p><p>　　4．教學(xué)用“通信原理”教材</p><p>　　5.《通信系統(tǒng)建模與仿真》電子工業(yè)出版社 韋崗 季飛 傅娟</p><p>　　6. 《通信原理及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)》電子工業(yè)出版社 樊昌信 宮錦文 劉忠成</p><p>　　7. 《通信原理—基于Matlab的計(jì)算機(jī)仿真》北京郵電大學(xué)出版社 郭文彬 桑林編著 龐沁華審訂<

36、/p><p><b>　　設(shè)計(jì)心得體會</b></p><p>　　1．通過本次課程設(shè)計(jì)，我了解了有關(guān)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制（2FSK）的設(shè)計(jì)原理及方法，進(jìn)一步了解了些Matlab庫函數(shù)，如：randn()、sign()和ones()，2FSK調(diào)制的設(shè)計(jì)方法很多，這里只用了其中一種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真；</p><p>　　2．從這次二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制課程設(shè)計(jì)中，

37、我學(xué)會了，熟悉了更多關(guān)于MATLAB的用法，掌握了用MATLAB實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制的設(shè)計(jì)，以及在MATLAB中一些圖形的畫法，如NRZ 波形及頻譜的畫法、2FSK信號波形及頻譜的畫法等，我還學(xué)會了用MATLAB實(shí)現(xiàn)時(shí)域波形到頻域波形的變換（用自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)）；</p><p>　　3．通過本次二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的設(shè)計(jì)，我對有關(guān)數(shù)字調(diào)制的理論知識的了解更加深刻和透徹了，實(shí)際上，2FSK信號就可以看成兩個(gè)分別以f0和f1為

38、載頻、以an和/an為被傳二進(jìn)制序列的兩種2ASK信號的合成；（其中/an是an的反碼）</p><p>　　4. 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的基本方式有：控制載波信號的振幅變化的2ASK、控制載波信號的頻率變化的2FSK、控制載波信號的相位變化的2PSK、在2PSK的基礎(chǔ)上還發(fā)展了2DPSK(為了消除相位模糊度的影響)</p><p>　　5．通過本次通信綜合系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多，對通信原理這