武汉理工大学二进制数字频带传输系统2FSK系统

通过Matlab、simulink和SystemView完成对2FSK调制与解调系统的设计

武汉理工大学《专业课程设计2》课程设计说明书

二进制数字频带传输系统设计——2FSK系统

1 技术要求

设计一个2FSK数字调制系统，要求：

1）设计出规定的数字通信系统的结构；

2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）；

3）用Matlab或SystemView 实现该数字通信系统；

4）观察仿真并进行波形分析；

5）系统的性能评价。

2 基本原理

频移键控是利用载波的频率来传递数字信号，在2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟电咱来实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关对两个不同的独立源进行先通，使其在每一个码元期间输出f1和f2两个载波之一。这两种方法产生2FSK信号的差异在于：由调频法产生的2FSK信呈在相邻码元之间的相位是连续变化的，而键控法产生的2FSK信号，是邮电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一不定期连续。频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。在2FSK中，载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为：

e2FSK(t) {Acos( 1t n)

Acos( 2t n)

典型波形如下图所示。由图2.1可见。2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。因此2FSK信号的时域表达式又可以写成：

nns2FSK(t) [ ang(t nTs)]cos( 1t n) [ ang(t nTs)]cos( 2t n) _

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2.1 2FSK数字系统的调制原理

2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频w2的已调波形，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源w1、f2进行选择通。如下原理图：

载波 f1

2FSK输出信号

载波 f2

二进制数据

图2.2 2FSK的调制原理图 2FSK的调制原理图

2.2 2FSK的解调方式

2FSK的解调方式有两种:相干解调方式和非相干解调方式.下面我们将详细的介绍:

2.2.1 非相干解调

经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f1、f2滤出不需要的信号，然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波，最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲，最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。其原理图如下图所示：

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图2.3 2FSK信号的非相干解调方式 非相干方式原理图

2.2.2 相干解调

根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成，则先用两个分别对f1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。原理图如下：

cos2π f1t

带通滤波器 F1

输入相乘器抽样脉冲低通滤波器抽样判决器

低通滤波器输出带通滤波器 F2相乘器

cos2π f2t

图2.4 2FSK信号的相干方式解调原理图 相干方式原理图

3 建立模型描述

3.1 基于simulink的2FSK系统仿真设计

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立

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模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 本设计中利用simulink软件实现2FSK的调制与相干解调过程，模块图形如图3.1所示。

图3.1 2FSK的调制与相干解调过程

利用simulink软件实现2FSK的调制与非相干解调过程，模块图形如图3.2所示。

图3.2 2FSK的调制与非相干解调过程

3.2基于Sytemview的2FSK信号系统仿真设计

SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。

利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间

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的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。

利用SystemView软件实现2FSK的调制与相干解调过程，模块图形如图3.3所示。

图3.3 2FSK的调制与相干解调过程

利用SystemView软件实现2FSK的调制与相干解调过程，模块图形如图3.4所示。

图3.4 2FSK的调制与相干解调过程

3.3 基于m语言的ASK系统仿真程序

以rand函数模拟二进制信号源，ellipord和ellip函数求得椭圆低通滤波器阶数，filter函数实现滤波功能。同时m文件的可编译性使得程序的调试，特别是低通滤波器的参数设置（程序中的fp，fs以及Fs）十分方便。

4 模块功能分析或源程序代码

4.1 基于simulink的2FSK系统仿真设计的描述

4.1.1 2FSK的调制与相干解调过程

图4.1为系统的调制模块。本实验中通过健控法产生2FSK调制信号。随机比特流的频率为100HZ，信号源1的频率为1000HZ，信号源2的频率为2000HZ。

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图4.2为系统的信道模块。本实验中的信道为加了加性高斯白噪声的信道。

图4.3为系统的解调模块。本实验中带通滤波器的值分别设为800HZ——1200HZ，1800HZ——2200HZ；低通滤波器的值都为100HZ；抽样判决器的抽样频率为100HZ。

图4.4为系统的误码率计算模块。通过该模块可以评估系统设计的好坏。

图4.1 2FSK信号调制模块 图4.2 2FSK系统的信道模块

图4.2 2FSK信号的解调模块 图4.4 2FSK系统的误码率计算模块

4.1.2 2FSK的调制与非相干解调过程

2FSK调制与非相干解调过程的信号调制模与信道模块以及误码率计算模块与2FSK调制与相干解调过程的一样，不同之处在于解调模块，如图4.5所示：带通滤波器低通滤波器及抽样判决器的参数值与相干解调一样，Abs为全波整流器。

图4.5 2FSK信号的解调模块

4.2 基于Sytemview的2FSK信号系统仿真设计的描述

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