1、 题 目 FSK 调 制 解 调 系 统 的 仿 真 与 分 析 学生姓名 杨 粉 粉 学号 1113024097 所在学院 物 理 与 电 信工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1103 班 指导教师 魏 瑞 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015 年 6 月 4 日I毕 业 论 文 设 计 任 务 书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信 1103 班 学生姓名 杨 粉 粉 一、毕业论文设计 题目 FSK 调制解调系统的仿真与分析 二、毕业论文设计 工作自 2015 年 1 月 10 日 起至 2015 年 6 月 15 日止三、毕业论文设计
2、 进行地点 : 物理与电信工程学院实验室 四、毕业论文设计 的内容要求：数字调制解调技术的发展不断更新，如今在现实中应用的数字调制系统大部分都是经过改进的，性能较好的系统，但是，作为理论发展最成熟的调制解调方式，对 FSK 的研究仍然具有非常大的意义，因此，选择 FSK 调制解调方式进行仿真研究。本次毕业设计运用仿真软件对 FSK 调制解调系统进行性能分析。 本次毕业设计要求： 1. 运用仿真软件实现三种进制下 FSK 调制解调过程的仿真并观测调制解调过程中观察各个环节时域和频域的波形； 2. 结合三种不同信道环境对比三种进制下 FSK 调制解调系统的频谱特点与误码率情况； 3. 对仿真结果进
3、行分析。 五、毕业论文设计 应收集资料及参考文献：阅读和学习关于 FSK 调制解调系统和计算机仿真技术方面的专业资料，参阅的外文文献不少于 3 篇。 六、毕业论文设计 的进度安排：1 月 10 日3 月 20 日：查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。 3 月 21 日4 月 20 日：完成 FSK 调制解调系统的基本仿真设计并提交中期检查报告。 4 月 21 日5 月 20 日：进一步完善 FSK 调制解调系统的仿真设计，准备作品验收。 5 月 21 日6 月 15 日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。 指 导 教 师 系 (教 研 室 ) 系(教研室) 主任签名 批 准 日 期 接
4、 受 论 文 (设 计 )任 务 开 始 执 行 日 期 学 生 签 名 IIFSK 调制解调系统的仿真与分析 杨粉粉（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业 2011 级 3 班，陕西 汉中 723003）指导教师：魏瑞摘要数字调制技术是通信系统中最主要的一项技术，也是提高通信系统性能的重要途径。本次设计运用MATLAB 软件的仿真环境 Simulink 搭建了 2FSK、4FSK 和 8FSK 的仿真模型；其次，分析这三种不同进制下的FSK 分别在高斯、瑞利、莱斯信道环境下的误码率与频谱性能。最后，同种进制下的 FSK 在高斯信道环境下的波形畸变较大，但总体性能最好，在瑞利的信道环
5、境中最差；不同进制下的 FSK 随着进制数的增大，其频谱的主瓣也越来越宽，且误码率也越来越大。关键词MATLAB;FSK 调制;FSK 解调;仿真FSK simulation and analysis of FSK demodulation systemYang Fenfen(Grade 2011,Class3,Major of Communication Engineering ,Dept of Electrinics and Information Engineering Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi)Tut
6、or:Wei RuiAbstract：Digital modulation technology is the most important technology in communication system, and it is also an important way to improve the performance of communication system. 2FSK, 4FSK and 8FSK three decimal simulation models are built by the Simulink simulation environment of MATLA
7、B software;secondly, the BER (bit error rate) and spectral properties of this three different binary FSK are analyzed respectively under the Gaussian, Rayleigh, Rician channels. Finally, in Gaussian channel, the same binary of FSK waveform distortion is largest,but the overall performance is the bes
8、t, and the worst is in the Rayleigh channel environment; the bigger hexadecimal number is, the wider the spectrum of the main lobe is, and the bigger BER is. Key words：MATLAB;FSK modulation ;FSK demodulation ; SimulationIII目 录引 言 .11 研 究 方 案 .31.1 研 究 目 标 .31.2 方 案 设 计 .31.3 方 案 分 析 与 选 择 .51.4 软 件
9、介 绍 .62 FSK 工 作 原 理 .82.1 2FSK 的 表 达 式 以 及 波 形 图 .82.2 2FSK 信 号 的 调 制 与 解 调 .82.3 MFSK 频 率 调 制 系 统 .93 仿 真 与 分 析 .113.1 2FSK 调 制 解 调 仿 真 .113.1.1 2FSK 系 统 模 块 参 数 的 设 置 .113.1.2 三 种 信 道 下 运 行 结 果 波 形 显 示 .123.1.3 三 种 信 道 下 运 行 结 果 频 谱 显 示 .153.2 4FSK 调 制 解 调 仿 真 .163.2.1 4FSK 系 统 模 块 参 数 的 设 置 .163.
10、2.2 三 种 信 道 下 运 行 结 果 波 形 显 示 .173.2.3 三 种 信 道 下 运 行 结 果 频 谱 显 示 .203.3 8FSK 调 制 解 调 仿 真 .203.3.1 8FSK 软 件 设 计 思 路 .203.3.2 原 理 框 图 .213.3.3 仿 真 结 果 分 析 .213.4 误 码 率 显 示 .253.5 频 谱 特 性 与 误 码 率 分 析 .263.5.1 频 谱 特 性 和 波 形 分 析 .263.5.2 误 码 率 分 析 .27结 束 语 .28致 谢 .29参 考 文 献 .30附 录 A:科 技 文 献 .31附 录 B:2FSK
11、 调 制 解 调 仿 真 模 块 电 路 图 .40附 录 C:4FSK 调 制 解 调 仿 真 模 块 电 路 图 .41附 录 D:8FSK 调 制 解 调 源 程 序 代 码 .42附 录 E:误 码 率 源 程 序 代 码 .44陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 44 页引 言 如今社会通信技术的发展速度可谓是日新月异，计算机的出现在现代通信技术的各种媒体中占有独特的地位，计算机在当今社会的众多领域里不仅为各种信息处理设备被使用，而且它与通信相结合，使电信业务更加丰富。课题来源于老师，旨在设计一个 FSK 调制解调系统并分析其波形、频谱、误码率。了解 FSK调制/解调的基本理论，分析
12、设计一个完整的 FSK 发送与接收系统，并对系统进行仿真分析与设计，以此提高自己的分析材料、解决问题和设计能力。调制解调技术在通信系统中占据非常重要的地位，从消息变换来的原始信号具有较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不适宜进行传输，因此，在通信系统中的发送端常常需要调制过程，而在其接受端则需要反调制过程-解调过程。调制就是按调制信号的变化规律去改变高频载波的某些参数的过程；解调的实质是频谱的搬移。它的优劣决定了通信系统的性能，是软件无线电的关键所在。总而言之，FSK 调制解调技术的研究不仅可以更加精确的处理信号相位，提高系统频带宽度，而且还可使用数字电路和软件相结合的方法，在数字基带传输系统
13、中应用广泛。1837 年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866 年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876 年贝尔发明了电话,由于它比电报更便于交流使用，所以直到 20 世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937 年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20 世纪 60 年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在 70 年代末在全球发展起来的模拟移动电话在 90 年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替 1。就目前大多数的 FSK 调制解
14、调技术而言，其主要由发送端、中间传送的信道和接收端这三大部分组成。在 FSK 中，接收端接收到载波信息，并对接收信号进行调制处理后，会将信息送至信道进行传送，传送到接收端，然后在接收端上利用解调把信道传送过来的信息还原。通常来说，FSK 调制解调技术的研究可以将人们的生活便利化、智能化，让他们的生活会越来越好。提供较高的频谱效率；必须有好的频谱特性，降低带外辐射，减少干扰；具有抗多径衰落等特性，保证好的信噪比，以获得好的误码性能；便于采取简单的调制解调方法；易于实现，成本低廉，可减小设备尺寸。FSK 调制解调系统应用广泛，遍及在各个领域。其也在电力线载波通信系统中得到了应用，目前采用 FSK
15、方式的国家和地区有：美国、中国、日本、英国、加拿大、比利时、西班牙、新加坡等，而且针对 FSK 信号在这些领域的应用，国内外己经有大量的研究成果。应用案例：(1)蓝牙(Bluetooth)通信设备。(2)医学植入微电子器件。(3)便携式消费电子。(4)铁路信号控制系统中的频移自动闭塞系统。论文共分 4 章节，第 1 章节是对 FSK 调制解调系统仿真的研究思路；第 2 章节是 FSK 调制解调系统工作原理的分析与掌握；第 3 章节是基于仿真软件对 FSK 调制解调系统的仿真与分析。第一章为研究方案，介绍这次毕业设计的研究目标、方案设计：其中包括有文字说明和框图表示、方案的分析与选择：经过比较三
16、种方案的优缺点，最终确定一种方案进行毕业设计、软件介绍：本次毕业设计的实现平台及其它的简介。第二章为 FSK 工作原理，概述数字信号调制与解调的原理，2FSK 信号、4FSK 信号、8FSK 信号的产生原理，用什么方法进行来实现其数字调制信号与解调信号。 第三章为系统的仿真与分析，基于第一章节和第二章节的知识基础之上，借助于 MATLAB 软件平台来完成 2FSK 信号、4FSK 信号的模块仿真与 8FSK 信号程序的仿真，并按照任务书来观测陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 44 页调制解调过程中观察各个环节时域和频域的波形；并结合三种不同信道环境对比三种进制下 FSK调制解调系统的频谱特点
17、与误码率情况；最终，对仿真结果进行分析。 第四章为结束语，因为在设计过程中会遇到不少问题，比如说：基础知识的不牢固、对一些常用的应用软件缺少应用、相关知识掌握不够全面，缺少系统设计仿真的经验等等问题，这就需要我们对自己进行反思，也需要我们及时的与老师进行沟通，更要学会高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料，并且需要我们不断地对模块参数进行修改来达到预期的效果。 陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 44 页1 研 究 方 案1.1 研究目标(1)设计一个具体的 FSK 调制与解调系统； (2)该系统针对三种进制情况下的调制解调系统仿真；(3)该系统在上步基础上通过三种信道情况下的调制解调
18、系统仿真；(4)观测调制解调过程中观察各个环节时域和频域的波形； (5)对仿真结果的频谱特点与误码率情况进行分析。 1.2 方案设计方案一：基于单片机的 FSK 方案设计用集成电路构成 FSK 调制解调器是一个较好的方案，但难以应用于线路干扰强的场合。我用MCS51 系列单片机实现 FSK 调制解调器，不仅结构简单，而且实用 2。FSK 由频率调制器产生不同的频率，常常在二进制中用 f1和 2两种频率，其 f1代表码元“0”，f2代表码元“1”。调制数据的码元决定频率调制器的输出频率，实现其 FSK 有频率选择法、调频法和数字调频法。频率选择法输出频率稳定、准确，但相位不连续，容易产生带外辐射
19、，影响邻近信道。调频法虽然相位连续，但是频率精度不高，稳定性差，外界条件变化时，容易产生频率漂移。数字调频法解决了上述的问题，又兼有这两种的优点。因此，在单片机方案设计中，我选择数字调频法 3。其数字调频法的原理框图如图 1.1 所示。FSK调制数据输入 图 1.1 基于单片机调制原理框图在单片机中，FSK 的解调就是从 FSK 载波信号中恢复出原始基带信号，其方法就是相干解调和非相干解调两类。其中，非相干解调容易在单片机中实现，所以，常用的是非相干解调 3，其原理框图如图 1.2 所示。FSK 原始基带信号 图 1.2 非相干解调原理框图 载波信号经过带通滤波器后变成宽度不同的方波，这些方波
20、代表着不同的码元；鉴频器确定对应载波频率，根据频率判决对应码元。实现 FSK 解调涉及的技术难度问题都比较大，一般使用带通滤波器、倍频器、锁相环等，电路较为复杂一些。方案二：基于 FPGA 的 FSK 方案设计基于 FAPGA 的 FSK 调制解调系统仿真里面，在调制解调中，它的设计比较灵活。该方案设计也是基于键控法设计调制模块，利用过零检测法实现其解调模块，使其在最后输出原始基带信号。在这个 FPGE 设计中，它的原理上输出的信号和基带信号是一致的，也满足整个设计要求，且整个系统还具有较高的稳定性 4。在调制模块中，是由两个分频器，两个载波和选通开关组成的 5。其具体实现调制的原理框图如图
21、1.3 所示。晶振 D/A固定分频可变分频脉冲形成带通滤波器 整形 鉴频 判决陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 44 页图 1.3 基于 FPGA 调制原理框图基于 FPGA 的解调中，是由分频器，寄存器，计数器，判决器组成的。其中分频器是一种基本电路，通常用来对某个频率进行分频得到所需的频率，整数分频器可采用计数器设计实现。判决器是对到来的码元按照判决门限进行判决 5。其具体的解调原理框图如图 1.4 所示。图 1.4 基于 FPGA 解调原理框图方案三：基于 MATLAB 的 FSK 方案设计基于 MATLAB 的 FSK 仿真中， 数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的
22、数字消息控制载波的频率。从原理上讲，2FSK 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。基带信号 FSK 信号图 1.5 模拟法2.键控法，注意：选通开关也可用乘法器。图 1.6 键控法频移键控信号常用的解调方式有多种，其有相干解调、非相干解调（包络检测法）、过零检测法、鉴频法和差分检波法等等。1.非相干解调法，具体原理框图如图 1.7 所示。clkstart载波 2分频器 2已调信号二选一选通开关载波 1分频器 1基带信号clkstart寄存器判决计数器分频器基带信号基带信号模拟调频器振荡器 1相加器反相器选通开关 振荡器 2选通开关陕西理工学院毕业设计第 5
23、页 共 44 页图 1.7 非相干解调法原理框图2.相干解调法，具体原理框图如图 1.8 所示。图 1.8 相干解调法原理框图3.过零检测法，具体原理框图如图 1.9 所示。图 1.9 过零检测法原理框图 1.3 方案分析与选择方案一：单片机方案分析单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上，构成的一个小而完善的计算机系统。其特点如下：优点:（1）系统结构简单，使用方
24、便，实现模块化；（2）单片机可靠性高；（3）处理功能强，速度快；（4）低电压，低功耗，便于生产便携式产品；（5）控制功能强，环境适应力强。缺点:（1）运行速度慢是因为集中指令结构，而且芯片为了抗干扰采用了 12 分频法；（2）所有的 I/0 口都是准双向口，I/0 口的驱动能力弱；（3）芯片里面的 P0 口没有上拉电阻；（4）芯片不能定义成内部复位方式，只能用外部微分电路复位；（5）芯片内部没有 RC 振荡。如要芯片正常工作，需要外加振荡源；（6）功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。 方案二： FPGA 方案分析 FPGA 是现场可编程门阵列，其可以设计为各种逻辑功能，设计灵活。当然它也可嵌入各
25、种CPU 做为处理器，如：8051 ，ARM ，NIOS_ii 等等构架的 CPU. FPGA；新型 FPGA 可以用内部乘法器/ 寄存器/内存块构造软核。其特点如下：脉冲展宽 抽样判决限幅 BPF 整流 微分 低通带通滤波器 1抽样脉冲带通滤波器 2抽样判决包络检波器包络检波器低通滤波器 2 带通滤波器 2带通滤波器 1 低通滤波器 1 相乘器相乘器抽样判决器 抽样脉冲陕西理工学院毕业设计第 6 页 共 44 页优点：（1）在高速信号处理时，可以采用并行结构，大大提高处理速度，甚至可以超过目前最快的 DSP，适合与高速场合；（2）设计周期短，逻辑单元灵活；（3）集成度高；（4）可实现较大规模
26、的电路；（5）编程很灵活。缺点：（1）功耗较大；（2）编程数据信息在系统断电丢失；（3）使用方法复杂，保密性差。方案三： MATALB 方案分析MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。其特点如下：优点：（1）在计算要求相同时，MATLAB 编程工作量大大减小；（2）MATLAB 工具包都是现成的，调用一下很方便；（3）在各类仿真中，MATLAB 是主要解决电子信息中的问题，可以做出仿真结果;（4）计算功能强大，速度快，精度高；（5）编写
27、程序简单，易懂。缺点：在与其他数学软件相比较的话，最主要的缺点有两点，分别是：（1）循环的执行速度、符号计算功能比较弱；（2）参数设置比较困难；（3）价格比较贵。方案选择我在本次设计中，将借助于 MATLAB 平台来完成 FSK 调制解调系统仿真。原因有以下几点：（1）考虑到实现软件功能的灵活性，方便，电路的复杂度，预采用 MATLAB 实现；（2）在实际情况中，由于要观察各个时期的波形变化和误码率观察，特别是频谱特性的观察。在硬件电路中它的元器件多，波形在调制解调时也容易失真难以观察，但在软件中就很容易实现的。（3）在硬件电路中，多进制频移键控是很难完成的，可以想象其在调试阶段是多么的困难。
28、（4）最主要的是由于自身的原因。一方面，自己本来就在硬件方面是弱项，再加上做硬件的不可能一次两次就成功的，这是需要不停地调试。另一方面，在仿真这块，我们接触的最多的就是MATLAB 仿真，在 Simulink 环境中搭建模块的话比较便捷，并且可以达到毕设的要求，美中不足的就是参数设置不太好调试。综上所述，由于多种原因，自己会采用基于 MATALB 的 Simulink 环境下进行 FSK 的调制解调系统仿真与分析。 1.4 软件介绍MATLAB 简介 MATLAB 是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停
29、的在自己的科研过程中扩充MATLAB 的功能，使其成为了巨大的知识宝库。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C、FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 Mathworks也吸收了像 Maple 等软件的优点 ,使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、 C+ 、J AVA 的 支 持 。 可 以 直 接 调 用 ,用 户 也 可 以 将 自 己 编 写 的 实 用 程 序 导 入 到MATLAB 函 数 库 中 方 便 自 己 以 后 调 用 。 MATLAB 有着强大的功能且应用范围非常广，可以用来
