--正文--基于MATLAB环境下的GUI的FSK仿真演示系统

第一章绪论1.1课题研究背景及意义随着社会的不断发展，通信对我们来说越来越显的重要。对于通信技术来讲，信息传输的有效性和可靠性是判定性能的标准。而对于保证远距离传输信息的正确性这一方面，数字通信系统具有先天的优势。在数字载波通信中，我们采用了三种解调方式:幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。其中频移键控(FSK)是信息传输中使用得较早的一种调制方式，频移键控的最简单形式是二进制频率键控2FSK。它的主要优点是：实现方法简单，抗噪声与抗衰减性能较好。因此在中低速数据传输中得到了广泛的应用。本课题研究FSK，并基于MATLAB环境下的GUI对FSK系统进行仿真演示系统的制作，从而通过运用模拟的视觉化的手段来实现达到解调调制的目的。随着电子通信科技领域的高速发展，通信系统复杂性随之增加。而传统的手工分析与电路板试验等分析设计方法己经不能适应发展的需要，通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出其巨大的优越性。计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型，利用计算机进行实验研究的一种方法。MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称，它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测等领域。同时，Matlab仿真软件也是分析通信系统常用的工具之一。Matlab的图形界面功能GUI(GraphicalUserInterface)能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。因此，GUI在通信系统的各种仿真中得到了广泛的应用，本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。1.2课题设计要求设计一个“基于MATLAB环境下GUI的FSK仿真演示系统”，具体要求如下：1．掌握FSK的原理和仿真方法；2．通过脚本编程或者SIMULINK对FSK调制方式进行仿真；3．在MATLAB环境下制作一个GUI，可以由用户输入载波频率、两个调制频率f1和f2，动态产生FSK调制波形；4．观察调制信号和已调信号波形，分析调制性能。第二章系统组成及工作原理2.1系统单元功能模块设计此系统必须具备以下单元功能模块：▲原序列信号产生模块；▲信号加躁模块；▲调制模块；1、带通滤波器模块；▲解调模块：2、乘法器模块；3、低通滤波器模块；4、抽样判决模块；2.2数字调制解调原理数字调制可以分为二进制调制和多进制调制，多进制调制是二进制调制的推广，所以本课题主要研究的是二进制的调制与解调。最常见的二进制数字调制方式有二进制振幅键控(2-ASK)、移频键控(2-FSK)和移相键控(2-PSK和2-DPSK)。在此基础上还可以派生出许多其他的形式。数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传输的信息，在接收端也对载波信号的离散调制参量进行检测。数字调制采用正弦波调制，即信号被调制为高频正弦波。数字解调是一种为了传播方便，把信息编码传输的方法。在传输过程中，语音通话等会转变成一连串的数字信号，变为计算机二进制代码0和1，在信息接收处又解码恢复到原来的语音状态。解调是调制的逆过程，其作用是从接受的己调信号中恢复原基带信号(即调制信号)。调制的方法可分为两类：相干解调和非相干解调。由于FSK的解调过程有相干解调法和非相干解调法，我们在这里只介绍相干解调原理。相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相干(同频同相)的参考信号与载频相乘。2.3频移键控FSK原理二进制数字频率调制方法有模拟调制和键控法两种。其中二进制频率键控2FSK(frequency-shiftkeying)是采用最为广泛的一种，它原理更为简单、实现起来也更为容易、抗噪声和抗衰减性能好、稳定可靠，是中低速数据传输的最佳选择。故一般采用键控法来实现二进制的频率键控2FSK。2.3.12FSK调制原理一、基本原理2FSK是用原二进制”0”/”1”序列信号调制载波的一种数字调制方式。我们将每个比特的信息转换为一个频率，不同的电平对应不同频率的载波。一般来说，“0”由较低的频率f0表示，“1”由较高的频率f1表示。即f0f1。其表达式为：（式2-1）对应典型波形为：图2.1调制典型波形频移键控采用的调制方式需要两个不同频率段的载波信号，码元为“1”和码元为“0”时的载波频率不同，其数学表达式为：（式2-2）)()(0snnnTtgats)()(1snnnTtgats（式2-3）（式2-3）二、2FSK信号的产生方法”时发送“”时发送“1),2cos(A0),2cos(A)(102FSKnntftftettsttste11002FSKcoscos)(PPan1,1,0概率为概率为PPan概率为概率为,11,0▲采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。▲采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。键控法的原理框图如图2.2所示。图2.2键控法原理框图基带信号是一个二进制0/1信号。键控开关受基带信号控制，其中基带信号为“1”时，开关接至振荡器1。反之，基带信号为“0”时，开关接至振荡器0。当振荡器产生信号为频率分别为f0、f1的余弦信号时，调制信号)(2tFSK即为。其中ts0，ts1都是二进制序列信号。2.3.22FSK解调原理解调原理框图如图2.4所示，对应的典型波形图如图2.3所示。图2.3解调典型波形图基带信号振荡器0（f0）振荡器1（f1）0键控开关1e2FSK（t）ttsttste11002FSKcoscos)(带通w0带通w1低通低通e2fskcosw0定时脉冲抽样判决S（t）图2.4解调原理框图第三章系统设计思路3.1调制模块设计图3.1调制模块设计流程图开始输入信息码w、载频f0、f1码长le=length(w)；设步长为0.001，每个码元有50个步长；C1=sin(2πf1t)；C0=sin(2πf0t)；i=1,j=1基带采样信号是否为0？n=(i-1)*50+jbit(n)=1，fsk(n)=C1(n)bit(n)=0，fsk(n)=C0(n)j=j+1j=50?i=i+1i=le?fftfsk=FT[fsk],nos=awgn(fsk,20),ffsk=FT[nos]将bit、fsk、fftfsk、nos、ffsk画出结束否是否是否是注释：w为二进制信息码；bit信号是承载码信息的二进制单极性不归零脉冲序列；fsk是已调制的二进制频移键控信号；nos是加噪后的fsk信号；fftfsk、ffsk分别是fsk、nos信号的傅立叶变换，即频域函数。3.2解调模块设计开始经过带通滤波器0，得到以f0为中心频率的y0(t)，及其频谱函数k0(f)输入nos、ffsk经过带通滤波器1，得到以f1为中心频率的y1(t)，及其频谱函数k1(f)将y0与C0相乘，得到m0(t)将y1与C1相乘，得到m1(t)经过低通滤波器0，得到含直流分量的Ym0(t)，及其频谱函数ym0(f)经过低通滤波器1，得到含直流分量的Ym1(t)，及其频谱函数ym1(f)i=1Ym0(i)Ym1(i)？g(i)=0g(i)=1将解调输出信号g画出结束i=length(Ym0)？i=i+1是否否是图3.2解调模块设计流程图3.3GUI界面设计如图3.3所示，界面一共有三个编辑框edit1～edit3，两个下拉菜单popupmenu3～popupmenu4。一个pushbutton20。三个axes1～axes2。他们的功能描述如表3-1所示：图3.3GUI界面设计表3-1GUI界面功能描述控件名功能描述edit1输入二进制信息码wedit2输入载频f0edit3输入载频f1popupmenu3选择axes2坐标轴要显示的图形popupmenu4选择axes3坐标轴要显示的图形pushbutton20清除axes2、axes3坐标轴上的图形axes1显示背景图片axes2显示popupmenu3中被选择的函数的图形axes3显示popupmenu4中被选择的函数的图形第四章系统调试结果分析4.1调试步骤及现象分析4.1.1调试步骤第一步：运行m文件或者fig文件后，系统会打开“基于MATLAB环境下的GUI的FSK调制解调仿真演示系统”。第二步：输入任意长度的二进制信息码w，载频f0及f1。（缺省值为f0=400，f1=200，w=[10000]）第三步：选中任一下拉菜单中的任意选项，即可调用FSK调制解调函数bfsk，并且根据选中项的项号，查找到相应已生成的函数信号，最后在相应的坐标轴中显示出来。第四步：选择另一下拉菜单中的任意项，并在其相应坐标轴中显示所选函数信号。第五步：根据需要，使用清除图像功能。4.1.2现象分析整个调制解调过程，生成了很多函数信号。仿真演示系统可以通过popupmenu选择任意函数信号进行对比观察。下面按照整个调制解调过程，顺序地选择一些具有重要对比意义的现象分析系统性能及调试结果。一、打开系统界面图4.1系统界面图运行m文件或fig文件后，显示如图4.1所示系统界面。二、输入参数、选择菜单项打开界面后，用户需要输入任意长度的信息码w、载频f0和f1三个参数。接着，如图4.2所示，点击下拉菜单后，共有原信号m(t)、已调信号、抽样判决输出信号m1(t)等16项函数信号可供选择。用户可以选择不同的函数信号分别显示在图形一和图形二坐标轴上，这样可以方便对比观察。（其中，编辑框的缺省值为f0=400，f1=200，w=[10000]）图4.2用户输入参数三、原信号&已调信号输入信息码10010，载频f0=50，f1=100。观察原信号（图一）和已调信号（图二）。如图4.3所示。显然，对比观察图中两个信号，原信号为1时的已调信号频率f1是原信号为0时的已调信号频率f0的两倍，可以确定演示结果正确。四、已调信号&已调加噪信号输入信息码10010，载频f0=50，f1=100。观察已调信号（图一）和已调加噪信号（图二）。如图4.4所示。当已调信号经过信道传输后，不免会有噪声干扰。这里我们调用了MATLAB中的awgn(f,N)函数的功能产生噪声（其中f指的是无噪声信号，N指的是信噪比），令N=20。将图4.4中的两个图形对比观察，发现图形二所示信号显然已被噪声干扰，发生了一定的变形，可以确定演示结果正确。图4.3原信号&已调信号图4.4已调信号&已调加噪信号五、已调加噪信号&已调加噪信号频谱输入信息码10010，载频f0=400，f1=200。观察已调加噪信号（图一）和已调加噪信号频谱（图二）。如图4.5所示。图4.5已调加噪信号&已调加噪信号频谱六、经乘法器与相应载波相乘后的信号m0、m1输入信息码10010，载频f0=400，f1=200。观察k0与载波C0=sin(2πf0t)相乘得到的信号m0（图一）和k1与载波C1=sin(2πf1t)相乘得到的信号m1（图二）。如图4.6所示。相乘后，若某点对应的原信号应为0，在此点处信号平均值0m1m。同理，若某点对应的原信号应为1，则在此点处信号1m0m。从而下面可以直接用抽样判决的方法解调出原信号。对比观察图中两个信号，可以确定演示结果正确。七、经两个低通滤波器后的信号Ym0、Ym1输入信息码10010，载频f0=400，f1=200。观察m0经带通滤波器0滤波后得到的频域函数Ym0（图一）和m1经带通滤波器1滤波后得到的频域函数Ym1（图二）。如图4.7所示。经过低通滤波器以后，我们将经乘法器得到的信号m0、m1的高频成分滤除，得到较为平缓的信号Ym0、Ym1。这样使得抽样判决器的抽样值较为准确，有利于提高抽样判决器的有效性。观察图中两个信号，不难看出在有些时间段m0m1，有些时间段m1m0，且这些时间段较为严格地区分开来了。这恰好符合抽样判决器的判决要求。所以可以确定演示结果正确。图4.6经乘法器与相应载波相乘后的信号m0、m1图4.7经两个低通滤波器后的信号Y