二进制数字调制系统仿真和分析-课程设计

课程设计课程设计名称：通信综合课程设计专业班级：电子信息工程学生姓名：学号：指导教师：课程设计时间：电子信息工程专业课程设计任务书学生姓名专业班级电子信息工程0602学号题目二进制数字调制系统仿真和分析课题性质仿真课题来源自拟课题指导教师同组姓名主要内容对二进制数字信源进行数字调制（2FSK），画出信号波形及功率谱。并分析其性能。任务要求1．掌握二进制数字信号调制系统的原理及实现。2．用MATLAB产生独立等概的二进制信源。画出2FSK信号波形及其功率谱。参考文献1、《MATLAB通信仿真开发手册》国防工业出版社孙屹2、《现代通信系统分析与仿真－MATLAB通信工具箱》西安电子科技大学出版社李建新3、《通信系统仿真原理与无线应用》机械工业出版社WilliamH.Tranter著肖明波译4、教学用“通信原理”教材审查意见指导教师签字：教研室主任签字：2009年09月07日一．设计内容与任务要求1.设计内容主要是数字调制系统建模和时域频域分析，本次设计的具体内容是：对二进制数字信源进行数字调制（2FSK），画出信号波形及功率谱，并分析其性能。这次通信综合课程设计目的是培养我们科学理论结合实际工程的能力，通过该课程设计，要求我们掌握应用通信基本理论设计通信系统、计算通信系统的基本性能指标，并通过实验模型验证其设计的正确性等综合设计实验能力。2.设计的任务要求（1）本次课程设计要求我们理解通信系统的基本工作原理，能够对课程中讲授的理论指示融会贯通，掌握通信系统性能指标的含义和计算方法并能够进行系统设计和计算，对系统建模并通过实验得出结果，验证设计。（2）掌握二进制数字信号调制系统的原理及实现。（3）用MATLAB产生独立等概的二进制信源。画出2FSK信号波形及其功率谱。二．设计原理及设计思路1.设计原理2FSK信号是用载波频率的变化来表示被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列“0”、“1”状态而变化，即载频为f0时代表传“0”，载频为f1时代表传“1”。显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以f0和f1为载频、以an和/an为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。2FSK信号的典型时域波形如图1所示。其一般时域表达式为：S_2FSK(t)=[∑an*g(t-nTs)]cos(w0*t)+[∑/an*g(t-nTs)]cos(w1*t)式中，w0=2*pi*f0，w1=2*pi*f1，/an是an的反码，即：当概率为p时，an=0,/an=1；当概率为1-p时，an=1，/an=0；图1因为2FSK是数字频率调整方式，通常可定义其频移键控指数为：h=│f1-f0│Ts=│f1-f0│/Bs式中，Ts为基带信号的码元周期。显然，h与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的，其大小对已调波带宽有很大的影响。2FSK信号与2ASK信号的相似之处是含有载频离散谱分量，也就是说，二者均可以采用非相干方式进行解调。可以看出，当h1时，2FSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱极为相似，呈单峰状；当h1时，2FSK信号的功率谱呈双峰状，此时的信号带宽近似为B_2FSK=┃f1-f0┃+2Bs2FSK信号的产生通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波频率法。由于频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元的状态转换（0—1或1—0）时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。频率选择法的调制原理框图如图2所示。系带信号2FSK信号输入图2若两个振荡器的频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间的相位互不相关，并由基带数字信号进行选通，则输出为相位离散的数字调频信号；若两个振荡器的频率由同一个振荡器提供，由载波f1进行分频得到载波f2，经基带数字信号进行选通，则输出为相位连续的数字调频信号。载波1开关1基带信号反相器载波2开关2相加器两个载波经分频电路分频而得，数字基带信号的时钟频率也来源于载频信号。这样，f1、f2、fs三个频率是相干的，所以，也可以在示波器屏幕上观察到稳定的2FSK波形。由图2可知，将从“基带输入端”输入的基带信号分成两路，一路经反相器后接至开关1的控制端，另一路直接接至开关2的控制端。载波1和载波2分别接至开关1和开关2的输入端。当基带信号为“0”时，开关1接通，开关2关闭，输出载波1；当基带信号为“1”时，开关1关闭，开关2接通，输出载波2；最后通过相加器相加即获得2FSK调制信号。本次课程设计是借助MATLAB软件，通过软件建模和实验，在MATLAB软件的平台上进行仿真实验来实现二进制数字信号的调制（以2FSK信号为例）。2．设计思路及步骤（1）实现2FSK调制的基本思路是：首先产生数字基带信号（伪随机码NRZ），再把数字基带信号变换为与信道特性相匹配的数字带通信号，即数字信号在带通信道中传输时，必须用数字系带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。一般来说，这种频带传输是借助于正弦载波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号的。（2）设计步骤：1）首先对基带波形进行采样，设置好波形的幅度、频率、抽样个数，码元数和抽样间隔等参数；2）用MATLAB软件中的所带的库函数和自定义函数来产生二进制信源，其中用到的库函数有：randn()、sign()和ones()；用到的自定义函数有扩展函数sigexpand()；3）利用MATLAB仿真软件中的subplot()和plot()函数画出输入NRZ信号的波形和输入NRZ信号的频谱图；4）产生2FSK信号，即对输入的NRZ信号进行数字调制；5）用subplot()和plot()函数画出2FSK信号的波形及其频谱图，其中用到了T2F（）函数，它是一个自定义函数，功能是信号波形实现从时域到频域的转换。其中第3）步和第5）步中画频谱图还用到库函数：以10为底的对数函数log10()和绝对值函数abs()；三．程序流程图波形采样Ts=1产生二进制信源进行数字调制产生2FSK信号画出NRZ信号波形及频谱画出2FSK信号的波形及频谱四．程序源代码1.脚本M文件，程序代码如下：clearall;A=1;%幅度fc=3;%3HZN_sample=8;N=800;%码元数Ts=1;%抽样间隔1Baud/sdt=Ts/fc/N_sample;%波形采样间隔t=0:dt:N*Ts-dt;L=length(t);%产生二进制信源d=sign(randn(1,N));d1=sigexpand((d+1)/2,fc*N_sample);gt=ones(1,fc*N_sample);%NRZ波形figure(1)subplot(2,1,1);%输入NRZ信号波形（单极性）s_nrz=conv(d1,gt);plot(t,s_nrz(1:length(t)));axis([02001.2]);ylabel('输入信号');subplot(2,1,2);%输入NRZ频谱[f,s_nrzf]=T2F(t,s_nrz(1:length(t)));plot(f,10*log10(abs(s_nrzf).^2/Ts));axis([-22-5020]);ylabel('输入信号功率谱密度（dB/HZ）');figure(2)%2FSK%s_2fsk=Acos(2*pi*fc*t+int(2*d_NRZ-10));sd_2fsk=2*s_nrz-1;s_2fsk=A*cos(2*pi*fc*t+2*pi*sd_2fsk(1:length(t)).*t);subplot(2,1,1);plot(t,s_2fsk);axis([010-1.21.2]);xlabel('t');ylabel('2FSK');subplot(2,1,2);[f,s_2fskf]=T2F(t,s_2fsk);plot(f,10*log10(abs(s_2fskf).^2/Ts));axis([-fc-4fc+4-5010]);xlabel('f');ylabel('2FSK功率谱密度（dB/HZ）');2.所用到的自定义函数如下：（1）function[out]=sigexpand(d1,M)N1=length(d1);out=zeros(M,N1);out(1,:)=d1;out=reshape(out,1,M*N1);（2）function[f,sf]=T2F(t,st)dt=t(2)-t(1);%采样间隔T=t(end);df=1/T;N2=length(st);f=-N2/2*df:df:N2/2*df-df;sff=fft(st);sf=T/N2*fftshift(sff);%将频率中心点移到零频位置五．仿真结果图六．设计结果分析1.仿真结果图分析（1）第一个仿真图为输入信号NRZ的波形，它是随机产生的单极性码。（2）从第二个仿真图可看出，它是2FSK信号的波形及频谱，在时域波形图中，波形疏密程度不同，有疏有密，密的波形代表的比较高的载波频率，疏的波形代表比较低的载波频率。（3）从2FSK信号的频谱图中可看出，其频谱与2ASK信号的频谱有点相似，它是通过2ASK信号频谱的叠加而成的。从图中可看出，相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成，其中，连续谱由两个中心位于载频f1和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和f2处；还可以根据理论分析，连续谱的形状会随着两个载频之差f1-f2的大小而变化，若│f1-f2│fs，连续谱在f0处出现单峰；若│f1-f2│fs，则出现双峰。（其中f0=（f1+f2）/2）（4）若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽近似为B_2FSK=│f2-f1│+2fs。其中fs=1/Ts为基带信号的带宽。2.性能分析衡量一个数字通信系统性能好坏的指标有很多，最主要的是有效性和可靠性。对于二进制数字调制系统而言，这些性能指标主要包苦：误码率性能、频带利用率、以及调制信号对信道的适应能力等。（1）2FSK的误码率：当用相干解调时，Pe=1/2*erfc（sqrt（r/2））；当用非相干解调时，Pe=1/2*exp（-r/2）；（其中r为信噪比）可以看出，在相同信噪比Pe情况下，2FSK系统的误码率比2PSK系统的误码率大，但比2ASK系统的误码率小，所以2FSK性能在2PSK和2ASK之间。（2）频带利用率：B_2FSK=│f2-f1│+2fs=│f2-f1│+2/Ts，从此式中可看出，2FSK信号的带宽很宽，比2PSK和2ASK都要宽，所以，2FSK信号的频带利用率最低，即2FSK的有效性最差。（3）在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值得大小作出判决，不需要认为地设置判决门限，所以2FSK对信道的变化不敏感，对信道具有很好的适应能力。非相干2FSK适用于中低速率数据传输中，特别是在衰落信道中传输数据中得到广泛的应用。七．参考文献1．《MATLAB通信仿真开发手册》国防工业出版社孙屹2．《现代通信系统分析与仿真－MATLAB通信工具箱》西安电子科技大学出版社李建新3．《通信系统仿真原理与无线应用》机械工业出版社WilliamH.Tranter著肖明波译4．教学用“通信原理”教材5.《通信系统建模与仿真》电子工业出版社韦岗季飞傅娟6.《通信原理及系统实验》电子工业出版社樊昌信宫锦文刘忠成7.《通信原理—基于Matlab的计算机仿真》北京邮电大学出版社郭文彬桑林编著庞沁华审订八．设计心得体会1．通过本次课程设计，我了解了有关二进制数字调制（2FSK）的设计原理及方法，进一步了解了些Matlab库函数，如：randn()、sign()和ones()，2FSK调制的设计方法很多，这里只用了其中一种方法进行设计仿真；2．从这次二进制数字调制课程设计中，我学会了，熟悉了更多关于MATLAB