【導(dǎo)讀】數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的發(fā)展不斷更新，如今在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)大部分都是經(jīng)過改進(jìn)的，義，因此，選擇FSK調(diào)制解調(diào)方式進(jìn)行仿真研究。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)運(yùn)用仿真軟件對(duì)FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。環(huán)節(jié)時(shí)域和頻域的波形；1月10日─3月20日：查閱資料，完成外文翻譯原文和開題報(bào)告。3月21日——4月20日：完成FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的基本仿真設(shè)計(jì)并提交中期檢查報(bào)告。4月21日——5月20日：進(jìn)一步完善FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備作品驗(yàn)收。5月21日——6月15日：撰寫、修改畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備并完成答辯。[摘要]數(shù)字調(diào)制技術(shù)是通信系統(tǒng)中最主要的一項(xiàng)技術(shù)，也是提高通信系統(tǒng)性能的重要途徑。較大，但總體性能最好，在瑞利的信道環(huán)境中最差；不同進(jìn)制下的FSK隨著進(jìn)制數(shù)的增大，其頻譜的主瓣也越來越

　　

【正文】 發(fā)送端即就是調(diào) 制解調(diào)過程中，調(diào)制后的波形經(jīng)過三種信道，其高斯信道對(duì)調(diào)制之后的波形影響最大，萊斯信道次之，瑞利信道影響比較小點(diǎn) 。在接受端沒有發(fā)生誤碼的情況。 三種信道下運(yùn)行結(jié)果頻譜顯示 任何信號(hào)都可以通過 傅立葉 變換 而分解成一個(gè) 直流分量 （也就是一個(gè) 常數(shù) ）和若干個(gè)（一般是無窮多個(gè)） 正弦 信號(hào)的和。 每個(gè)正弦分量都有自己的頻率和 幅值 ，這樣，以頻率值作橫軸，以幅值作縱軸，把上述若干個(gè)正弦信號(hào)的幅值畫在其所對(duì)應(yīng)的頻率上，就做出了信號(hào)的幅頻分布圖，也就是所謂頻譜圖。另外還有相頻分布，但其意義不大。 在頻譜分析時(shí)，把信道中高斯噪聲、瑞利噪聲和萊斯噪聲的方差值設(shè)置相同，這樣方便比較。 具體 的 二進(jìn)制頻移鍵控的頻譜圖如圖 所示。 (a) 基帶信號(hào)頻譜 (b) 經(jīng)過高斯信道恢復(fù)基帶信號(hào)的頻譜 (c) 經(jīng)過瑞利信道恢復(fù)基帶信號(hào)的頻譜 (d)經(jīng)過萊斯信道恢復(fù)基帶信號(hào)的頻譜 圖 三種信道下頻譜圖顯示 當(dāng)信道中加方差為 的高斯噪聲時(shí)，解調(diào)后恢復(fù)的基帶信號(hào)頻譜和原來的基帶信號(hào)頻譜有很小的失真。在二進(jìn)制中，三種信道下，它的頻譜不太看出有太大的變化。不過查閱大量資料之后，在相同的方差下，瑞利和萊斯比高斯信道下的失真程度大一些。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 44 頁(yè) 4FSK 調(diào)制解 調(diào)仿真 4FSK 的調(diào)制也是采用鍵控法實(shí)現(xiàn)，調(diào)制電路中的主要模塊是伯努利二進(jìn)制信號(hào)發(fā)生器、四個(gè)不同頻率的載波 f1 / f2 / f3 / f4 、三個(gè)選通開關(guān)組成的。努伯利二進(jìn)制信號(hào)發(fā)生器主要是產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制波形；四個(gè)正弦波可產(chǎn)生四個(gè)不同的頻率；前面兩個(gè)選通開關(guān)是在兩個(gè)獨(dú)立的頻率源之間轉(zhuǎn)換進(jìn)行選擇，得到的信號(hào)就是 2FSK 的調(diào)制信號(hào)，在第三個(gè)選通開關(guān)是在兩個(gè)二進(jìn)制的調(diào)制信號(hào)下進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換得到 4FSK 信號(hào) ,即就完成了調(diào)制過程 [8]。 仿真中采用相干解調(diào)法進(jìn)行 4FSK 解調(diào)，解調(diào)電路中有帶通濾波器、相乘器、低通濾波器、全波整流器、 抽樣判決器、延時(shí)單元、零階保持器、選通開關(guān)組成。 4FSK 相干解調(diào)中帶通濾波器是讓整個(gè)頻率通帶內(nèi)都能最大限度的讓信號(hào)通過，也起分路作用，而其帶阻對(duì)通過的信號(hào)有衰減和抑制作用；通過帶通濾波器的信號(hào)它們分別與相應(yīng)的同步相干載波相乘，再分別經(jīng)過低通濾波器濾掉二倍頻信號(hào)，取出含基帶數(shù)字信息的低頻信號(hào)；抽樣判決器在抽樣脈沖到來時(shí)對(duì)兩個(gè)低頻信號(hào)的抽樣值進(jìn)行比較判決，即可還原出基帶二進(jìn)制信號(hào)，再經(jīng)過后面的三個(gè)選通開關(guān)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，最終輸出基帶 4FSK 數(shù)字信號(hào)。同理而言，抽樣判決器起比較器作用，把兩路信號(hào)同時(shí)送到抽樣判決器進(jìn)行比較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號(hào)。其 4FSK 整體模塊電路圖如圖 所示 。 圖 用 Simulink 仿真平臺(tái)搭建出的 4FSK 調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)圖 4FSK 系統(tǒng)模塊參數(shù)的設(shè)置 1).信號(hào)源參數(shù)的設(shè)置 （ 1）信號(hào)源是努伯利信號(hào)發(fā)生器； （ 2）取進(jìn)制數(shù)是 4 進(jìn)制； （ 3）初始種子取值是 37； （ 4）采樣時(shí)間取值是 ； （ 5）輸出數(shù)據(jù)類型是 double. 2).載波的參數(shù)設(shè)置 （ 1）兩個(gè)載波都是兩個(gè)正弦載波； （ 2）兩個(gè)載波幅度都是 1； 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 共 44 頁(yè) （ 3）載波頻率分別 是 300*2*pi/500*2*pi/700*2*pi/900*2*pi； （ 4）采樣時(shí)間都是 1e4； （ 5）其余為默認(rèn)值。 3).選通開關(guān)參數(shù)設(shè)置 三個(gè)選通開關(guān)在四個(gè)獨(dú)立的頻率之間進(jìn)行選擇并進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，輸出的就是 4FSK 調(diào)制信號(hào)。 （ 1）閾值（ 指一個(gè)效應(yīng)能夠產(chǎn)生的最低值或最高值 ）參數(shù)設(shè)置為 ； （ 2）采樣時(shí)間是 1. 4).帶通濾波器參數(shù)設(shè)置 在解調(diào)模塊中，為了使信號(hào)分路則有四個(gè)帶通濾波器。 （ 1）中心頻率都是 Fs=10000Hz； （ 2）帶通濾波器 1：下頻帶頻率是 Fc1=280Hz,上頻帶是 Fc2=320Hz； （ 3）帶通濾波器 2：下頻帶頻率是 Fc1=480Hz,上頻帶是 Fc2=520Hz； （ 4）帶通濾波器 3：下頻帶頻率是 Fc1=680Hz,上頻帶是 Fc2=720Hz； . （ 5）帶通濾波器 4：下頻帶頻率是 Fc1=880Hz,上頻帶是 Fc2=920Hz； （ 6）采用的窗是漢明窗 . 5).低通濾波器參數(shù)設(shè)置 （ 1）中心頻率 Fs=10000Hz； （ 2）截止頻率設(shè)置 Fc=200Hz； （ 3）采用 的函數(shù)窗是漢明窗 . 6).抽樣判決器的參數(shù)設(shè)置 （ 1）采樣頻率設(shè)置為 ； （ 2）其他設(shè)置為默認(rèn)值 . 7).誤碼率計(jì)數(shù)器參數(shù)設(shè)置 （ 1）模塊延時(shí)設(shè)置為 0； （ 2）其他為默認(rèn)模式 . 8).高斯信道參數(shù)設(shè)置 （ 1）方差設(shè)置為 ； （ 2）起始種子設(shè)置為 37； （ 3）采樣時(shí)間設(shè)置是 . 9).瑞利信道參數(shù)設(shè)置 （ 1）西格瑪設(shè)置為 （設(shè)置的越小越好，因?yàn)槿鹄诺篮腿R斯信道很容易影響其性能）； （ 2）起始種子設(shè)置為 37； （ 3）采樣時(shí)間設(shè)置是 . 10).萊斯信道參數(shù)設(shè)置 （ 1）萊斯 K 因子設(shè)置是默認(rèn)值不變； （ 2）西格瑪設(shè)置為 （設(shè)置的越小越好，因?yàn)槿鹄诺篮腿R斯信道很容易影響其性能）； （ 3）起始種子設(shè)置為 37； （ 4）采樣時(shí)間設(shè)置是 . 三種信道下運(yùn)行結(jié)果波形顯示 研究四進(jìn)制波形的時(shí)候，總體它的仿真思路是和二進(jìn)制相似的。同理，在四進(jìn)制中，也是高斯信道、瑞利信道和萊斯信道三種信道，并且在三種信道下的 4FSK 調(diào)制解調(diào)信號(hào)波形圖也是有差異的。 在具體的調(diào)制模塊電路中，我在信道后加入一個(gè)示波器，方便把二進(jìn)制調(diào)制的兩個(gè)波形、四進(jìn)制調(diào)制的波形和加 噪聲的波形變化進(jìn)行觀察；在其解調(diào)模塊電路中，我也是在輸出端加入一個(gè)一個(gè)示波器，把解調(diào)出來的波形和原始基帶信號(hào)波形進(jìn)行比較。具體的觀察結(jié)果如下 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 44 頁(yè) （ 1）載波 f1；（ 2）載波 f2；（ 3）調(diào)制后波形；（ 4）經(jīng)過高斯信道后的波形 . 圖 高斯信道下調(diào)制部分波形圖 （ 1） 解調(diào)后的基帶數(shù)字信號(hào)；（ 2）原始基帶信號(hào) . 圖 高斯信道下解調(diào)后的波形圖 （ 1） 載波 f1；（ 2）載波 f2；（ 3）調(diào)制后波形；（ 4）經(jīng)過瑞利信道后的波形 . 圖 瑞利信道下調(diào)制部分波形圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 共 44 頁(yè) （ 1） 解調(diào)后的基帶數(shù)字信號(hào)； （ 2）原始基帶信號(hào) . 圖 瑞利信道下解調(diào)后的波形圖 （ 1）載波 f1；（ 2）載波 f2；（ 3）調(diào)制后波形；（ 4）經(jīng)過萊斯信道后的波形 . 圖 萊斯信道下調(diào)制部分波形圖 （ 1） 解調(diào)后的基帶數(shù)字信號(hào)；（ 2）原始基帶信號(hào) . 圖 萊斯信道下解調(diào)后的波形圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 44 頁(yè) 由以上圖可以看出：在同種進(jìn)制的三種噪聲信道下，在信號(hào)的發(fā)送端即就是調(diào)制解調(diào)過程中，調(diào)制后的波形經(jīng)過三種信道，其高斯信道對(duì)調(diào)制之后的波形影響最大，萊斯信道次之，瑞利信道影響比較小點(diǎn)。在接收端即就是解調(diào)部分都有誤碼現(xiàn)象，其最主要的原因就是各 個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)和噪聲信道所引起的誤碼或者亂碼現(xiàn)象。 三種信道下運(yùn)行結(jié)果頻譜顯示 在四進(jìn)制中，觀察的方法和二進(jìn)制是相同的。同理，頻譜分析時(shí)，把信道中高斯噪聲、瑞利噪聲萊斯噪聲的方差值設(shè)置相同，這樣方便比較。四進(jìn)制頻移鍵控的頻譜顯示圖如圖 所示。 （ a）基帶信號(hào)頻譜 (b) 經(jīng)過高斯信道恢復(fù)基帶信號(hào)的頻譜 (c) 經(jīng)過瑞利信道恢復(fù)基帶信號(hào)的頻譜 (d) 經(jīng)過萊斯信道恢復(fù)基帶信號(hào)的頻譜 圖 三種信道下頻譜圖顯示 當(dāng)信道中加方差為 的高斯噪聲時(shí)，解調(diào)后恢復(fù)的基帶信號(hào)頻譜和原來的基帶信號(hào)頻譜有很小的失真。四進(jìn)制中，由頻譜圖可看出來：在三種信道下，在相同的方差下，瑞利和萊斯比高斯信道下的失真程度大一些。且在四進(jìn)制中， 4FSK 不管是調(diào)制之前還是調(diào)制之后的頻譜比二進(jìn)制的頻譜大，換句話說就是四進(jìn)制的帶寬大于二進(jìn)制的帶寬。 8FSK 調(diào)制解調(diào)仿真 8FSK 軟件設(shè)計(jì)思路 （ 1）模塊法實(shí)現(xiàn) 8FSK 系統(tǒng)仿真 由如圖 可 以看出來，其模塊法實(shí)現(xiàn)的 8FSK 總共是由三部分組成的：調(diào)制部分、噪聲信道和解調(diào)部分。調(diào)制部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的模擬化，目的是使信號(hào)適合在信道中傳輸；解調(diào)部分模擬信號(hào)的數(shù)字化，使從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出原來的原始信號(hào)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 共 44 頁(yè) 輸入 輸出 圖 8FSK 模塊法實(shí)現(xiàn) （ 2）編程法實(shí)現(xiàn) 8FSK 系統(tǒng)仿真 在編程時(shí)，其主要有五部分的編程模塊組成，其分別是：隨機(jī)序列的產(chǎn)生、調(diào)制后的波形顯示、調(diào)制后的頻譜顯示、加噪處理、解調(diào)部分顯示 [10]。 圖 8FSK 編程法實(shí)現(xiàn) 原理框圖 實(shí)現(xiàn) 8FSK 的具體 調(diào)制解調(diào) 原理框圖如圖 所示 。其由三部分組成的，一部分是調(diào)制電路模塊，其次是信道，最后是解調(diào)電路模塊。 圖 8FSK 調(diào)制解調(diào) 原理框圖 仿真結(jié)果分析 由于在做 8FSK 的調(diào)制解調(diào)過程中，遇到了很多棘手的問題。首先，在多進(jìn)制中的調(diào)制原理框圖有串并轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)的解調(diào)有并串轉(zhuǎn)換模塊，我上網(wǎng)查找資料并翻閱了好多的參考書，都找不到相關(guān)的串并轉(zhuǎn)換 /并串轉(zhuǎn)換的理想具體實(shí)現(xiàn)方法。其次，在 4FSK 中，我采用三個(gè)鍵控實(shí)現(xiàn)其串并 /并串轉(zhuǎn)換，但在 8FSK 中采用其思想和方法時(shí)，發(fā)現(xiàn)它根本就行不通，不是因?yàn)殒I控的設(shè)置問題就是哪個(gè)模塊參數(shù)的 設(shè)置問題。最終，自己用模塊實(shí)在搭建不起來的時(shí)候，和同學(xué)商量采用編程的方法實(shí)現(xiàn)其功能，當(dāng)中也發(fā)現(xiàn)程序比模塊實(shí)現(xiàn)的更完美。 其具體的編程實(shí)現(xiàn)的 8FSK 信號(hào)程序見附件 [12]。 （ 1） 隨機(jī)序列的產(chǎn)生 采用 MATLAB 內(nèi)部自帶函數(shù)隨機(jī) rand 產(chǎn)生固定長(zhǎng)度的二進(jìn)制隨機(jī)序列 x， stem 是將二進(jìn)制隨機(jī)序列轉(zhuǎn)換成棍狀的信號(hào)，每個(gè)載頻之間的間隔是 1f?d ，最后得到二進(jìn)制基帶數(shù)字信號(hào)。其產(chǎn)生的隨機(jī)序列如圖 所示 。 串/并變換 邏 輯 電 路 f4 f3f1 f2 f12 f5 f6 門電路 門電路 門電路 門電路 門電路 門電路 相 加 器 信 道 接受濾波器 帶通 6 帶通 5 帶通 4 帶通 2 帶通 1 帶通 3 包絡(luò)檢波器 包絡(luò)檢波器 包絡(luò)檢波器 包絡(luò)檢波器 包絡(luò)檢波器 包絡(luò)檢波器 抽樣判決器 邏輯電路 調(diào)制模塊 噪聲信道 解調(diào)模塊 隨機(jī)序列的產(chǎn)生 調(diào)制后波形顯示 調(diào)制后頻譜顯示 加噪處理 解調(diào)部分顯示 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 隨機(jī)序列 （ 2）調(diào)制后的波形顯示 在調(diào)制過程中，調(diào)用 MATLAB 中固有的函數(shù) dmod 來產(chǎn)生上面的隨機(jī)序列的調(diào)制函數(shù) y，調(diào)制的點(diǎn)數(shù)即是二進(jìn)制隨機(jī)碼數(shù)與系統(tǒng)采樣頻率的乘積，取其縱軸的范圍是 [4 4]。 其調(diào)制后的波形顯示如圖 所示 。 (a) 密集時(shí)的調(diào)制波形 (b) 疏散時(shí)的調(diào)制波形 圖 調(diào)制后的波形 （ 3）調(diào)制后的頻譜顯示 在調(diào)制的頻譜顯示中，設(shè)置調(diào)制后的波形長(zhǎng)度是 L,調(diào)用 MATLAB 中固有的函數(shù) FFT 來產(chǎn)生上面頻譜，并繪畫出單邊帶幅度的頻譜圖。其調(diào)制后的頻譜如圖 所示 。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 共 44 頁(yè)