FSK调制与解调系统设计

调制信号是二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率和相位只有两种变化状态。相应的调制方式有二进制振幅键控(2ASK)，二进制频移键控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK)。2FSK就是用两种不同频率的载波来传送数字信号。特别适合应用于衰落信道，其占用频带较宽，频带利用率低，实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好，在中低速数据传输中得到了广泛的应用。随着电子计算机的普及，数据通信技术正迅速发展。数字频率调制是数据通信中常见的一种调制方式。频移键控(FsK—Frequency Shift Keying) 方法简单，易于实现，并且解调不须恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强。因此，FSK调制技术在通信行业得到了广泛地应用，并且主要适用于用于低、中速数据传输。

1.1.通信的概念

通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息（Message）。消息由模拟消息（如语

音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物资载体。相应的信号可以分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。

通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，即信息（Information）。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的高要求。

1.2.通信的发展史简介

远古时代，远距离的传递消息是以书信的形式来完成的，这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息，人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。1837年发明的莫尔斯电磁式电报标志着电通信的开始。之后，利用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年贝耳发明了电话，利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变得既速又准确，这标志着模拟通信的开始，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得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。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。 数字信号可以分为分为两类： 一类称为离散消息； 另一类称为连续消息。

离散消息的状态是可数的或离散的， 比如符号，文字或数据等。离散消息也称数字消息。而连续消息则是其状态连续变化的消息，例如，连续变化的语音，图像等。连续消息也称模拟消息。因此按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号可以将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。 数字通信有以下突出的特点：

第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。第二，当需要保密的时候，可以有效的对基带信号进行人为的“扰乱”，即加上密码。 数字通信在近20年来得到了迅速的发展，其原因是：（1）抗干扰能力强（2）便于进行各种数字信号处理（3）易于实现集成化（4）经济效益正赶上或超过模拟通信（5）传输与交换可结合起来，传输电话与传输数据也可结合起来，成为一个统一整体，有利于实现 综合业务通信网。

本设计主要研究数字通信过程中的调制解调过程。从原理上说受调载波可以是任意的， 只要已调信号适合心动的传输就可以了，但是实际上，大多数通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号简单，便于产生和接收。 2.3数字调制的发展现状和趋势

进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界不断缩小成为一个地球村.

2 方案及原理

2.1 2FSK调制解调的基本原理

频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为：

典型波形如图2.1，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成：

式中：g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为Ts；

ax是ax的反码，若ax=1，则ax=0；若ax=0，则ax=1，于是

n和n分别是第n个信号码元的初相位。在移频键控中，n和n不携带信息，通常可令和为零。

图2.1 2FSK调制解调原理波形图

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2.2 方案的比较与选择

2.2.1 2FSK调制方案的比较与选择

2FSK信号产生的方法主要有两种。一种可以采用模拟电路来实现（即直接调频法）；另一种可以采用键控法来实现。

所谓直接调频法，就是用数字基带信号去控制一个振荡器的某种参数而达到改变振荡频率的目的。原理图如图2.2所示：

图2.2 直接调频法原理框图

键控法就是在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一。其原理如图2.3所示，将产生二进制FSK信号。图中，数字信号控制两个独立振荡器。门电路（即开关电路）和按数字信号的变化规律通断。若门打开，则门关闭故输出为f1，反之则输出f2。这种方法的特点是转换速度快、波形好，而且频率稳定度可以做得很高。键控法还可以借助数字电路来实现。

载波 f12FSK输出信号载波 f2二进制数据2FSK的调制原理图

图2.3 键控法原理框图

以上两种FSK信号的调制方法的差异在于：由调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。（这一类特殊的FSK，称为连续相位FSK（Continous-Phase FSK，CPFSK））而键控法产生的2FSK信号，是由电子开关在两个独立的载波之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。

我组采用键控法来产生2FSK信号，主要基于以下3个原因： 1,原理简单,可以直观表现信号的产生.

2,实现简单,所需要的模块在Sinmulink中可以直接查找 2.2.2 2FSK信号解调方案的比较与选择

数字调频信号的解调方法很多，如相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。下面就滤波+包络检波法、相干解调法、非相干解调法、过零检测法和差分检测法进行介绍。 1：滤波+包络检波法

2FSK信号的包络检波法解调框图如图2.4示，其可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同，分别为f1、f2起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应

取出它们的包络

及

，下支路对应

，经包络检测后分别

；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送

及

的

到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路抽样值分别用

表示，则抽样判决器的判决准则为：

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图2.4 滤波+包络检波法原理框图

2：相干解调法

相干解调的具体电路是同步检波器，原理框图如图2.5示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。

图2.5 相干解调法原理框图

3：非相干解调法

经过调制后的2FSK数字信号通过两个不同的数字滤波器f1、f2滤除不需要的信号，然后将这两种经过滤波的信号经过包络检波器检波，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。其原理框图如图2.6所示：

图2.6 非相干解调法原理框图

进行比较判决（判

4：过零检测法

我位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法方框图及各点波形如图2.7示。在图中，2FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的尖脉冲序列，这些尖脉冲的密集程度反映了信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点数。把这些尖脉冲变换成较宽的矩形脉冲，以增大其直流分量，该直流分量的大小和信号频率的高低成正比。然后经低通滤波器取出此直流分量，这样就完成了频率——幅度变换，从而根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。

图2.7：零检测法原理框图及各点波形图

5：差分检波法

差分检波法的原理如图2.8示，输入信号经接收滤波器滤除带外无用信号后被分成两路，一路直接送到乘法器（平衡调制器），另一路经时延τ送到乘法器，相乘后再经低通滤波器提取信号。解调的原理可作如下说明：设输入为

Acos(0)t，它与时延之波形的乘积为Acos(0)tAcos(0)(t)。

若用低通滤波器除去倍频分量，则其输出为

V(A22)COS(0)。

可见，V是角频率偏移的函数，但却不是一个简单的函数关系。现在我们

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是当地选择使cos00

则有sin0=1，故此有V(A22)sin 当02时 或 V(A22)sin 当02时 若角频偏较小；<<1，则有V(A22) 当02时 或 V(A22) 当02时

由此可见，当满足条件cos00及<<1时，输出电压V将与角频偏呈线性关系。这是鉴频特性所要求的。

差分检波法基于输入信号与延迟的信号相比较，信道上的延迟失真，将同时影响相邻信号，故不影响最终的鉴频效果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当有较严重延迟失真使，它的性能要比鉴频法优越。不过差分检波法的实现将要受条件cos00的限制。

图2.8 差分检波原理框图

6：解调方案的选择

在MATLAB中可利用的简单模块比较多,带通滤波器和低通滤波器以及抽样判决器都可以直接利用,因此选择包络检波器.原理简单,而且方便利用.

3. 实现方法

3.1仿真全图

3.11 8FSK调制与解调系统仿真全图

本次调制与解调原理很简单,是由3个2FSK组合而成,由图可以清晰看出,3个2FSK组合成为8进制信号的8种状态分别为000 001 010 011 100 101 110 111.下面介绍2FSK的基本原理:2FSK信号的调制解调原理是通过带通滤波器将2FSK信号分解为上下两路2FSK信号后分别解调，然后进行抽样判决输出信号。本实验对信号2FSK采用相干解调进行解调。对于2FSK系统的抗噪声性能，本实验采用键控法。设“1”符号对应载波频率f1，“0”符号对应载波频率f2。在原理图中采用两个带通滤波器来区分中心频率分别为f1和f2的信号。中心频率为f1的带通滤波器之允许中心频率为f1的信号频谱成分通过，滤除中心频率为f2的信号频谱成分。 接收端上下支路两个带通滤波器的输出波形中H1,H2。在H1,H2波形中在分别含有噪声n1,n2，其分别为高斯白噪声ni经过上下两个带通滤波器的输出噪声——窄带高斯噪声，其均值同为0，方差同为(σn)2,只是中心频率不同而已。 其抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限。判决规制应与调制规制相呼应，调制时若规定“1”符号对应载波频率f1，则接收时上支路的抽样较大，应判为“1”，反之则判为“0”。 在（0，Ts）时间内发送“1”符号（对应ω1），则上下支路两个带通滤波器输出波形H1,H2。H1,H2分别经过相干解调（相乘—低通）后，送入抽样判决器进行判决。比较的两路输入波形分别为上支路st1=a+n1,下支路st2=n2，其中a为信号成分；n1和n2均为低通型高斯噪声，其均值为零，方差为（σn）2。当st1的抽样值st1(i)小于st2的抽样值st2(i),判决器输出“0”符号，造成将“1”判为“0”的错误。

同样的道理,在组合成为8FSK的时候,需要作出的改变是载波的频率以及滤波器的滤波频率,具体参数的改变后面有图介绍,但是本来需要3个基带信号来进行3个输入,但是本次仿真中,为了方便和快捷完成实验目的,只采用了一个基带信号源分别接入3个键控,这样实验原理没有改变,但是简化了实验步骤和实验复杂程度。同时也更加直观的表现出了实验的重点方向。

3.2 参数设置

3.2.1 基带信号的参数设置

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设置基带信号的参数的时候需要注意的是其频率不能太大或者太小,需要为后面的滤波器做铺垫。如图所示,另外所输出的信号必须是二进制的。基带信号的参数设置相对随意。

3.2.2 带通滤波器的参数设置

带通是让某一个范围的频率通过，滤除其余频率。如高通滤波器+低通滤波器可组成带通滤波器。它大体分为模拟带通滤波器和数字带通滤波器. 模拟带通滤波器一般是用电路元件(如电阻、电容、电感)来构成我们所需要的频率特性电路。模拟带通滤波器的原理是通过对电容、电阻和电感参数的配置，使得模拟滤波器对基波呈现很小的阻抗，而对谐波呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把基波信号提取出来。目前，有些有源滤波器利用模拟电路实现带通滤波器检测负载电流的基波分量，并且在实际中得到了应用。 但是，模拟带通滤波器也有一些自身的缺点。这是由于模拟滤波器的中心频率对电路元件(如电容，电阻，电感)的参数十分敏感，较难设计出合适的参数，而且电路元件的参数会随外界环境的干扰发生变化，这会导致中心频率的偏移，影响滤波结果的准确性。 数字带通滤波器就是用软件来实现上面的滤波过程，可以很好地克服模拟滤波器的缺点，数字带通滤波器的参数一旦确定，就不会发生变化，只要电网的波动频率在我们设计的范围之内，就可以比较好地提取出基波分量。

在上面也介绍到,带通滤波器的参数设置需要参考基带信号以及两个载波,

由仿真图可以看出在调制部分有6个载波,其频率都是不相同的,所以在设置参数的时候需要经过基本计算. 3.2.3 低通滤波器的参数设置

在介绍带通滤波器的时候也提到了低通滤波器,同理低通就是低的频率通过,阻高频.信号先通过相乘器然后再经过低通滤波器这就是包络检波法.同理,在设置低通滤波器的参数的时候也要通过计算才能设置.

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4仿真结果以及分析

上图是调制信号与几个单独调制信号.第三个是调制好的信号,从图中可以清晰看出来信号的疏密程度不一样,这是因为频率不同,另外也可以看出调制出的信号时同步的,所以调制部分是没有问题的.

图中,前面三个是解调信号,最后一个是基带信号,可以很清晰的看出来解调信号是同步的,而且与基带信号也是同步的,所以仿真结果没有问题,同时表示在整个仿真过程中都是没有问题的,参数设置正确,线路连接正确.结果也自然而然的正确.但是可以看出信号是有延迟的.

5课设心得：

在这次课程设计过程中，我获益匪浅。通过这个实验，让我清楚地了解和掌

握了Simulink的功能，实现了所学2FSK调制解调的仿真，对2FSK的原理更加熟悉了,而且通过这次课程设计我更加深刻理解了2FSK,利用它实现了8FSK的调制与解调,这个过程让我明白很多东西都是相互联系的,并巩固了数字调制系统的相关知识点。体会到理论和实际是有好大不同的，实践离不开理论，理论只有应用于实践才能发挥其作用。学过的东西，只有自己实际去做了才能更熟悉，才能对其本质更了解。在将理论用各种方法实现的同时，我们也在不断的搜集资料，不断的学习，获得更多的相关知识。在对MATLAB的应用中和学习别人的程序时，我体会到MATLAB的功能之强大，应用之广泛，任何一件作品都是没有最好，只有更好，但是无论通过怎样的途径，我们都能表达出理论的成果。这次课程设计为期3周,在这段时间内我翻阅了大量资料,也通过互联网了解了很多这方面的知识,通过自己对这个知识的理解完成了8FSK的调制与解调,让我受益匪浅,感触很多,因此对其产生了更大的兴趣，很有感觉。这次课程设计不止是让我学会把理论运用到实践中去,而且更让我学会了一门工具,体会到不仅会理论,也要回会利用工具。总而言之,这次课程设计让我学会了很多东西,让我很开心.

6参考书目

[1] 刘树棠译. 现代通信系统----使用Matlab. 西安: 西安交通大学出版社, 2001. [2] 李建新等编著. 现代通信系统分析与仿真----Matlab通信工具箱. 西安: 西安

电子科技大学出版社, 2001.

[3] 李贺冰等编. Simulink通信仿真教程. 北京: 国防工业出版社, 2006. [4] 龙光利等编.通信原理.北京:清华大学出版社,2012

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