張學(xué)敏，鐘 菲，呂曉麗

(長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長春 130012)

2FSK數(shù)字頻帶傳輸?shù)腟imulink仿真實(shí)現(xiàn)

張學(xué)敏，鐘 菲，呂曉麗

(長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長春 130012)

頻帶傳輸中的2FSK的調(diào)制和解調(diào)在數(shù)字通信中占有重要的地位。利用Simulink的通信模塊搭建2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)，仿真實(shí)現(xiàn)頻帶傳輸中的調(diào)制和解調(diào)過程。與傳統(tǒng)的代碼仿真實(shí)現(xiàn)相比，Simulink建模更能直觀、具體地描述通信的調(diào)制、解調(diào)和抽樣判決的全過程，同時(shí)，具有模塊參數(shù)修改方便、波形觀察調(diào)整靈活的優(yōu)點(diǎn)。

2FSK；Simulink；調(diào)制；解調(diào)；仿真

0 引言

數(shù)字信號(hào)的傳輸方式分為基帶傳輸和頻帶傳輸。由于數(shù)字基帶具有豐富的低頻分量，而實(shí)際中的大多數(shù)信道因具有帶通特性而不能直接傳送基帶信號(hào)，因此，為了使數(shù)字信號(hào)能在帶通信道中傳輸，必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字帶通信號(hào)控制載波，把數(shù)字基帶信號(hào)變換成數(shù)字帶通信號(hào)的過程稱為數(shù)字調(diào)制。接收端通過解調(diào)器把帶通信號(hào)還原成數(shù)字基帶的過程稱為解調(diào)。通常把包括調(diào)制和解調(diào)過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)稱為數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)。數(shù)字頻帶傳輸包括2ASK(二進(jìn)制振幅鍵控)，2FSK(二進(jìn)制頻移鍵控)和2PSK(二進(jìn)制相移鍵控)。本文僅以2FSK(Binary Frequency-Shifting Key)為例進(jìn)行頻帶傳輸?shù)腟imulink仿真。日常生活中的數(shù)字調(diào)頻廣播、數(shù)字電視、移動(dòng)電話都是2FSK的典型應(yīng)用。

1 2FSK數(shù)字頻帶傳輸?shù)墓ぷ髟?/h2>

1.1 2FSK的載波調(diào)制

頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息的。2FSK就是在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列控制下通過開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率進(jìn)行選通。鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)的原理框圖如圖1所示。

圖1 鍵控法產(chǎn)生2FSK調(diào)制信號(hào)的原理框圖

設(shè)發(fā)送“1”的載波頻率為ω1，發(fā)送“0”的載波頻率為ω2，則2FSK調(diào)制的數(shù)學(xué)描述為

式中：g(t)為代表數(shù)字基帶信號(hào)的單個(gè)矩形脈沖，脈寬(碼元寬度)為Ts。

圖2 2FSK信號(hào)的時(shí)間波形示意圖

1.2 2FSK的相干解調(diào)

待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)由載波調(diào)制并經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)輸出端后，需要將其還原出來，這就是解調(diào)。2FSK的解調(diào)方式有相干解調(diào)和非相干解調(diào)。本文以相干解調(diào)為例，相干解調(diào)的原理框圖如圖3所示。

圖3 2FSK信號(hào)相干解調(diào)原理框圖

所謂相干解調(diào)，即將已調(diào)信號(hào)e2FSK(t)分兩路送入帶通濾波器，再和載波相乘，然后送入低通濾波器

(濾出載頻ω1、ω2)，最后送入抽樣判決器，在定時(shí)脈沖的控制下，得到信源發(fā)出的基帶信號(hào)。

以上是2FSK的調(diào)制和解調(diào)原理的簡單闡述，下面以圖1和圖3為建模架構(gòu)，在Simulink環(huán)境下仿真實(shí)現(xiàn)2FSK的調(diào)制和解調(diào)。

2 2FSK數(shù)字頻帶傳輸?shù)腟imulink建模

進(jìn)入Simulink環(huán)境，在庫中選擇2FSK數(shù)字頻帶傳輸所需的模塊，搭建數(shù)字傳輸系統(tǒng)模型，如圖4所示。

圖4 2FSK數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)Simulink建模

2.1 2FSK的數(shù)字調(diào)制建模及仿真結(jié)果

圖4中，示波器Scope 1以左是對(duì)應(yīng)圖1的調(diào)制部分的建模。選通載波信號(hào)的鍵控開關(guān)由Switch模塊實(shí)現(xiàn)，原始基帶信號(hào)由Bernoulli Binary Generator(伯努利二進(jìn)制發(fā)生器)模塊產(chǎn)生，由于傳輸時(shí)信道存在噪聲，噪聲由Gaussian Noise Generator(高斯噪聲發(fā)生器)模塊產(chǎn)生，正弦載波信號(hào)選擇1 000 Hz和3 000 Hz(載波信號(hào)自己設(shè)定)。示波器Scope顯示的是1 000 Hz和3 000 Hz的載波及基帶信號(hào)，如圖5所示。Scope1顯示的是基帶信號(hào)、調(diào)制信號(hào)、噪聲及加噪后的調(diào)制信號(hào)，如圖6所示。為了便于觀察，圖5和圖6是放大橫軸后的顯示結(jié)果，以下仿真結(jié)果均對(duì)橫軸做了放大。

2.2 2FSK的數(shù)字解調(diào)建模及仿真結(jié)果

虛線以右是對(duì)應(yīng)圖3的解調(diào)部分的建模。顯見，上面兩個(gè)是帶通濾波器，下面兩個(gè)是低通濾波器。兩個(gè)帶通濾波器的上、下限截止頻率分別為800 Hz、1 200 Hz和2 800 Hz、3 200 Hz，帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置如圖7～8所示，低通濾波器的截止頻率分別設(shè)為1 200 Hz和3 200 Hz，參數(shù)設(shè)置對(duì)話框略。

圖5 載波及原始數(shù)字基帶信號(hào)

Scope2、Scope3結(jié)果如圖9～10所示。Scope2顯示的是帶噪調(diào)制信號(hào)和經(jīng)過帶通濾波器后的1 000 Hz和3 000 Hz信號(hào)。將帶有殘留噪聲的1 000 Hz和3 000Hz信號(hào)分別與原始1 000 Hz和3 000 Hz載波相乘，再送入低通濾波器后，Scope3顯示的是去噪后的1 000 Hz和3 000 Hz載波，它們攜帶著原始基帶信號(hào)信息。下面通過抽樣判決將原始基帶信號(hào)提取出來。

圖6 2FSK調(diào)制信號(hào)、噪聲信號(hào)和帶噪調(diào)制信號(hào)

圖7 選擇1 000 Hz載波信號(hào)的帶通濾波器模塊參數(shù)設(shè)置

圖8 選擇3 000 Hz載波信號(hào)的帶通濾波器模塊參數(shù)設(shè)置

圖9 帶噪的調(diào)制信號(hào)、1 000 Hz和3 000 Hz信號(hào)

圖10 去噪后的1 000 Hz和3 000 Hz載波

2.3 抽樣判決及誤碼率計(jì)算仿真結(jié)果

抽樣判決采用Relational Operator和Relay模塊實(shí)現(xiàn)。從兩個(gè)低通濾波器輸出的攜帶基帶信息的載波信號(hào)送入抽樣判決模塊，進(jìn)行數(shù)字基帶信息的提取，以獲取信源發(fā)送的原始基帶信息。圖11顯示的是原始基帶信號(hào)和解調(diào)出來的數(shù)字信息，二者的差異由誤碼率來衡量，Error Rate Calculation模塊計(jì)算誤碼率，Display模塊顯示誤碼率，圖4中Display顯示的誤碼率為0.023 33。

上述2FSK調(diào)制和解調(diào)的仿真實(shí)現(xiàn)，選擇的載波分別是1 000 Hz和3 000 Hz，也可選擇其他載波值，只要修改代表載波的模塊參數(shù)即可，簡便易行。這時(shí)，解調(diào)端的帶通和低通濾波器的截止頻率也要適當(dāng)修改，其他不變。

圖11 原始數(shù)字基帶和解調(diào)輸出的數(shù)字信息

3 結(jié)語

文中簡要介紹了2FSK數(shù)字頻帶傳輸?shù)恼{(diào)制和解調(diào)原理。在Simulink環(huán)境下搭建2FSK的通信模型并做仿真實(shí)現(xiàn)。由建模過程和仿真波形可見，使用Simulink建模搭建通信系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真，讓系統(tǒng)由“無形”變“有形”，由“不見”變“可見”。同時(shí)，模塊參數(shù)修改和波形觀察調(diào)整靈活，為通信系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供了方便。

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The Simulation of 2FSK Digital Frequency-belt Transmission with SIMULINK

ZHANG Xue-min，et al.

(SchoolofElectrical&InformationEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

The modulation and demodulation of 2FSK frequency-belt transmission is important in digital communication.This paper simulates modulation and demodulation by building 2FSK digital communicating system with SIMULINK communication modules.Comparing with traditional code implement，SIMULINK modeling is more intuitive and concrete in describing the whole process of modulation，demodulation and sampling judgment.Simultaneously，it has some merits of parameters modification convenience，waveform observation regulation flexibility.

2FSK；SIMULINK；modulation；demodulation；simulation

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.006

2016-09-02

長春工程學(xué)院青年基金項(xiàng)目(320140001)

張學(xué)敏(1971-)，女(漢)，長春，副教授 主要研究信號(hào)與信息處理。

TN911

A

1009-8984(2016)04-0021-04