二進(jìn)制頻移鍵控的軟件實(shí)現(xiàn)

劉紅梅，姜曉云，劉桂枝

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山西大同 037009）

二進(jìn)制頻移鍵控的軟件實(shí)現(xiàn)

劉紅梅，姜曉云，劉桂枝

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山西大同 037009）

針對(duì)傳輸信號(hào)頻率特性與傳輸通道的頻率不一致的問題，指出采用二進(jìn)制頻移鍵控(2SFK)的調(diào)制和解調(diào)的方法實(shí)現(xiàn)頻移，主要借助于MATLAB7.0軟件設(shè)計(jì)了二進(jìn)制頻移鍵控系統(tǒng)仿真平臺(tái)，對(duì)二進(jìn)制頻移鍵控的調(diào)制、頻譜、調(diào)解等進(jìn)行了研究和計(jì)算機(jī)模擬.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法誤碼率低、抗噪聲性能優(yōu)越，適合高頻信號(hào)傳輸系統(tǒng).

頻移鍵控 調(diào)制 解調(diào)

在數(shù)據(jù)通信過程中，如果載波數(shù)字信號(hào)的頻率特性與傳輸通道的頻率特性不符合，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)能量大量損耗，信噪比降低等后果，所以在其傳輸前要通過數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制來達(dá)到頻譜的搬移.常用的數(shù)字調(diào)制的方式主要有振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK).文獻(xiàn)[1][2][3]簡(jiǎn)單研究了二進(jìn)制FSK信號(hào)調(diào)制，并未對(duì)解調(diào)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[4][5][6]主要介紹了兩種實(shí)現(xiàn)FSK數(shù)字解調(diào)方式的具體電路實(shí)現(xiàn),在軟件模擬上研究的較少.文獻(xiàn)[7]雖然在設(shè)計(jì)了數(shù)字調(diào)制信號(hào)仿真系統(tǒng)，但僅僅簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的調(diào)制的仿真.本文就是在這些文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合專業(yè)技術(shù)知識(shí)與要求(文獻(xiàn)[8][9][10])，利用MATLAB具有的強(qiáng)大功能，系統(tǒng)詳細(xì)地研究了FSK的調(diào)制、頻譜、解調(diào)等等，設(shè)計(jì)了FSK的整個(gè)仿真平臺(tái)，能很好滿足工程的需要.

1 二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制原理

二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)是通過對(duì)兩個(gè)不同載波信號(hào)進(jìn)行變換使其成為數(shù)字信號(hào)來完成信息傳輸?shù)?一般來說，其信號(hào)產(chǎn)生有兩種方法，即頻率鍵控法和直接調(diào)頻法.頻率鍵控法(也叫頻率選擇法)原理如圖1所示，兩個(gè)分別產(chǎn)生正弦振蕩的獨(dú)立振蕩器經(jīng)由數(shù)字基帶信號(hào)控制的電子開關(guān)后，選出的高頻振蕩信號(hào)就是FSK調(diào)制信號(hào).2FSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

S2FSK(t)=s1(t)c1(t)+s2(t)c2(t)=

直接調(diào)頻法是利用數(shù)字基帶信號(hào)直接控制載頻振蕩器的振蕩頻率.與鍵控法調(diào)頻相比較，它產(chǎn)生的信號(hào)頻率穩(wěn)定性比鍵控法產(chǎn)生的信號(hào)差，且存在過渡頻率，因而本文采用鍵控法實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的調(diào)制.

2 二進(jìn)制頻移鍵控解調(diào)原理

數(shù)字頻率鍵控信號(hào)常用的解調(diào)方法有非相干解調(diào)法、同步(相干)解調(diào)法和過零檢測(cè)法等.非相干解調(diào)法 (又叫包絡(luò)解調(diào)法)，其原理方框如圖2所示，兩個(gè)帶通濾波器的帶寬相同，中心頻率分別為f1和f2，輸入的FSK信號(hào)通過它們后，變成了兩路ASK信號(hào)，這兩路信號(hào)再分別經(jīng)包絡(luò)檢波器解波后得到它們的包絡(luò)s1(t)及s2(t)，最后，由抽樣判斷器比較上、下支路抽樣值的大小，或者將兩支路抽樣值差值和零進(jìn)行比較，判決后輸出的基帶數(shù)字信號(hào)就是解調(diào)后的信號(hào).

圖2 PSK非相干銀調(diào)法

相干解調(diào)方法是用同步信號(hào)通過帶通濾波器，分別與輸入信號(hào)相乘后，經(jīng)積分器積分后，由抽樣判決電路輸出所需的數(shù)字信號(hào).在實(shí)際中，考慮到非相干解調(diào)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無需恢復(fù)同步的載流等特點(diǎn)，本文選擇用非相干解調(diào)法來實(shí)現(xiàn)FSK解調(diào)的模擬.

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真的實(shí)現(xiàn)

本文是采用MATHWORTHS公司提供的MATLAB7.0來實(shí)現(xiàn)仿真.二進(jìn)制的FSK解調(diào)與檢測(cè)均通過MATLAB軟件提供的FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、誤碼率等函數(shù)來實(shí)現(xiàn).圖3所示的是2FSK調(diào)制信號(hào)，主輸入信號(hào)為10110010011010，載頻為碼元速率的2倍，我們可以看出頻移鍵控不僅帶來頻率的改變，還帶來相位的改變.而圖4顯示了2FSK的頻譜特征，主要采用調(diào)制函數(shù)fsk mod(x,M,freqsep,nsamp)來實(shí)現(xiàn)，從圖中可看出2FSK功率譜是由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成.其中，連續(xù)譜由兩個(gè)雙邊譜疊加而成，而離散譜出現(xiàn)在兩個(gè)載頻位置上，這表明2FSK信號(hào)中含有載波f1，f2的分量.2FSK的解調(diào)是使用函數(shù)fskde mod(y,M,freq-sep, nsamp)(非相干方式解調(diào)函數(shù))、awgn(x,snr,′sinpower,state)(在信號(hào)中加入白噪聲函數(shù))以及計(jì)算符號(hào)差錯(cuò)率函數(shù)symerr(x,y)等等來實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)過程為:讓二元隨機(jī)序列通過加有高斯白噪聲的信道，再由fskde mod和symerr可得解調(diào)的相關(guān)信息，本文選用8 000個(gè)數(shù)值，結(jié)果顯示，符號(hào)差錯(cuò)率為0.063 2，比特差錯(cuò)率為0.053 2.當(dāng)然我們還可以畫出仿真理論比特誤碼率和仿真比特誤碼率的比較圖.當(dāng)然，我們亦可通過MATLAB提供的Simulink功能來實(shí)現(xiàn)整個(gè) 2FSK的調(diào)制與解調(diào)過程, Simulink提供了一些按功能分類的系統(tǒng)模塊，用戶只需要用箭頭連接所選模塊就可以完成框圖系統(tǒng)仿真的全過程，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析.

圖3 2PSK波形

圖4 2PSK頻譜

3.2 仿真系統(tǒng)平臺(tái)

為了方便系統(tǒng)操作，我們運(yùn)用MATLAB提供的GUI功能設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的界面，GUI是包含圖形對(duì)象(如窗口、圖形、菜單和文本)的用戶界面，它提供了人機(jī)交互工具和方法.圖5所示的就是用該功

圖5 2PSK系統(tǒng)

能設(shè)計(jì)的系統(tǒng)仿真界面，該界面主要分為兩大部分，左側(cè)是顯示窗口，用來顯示右側(cè)各功能模塊對(duì)應(yīng)的圖表，右側(cè)主要包含調(diào)制和解調(diào)兩個(gè)功能塊，在調(diào)制模塊中，可輸入相關(guān)參數(shù)如二進(jìn)制序列、頻率等，而后通過點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕可實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的功能，解調(diào)模塊主要通過各個(gè)按扭來實(shí)現(xiàn)計(jì)算差錯(cuò)率、輸入信號(hào)與輸出信號(hào)波形比較等功能.實(shí)驗(yàn)表明，此方法具有誤碼率比較小、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔方便等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用在數(shù)字通信的仿真系統(tǒng)中.

4 結(jié)束語

隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，2FSK因其在抗噪聲與抗衰減方面的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)越來越得到人們的重視.目前，數(shù)字通信中如何在有限的帶寬資源下獲得更高的傳輸速率依然是核心問題，基于此原因本文提出了使用MATLAB7.0軟件對(duì)二進(jìn)制頻移鍵控系統(tǒng)的進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要針對(duì)2FSK的調(diào)制、頻譜、解調(diào)等的仿真問題進(jìn)行了分析和討論.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法產(chǎn)生的信號(hào)波形好，轉(zhuǎn)化速度快；具有優(yōu)良的抗噪性能，具有編程簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn).

[1]陳琦.二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制[J].中國(guó)有線電視,2006(15):1520-1521.

[2]張俊龍,陳陽舟,高俊俠.FSK信號(hào)的軟件產(chǎn)生方法[J].電力系統(tǒng)通信,2003(6):38-43.

[3]程遠(yuǎn)增,張海龍.一種軟件實(shí)現(xiàn)2FSK信號(hào)產(chǎn)生的方法[J].四川兵工學(xué)報(bào),2009(1):12-14.

[4]徐迅.一種頻移鍵控(FSK)信號(hào)的解調(diào)方法[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),1995,19(1):68-71.

[5]陳霞,朱勤專.FSK信號(hào)的非相干數(shù)字解調(diào)技術(shù)[J].電視技術(shù),2005(2):162-164.

[6]張楠,王利霞.基于DSP的載波通信模塊設(shè)計(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,25(4):29-32.

[7]丁新,高丙坤.基于MATLAB的數(shù)字調(diào)制信號(hào)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,6(1):238-239.

[8]趙靜,張瑾.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:122-156.

[9]高肅文.高頻電子線路[M].4版.北京:高等教育出版社,2004:354-471.

[10]楊成全,盧玉和,石云龍,等.電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探索和實(shí)踐[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2007, 23(8):79-84

The Software Imp lement of Binary Frequency-Shift Keying

LIU Hong-mei,JIANG xiao-yun,LIU Gui-zhi
(School of Physical Science and Electronics Science,ShanxiDatong University,Datong Shanxi,037009)

For the frequency difference in signal and signal channel,the frequency drift ismade by 2FSK modulation and demodulation,thismethod is implemented by the simulation system of binary frequency-shift keying with MATLAB7.0,Which includes the function of the Modulation,the spectrum,and the Demodulation of 2FSK.The experimental results show that themethod is lower bit error rate and superior noise immunity for high-frequency signal transmission system.

frequency-shift keying;modulate;demodulate

TP311

A

〔編輯 李?！?/p>

1674-0874(2010)04-0023-03

2010-01-23

劉紅梅(1980-)，女，山西山陰人，碩士，助教，研究方向:光電系統(tǒng).