2FSK數字頻帶傳輸的Simulink仿真實現

張學敏，鐘 菲，呂曉麗

(長春工程學院電氣與信息工程學院，長春 130012)

2FSK數字頻帶傳輸的Simulink仿真實現

張學敏，鐘 菲，呂曉麗

(長春工程學院電氣與信息工程學院，長春 130012)

頻帶傳輸中的2FSK的調制和解調在數字通信中占有重要的地位。利用Simulink的通信模塊搭建2FSK數字通信系統，仿真實現頻帶傳輸中的調制和解調過程。與傳統的代碼仿真實現相比，Simulink建模更能直觀、具體地描述通信的調制、解調和抽樣判決的全過程，同時，具有模塊參數修改方便、波形觀察調整靈活的優點。

2FSK；Simulink；調制；解調；仿真

0 引言

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

1 2FSK數字頻帶傳輸的工作原理

1.1 2FSK的載波調制

頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數字信息的。2FSK就是在二進制基帶矩形脈沖序列控制下通過開關電路對兩個不同的獨立頻率進行選通。鍵控法產生2FSK信號的原理框圖如圖1所示。

圖1 鍵控法產生2FSK調制信號的原理框圖

設發送“1”的載波頻率為ω1，發送“0”的載波頻率為ω2，則2FSK調制的數學描述為

式中：g(t)為代表數字基帶信號的單個矩形脈沖，脈寬(碼元寬度)為Ts。

圖2 2FSK信號的時間波形示意圖

1.2 2FSK的相干解調

待發送的二進制數字信號由載波調制并經信道傳輸到達輸出端后，需要將其還原出來，這就是解調。2FSK的解調方式有相干解調和非相干解調。本文以相干解調為例，相干解調的原理框圖如圖3所示。

圖3 2FSK信號相干解調原理框圖

所謂相干解調，即將已調信號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，在定時脈沖的控制下，得到信源發出的基帶信號。

以上是2FSK的調制和解調原理的簡單闡述，下面以圖1和圖3為建模架構，在Simulink環境下仿真實現2FSK的調制和解調。

2 2FSK數字頻帶傳輸的Simulink建模

進入Simulink環境，在庫中選擇2FSK數字頻帶傳輸所需的模塊，搭建數字傳輸系統模型，如圖4所示。

圖4 2FSK數字帶通傳輸系統Simulink建模

2.1 2FSK的數字調制建模及仿真結果

圖4中，示波器Scope 1以左是對應圖1的調制部分的建模。選通載波信號的鍵控開關由Switch模塊實現，原始基帶信號由Bernoulli Binary Generator(伯努利二進制發生器)模塊產生，由于傳輸時信道存在噪聲，噪聲由Gaussian Noise Generator(高斯噪聲發生器)模塊產生，正弦載波信號選擇1 000 Hz和3 000 Hz(載波信號自己設定)。示波器Scope顯示的是1 000 Hz和3 000 Hz的載波及基帶信號，如圖5所示。Scope1顯示的是基帶信號、調制信號、噪聲及加噪后的調制信號，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果，以下仿真結果均對橫軸做了放大。

2.2 2FSK的數字解調建模及仿真結果

虛線以右是對應圖3的解調部分的建模。顯見，上面兩個是帶通濾波器，下面兩個是低通濾波器。兩個帶通濾波器的上、下限截止頻率分別為800 Hz、1 200 Hz和2 800 Hz、3 200 Hz，帶通濾波器的參數設置如圖7～8所示，低通濾波器的截止頻率分別設為1 200 Hz和3 200 Hz，參數設置對話框略。

圖5 載波及原始數字基帶信號

Scope2、Scope3結果如圖9～10所示。Scope2顯示的是帶噪調制信號和經過帶通濾波器后的1 000 Hz和3 000 Hz信號。將帶有殘留噪聲的1 000 Hz和3 000Hz信號分別與原始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信息。下面通過抽樣判決將原始基帶信號提取出來。

圖6 2FSK調制信號、噪聲信號和帶噪調制信號

圖7 選擇1 000 Hz載波信號的帶通濾波器模塊參數設置

圖8 選擇3 000 Hz載波信號的帶通濾波器模塊參數設置

圖9 帶噪的調制信號、1 000 Hz和3 000 Hz信號

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算仿真結果

抽樣判決采用Relational Operator和Relay模塊實現。從兩個低通濾波器輸出的攜帶基帶信息的載波信號送入抽樣判決模塊，進行數字基帶信息的提取，以獲取信源發送的原始基帶信息。圖11顯示的是原始基帶信號和解調出來的數字信息，二者的差異由誤碼率來衡量，Error Rate Calculation模塊計算誤碼率，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調制和解調的仿真實現，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即可，簡便易行。這時，解調端的帶通和低通濾波器的截止頻率也要適當修改，其他不變。

圖11 原始數字基帶和解調輸出的數字信息

3 結語

文中簡要介紹了2FSK數字頻帶傳輸的調制和解調原理。在Simulink環境下搭建2FSK的通信模型并做仿真實現。由建模過程和仿真波形可見，使用Simulink建模搭建通信系統模型，實現對數字通信系統的仿真，讓系統由“無形”變“有形”，由“不見”變“可見”。同時，模塊參數修改和波形觀察調整靈活，為通信系統的分析與設計提供了方便。

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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

長春工程學院青年基金項目(320140001)

張學敏(1971-)，女(漢)，長春，副教授 主要研究信號與信息處理。

TN911

A

1009-8984(2016)04-0021-04