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MFSK类数字调制信号解调性能分析,通信论文

本站原创   发布时间:2019-03-07   [点击量:618]  


  【摘要】如今社会通信技术的发展速度可谓日新月异,计算机的出现在现代通信技术的各种媒体中占有独特的地位,计算机在当今社会的众多领域里不仅为各种信息处理设备被使用,而且它与通信向结合,使电信业务更加丰富。随着人类经济和文化的发展,人们对通信技术性能的需求也越来越迫切,从而又大大推动了通信科学的发展。文中介绍了MFSK调制解调的原理,并基于VHDL实现了MFSK调制解调电路设计,仿真结果表明设计方案是可行的。整个系统的功能在EDA技术开发平台均调试通过,具有较高的实用性和可靠性。


  【关键词】MFSK;VHDL;调制;解调


  1绪论


  1.1研究背景和意义


  MFSK---多进制数字频率调制,简称多频制,是2FSK方式的推广。它主要利用不同的载波频率来表示出各种数字信息,并被广泛的应用在数字通信系统中并起着关键性的作用,此技术被称为数字调制解调技术。随着FPGA技术的发展,数字通信技术也发生了技术的进步和发展,与FPGA相结合是数字通信系统的主要发展趋势,也体现了通信的现代化。在通信理论上,先后形成了“过滤和预测理论”、“香浓信息论”、“纠错编码理论”、“信源统计特性理论”、“调制理论”等。通信作为社会的基本设施和必要条件,引起的世界各国的广泛关注,通信的目的就是从一方向另一方传送信息,给对方以信息,但是消息的传送一般都不是直接的,它必须借助于一定形式的信号才能便于远距离快速传输和进行各种处理。


  虽然可以直接传输基带信号,但是目前大多数信道不适合传输基带信号。现有通信网的主体为传输模拟信号而设计的,基带数字信号不能直接进入这样的通信网。基带信号一般都包含有频率较低,甚至是直流的分量,很难通过有限尺寸的天线得到有效辐射,因而无法利用无线信道来直接传播。对于大量有线信道,由于线路中多半串接有电容器或并接有变压器等隔直流元件,低频或直流分量就会受到很大限制。因此,为了使基带信号能利用这些信道进行传输,必须使代表信息的原始信号经过一种变换得到另一种新信号,这种变换就是调制。实际中一般选正弦信号为基带信号,称为载波信号。代表所传信息的原始信号,使调制载波的信号。调制就是从载波的一个参量的变化来反映调制信号变化的过程。用载波幅度的变化来反映调制信号的称为振幅调制;用载波的频率、相位反映调制信号变化的调制分别成为频率调制和相位调制。而实现这些调制过程得设备成为调制器。从已调波形中恢复调制信号的过程称为解调,相应的设备成为解调器。一般讲调制器和解调器做成一个设备,可用于双向传输,称为调制解调器。


  调制的另一目的是便于线路复用。在进行多路传输时,各路数据的原始基带型号的频谱往往是相互重叠的,不能在同一线路上同时输出。经过调制后,各路信号可已搬移到频带互不重叠的频段去传输,从而避免多路传输中的相互干扰。基于这种目的,信号经调制后在传输的方式又称为频带传输。


  调制信号时模拟信号的称为模拟调制,模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制,在接受端则对载波信号的调制参量连续地估值;而数字调制则是用载波的某些离散状态来表征所传输的信息,在接受端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。二进制数字调制所用调制信号由代表“0”“1”的数字信号脉冲序列组成。因此,数字调制信号也成为键控信号。在二进制振幅调制、频率调制和相位调制分别称为振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。数字调制产生模拟信号,其载波参量的离散状态是与数字数据相对应的,这种信号适宜于在带通型的模拟信道上传输。


  频率调制是利用载波的频率变化来传输信息的,其中最简单的一种方式是多进制频移键控(MFSK)调制,它是继振幅键控信号之后出现比较早的一种调制方式。由于它的抗衰减性能优于ASK,设备又不算复杂,实现也比较容易,所以一直在很多场合,例如在中低速数据传输,尤其在有衰减的无线信道中广泛应用。多进制频移键控(MFSK)用靠近在载波的多个不同频率表示两个二进制数。MFSK信号有两种产生方法:载波调频法和频率选择法。载波调频法产生的是相位连续的MFSK信号,相位连续MFSK信号一般由一个振荡器产生,用基带信号改变振荡器的参数,使震荡频率发生变化,这时相位是连续的。频率选择法一般是相位不连续的MFSK信号,相位不连续的MFSK信号一般由四个不同频率的振荡器长生,由基带信号控制着四个频率信号的输出。由于这两个振荡器是相互独立的因此在转换或相反的过程中,不能保证相位的连续。了解了MFSK信号的基本概念后,利用Max-plusⅡ软件中的VHDL语言对MFSK频移键控系统就行调制、解调的程序设计;程序设计运行成功后,在利用VHDL语言对MFSK频移键控系统进行调制、解调的波形仿真;最后通过VHDL语言制作出MFSK频移键控系统调制、解调的电路图。


  在数字通信中,数字信号传输系统一般由两种系统组成,即为基带传输、载波传输系统。其中载波传输系统中,主要利用数字信号作为调制高频载波为频带信号的主要工具,然后利用信道传输接收端解调后获得之前的数字信号。此系统为了提高数字信号传播的有效性和快速性,一般使用三种方法,有ASK(振幅键控主要是对载波振幅的调制)、FSK(频移键控主要对载波的频率的调制)、PSK(相移键控主要是对载波相位的调制)。从这三种方法可以看出主要调制处理因素有振幅、频率和相位这3个变量。并在基带信号处理进制的基础之上,实施二进制、多进制调制。两种调制方法相比较,多进制数字调制具有比二进制K倍的传输频带压缩倍率,两者具有一样的信息传输速率。


  1.2VHDL语言简介


  Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage即为VHDL,诞生于1982年。1987年底,VHDL被IEEE代了原有的非标准的硬件描述语言和美国国防部确认为标准硬件描述语言。


  数据类型,常数和子程序等;配置用于从库中选取所需要单元来支持系统的不同设计,即对库的使用。库可由用户生成或芯片制造商提供,以便共享。


  实体作为系统的一种描述的外部端口,主要作用是进行系统的外部设计和描述外部端口的输入、输出特征;


  结构体作为系统的一种描述内部结构和行为,具体功能是进行系统的行为、流程、内部结构的描述并实现系统内部功能的外在表现。


  配置主要是一种系统的属性选项,可以代表了一种连接关系,包括层与层关系、实体与结构体间的关系,在实际应用中可以利用低层实体文件运用到高层设计时需要合适的配置说明,可以从配置库中获得所需的设计部件来完成所需的版本。


  程序包主要是系统的属性选项,属性选项中设置程序包的共享定义,属性选项中的主要内容包括设计各种的模块所需要的共享数据类型、定义的常量和常用到的子程序等。


  系统中的库是通信系统储存各个部件的主要电子位置,储存部件有编译完整的实体、结构体、多种配置和程序包,可以通过系统自动生成或系统制造商提供ASIC芯片作为相应的库,最后实现信息的共享。


  相对于其他硬件设计语言,


  1.2.1VHDL具有如下优点:


  1、可以实现复杂的、多层次的设计,以保障设计库和设计多重复的使用;


  2、与硬件独立,一个设计可用于不同的硬件结构,而且设计时不必了解过多的硬件细节;


  3、有丰富的软件支持VHDL的综合和仿真,从而能在设计阶段就能发现设计中的Bug,缩短设计时间,降低成本;


  4、有良好的可读性,容易理解。VHDL的目的是用于表达出数字系统的结构、程序行为、系统功能和系统接口。VHDL使用的语言类似于计算机语言,具有使用的各个硬件的各个特征且符合系统的功能需求。VHDL在实现过程中,具有程序化的特点,具体可以理解为将设计的工程、实体划分成外部可视部分或端口,也可以分成内部不可视部分,既涉及实体的内部功能和算法完成部分。


  VHDL语言的基本结构:一个完整的VHDL语言程序通常包括实体声明(EntityDeclaration)、结构体(ArchitectureBody)、配置(Configuration)、程序包(Package)和库(Library)五个组成部分。其中实体和结构体是不可缺少的。前4种是可分别是编译的源设计单元。库存放已编译的实体,结构体,配置和包;实体用于描述系统内部的结构和行为;包存放各设计模块都能共享的


  5、有良好的可读性,容易理解[5]。


  1.3多进制调制的特点


  在很早之前,数字通信就和电报结合起来并得到了长期的发展。1937年,英国人A.H.里夫斯提出脉码调制(PCM),从而推动了通信系统的数字化的进程。20世纪90年代,通信系统的数字化向超高速大容量长距离的方向发展,各项技术都日益成熟,如高效编码技术,语声编码已走向实用化,新的数字化智能终端将进一步发展。


  1.3.1数字通信系统


  数字通信系统是一种通信系统,主要目标是传递信息,主要使用的是数字信号。系统图如下图所示:



  1.3.2各部分功能


  (1)信源编码与译码


  信源编码的作用:


  数据压缩主要指的是利用各种方式减少码元数目,或是降低码元速率。码元速率与通信系统的传输速度和传输带宽有很大的影响关系,通过影响传输带宽来调节通信的有效性。信息源给出的是模拟语音信号时,信源编码器实现了语音信号的数字信号的转换,进而保障数字信号的传输和模拟。


  (2)信道编码与译码


  信道编码器可以有效提高数字通信系统的正确性和有效性,通过一定的编码规则对传输的信息码元实现保护成分(监督元),可以被称为“抗干扰编码”。信道译码器的接收端进行接收到的信息进行一定规则的解码,以获得最终的正确信息码,保障通信系统具有一定的抗干扰能力从而保障有效的通信。


  (3)加密与解密


  在需要实现保密通信的场合,实施加密的过程主要是扰乱被传输的通信数字序列,从而保证了所传信息的安全性和秘密性。所谓解密,主要针对的是复制接收端或发送端的密码实施的数字序列解密过程以最后获得原来的信息。


  (4)数字调制与解调


  数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到载频处,形成适合在信道中传输的频带信号。


  基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对(差分)相移键控DPSK。


  对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。


  (5)同步与数字复接


  同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。


  按照同步的功用不同,可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。


  数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号,以扩大传输容量和提高传输效率。


  1.3.3数字通信的主要特点


  (1)抗干扰能力强。


  (2)远距离传输可消除噪声积累。


  (3)采用信道编码技术可控制差错。降低误码率,提高传输的可靠性。


  (4)易于与各种数字终端接口,用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储,从而形成


  能网。


  (5)易于集成化,从而使通信设备微型化。


  (6)易于加密处理,且保密强度高。


  数字通信的缺点


  (1)占据宽的系统频带,因此数字通信的频带利用率不高。


  (2)数字通信对同步要求高,因而系统设备比较复杂。


  (3)不过,随着光纤等的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展,数字通信的这些缺点已经弱化。数字通信将占主导地位。


  1.3.4多进制数字调制


  频率件控是用数字基带信号控制载波信号的频率,即以不同频率的高频振荡来表示不同的数字基带信号。多进制数字频率调制也称为多元调频或多频制。用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号,在某一码元时间内只发送其中一个频率。


  所谓多进制数字调制,就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量,如幅度、频率或相位的过程。根据被调参量的不同,多进制数字调制可分为多进制幅度键控(MASK)、多进制频移键控(MFSK)以及多进制相移键控(MPSK或MDPSK)。也可以把载波的两个参量组合起来进行调制,如把幅度和相位组合起来得到多进制幅相键控(MAPK)或它的特殊形式多进制正交幅度调制(MQAM)等。


  由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值,因此,与二进制数字调制相比,多进制数字调制有以下几个特点:


  (1)在码元速率(传码率)相同条件下,可以提高信息速率(传信率),使系统频带利用率增大。码元速率相同时,进制数传系统的信息速率是二进制的倍。在实际应用中,通常取,k为大于1的正整数。


  (2)在信息速率相同条件下,可以降低码元速率,以提高传输的可靠性。信息速率相同时,进制的码元宽度是二进制的倍,这样可以增加每个码元的能量,并能减小码间串扰影响等。


  正是基于这些特点,使多进制数字调制方式得到了广泛的使用。不过,获得以上几点好处所付出的代价是,信号功率需求增加和实现复杂度加大。


  2方案论证


  2.1MFSK简介


  MFSK——多进制数字频率调制,简称多频制,是2FSK方式的推广。它是用不同的载波频率代表各种数字信息。在数字通信系统中,数字调制与解调技术占有非常重要的地位。随着MATLAB技术的发展,数字通信技术与MATLAB的结合体现了现代数字通信系统发展的一个趋势。文中介绍了MFSK调制解调的原理,并基于MATLAB实现MFSK调制解调的程序代码设计,仿真结果表明设计方案是可行的。


  MFSK调制原理和2FSK的基本相同。串/并变换器和逻辑电路1将一组组输入的二进制码(每K个码元为一组)对应地转换成有M()种状态的一个个多进制码。这M个状态分别对应M个不同的载波频率(f1,f2……fm)。要求载频之间的距离足够大,以便用滤波器分离不同频率的谱。当某组K位二进制码到来时,逻辑电路1的输出一方面接通某个门电路,让相应的载频发送出去,另一方面同时关闭其余所有的门电路。于是当一组二进制码元输入时,经相加器组合输出的便是一个M进制调频波形。


  多进制频移键控的解调部分由M个带通滤波器BPF、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路2组成。各带通滤波器的中心频率分别对应发送端的各个载波频率。因而,当某一已调信号到来时,在任一码元持续时间内,只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号,其它带通滤波器只有噪声通过。抽样判决器的任务是比较所有检波器输出的电压,并选出最大者作为输出,这个输出是一位与发送端载波频率相应的进制数M。逻辑电路2把这个M进制数译成K位二进制并行码,并进一步做并/串变换恢复二进制信息输出,从而完成数字信号的传输。


  2.3Matlab仿真软件


  Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。Matlab的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。Matlab具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统,Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。用户可以在Matlab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。用于实现通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,也叫Commlib,通信工具箱)是Matlab语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab环境下独立使用,也可以配合Simulink使用。另外,Matlab的图形界面功能GUI(Graphical User Interface)能为仿真系统生成一个人机交互界面,便于仿真系统的操作。因此,Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用,本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。 


  数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参量进行控制,使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。根据控制的载波参量的不同,数字调制有调幅、调相和调频三种基本形式,并可以派生出多种其他形式。由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因,基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。为了进行长途传输,必须对数字信号进行载波调制,将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。因此,大部分现代通信系统都使用数字调制技术。另外,由于数字通信具有建网灵活,容易采用数字差错控制技术和数字加密,便于集成化,并能够进入综合业务数字网(ISDN网),所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。因此,对数字通信系统的分析与研究越来越重要,数字调制作为数字通信系统的重要部分之一,对它的研究也是有必要的。通过对调制系统的仿真,我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素,从而便于改进系统,获得更佳的传输性能。 


  参考文献


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