电子科技大学计算机通信网-基于Simulink的2ASK 2FSK 2PSK的调制和解调_2fsk解调相干和非相干simulink

目录

1.        2ASK信号的调制和解调... 2

2ASK信号的发生... 2

1.1.   2ASK信号的解调... 4

1.1.1.  2ASK的相干解调（同步检测法）... 4

1.1.2.  2ASK非相干解调（包络检波法）... 5

2.        2FSK信号的调制和解调... 7

2.1.   2FSK信号的发生... 7

2.2.   2FSK信号的解调... 9

2.2.1.  2FSK信号的相干解调... 9

2.2.2.  2FSK的非相干调解... 11

3.        2PSK信号的调制和解调... 12

3.1.   2PSK信号的发生... 13

3.2.   2PSK信号的解调... 14

3.2.1.  2PSK信号的相干调解法... 14

3.3.   2PSK的“倒 ”现象... 16

1. 2ASK信号的调制和解调

ASK是振幅键控。其中载波是一定频率的正弦波，数字基带信号是二进制。载波的幅度随数字基带信号而变化，数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控，即2ASK。设发送的二进制符号序列由 0，1 序列组成，则输出的可以简单的看作是载波与数字信号相乘的结果。如下图：

 

2ASK信号的发生

信号的发生可以利用模拟相乘或者利用数字信号的01特性设置开关电路，此处我们直接利用相乘器。电路和参数如下：

 

 

各部分输出的结果经示波器显示如下，自上而下分别是载波，二进制信号和2ASK信号。

 

1. 1. 2ASK信号的解调

2ASK信号有两种基本的解调方法 ：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。我们主要采用的是相干解调的方法。

1. 1. 1. 2ASK的相干解调（同步检测法）

相干解调的原理框图如下：

 

电路和参数设置如下：

 

 

输出结果如下：

 

可见最终的波形相对于数字信号有一个延迟，观察前边的波形，我们发现是由于带通滤波器的过滤导致的。

1. 1. 1. 2ASK非相干解调（包络检波法）

由于前边已经较为详尽的介绍了带有噪声的相干解调，对于非相干的包络检波，此处笔者作为兴趣，简单的搭建电路完成仿真。

原理框图、实际电路、元件参数、输出结果如下：

 

 

 

 

可见最后的输出信号相对于最初的信号有一定的延时，经上网查阅资料发现：包络检波各个部分的输出时间波形图， 最终输出的波形在时间上相对于原基带二进制信号有一定的延时，这是硬件部分进行信号处理时无法避免的，在信号速率不大的情况下这种延时可以忽略。我们出现的误差是在可以接受范围内的。

1. 2FSK信号的调制和解调

2FSK为二进制数字频率调制（二进制频移键控），用载波的频率来传送数字信息，即用所传送的数字信息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“0”对应于载频 f1，而符号“1”对应于载频 f2（与 f1 不同的另一载频）的波形，而且 f1 与 f2 之间的改变是瞬间的。传“0”信号时，发送频率为 f1 的载波； 传“1”信号时，发送频率为 f2的载波。如图所示：

 

1. 1. 2FSK信号的发生

一般来说，2FSK信号产生有两种方法，即频率键控法和直接调频法。

频率键控法：两个分别产生正弦振荡的独立振荡器经由数字基带信号控制的电子开关后，选出的高频振荡信号就是FSK 调制信号。

直接调频法：利用数字基带信号直接控制载频振荡器的振荡频率。与键控法调频相比较，它产生的信号频率稳定性比键控法产生的信号差，且存在过渡频率。

我们采用的是直接调频法。设计电路如下：

 

如图中正弦波的标注，我们用高频的正弦波来表示高电平，用低频率来表示低电平。前者直接与数字信号相乘，后者与反相的数字信号相乘，而后将两者送入加法器输出得到调制后的信号。

在实际的演示中，为了方便的看出图像，我们选用的频率较低，在后续的实验中，我们发现让两个信号的频率差别较大的时候，更方便滤波器工作，所以我们后边选取的频率会与此处不同，实际解调过程中的数据我们在解调部分说明，此处仅作展示，不代表最终实验结果。

 

1. 1. 2FSK信号的解调
      1. 2FSK信号的相干解调

2FSK信号的解调方法有两种，一种为相干解调法，另一种叫非相干解调法也叫包络检波法。常用的是相干调解法，这也是我们采用的，其原理框图如下：

 

实际设计电路如下：

 

 

其中两个正弦信号的频率分别为100Hz和300Hz其中高频率代表信号1，低频率代表信号0。通过逻辑控制NOT来决定输出的波形分量，随后将两部分加在一起得到2FSK信号，最后我们通过AWGN信道加上噪声。

 

将2FSK信号送入两个带通滤波器，其设置如下：

 

经过带通滤波器，我们将信号的不同频率分离，便于后续单独处理。然后将过滤后的信号和原信号相乘送入低通滤波器，前后的变化如下图所示，其中左边两图是经带通滤波器后的图像，右侧是与原载波相乘后的图像。

 

而后信号分别经过两个低通滤波器，除去高频，其参数设置和结果如下图：

 

而后将经过低通滤波器的信号反相或者正向相加，特别的是做反向处理的正是原先与NOT相乘的载波，将他们送入抽样判决器，最终的输出结果如下所示：（注：最右侧的是原信号）

 

1. 1. 1. 2FSK的非相干调解

其原理框图如下所示：

 

由于前边已经详尽的介绍了相干调解法，此处的不再详细解释，仍作为兴趣简单搭建电路测试，两个载波和带通滤波器的设置与之前完全一样，两个包络检波器设置的中心频率均为2Hz，电路设计如下：

 

最终的输出结果如下所示：

 

1. 2PSK信号的调制和解调

2PSK(二进制相移键控)是相移键控的较为简单的一种形式，它用两个初相相隔为180的载波来传递二进制信息。简单来说就是用一次信号的反转来表示01的变化，如图所示：

 

1. 1. 2PSK信号的发生

信号的发生有两种方法，分别是模拟调制法和键控法，其原理图如下所示，为方便起见，我们采用的是键控法。

 

设计的信号发生电路如下所示，为了方便展示，我们采取了较低的5Hz。开关电路保证在数字信号是0的情况下输出反相的正弦信号，在数字信号是1 的时候输出正弦信号。

 

 

1. 1. 2PSK信号的解调
      1. 2PSK信号的相干调解法

2PSK信号的解调通常采用相干解调法，解调器原理如下图所示：

 

我们设计对应的电路：

 

其中伯努利二进制发生器，载波，和白噪声通道设置如下：

 

 

带通滤波器和低通滤波器的设置如下所示：

 

最后的仿真结果：

 

1. 1. 2PSK的“倒 ”现象

在实验前查阅资料时，笔者了解到2PSK在实际应用中并不常见，因其容易出现“倒 ”现象：

假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。但是，由于在2PSK的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也有可能相反，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK方式的“倒 ”现象或“反相工作”。（源自百度百科）

但是笔者在第一次仿真结束未看到这种现象，在先前的实验中，数字信号是0的情况下输出的是反相的正弦信号，将其调换成输出正相的正弦信号，发生了“倒 ”现象：

 

然后我们将相乘器的正弦信号也更换成反相的，输出恢复正常，可见要正常的恢复信号，我们想要输出正确，应确保：输出‘1’的正弦波载波和恢复信号时所使用的正弦波是完全相同的。