劉紅梅，姜曉云，劉桂枝

(山西大同大學物理與電子科學學院,山西大同 037009）

二進制頻移鍵控的軟件實現(xiàn)

劉紅梅，姜曉云，劉桂枝

(山西大同大學物理與電子科學學院,山西大同 037009）

針對傳輸信號頻率特性與傳輸通道的頻率不一致的問題，指出采用二進制頻移鍵控(2SFK)的調制和解調的方法實現(xiàn)頻移，主要借助于MATLAB7.0軟件設計了二進制頻移鍵控系統(tǒng)仿真平臺，對二進制頻移鍵控的調制、頻譜、調解等進行了研究和計算機模擬.實驗結果顯示，該方法誤碼率低、抗噪聲性能優(yōu)越，適合高頻信號傳輸系統(tǒng).

頻移鍵控 調制 解調

在數(shù)據(jù)通信過程中，如果載波數(shù)字信號的頻率特性與傳輸通道的頻率特性不符合，會產(chǎn)生信號能量大量損耗，信噪比降低等后果，所以在其傳輸前要通過數(shù)字信號對載波進行調制來達到頻譜的搬移.常用的數(shù)字調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[1][2][3]簡單研究了二進制FSK信號調制，并未對解調進行了研究，文獻[4][5][6]主要介紹了兩種實現(xiàn)FSK數(shù)字解調方式的具體電路實現(xiàn),在軟件模擬上研究的較少.文獻[7]雖然在設計了數(shù)字調制信號仿真系統(tǒng)，但僅僅簡單實現(xiàn)了數(shù)字信號的調制的仿真.本文就是在這些文獻的基礎上，并結合專業(yè)技術知識與要求(文獻[8][9][10])，利用MATLAB具有的強大功能，系統(tǒng)詳細地研究了FSK的調制、頻譜、解調等等，設計了FSK的整個仿真平臺，能很好滿足工程的需要.

1 二進制頻移鍵控調制原理

二進制頻移鍵控(2FSK)是通過對兩個不同載波信號進行變換使其成為數(shù)字信號來完成信息傳輸?shù)?一般來說，其信號產(chǎn)生有兩種方法，即頻率鍵控法和直接調頻法.頻率鍵控法(也叫頻率選擇法)原理如圖1所示，兩個分別產(chǎn)生正弦振蕩的獨立振蕩器經(jīng)由數(shù)字基帶信號控制的電子開關后，選出的高頻振蕩信號就是FSK調制信號.2FSK信號的時域表達式為：

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

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

2 二進制頻移鍵控解調原理

數(shù)字頻率鍵控信號常用的解調方法有非相干解調法、同步(相干)解調法和過零檢測法等.非相干解調法 (又叫包絡解調法)，其原理方框如圖2所示，兩個帶通濾波器的帶寬相同，中心頻率分別為f1和f2，輸入的FSK信號通過它們后，變成了兩路ASK信號，這兩路信號再分別經(jīng)包絡檢波器解波后得到它們的包絡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行比較，判決后輸出的基帶數(shù)字信號就是解調后的信號.

圖2 PSK非相干銀調法

相干解調方法是用同步信號通過帶通濾波器，分別與輸入信號相乘后，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.在實際中，考慮到非相干解調具有實現(xiàn)簡單，無需恢復同步的載流等特點，本文選擇用非相干解調法來實現(xiàn)FSK解調的模擬.

3 仿真結果及分析

3.1 仿真的實現(xiàn)

本文是采用MATHWORTHS公司提供的MATLAB7.0來實現(xiàn)仿真.二進制的FSK解調與檢測均通過MATLAB軟件提供的FSK調制、FSK解調、誤碼率等函數(shù)來實現(xiàn).圖3所示的是2FSK調制信號，主輸入信號為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，主要采用調制函數(shù)fsk mod(x,M,freqsep,nsamp)來實現(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)譜由兩個雙邊譜疊加而成，而離散譜出現(xiàn)在兩個載頻位置上，這表明2FSK信號中含有載波f1，f2的分量.2FSK的解調是使用函數(shù)fskde mod(y,M,freq-sep, nsamp)(非相干方式解調函數(shù))、awgn(x,snr,′sinpower,state)(在信號中加入白噪聲函數(shù))以及計算符號差錯率函數(shù)symerr(x,y)等等來實現(xiàn)，具體實現(xiàn)過程為:讓二元隨機序列通過加有高斯白噪聲的信道，再由fskde mod和symerr可得解調的相關信息，本文選用8 000個數(shù)值，結果顯示，符號差錯率為0.063 2，比特差錯率為0.053 2.當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.當然，我們亦可通過MATLAB提供的Simulink功能來實現(xiàn)整個 2FSK的調制與解調過程, 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，從而對系統(tǒng)進行仿真和分析.

圖3 2PSK波形

圖4 2PSK頻譜

3.2 仿真系統(tǒng)平臺

為了方便系統(tǒng)操作，我們運用MATLAB提供的GUI功能設計了整個系統(tǒng)的界面，GUI是包含圖形對象(如窗口、圖形、菜單和文本)的用戶界面，它提供了人機交互工具和方法.圖5所示的就是用該功

圖5 2PSK系統(tǒng)

能設計的系統(tǒng)仿真界面，該界面主要分為兩大部分，左側是顯示窗口，用來顯示右側各功能模塊對應的圖表，右側主要包含調制和解調兩個功能塊，在調制模塊中，可輸入相關參數(shù)如二進制序列、頻率等，而后通過點擊相應的按鈕可實現(xiàn)響應的功能，解調模塊主要通過各個按扭來實現(xiàn)計算差錯率、輸入信號與輸出信號波形比較等功能.實驗表明，此方法具有誤碼率比較小、準確、簡潔方便等特點，因而廣泛應用在數(shù)字通信的仿真系統(tǒng)中.

4 結束語

隨著數(shù)字通信技術的發(fā)展，2FSK因其在抗噪聲與抗衰減方面的優(yōu)勢，將會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軟件對二進制頻移鍵控系統(tǒng)的進行設計，主要針對2FSK的調制、頻譜、解調等的仿真問題進行了分析和討論.實驗結果表明，這種方法產(chǎn)生的信號波形好，轉化速度快；具有優(yōu)良的抗噪性能，具有編程簡單、易于實現(xiàn)等特點.

[1]陳琦.二進制數(shù)字信號的調制[J].中國有線電視,2006(15):1520-1521.

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

[3]程遠增,張海龍.一種軟件實現(xiàn)2FSK信號產(chǎn)生的方法[J].四川兵工學報,2009(1):12-14.

[4]徐迅.一種頻移鍵控(FSK)信號的解調方法[J].北方交通大學學報,1995,19(1):68-71.

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

[6]張楠,王利霞.基于DSP的載波通信模塊設計[J].山西大同大學學報:自然科學版,2009,25(4):29-32.

[7]丁新,高丙坤.基于MATLAB的數(shù)字調制信號仿真系統(tǒng)設計[J].長江大學學報:自然科學版,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.電子信息科學與技術專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探索和實踐[J].山西大同大學學報：自然科學版,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 李海〕

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).