二进制频移键控的软件实现

刘红梅，姜晓云，刘桂枝

(山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同 037009）

二进制频移键控的软件实现

刘红梅，姜晓云，刘桂枝

(山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同 037009）

针对传输信号频率特性与传输通道的频率不一致的问题，指出采用二进制频移键控(2SFK)的调制和解调的方法实现频移，主要借助于MATLAB7.0软件设计了二进制频移键控系统仿真平台，对二进制频移键控的调制、频谱、调解等进行了研究和计算机模拟.实验结果显示，该方法误码率低、抗噪声性能优越，适合高频信号传输系统.

频移键控 调制 解调

在数据通信过程中，如果载波数字信号的频率特性与传输通道的频率特性不符合，会产生信号能量大量损耗，信噪比降低等后果，所以在其传输前要通过数字信号对载波进行调制来达到频谱的搬移.常用的数字调制的方式主要有振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK).文献[1][2][3]简单研究了二进制FSK信号调制，并未对解调进行了研究，文献[4][5][6]主要介绍了两种实现FSK数字解调方式的具体电路实现,在软件模拟上研究的较少.文献[7]虽然在设计了数字调制信号仿真系统，但仅仅简单实现了数字信号的调制的仿真.本文就是在这些文献的基础上，并结合专业技术知识与要求(文献[8][9][10])，利用MATLAB具有的强大功能，系统详细地研究了FSK的调制、频谱、解调等等，设计了FSK的整个仿真平台，能很好满足工程的需要.

1 二进制频移键控调制原理

二进制频移键控(2FSK)是通过对两个不同载波信号进行变换使其成为数字信号来完成信息传输的.一般来说，其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(也叫频率选择法)原理如图1所示，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.2FSK信号的时域表达式为：

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

直接调频法是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，因而本文采用键控法实现数字信号的调制.

2 二进制频移键控解调原理

数字频率键控信号常用的解调方法有非相干解调法、同步(相干)解调法和过零检测法等.非相干解调法 (又叫包络解调法)，其原理方框如图2所示，两个带通滤波器的带宽相同，中心频率分别为f1和f2，输入的FSK信号通过它们后，变成了两路ASK信号，这两路信号再分别经包络检波器解波后得到它们的包络s1(t)及s2(t)，最后，由抽样判断器比较上、下支路抽样值的大小，或者将两支路抽样值差值和零进行比较，判决后输出的基带数字信号就是解调后的信号.

图2 PSK非相干银调法

相干解调方法是用同步信号通过带通滤波器，分别与输入信号相乘后，经积分器积分后，由抽样判决电路输出所需的数字信号.在实际中，考虑到非相干解调具有实现简单，无需恢复同步的载流等特点，本文选择用非相干解调法来实现FSK解调的模拟.

3 仿真结果及分析

3.1 仿真的实现

本文是采用MATHWORTHS公司提供的MATLAB7.0来实现仿真.二进制的FSK解调与检测均通过MATLAB软件提供的FSK调制、FSK解调、误码率等函数来实现.图3所示的是2FSK调制信号，主输入信号为10110010011010，载频为码元速率的2倍，我们可以看出频移键控不仅带来频率的改变，还带来相位的改变.而图4显示了2FSK的频谱特征，主要采用调制函数fsk mod(x,M,freqsep,nsamp)来实现，从图中可看出2FSK功率谱是由离散谱和连续谱两部分组成.其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上，这表明2FSK信号中含有载波f1，f2的分量.2FSK的解调是使用函数fskde mod(y,M,freq-sep, nsamp)(非相干方式解调函数)、awgn(x,snr,′sinpower,state)(在信号中加入白噪声函数)以及计算符号差错率函数symerr(x,y)等等来实现，具体实现过程为:让二元随机序列通过加有高斯白噪声的信道，再由fskde mod和symerr可得解调的相关信息，本文选用8 000个数值，结果显示，符号差错率为0.063 2，比特差错率为0.053 2.当然我们还可以画出仿真理论比特误码率和仿真比特误码率的比较图.当然，我们亦可通过MATLAB提供的Simulink功能来实现整个 2FSK的调制与解调过程, Simulink提供了一些按功能分类的系统模块，用户只需要用箭头连接所选模块就可以完成框图系统仿真的全过程，从而对系统进行仿真和分析.

图3 2PSK波形

图4 2PSK频谱

3.2 仿真系统平台

为了方便系统操作，我们运用MATLAB提供的GUI功能设计了整个系统的界面，GUI是包含图形对象(如窗口、图形、菜单和文本)的用户界面，它提供了人机交互工具和方法.图5所示的就是用该功

图5 2PSK系统

能设计的系统仿真界面，该界面主要分为两大部分，左侧是显示窗口，用来显示右侧各功能模块对应的图表，右侧主要包含调制和解调两个功能块，在调制模块中，可输入相关参数如二进制序列、频率等，而后通过点击相应的按钮可实现响应的功能，解调模块主要通过各个按扭来实现计算差错率、输入信号与输出信号波形比较等功能.实验表明，此方法具有误码率比较小、准确、简洁方便等特点，因而广泛应用在数字通信的仿真系统中.

4 结束语

随着数字通信技术的发展，2FSK因其在抗噪声与抗衰减方面的优势，将会越来越得到人们的重视.目前，数字通信中如何在有限的带宽资源下获得更高的传输速率依然是核心问题，基于此原因本文提出了使用MATLAB7.0软件对二进制频移键控系统的进行设计，主要针对2FSK的调制、频谱、解调等的仿真问题进行了分析和讨论.实验结果表明，这种方法产生的信号波形好，转化速度快；具有优良的抗噪性能，具有编程简单、易于实现等特点.

[1]陈琦.二进制数字信号的调制[J].中国有线电视,2006(15):1520-1521.

[2]张俊龙,陈阳舟,高俊侠.FSK信号的软件产生方法[J].电力系统通信,2003(6):38-43.

[3]程远增,张海龙.一种软件实现2FSK信号产生的方法[J].四川兵工学报,2009(1):12-14.

[4]徐迅.一种频移键控(FSK)信号的解调方法[J].北方交通大学学报,1995,19(1):68-71.

[5]陈霞,朱勤专.FSK信号的非相干数字解调技术[J].电视技术,2005(2):162-164.

[6]张楠,王利霞.基于DSP的载波通信模块设计[J].山西大同大学学报:自然科学版,2009,25(4):29-32.

[7]丁新,高丙坤.基于MATLAB的数字调制信号仿真系统设计[J].长江大学学报:自然科学版,2009,6(1):238-239.

[8]赵静,张瑾.基于MATLAB的通信系统仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:122-156.

[9]高肃文.高频电子线路[M].4版.北京:高等教育出版社,2004:354-471.

[10]杨成全,卢玉和,石云龙,等.电子信息科学与技术专业人才培养模式的探索和实践[J].山西大同大学学报：自然科学版,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

〔编辑 李海〕

1674-0874(2010)04-0023-03

2010-01-23

刘红梅(1980-)，女，山西山阴人，硕士，助教，研究方向:光电系统.