2dpsk課程設計--二進制數字頻帶傳輸系統(tǒng)設計

1、<p>　　二進制數字頻帶傳輸系統(tǒng)設計——2DPSK系統(tǒng)</p><p><b>　　1 技術指標</b></p><p>　　設計一個2DPSK數字調制系統(tǒng)，要求：</p><p>　?。?）設計出規(guī)定的數字通信系統(tǒng)的結構； </p><p>　　（2）根據通信原理，設計出各個模塊的參數（例如碼速率，濾波器的

2、截止頻率等）； </p><p>　?。?）用Matlab或SystemView 實現該數字通信系統(tǒng)； </p><p>　?。?）觀察仿真并進行波形分析； </p><p>　?。?）系統(tǒng)的性能評價。</p><p><b>　　2 基本原理</b></p><p>　　2.1 2DPSK信號基

3、本原理</p><p>　　在二進制數字調制中，當正弦載波的相位隨二進制數字基帶信號離散變化時，產生二進制移相鍵控(2PSK)信號。因為在調制過程中，2PSK調制及解調過程中容易出反向工作問題，即倒π現象，影響2PSK 信號長距離傳輸。</p><p>　　2DPSK不同于2PSK的基本原理，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。假設

4、相對載波相位值用相位偏移△Φ表示，并規(guī)定數字信息序列與△Φ之間的關系為 </p><p>　　進制差分相移鍵控常簡稱為二相相對調相，記作2DPSK。它不是利用載波相位的絕對數值傳送數字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。 </p><p>　　假設前后相鄰碼元的載波相位差為△Φ，可定義一種數字信息與△Φ之間的關系為</p

5、><p>　　△Φ= 0,表示數字信息“0”</p><p>　　π,表示數字信息“1”</p><p>　　則一組二進制數字信息與其對應的2DPSK信號的載波相位關系如下所示:</p><p>　　二進制數字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0</p><p>　　2DPSK信號相

6、位： 0π 0 0 πππ 0 π 0 0 </p><p>　　或 π0 ππ 0 0 0 π 0 π π </p><p>　　數字信息與△Φ之間的關系也可以定義為</p><p>　　 △Φ= 0, 表示數字信息“1”</p><p&g

7、t;　　 π, 表示數字信息“0”</p><p>　　圖1 2DPSK信號原理圖</p><p>　　2.2 2DPSK調制原理</p><p>　　2DPSK信號一般有兩種調制方法，即模擬調制法與鍵控法。</p><p>　　2DPSK 模擬調制法框圖如圖，原始信號經過碼型變換后由

8、絕對嗎變換為相對碼。然后與載波相乘進行絕對移相。</p><p>　　圖2 模擬調制方框圖</p><p>　　2DPSK鍵控調制法是先將原始信號經過碼型變換后由絕對嗎變換為相對碼。然后通過鍵控的方法使鍵控器在輸入不同電平時輸出初始相位不同的正弦波或者余弦波。2DPSK鍵控調制法框圖如下。</p><p>　　圖3 鍵控調制方框圖</p><p&

9、gt;　　2.3 2DPSK解調原理</p><p>　　2DPSK信號一般有兩種解調方法，即同步檢測法和差分相干解調法。</p><p>　　2DPSK同步檢測法的原理是2DPSK信號先經過帶通濾波器，去除調制信號頻帶以外的在信道中混入的噪聲，再與本地載波相乘，去掉調制信號中的載波成分，再經過低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號的低頻信號，將其送入抽樣判決器中進行抽樣判決得到基帶信號

10、的差分碼，再經過逆差分器，就得到了基帶信號。它的原理框圖如圖</p><p>　　圖4 極性解調方框圖</p><p>　　2DPSK差分相干解調的原理是信號先經過帶通濾波器，去除調制信號頻帶以外的在信道中混入的噪聲，此后該信號分為兩路，一路延時一個碼元的時間后與另一路的信號相乘，再經過低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號的低頻信號，將其送入抽樣判決器中進行抽樣判決，抽樣判決器的輸出

11、即為原基帶信號。它的原理框圖如圖</p><p>　　圖5 差分相干解調方框圖</p><p><b>　　3 建立模型描述 </b></p><p>　　3.1差分變換和逆差分變換模型</p><p>　　差分變換模型的功能是將輸入的基帶信號變?yōu)樗牟罘执a。用到的模塊有延時器和異或門。由于求差分碼的過程就是將基帶信號

12、與差分碼前一個碼元求異或，所以異或門的輸出經單位延時后與基帶信號分別接到異或門的兩個輸入端，異或門的輸出就是基帶信號的差分碼。逆差分變換就是將差分碼延遲一個碼元寬度后與原碼相乘就得到了絕對碼。</p><p>　　圖 6 差分變換與逆差分變換原理圖</p><p>　　3.2 調制與解調模型</p><p>　　2DPSK的調制主要有模擬調制和鍵控調制。模擬調制既

13、是將需要被調制的基帶波形與載波相乘，一般基帶信號碼元寬度應為載波周期的整數倍，經過調制后不同碼元對應著初始相位不同的載波。鍵控調制是用基帶信號作為控制信號，使得當基帶信號不同時，輸入的載波的初始相位不同，最后與模擬調制達到相同的效果，即經過調制后不同碼元對應著初始相位不同的載波。</p><p>　　2DPSK的解調主要有同步解調與差分相干解調。同步解調既是將通過帶通濾波器之后的信號與本地載波相乘去掉載波成分，然

14、后再進行其他的工作步驟。差分相干解調是將經過帶通濾波器之后的信號延遲一個碼元周期之后再與其本身相乘，在去除載波成分的同時也完成了逆差分變換的功能。</p><p>　　3.3帶通濾波器和低通濾波器的模型</p><p>　　帶通濾波器的作用是將（fl，fh）頻率范圍外噪聲衰減到極低水平，fl為低通截止頻率，fh為高通截止頻率。低通濾波器模型的作用是將（0，fs）頻率范圍外的成分衰減到極低水

15、平，fs為截止頻率。</p><p>　　3.4 抽樣判決器模型</p><p>　　抽樣判決器的功能是根據位同步信號和設置的判決電平來還原基帶信號。</p><p>　　4模型組成模塊功能描述</p><p>　　4.1 使用system view 各圖符功能介紹</p><p>　?。涸蓟鶐盘柈a生器，產生一個按

16、設定速率，由不同電平幅度脈沖組成的偽隨機數列（PN）信號。</p><p>　?。赫也ㄐ盘柊l(fā)生器，在調制部分作為載波輸入。</p><p>　?。貉訒r器，使原信號產生一個碼元的延遲。</p><p>　?。撼朔ㄆ?。完成基帶信號和載波信號的乘法運算以及延時信號與原信號相乘。</p><p>　?。杭臃ㄆ鳌Ｍ瓿?ASK信號和噪聲的加法運算。&l

17、t;/p><p>　?。簬V波器。主要功能是濾除雜波，使頻率在最高和最低截止頻率之間的信號通過。</p><p>　?。旱屯V波器。濾除和原始載波相乘后信號的高頻成分，保留低頻信號。</p><p>　?。撼闃优袥Q器。主要作用是對經過低通后的信號進行抽樣判決，高于門限電壓的判為1，低于門限電壓的判為0，從而還原原始基帶信號。</p><p>&

18、lt;b>　?。寒惢蜷T電路。</b></p><p>　　：單刀雙擲開關。在本設計中，主要實現2DPSK信號的調制。</p><p><b>　　：反向器。</b></p><p>　?。夯拘盘柦邮掌?。該接收器平時無顯示，必須進入系統(tǒng)分析窗口才能觀察和分析輸出結果。</p><p>　?。簲祿斜?，生

19、成并在系統(tǒng)窗口顯示接收到的數據表。</p><p>　　：SystemView標準觀察窗口，可在系統(tǒng)運行結束后于系統(tǒng)窗口中顯示輸出波形。</p><p>　　4.2 模塊功能描述</p><p>　　4.2.1 各種組成系統(tǒng)圖</p><p>　　模擬調制與差分相干解調組合系統(tǒng)</p><p>　　圖7模擬調制差分相干

20、解調系統(tǒng)圖</p><p>　　鍵控調制與極性解調組合系統(tǒng)</p><p>　　圖8 鍵控調制與極性解調系統(tǒng)圖</p><p>　　圖9 模擬調制與極性解調系統(tǒng)圖</p><p>　　圖10 鍵控調制差分相干解調系統(tǒng)圖</p><p>　　4.2.2 各模塊功能描述</p><p>　　如前圖，

21、由2DPSK兩種解調方法與調制方法可以組成四種基帶傳輸系統(tǒng)，由于上述四種系統(tǒng)中所使用的各功能模塊有重復，所以只就模擬調制與差分相干解調系統(tǒng)和鍵控調制與極性解調系統(tǒng)為例來做各模塊功能的描述。</p><p>　　4.2.2.1模擬調制與差分相干解調系統(tǒng)</p><p><b>　　信號源模塊</b></p><p><b>　　圖11信

22、號源模塊</b></p><p>　　該模塊通過一個信號源圖符產生頻率為10赫茲的原始雙極性非歸零信號，也就是我們所說的絕對碼。</p><p><b>　　差分變換模塊</b></p><p>　　圖12 差分變換模塊</p><p>　　該模塊通過一個異或圖符與一個延遲圖符來實現對原始信號的差分變換。延遲

23、圖符的延遲時間設置為0.1s,異或圖符的門限電壓設置為0.5V，正確輸出設置為1V，錯誤輸出設置為-1V。</p><p><b>　　模擬調制模塊</b></p><p>　　圖13 模擬調制模塊</p><p>　　該模塊通過一個相乘圖符和一個正弦信號圖符來實現對相對碼的絕對相移，即對相對碼進行2PSK調制。正弦信號頻率設置為10赫茲。&l

24、t;/p><p><b>　　加噪信道模塊</b></p><p>　　圖14 加噪信道模塊</p><p>　　該模塊由一個高斯噪聲信號圖符和一個加法圖符以及一個帶通濾波圖符組成。該模塊用來模擬一個有高斯噪聲信道，帶通濾波器用來濾除有用信號頻帶以外的噪聲，其低通截止頻率設置為1赫茲，高通截止頻率設置為20赫茲，而且高斯噪聲信號圖符輸入的噪聲功率可

25、以更改。</p><p><b>　　差分相干解調模塊</b></p><p>　　圖15 差分相干解調模塊</p><p>　　該模塊由一個相乘圖符和一個延遲圖符組成，通過將信號延遲一個碼元周期之后與原信號相乘實現差分相干解調。該延遲圖符的延遲時間設置為0.1s。</p><p><b>　　抽判模塊<

26、/b></p><p><b>　　圖16 抽判模塊</b></p><p>　　該模塊由一個低通濾波器圖符和一個抽判圖符組成。通過該模塊濾除高頻率成分并通過抽判來還原原始絕對碼。低通濾波器的截止頻率設置為8赫茲，抽判器門限電壓設置為0V，錯誤輸出設置為0V,正確輸出設置為2V。</p><p>　　4.2.2.2鍵控調制與極性解調系統(tǒng)&

27、lt;/p><p>　　此系統(tǒng)的信號源模塊和差分變換模塊以及加噪信道模塊與模擬調制與差分相干解調系統(tǒng)的各對應模塊組成成分相同。但是參數設置并不一樣，信號源模塊頻率為100赫茲；差分變換模塊中延遲圖符延遲時間為0.01s，異或圖符門限電壓設置為0.2V，錯誤輸出為0V，正確輸出為1V；加噪信道模塊中帶通濾波器高通截止頻率為150赫茲，低通截止頻率為250赫茲。下面介紹其他不同模塊的組成以及參數設置。</p>

28、<p><b>　　鍵控調制模塊</b></p><p>　　圖17 鍵控調制模塊</p><p>　　該模塊由一個正弦信號圖符和一個反相圖符以及一個單刀雙擲開關圖符組成。該模塊的作用是用相對碼作為控制信號，使得當相對碼不同時，選擇不同的輸入，既使輸入的載波的初始相位不同，最后與模擬調制達到相同的效果，即經過調制后不同碼元對應著初始相位不同的載波。正弦信

29、號的頻率設置為200赫茲。</p><p><b>　　極性解調模塊</b></p><p>　　圖18 極性解調模塊</p><p>　　該模塊由一正弦信號圖符和一個相乘器圖符組成。輸入信號與本地載波相乘后去除載波成分。正弦信號頻率設置為200赫茲。</p><p><b>　　抽判模塊</b>&

30、lt;/p><p><b>　　圖19 抽判模塊</b></p><p>　　該模塊由兩個低通濾波器圖符以及兩個抽判圖符和一個逆差分變換圖符組成。具體功能是先還原相對碼，然后經過逆差分變換變?yōu)榻^對碼。由于此時的絕對碼型不夠完善，再用一次低通將頻率較高成分去掉。兩低通濾波器截止頻率設置為50赫茲。延遲器延遲時間設置為0.01s。</p><p>&l

31、t;b>　　5 調試過程及結論</b></p><p>　　5.1 模擬調制與差分相干解調系統(tǒng)</p><p>　　噪聲較小時信號源發(fā)出波形</p><p><b>　　圖20 信號源波形</b></p><p>　　此波是一頻率為10赫茲的雙極性非歸零信號</p><p>&l

32、t;b>　　逆差分變換后波形</b></p><p>　　圖21 差分變換后波形</p><p>　　經過差分變換后變?yōu)樵a的相對碼。</p><p><b>　　與載波相乘后波形</b></p><p><b>　　圖22 調制后波形</b></p><p&g

33、t;　　經過信道并經過帶通濾波器后波形</p><p>　　圖23 經過帶通后波形</p><p><b>　　差分相干解調后波形</b></p><p>　　圖24 差分解調后波形</p><p>　　經過低通濾波器后波形</p><p><b>　　圖25 低通后波形</b&g

34、t;</p><p><b>　　抽判后波形</b></p><p><b>　　圖26 抽判后波形</b></p><p>　　觀察此波并與信號源發(fā)出波形作比較，發(fā)現經過抽判后得到的波形與信號源發(fā)出的波形基本一致，但是有一定時間的延遲。</p><p><b>　　噪聲較小時眼圖<

35、/b></p><p><b>　　圖27 眼圖</b></p><p>　　觀察眼圖可見當噪聲較小時眼睛睜開較大。</p><p>　　噪聲較大時的輸入信號波形</p><p>　　圖28 信號源輸入波形</p><p><b>　　最后解調得到波形</b></

36、p><p><b>　　圖29 解調后波形</b></p><p>　　由上圖可見經過解調并沒有完全還原信號源發(fā)出的波形，可見信道中的噪聲對信號傳輸質量有影響。</p><p><b>　　噪聲較大時的眼圖</b></p><p><b>　　圖30 眼圖</b></p>

37、;<p>　　當噪聲較大時，眼圖眼睛睜開較小，也驗證了強噪聲對信號傳輸質量有影響。</p><p>　　5.2 鍵控調制與極性解調系統(tǒng)</p><p>　　噪聲較小時信號源輸入波形</p><p>　　圖31 信號源輸入波形</p><p><b>　　經過差分變換后波形</b></p>&l

38、t;p>　　圖32 差分變換后波形</p><p><b>　　經過鍵控調制后波形</b></p><p>　　圖33 鍵控調制后波形</p><p>　　與本地載波相乘后波形</p><p>　　圖34 與載波相乘后波形</p><p>　　第一次經過低通濾波器后波形</p>

39、<p>　　圖35 一次低通后波形</p><p><b>　　第一次抽判后波形</b></p><p>　　圖36 一次抽判后波形</p><p>　　經過逆差分變換后波形</p><p>　　圖37 逆差分變換后波形</p><p><b>　　最后接收到的波形</

40、b></p><p>　　圖38 最后接收波形</p><p>　　將此圖與信號源發(fā)出信號波形作比較，發(fā)現經過解調后能夠基本再現原來波形，但是有一定時間延遲。</p><p>　　高斯噪聲較小時的眼圖</p><p><b>　　圖39 眼圖</b></p><p>　　此時眼睛睜開幅度較

41、大。</p><p>　　當加入信道中的高斯噪聲較大時信源輸出波形</p><p>　　圖40 信源發(fā)出波形</p><p><b>　　最后接收到的波形</b></p><p><b>　　圖41 接收波形</b></p><p><b>　　噪聲較大時的眼圖&l

42、t;/b></p><p><b>　　圖42 眼圖</b></p><p>　　由眼圖可看出此時眼睛睜開的幅度較高斯噪聲較小時的小一些，此情況正是由于噪聲加大引起的，與事實相符。</p><p>　　5.3 兩種系統(tǒng)比較與結論</p><p>　　比較模擬調制與差分相干解調系統(tǒng)鍵控調制與極性解調系統(tǒng)的調試過程，發(fā)

43、現兩種系統(tǒng)都能較好的完成2DPSK的基帶傳輸，但是兩者都有一定時間的延遲。模擬調制以及鍵控調制兩種調制方法都是通過對數字進行絕對相移來達到調至目的，雖然所需器件不同，但本質上是一樣的。兩種解調方法有一定的區(qū)別，極性解調是先將相對碼進行相干解調進行還原，然后在進行逆差分變換得到絕對碼。差分相干解調是將相對碼延遲一個碼元周期之后與自己相乘然后經過低通濾波器得到絕對碼，即完成解調的功能。用差分相干解調不需要本地載波，也不需要逆差分變換，所以其

44、用的器件少，能夠節(jié)約成本，是一種實用的方法。由于2DPSK的基帶傳輸系統(tǒng)在抗噪聲性能及信道頻帶利用率方面等方面二進制FSK及OOK的優(yōu)越，所以其在實際中應用較廣泛。</p><p><b>　　6 心得體會</b></p><p>　　本次課程設計允許使用三種方法完成，即Matlab編程實現，Matlab中的Simulink模塊實現以及System View軟件實現。

45、由于對Matlab不是很熟悉，所以最后選擇用System View軟件來完成課程設計。</p><p>　　在選擇2DPSK基帶傳輸系統(tǒng)的實現方法時，主要依據課本上提供的方法來設計。課本中的調制方法主要有模擬調制法和鍵控調制法，解調方法主要有極性解調法和差分相干解調法。由上述兩種調制方法與解調方法組合可以組成四種基帶傳輸系統(tǒng)。在網上下載一些System View軟件的教程學習之后，對軟件有了一定認識。用軟件建立系

46、統(tǒng)模型之后，運行發(fā)現通過各圖符后的波形沒有規(guī)律。信號源的波形上升沿存在一定傾斜，通過調高系統(tǒng)時鐘的采樣頻率可以改善這種情況。絕對碼經過異或圖符后并沒有完成差分變換的功能，經過調整其門限電壓及輸出電壓可以實現其功能。低通濾波器和帶通濾波器的設置均可影響到之后的其他解調步驟，通過調節(jié)它們的截止頻率可以改善最后的抽判結果。抽樣判決器的門限電壓以及輸出電壓也可以調節(jié)最后的輸出結果。噪聲對系統(tǒng)的性能也有較大影響，當系統(tǒng)信道中噪聲較小時，系統(tǒng)能較好

47、的完成調制與解調功能，當信道中噪聲增大時，對系統(tǒng)的性能有明顯影響，具體表現在最后接收信號波形與信號源波形之間差別增大，當噪聲增大到一定值時，最后接收信號波形與信號源波形基本上沒有聯系。如上所述，系統(tǒng)的每一個步驟均能夠影響到系統(tǒng)的傳輸性能，其中濾波器的頻</p><p>　　通過本次課程設計，我對2DPSK數字基帶傳輸系統(tǒng)的工作原理有了更深刻的認識，對其各組成部分的工作原理的認識不僅停留在書本上。此外通過使用Sys

48、tem View軟件實現系統(tǒng)，對此軟件也有了一定了解。</p><p><b>　　7 參考文獻</b></p><p>　　[1] 樊昌信,張甫翊,徐炳祥,吳成柯.通信原理（第5版）.國防工業(yè)大學出版社，2001</p><p>　　[2] 羅衛(wèi)兵,孫樺,張捷.SystemView動態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2