二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計——2DPSK系統(tǒng)

1、目錄1 技術(shù)要求12 基本原理12.1 2DPSK簡介12.1.1 2DPSK調(diào)制原理22.1.2 2DPSK解調(diào)原理22.2 SystemView簡述33 建立模型43.1 SystemView仿真43.1.1 2DPSK調(diào)制模型43.1.2 2DPSK信道模型43.1.3 2DPSK解調(diào)模型53.1.4 2DPSK總模型53.2 Matlab編程仿真63.2.1 程序編制63.2.2 程序運行結(jié)果94 模塊功能分析114.1 信號源模塊114.2 差分器模塊114.3 調(diào)制模塊114.4 帶通濾波及低通濾波模塊124.5 判決器模塊125 調(diào)試過程及結(jié)論135.1 基本調(diào)試波形135.2

2、眼圖，功率譜密度和誤碼分析165.3 實驗結(jié)論176 心得體會187 參考文獻19二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計2DPSK系統(tǒng)1 技術(shù)要求 設(shè)計一個2DPSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，要求：（1）設(shè)計出規(guī)定的數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)； （2）根據(jù)通信原理，設(shè)計出各個模塊的參數(shù)（例如碼速率，濾波器的截止頻率等）； （3）用Matlab或SystemView 實現(xiàn)該數(shù)字通信系統(tǒng)； （4）觀察仿真并進行波形分析； （5）系統(tǒng)的性能評價。2 基本原理2.1 2DPSK簡介現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求通信距離遠、通信容量大、傳輸質(zhì)量好。作為其關(guān)鍵技術(shù)之一的調(diào)制解調(diào)技術(shù)一直是人們研究的一個重要方向。從最早的模擬調(diào)幅調(diào)頻技術(shù)的日臻完善，到現(xiàn)

3、在數(shù)字調(diào)制技術(shù)的廣泛運用，使得信息的傳輸更為有效和可靠。在二進制數(shù)字調(diào)制中，當正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化時，則產(chǎn)生二進制移相鍵控(2PSK)信號。因為在調(diào)制過程中，2PSK調(diào)制容易出反向工作問題，影響2PSK 信號長距離傳輸。為克服此缺點，并保持2PSK信號的優(yōu)點，將2PSK體制改進為二進制差分相移鍵控體制。二進制差分相移鍵控簡稱為二相相對調(diào)相，記作2DPSK。它不是利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數(shù)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。與2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不對應相同的數(shù)字信息符號，而前后碼元

4、的相對相位才唯一確定信息符號。這說明解調(diào)2DPSK信號時，并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對相位關(guān)系不破壞，則鑒別這個相位關(guān)系就可正確恢復數(shù)字信息。這就避免了2PSK方式中的“倒 ”現(xiàn)象發(fā)生。由于相對移相調(diào)制無“反問工作”問題，因此得到廣泛的應用。單從波形上看，2DPSK與2PSK是無法分辯的。這說明，一方面，只有已知移相鍵控方式是絕對的還是相對的，才能正確判定原信息；另一方面，相對移相信號可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對碼）變換成相對碼，然后再根據(jù)相對碼進行絕對移相而形成。這就為2DPSK信號的調(diào)制與解調(diào)指出了一種借助絕對移相途徑實現(xiàn)的方法。 2DPSK調(diào)制原理移相鍵控是指

5、載波的相位受數(shù)字信號的控制而改變，通常用相位0°來表示“1”，而用180°來表示“0”。二相相對移相鍵控2DPSK信號的參考相位不是未調(diào)波的相位，而是相鄰的前一位碼元的載波相位。2DPSK信號產(chǎn)生只需要在二相調(diào)制前加一套相對碼變換電路就可以實現(xiàn)，2DPSK的調(diào)制方框圖見圖1。本次仿真采用這種調(diào)制方法。圖1 2DPSK差分調(diào)制 2DPSK解調(diào)原理2DPDK信號有兩種解調(diào)方式：極性比較法和差分相干解調(diào)法。信號可以采用相干解調(diào)方式，其原理框見圖2。其調(diào)制原理是：對2DPSK信號進行相干解調(diào)，恢復出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發(fā)送的二進制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，

6、若相干載波產(chǎn)生180°相位模糊，解調(diào)出的相對碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了在載波相位模糊度的問題。圖2 相干解調(diào)原理框圖信號也可以采用差分相干解調(diào)方式（相位比較法），其原理框圖見圖3。其解調(diào)原理是：直接比較前、后碼元的相位差，從而恢復發(fā)送的二進制數(shù)字信息。由于解調(diào)的同時完成了碼反變換作用，故解調(diào)器中不需要碼反變換器。由于差分相干解調(diào)方式不需要專門的相干載波，因此是一種非相干解調(diào)方法。本次仿真采用這種解調(diào)方式。 圖3差分相干解調(diào)原理框圖2.2 SystemView簡述SystemView是美國ELANIX公司推出的，基于Window

7、s環(huán)境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(Token)去描述程序，無需與復雜的程序語言打交道，不用寫一句代碼即可完成各種系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，快速地建立和修改系統(tǒng)、訪問與調(diào)整參數(shù)，方便地加入注釋。利用SystemView，可以構(gòu)造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。用戶在進行系統(tǒng)設(shè)計時，只需從SystemView配置的圖標庫中調(diào)出有關(guān)圖標并進行參數(shù)設(shè)置，完成圖標間的連線，然后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。SystemView的庫資源十分豐富，包括含若干圖標的基本庫（M

8、ain Library）及專業(yè)庫(Optional Library)，基本庫中包括多種信號源、接收器、加法器、乘法器，各種函數(shù)運算器等；專業(yè)庫有通訊（Communication）、邏輯（Logic）、數(shù)字信號處理（DSP）、射頻/模擬（RF/Analog）等；它們特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和方案論證，尤其適合于無線電話、無繩電話、尋呼機、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星通訊等通信系統(tǒng)；并可進行各種系統(tǒng)時域和頻域分析、譜分析，及對各種邏輯電路、射頻/模擬電路（混合器、放大器、RLC電路、運放電路等）進行理論分析和失真分析。3 建立模型3.1 SystemView仿真3.1.1 2DPSK調(diào)制模型采用2D

9、PSK差分調(diào)制作為實現(xiàn)方案，仿真圖如圖4所示。圖4 2DPSK差分調(diào)制仿真圖3.1.2 2DPSK信道模型采用具有加性噪聲干擾的信道，仿真圖如圖5所示。圖5 信道仿真圖3.1.3 2DPSK解調(diào)模型 在解調(diào)2DPSK信號采用的是2DPSK差分相干解調(diào)仿真，仿真圖如圖6所示。圖6 2DPSK差分相干解調(diào)仿真3.1.4 2DPSK總模型2DPSK總模型如圖7所示，包含了調(diào)制模塊，信道模塊，解調(diào)模塊，波形顯示模塊和誤碼分析模塊。圖7 總模型仿真圖3.2 Matlab編程仿真3.2.1 程序編制為了與SystmView仿真結(jié)果相對照，也為了用更多方法來進行課程設(shè)計，綜合收索修改應用，編制了以下2DPS

10、K仿真程序。%- 2DPSK 調(diào)制與解調(diào)fs = 1000;Time_Hold_On = 0.1;Num_Unit = fs * Time_Hold_On;High_Level = ones ( 1, Num_Unit );Low_Level = zeros ( 1, Num_Unit );w = 100;A = 1;Sign_Set = 0,0,1,1,1,0,0,1%可自行調(diào)整初始輸入信號Lenth_Of_Sign = length ( Sign_Set );st = zeros ( 1, Num_Unit * Lenth_Of_Sign );sign_orign = zeros ( 1,

11、 Num_Unit * Lenth_Of_Sign );sign_result = zeros ( 1, Num_Unit * Lenth_Of_Sign );t = 0 : 1/fs : Time_Hold_On * Lenth_Of_Sign - 1/fs;%產(chǎn)生基帶信號for I = 1 : Lenth_Of_Sign if Sign_Set(I) = 1 sign_orign( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = High_Level; else sign_orign( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = Low_Le

12、vel; endend%調(diào)制部分for I = 1 : Lenth_Of_Sign if Sign_Set(I) = 1 st( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = A * cos ( 2 * pi * w * t( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit ) + ( pi / 2 ) ); else st( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = A * cos ( 2 * pi * w * t( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit ) ); endendfigureplot(

13、t, sign_orign);axis( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - (A / 2)-A, A + (A / 2) );title ( '原始信號' );gridfigureplot ( t, st );axis( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - 3*(A / 2), 3*(A / 2) );title ( '調(diào)制后的信號' );grid%相乘dt = st .* cos ( 2 * pi * w * t );figureplot ( t, dt );ax

14、is( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - 3*(A / 2), 3*(A /2) );title ( '相乘后的波形' );grid%低通濾波部分N,Wn = buttord( 2*pi*50, 2*pi*150,3,25,'s'); b,a=butter(N,Wn,'s');bz,az=impinvar(b,a,fs); dt = filter(bz,az,dt);figureplot ( t, dt );axis( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1),

15、 - 3*(A / 2), 3*(A / 2) );title ( '低通濾波后的波形' );grid%抽樣判決 逆碼變換部分for I = 1 : Lenth_Of_Sign if dt(2*I-1)*Num_Unit/2) < 0.25 sign_result( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = High_Level; else sign_result( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = Low_Level; endendfigureplot ( t, sign_result );axis( 0

16、, Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - 3*(A / 2), 3*(A / 2) );title ( '逆碼變換后的波形' );grid3.2.2 程序運行結(jié)果由于Matlab部分在本實驗中相對所占篇幅較小，故考慮集中在一起，各部分程序運行結(jié)果亦放在此處。如圖所示，圖8為基帶信號，圖9為調(diào)制后信號，圖10為相乘后波形，圖11為低通濾波后波形，圖12為解調(diào)波形。圖8基帶波形圖9調(diào)制后波形圖10相乘后波形圖11低通濾波后波形圖12解調(diào)后波形比較圖9和圖12可知，調(diào)制解調(diào)信號幾乎一致，調(diào)制解調(diào)成功。4 模塊功能分析4.1 信號源模塊System

17、View 軟件本身提供了很多產(chǎn)生二進制信號的模塊，在這次的設(shè)計中我們采用的信號源是PN Seq，它的模型圖如圖13所示，可以設(shè)置的參數(shù)是Amplitude和Rate。Token 0設(shè)置為Amplitude 1V, Rate 100Hz。圖13 信號源模塊4.2 差分器模塊由于2DPSK信號的鍵控調(diào)制法中需要用到相對碼，我們需要對信號源出來的基帶信號進行差分處理。差分器的框圖如圖14所示。Token2設(shè)置為Threshold 500e-3，Ture Output 1，F(xiàn)alse Output -1；Token 3設(shè)置為Delay Type Non-Interpolating，Delay 10e-

18、3。圖14 差分器模塊4.3 調(diào)制模塊該模塊的功能是2DPSK的調(diào)制，另有信道模塊附在此處。Token6設(shè)置為Amplitude 1V，F(xiàn)requency1e+3Hz；Token20設(shè)置為Std Deviation 10e-3V。如圖15所示。圖15調(diào)制模塊4.4 帶通濾波及低通濾波模塊差分相干解調(diào)部分中需要用到帶通濾波器和低通濾波器。圖16為帶通濾波器，圖17為低通濾波器。Token7設(shè)置為Low Cutoff 900Hz，Hi Cutoff 1100Hz，Inband Ripple 0.01HZ；Token13設(shè)置為Low Cutoff 100Hz。圖16帶通濾波器圖17低通濾波器4.5

19、判決器模塊判決器模塊有2個分模塊組成，負責抽樣判決輸出信號。如圖所示。Token15設(shè)置Select Comparison為a<=b，Ture Output為1V，F(xiàn)alse Output為0；Token16設(shè)置Amplitude為0V，Start Time為0Sec，Offset為0V。如圖18所示。圖18抽樣判決模塊5 調(diào)試過程及結(jié)論5.1 基本調(diào)試波形2DPSK系統(tǒng)在搭建好模型之后，依照前面部分調(diào)整好各個模塊的參數(shù)之后，運行程序進行仿真。調(diào)試過程中，各波形如下。信號源頻率為100Hz，波形圖如圖19下。圖19信號源經(jīng)過碼變換后，波形如圖20所示。圖20碼變換后波形經(jīng)過整個調(diào)制后，進

20、入信道的波形如圖21所示。圖21調(diào)制后波形 從信道出來后，加入了信道噪聲，進入了解調(diào)的部分。第一步是經(jīng)過帶通濾波器進行濾波。濾波后波形如圖22所示。圖22帶通后波形經(jīng)過帶通濾波器后，進入相乘器，相乘后波形如圖23所示。圖23相乘后波形然后是經(jīng)過低通濾波器，波形如圖24。圖24低通后波形經(jīng)過抽樣判決器后，輸出的解調(diào)波形如圖25所示。圖25解調(diào)后輸出波形5.2 眼圖，功率譜密度和誤碼分析眼圖可以定性反應碼間串擾的大小和噪聲的大小，眼圖還可以用來指示接收示波器的調(diào)整，以減小碼間串擾，改善系統(tǒng)性能。運行仿真-點擊分析窗口左下角“接收計算器”（根號a）-點擊“style”標簽-選“slice”組-設(shè)置“

21、start”跟“l(fā)ength”。時間切片的長度一般設(shè)置為當前采樣頻率下采樣周期的2倍，比如采樣周期為10ms，則時間切片長度設(shè)為20ms。眼圖如圖26所示。圖26眼圖功率譜密度在物理學中，信號通常是波的形式，例如電磁波、隨機振動或者聲波。當波的頻譜密度乘以一個適當?shù)南禂?shù)后將得到每單位頻率波攜帶的功率，這被稱為信號的功率譜密度。如圖27所示。圖27功率譜密度誤碼率是衡量一個數(shù)字通信系統(tǒng)性能的重要指標。碼反變換電路自身不產(chǎn)生誤碼（與噪聲無關(guān)），但其輸入相對碼有誤差時，必然會造成其輸出絕對碼與發(fā)端基帶信號失真，因而系統(tǒng)總誤碼應為2PSK 系統(tǒng)的誤碼加碼反變換的誤碼積累。目前用得最多的數(shù)字調(diào)制方式是相

22、干2DPSK。本次實驗誤碼分析圖如下。圖28誤碼分析圖5.3 實驗結(jié)論調(diào)制時，采用2DPSK差分調(diào)制。經(jīng)過信道后，加入了噪聲。解調(diào)時，通過帶通濾波，載波移位相乘，低通濾波，比較判決器，然后比較圖19和圖25，最后的信號輸出與開始的輸入信號基本相同，有一定的延時，說明設(shè)計是正確的。6 心得體會將近二周的課程設(shè)計到了尾聲，這是我大學里的第二次課程設(shè)計，又是一次將理論與實踐相結(jié)合的考驗。在本次課程設(shè)計的過程中，我學會了靈活運用所學的知識，而且還懂得怎樣使理論付之于實際。第一周是準備預答辯，雖然我們預答辯由于時間與假期沖突了，但我們還是自我要求，進行了準備。我和同學一起拿出一塊時間共同探討方案的實現(xiàn)，從網(wǎng)上查了許多相關(guān)資料，大家做好分工，節(jié)約了時間也提高了效率。整個過程讓我們提高了檢索信息的能力，也增強了合作意識。同學們各有所長，每個人都發(fā)揮了自己的特點，合作相當愉快。然后的任務是仿真通信系統(tǒng)，找到的資料實現(xiàn)的方案看起來很簡潔，但調(diào)試的過程我碰到了些許困難，許多模塊的參數(shù)不知道怎么