2dpsk課程設(shè)計-二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計

2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計PAGEPAGE1二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計——2DPSK系統(tǒng)1技術(shù)指標設(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2.12DPSK信號基本原理在二進制數(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，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)制及解調(diào)過程中容易出反向工作問題，即倒π現(xiàn)象，影響2PSK信號長距離傳輸。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(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。假設(shè)相對載波相位值用相位偏移△Φ表示，并規(guī)定數(shù)字信息序列與△Φ之間的關(guān)系為進制差分相移鍵控常簡稱為二相相對調(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。假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為△Φ，可定義一種數(shù)字信息與△Φ之間的關(guān)系為2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第1頁?！鳓?0,表示數(shù)字信息“02dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第1頁。π,表示數(shù)字信息“1”則一組二進制數(shù)字信息與其對應的2DPSK信號的載波相位關(guān)系如下所示:二進制數(shù)字信息：11010011102DPSK信號相位：0π00πππ0π00或π0ππ000π0ππ數(shù)字信息與△Φ之間的關(guān)系也可以定義為△Φ=0,表示數(shù)字信息“1”π,表示數(shù)字信息“0”圖12DPSK信號原理圖2.22DPSK調(diào)制原理2DPSK信號一般有兩種調(diào)制方法，即模擬調(diào)制法與鍵控法。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第2頁。2DPSK模擬調(diào)制法框圖如圖，原始信號經(jīng)過碼型變換后由絕對嗎變換為相對碼。然后與載波相乘進行絕對移相。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第2頁。圖2模擬調(diào)制方框圖2DPSK鍵控調(diào)制法是先將原始信號經(jīng)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(diào)制法框圖如下。圖3鍵控調(diào)制方框圖2.32DPSK解調(diào)原理2DPSK信號一般有兩種解調(diào)方法，即同步檢測法和差分相干解調(diào)法。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第3頁。2DPSK同步檢測法的原理是2DPSK信號先經(jīng)過帶通濾波器，去除調(diào)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(diào)制信號中的載波成分，再經(jīng)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的差分碼，再經(jīng)過逆差分器，就得到了基帶信號。它的原理框圖如圖2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第3頁。圖4極性解調(diào)方框圖2DPSK差分相干解調(diào)的原理是信號先經(jīng)過帶通濾波器，去除調(diào)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(jīng)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，抽樣判決器的輸出即為原基帶信號。它的原理框圖如圖圖5差分相干解調(diào)方框圖3建立模型描述3.1差分變換和逆差分變換模型2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第4頁。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與差分碼前一個碼元求異或，所以異或門的輸出經(jīng)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。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第4頁。圖6差分變換與逆差分變換原理圖3.2調(diào)制與解調(diào)模型2DPSK的調(diào)制主要有模擬調(diào)制和鍵控調(diào)制。模擬調(diào)制既是將需要被調(diào)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(shù)倍，經(jīng)過調(diào)制后不同碼元對應著初始相位不同的載波。鍵控調(diào)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(diào)制達到相同的效果，即經(jīng)過調(diào)制后不同碼元對應著初始相位不同的載波。2DPSK的解調(diào)主要有同步解調(diào)與差分相干解調(diào)。同步解調(diào)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，然后再進行其他的工作步驟。差分相干解調(diào)是將經(jīng)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。3.3帶通濾波器和低通濾波器的模型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平，fs為截止頻率。3.4抽樣判決器模型2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第5頁。抽樣判決器的功能是根據(jù)位同步信號和設(shè)置的判決電平來還原基帶信號。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第5頁。4模型組成模塊功能描述4.1使用systemview各圖符功能介紹：原始基帶信號產(chǎn)生器，產(chǎn)生一個按設(shè)定速率，由不同電平幅度脈沖組成的偽隨機數(shù)列（PN）信號。：正弦波信號發(fā)生器，在調(diào)制部分作為載波輸入。：延時器，使原信號產(chǎn)生一個碼元的延遲。：乘法器。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。：加法器。完成2ASK信號和噪聲的加法運算。：帶通濾波器。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。：低通濾波器。濾除和原始載波相乘后信號的高頻成分，保留低頻信號。：抽樣判決器。主要作用是對經(jīng)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。：異或門電路。：單刀雙擲開關(guān)。在本設(shè)計中，主要實現(xiàn)2DPSK信號的調(diào)制。：反向器。：基本信號接收器。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(jié)果。：數(shù)據(jù)列表，生成并在系統(tǒng)窗口顯示接收到的數(shù)據(jù)表。：SystemView標準觀察窗口，可在系統(tǒng)運行結(jié)束后于系統(tǒng)窗口中顯示輸出波形。4.2模塊功能描述4.2.1各種組成系統(tǒng)圖2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第6頁。模擬調(diào)制與差分相干解調(diào)組合系統(tǒng)2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第6頁。圖7模擬調(diào)制差分相干解調(diào)系統(tǒng)圖鍵控調(diào)制與極性解調(diào)組合系統(tǒng)2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第7頁。圖8鍵控調(diào)制與極性解調(diào)系統(tǒng)圖2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第7頁。圖9模擬調(diào)制與極性解調(diào)系統(tǒng)圖圖10鍵控調(diào)制差分相干解調(diào)系統(tǒng)圖4.2.2各模塊功能描述2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第8頁。如前圖，由2DPSK兩種解調(diào)方法與調(diào)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(diào)制與差分相干解調(diào)系統(tǒng)和鍵控調(diào)制與極性解調(diào)系統(tǒng)為例來做各模塊功能的描述。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第8頁。4.2.2.1模擬調(diào)制與差分相干解調(diào)系統(tǒng)信號源模塊圖11信號源模塊該模塊通過一個信號源圖符產(chǎn)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。差分變換模塊圖12差分變換模塊該模塊通過一個異或圖符與一個延遲圖符來實現(xiàn)對原始信號的差分變換。延遲圖符的延遲時間設(shè)置為0.1s,異或圖符的門限電壓設(shè)置為0.5V，正確輸出設(shè)置為1V，錯誤輸出設(shè)置為-1V。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第9頁。模擬調(diào)制模塊2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第9頁。圖13模擬調(diào)制模塊該模塊通過一個相乘圖符和一個正弦信號圖符來實現(xiàn)對相對碼的絕對相移，即對相對碼進行2PSK調(diào)制。正弦信號頻率設(shè)置為10赫茲。加噪信道模塊圖14加噪信道模塊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(shè)置為1赫茲，高通截止頻率設(shè)置為20赫茲，而且高斯噪聲信號圖符輸入的噪聲功率可以更改。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第10頁。差分相干解調(diào)模塊2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第10頁。圖15差分相干解調(diào)模塊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(xiàn)差分相干解調(diào)。該延遲圖符的延遲時間設(shè)置為0.1s。抽判模塊圖16抽判模塊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(shè)置為8赫茲，抽判器門限電壓設(shè)置為0V，錯誤輸出設(shè)置為0V,正確輸出設(shè)置為2V。4.2.2.2鍵控調(diào)制與極性解調(diào)系統(tǒng)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(diào)制與差分相干解調(diào)系統(tǒng)的各對應模塊組成成分相同。但是參數(shù)設(shè)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(shè)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(shù)設(shè)置。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第11頁。鍵控調(diào)制模塊2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第11頁。圖17鍵控調(diào)制模塊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(guān)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(diào)制達到相同的效果，即經(jīng)過調(diào)制后不同碼元對應著初始相位不同的載波。正弦信號的頻率設(shè)置為200赫茲。極性解調(diào)模塊圖18極性解調(diào)模塊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(shè)置為200赫茲。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第12頁。抽判模塊2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第12頁。圖19抽判模塊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(jīng)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(shè)置為50赫茲。延遲器延遲時間設(shè)置為0.01s。5調(diào)試過程及結(jié)論5.1模擬調(diào)制與差分相干解調(diào)系統(tǒng)噪聲較小時信號源發(fā)出波形圖20信號源波形此波是一頻率為10赫茲的雙極性非歸零信號2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第13頁。逆差分變換后波形2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第13頁。圖21差分變換后波形經(jīng)過差分變換后變?yōu)樵a的相對碼。與載波相乘后波形圖22調(diào)制后波形經(jīng)過信道并經(jīng)過帶通濾波器后波形圖23經(jīng)過帶通后波形差分相干解調(diào)后波形圖24差分解調(diào)后波形2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第14頁。經(jīng)過低通濾波器后波形2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第14頁。圖25低通后波形抽判后波形圖26抽判后波形觀察此波并與信號源發(fā)出波形作比較，發(fā)現(xiàn)經(jīng)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。噪聲較小時眼圖圖27眼圖觀察眼圖可見當噪聲較小時眼睛睜開較大。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第15頁。噪聲較大時的輸入信號波形2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第15頁。圖28信號源輸入波形最后解調(diào)得到波形圖29解調(diào)后波形由上圖可見經(jīng)過解調(diào)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(zhì)量有影響。噪聲較大時的眼圖圖30眼圖當噪聲較大時，眼圖眼睛睜開較小，也驗證了強噪聲對信號傳輸質(zhì)量有影響。5.2鍵控調(diào)制與極性解調(diào)系統(tǒng)2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第16頁。噪聲較小時信號源輸入波形2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第16頁。圖31信號源輸入波形經(jīng)過差分變換后波形圖32差分變換后波形經(jīng)過鍵控調(diào)制后波形圖33鍵控調(diào)制后波形2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第17頁。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第17頁。圖34與載波相乘后波形第一次經(jīng)過低通濾波器后波形圖35一次低通后波形第一次抽判后波形圖36一次抽判后波形2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第18頁。經(jīng)過逆差分變換后波形2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第18頁。圖37逆差分變換后波形最后接收到的波形圖38最后接收波形將此圖與信號源發(fā)出信號波形作比較，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過解調(diào)后能夠基本再現(xiàn)原來波形，但是有一定時間延遲。高斯噪聲較小時的眼圖圖39眼圖此時眼睛睜開幅度較大。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第19頁。當加入信道中的高斯噪聲較大時信源輸出波形2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第19頁。圖40信源發(fā)出波形最后接收到的波形圖41接收波形噪聲較大時的眼圖圖42眼圖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。5.3兩種系統(tǒng)比較與結(jié)論2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第20頁。比較模擬調(diào)制與差分相干解調(diào)系統(tǒng)鍵控調(diào)制與極性解調(diào)系統(tǒng)的調(diào)試過程，發(fā)現(xiàn)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(diào)制以及鍵控調(diào)制兩種調(diào)制方法都是通過對數(shù)字進行絕對相移來達到調(diào)至目的，雖然所需器件不同，但本質(zhì)上是一樣的。兩種解調(diào)方法有一定的區(qū)別，極性解調(diào)是先將相對碼進行相干解調(diào)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(diào)是將相對碼延遲一個碼元周期之后與自己相乘然后經(jīng)過低通濾波器得到絕對碼，即完成解調(diào)的功能。用差分相干解調(diào)不需要本地載波，也不需要逆差分變換，所以其用的器件少，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。2dpsk課程設(shè)計--二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計全文共22頁，當前為第20頁。6心得體會本次課程設(shè)計允許使用三種方法完成，即Matlab編程實現(xiàn)，Matlab中的Simulink模塊實現(xiàn)以及SystemView軟件實現(xiàn)。由于對Matlab不是很熟悉，所以最后選擇用SystemView軟件來完成課程設(shè)計。在選擇2DPSK基帶傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方法時，主要依據(jù)課本上提供的方法來設(shè)計。課本中的調(diào)制方法主要有模擬調(diào)制法和鍵控調(diào)制法，解調(diào)方法主要有極性解調(diào)法和差分相干解調(diào)法。由上述兩種調(diào)制方法與解調(diào)方法組合可以組成四種基帶傳輸系統(tǒng)。在網(wǎng)上下載一些SystemView軟件的教程學習之后，對軟件有了一定認識。用軟件建立系統(tǒng)模型之后，運