基于鎖相環(huán)的FSK與PSK調(diào)制解調(diào)

./摘要鎖相環(huán)技術(shù)是一種通信領(lǐng)域十分重要的技術(shù)。Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平臺(tái)的著名仿真環(huán)境,它搭建積木式的建模仿真方式既簡單又直觀。本文利用鎖相環(huán)的優(yōu)良特性,對(duì)基于鎖相環(huán)的FSK與PSK調(diào)制解調(diào)電路使用Simulink進(jìn)行了模擬仿真。文中主要是以Simulink為基礎(chǔ)平臺(tái),目的是對(duì)基于鎖相環(huán)的FSK和PSK調(diào)制解調(diào)原理的更加深化的理解,并對(duì)FSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了兩種方式的調(diào)制與解調(diào)電路設(shè)計(jì),其中解調(diào)電路分別應(yīng)用了相干解調(diào)和基于鎖相環(huán)的解調(diào)的解調(diào)方式,并對(duì)兩種解調(diào)方式進(jìn)行了比較,加深對(duì)數(shù)字移頻鍵控的調(diào)制與解調(diào)方式的理解；更加深入的學(xué)習(xí)了鎖相環(huán)的原理,并對(duì)鎖相環(huán)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：FSK；PSK；調(diào)制；解調(diào)；鎖相環(huán)；SimulinkAbstaractThephase-lockedlooptechnologyisaveryimportanttechnologyofcommunicationfield.InMathworksIntroducesSimulinkisaMatlab-basedsimulationplatformforthewell-knownenvironment,itsetupthemodelingandsimulationbuildingblockapproachissimpleandintuitive.Inthispaper,thefinecharacteristicsofPLL,PLL-basedFSKandPSKmodulationanddemodulationcircuitshavebeensimulatedusingtheSimulinksimulation.ThispaperisbasedonSimulink-basedplatformforthepurposeofthePLL-basedFSKandPSKmodulationanddemodulationprincipleofdeepeningtheunderstandingoftheFSKmodulationsignaltothetwomethodsofmodulationanddemodulationcircuitdesign,onesolutionApplicationofcircuittransfer,respectively,coherentdemodulationandphase-lockedloopbasedonthedemodulationofthedemodulationmethod.emodulationofthetwomethodsofcomparison,thebetterunderstandingofthedigitalfrequencyshiftkeyingmodulationanddemodulationoftheunderstandingoftheway;morein-depthstudyoftheprincipleofphase-lockedloopandphase-lockedloopapplications.keywords：FSK；PSK；modulate；modulation；PLL；Simulink.目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論11.1引言11.2Simulink簡介22基于鎖相環(huán)的FSK與PSK調(diào)制解調(diào)原理42.1鎖相環(huán)基本原理4鎖相環(huán)的基本組成42.1.2鎖相環(huán)的工作原理42.2FSK與PSK調(diào)制解調(diào)原理62.2.12FSK調(diào)制解調(diào)基本原理72.2.2基于鎖相環(huán)的調(diào)頻調(diào)制原理102.2.3PSK調(diào)制解調(diào)原理113調(diào)制與解調(diào)電路仿真143.1FSK調(diào)制與解調(diào)電路的設(shè)計(jì)與仿真143.1.1FSK調(diào)制電路的設(shè)計(jì)與仿真14基于鎖相環(huán)解調(diào)的設(shè)計(jì)與仿真163.1.32FSK相干解調(diào)的仿真183.22PSK調(diào)制與解調(diào)電路仿真223.2.12PSK調(diào)制仿真電路223.2.22PSK解調(diào)仿真245總結(jié)26致27參考文獻(xiàn)：28..1緒論1.1引言PLL是一種閉環(huán)的自動(dòng)跟蹤負(fù)反饋系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代后期隨著空間技術(shù)的發(fā)展,鎖相環(huán)用于對(duì)宇宙飛行目標(biāo)的跟蹤、遙測和遙控。60年代初隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展,鎖相環(huán)應(yīng)用愈廣,例如為相干解調(diào)提取參考同步、建立位同步等。具有門限擴(kuò)展能力的調(diào)頻信號(hào)鎖相鑒頻器也是在60年代初發(fā)展起來的。在電子儀器方面,鎖相環(huán)在頻率合成器和相位計(jì)等儀器中起了重要作用。鎖相環(huán)路所以能得到如此廣泛的應(yīng)用,是由于其獨(dú)特的優(yōu)良性能所決定的。它具有載波跟蹤特性,作為一個(gè)窄帶跟蹤濾波器,可提取淹沒在噪聲中的信號(hào)；用高穩(wěn)定的參考振蕩器鎖定,可提供頻率高穩(wěn)定的頻率源：可進(jìn)行高精度的香味與頻率測量等等。它具有調(diào)制跟蹤特性,可制成高性能的調(diào)制器和解調(diào)器。它具有低門限特性,可大大改善模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的解調(diào)質(zhì)量。數(shù)字通信與模擬通信比較,無論是傳輸質(zhì)量上還是技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上都有其顯著的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)、傳輸質(zhì)量與通信線路長短無關(guān)、有高的技術(shù)指標(biāo)<即可提高傳輸?shù)目煽啃?gt;、經(jīng)濟(jì)性<數(shù)字設(shè)備體積小、功耗低、價(jià)格低廉>、便于加密處理。因此數(shù)字通信是現(xiàn)代通信發(fā)展的趨勢,并在通信系統(tǒng)中的支配地位日益增強(qiáng)。而在數(shù)字通信的技術(shù)中,數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)占有非常重要的地位,起著關(guān)鍵性的作用。數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸主要是利用現(xiàn)有通信網(wǎng)來進(jìn)行的。而幾乎所有的現(xiàn)有通信網(wǎng),對(duì)于基帶數(shù)字信號(hào)不能直接進(jìn)入。實(shí)際通信中絕大多數(shù)的信道都不能直接傳送基帶信號(hào),必須用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參量進(jìn)行控制,使載波的這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化,即所謂調(diào)制。從原理上來說,受調(diào)載波的波形可以是任意的,只要調(diào)制信號(hào)適合信道傳輸就可以了。但實(shí)際上,在大多數(shù)數(shù)字通信系統(tǒng)中,都選擇正弦信號(hào)作為載波。這是因?yàn)檎倚盘?hào)形式簡單,便于產(chǎn)生及接收。數(shù)字調(diào)制也有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式,并可以派生出多種其他形式。數(shù)字調(diào)制是用載波信號(hào)的某些離散狀態(tài)來表征所傳送的信息,在接收端也只要對(duì)載波信號(hào)的離散調(diào)制參量進(jìn)行檢測。因此,數(shù)字調(diào)制信號(hào)也稱為鍵控信號(hào)。在二進(jìn)制時(shí)分別為振幅鍵控<ASK>、移頻鍵控<FSK>和移相鍵控<PSK>。根據(jù)已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同,數(shù)字調(diào)制也可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制。在線性調(diào)制中,已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)與基帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同,只不過頻率位置搬移了;在非線性調(diào)制中,已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)與基帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)不同,不是簡單的頻譜搬移,而是有其他新的頻率成分出現(xiàn)。振幅鍵控屬于線性調(diào)制,而頻移鍵控和相移鍵控屬于非線性調(diào)制。在接收機(jī)中,為了實(shí)現(xiàn)解調(diào)一般有兩種選擇：相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)是由接收信號(hào)于本地參考信號(hào)的相互關(guān)系完成的,然后按照預(yù)選的門限作出判決的。非相干解調(diào)不要求由載波相位的知識(shí),與相干解調(diào)比較,減小了接收機(jī)的復(fù)雜性,但都是以低劣的誤碼性能為代價(jià)的。對(duì)于不同的調(diào)制方式,還有其不同的獨(dú)特的解調(diào)方法。在本實(shí)驗(yàn)中主要利用的鎖相環(huán)的特性,仿真實(shí)現(xiàn)了基于鎖相環(huán)的數(shù)字信號(hào)移頻鍵控和移相鍵控的調(diào)制與解調(diào)。1.2Simulink簡介美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實(shí)驗(yàn)室"MatrixLaboratory"〔縮寫為Matlab這就是Matlab最早的雛形。開發(fā)的最早的目的是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好的授課和學(xué)習(xí)。從Matlab誕生開始,由于其高度的集成性及應(yīng)用的方便性,在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便,能非常快的實(shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想,極大的節(jié)約了科研人員的時(shí)間,受到了大多數(shù)科研人員的支持,經(jīng)過一代代人的努力,目前已發(fā)展到了7.X版本。Matlab是一種解釋性執(zhí)行語言,具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單,擴(kuò)充方便,尤其是世界上有成千上萬的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴(kuò)充Matlab的功能,使其成為了巨大的知識(shí)寶庫。可以毫不夸的說,哪怕是你真正理解了一個(gè)工具箱,那么就是理解了一門非常重要的科學(xué)知識(shí)?？蒲泄ぷ髡咄ǔ？梢酝ㄟ^Matlab來學(xué)習(xí)某個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)知識(shí),這就是Matlab真正在全世界推廣開來的原因。目前的Matlab版本已經(jīng)可以方便的設(shè)計(jì)漂亮的界面,它可以像VB等語言一樣設(shè)計(jì)漂亮的用戶接口,同時(shí)因?yàn)橛凶钬S富的函數(shù)庫〔工具箱,所以計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也很簡單,進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外,Matlab和其他高級(jí)語言也具有良好的接口,可以方便的實(shí)現(xiàn)與其他語言的混合編程,進(jìn)一步拓寬了Matlab的應(yīng)用潛力。可以說,Matlab已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一,掌握這門工具對(duì)學(xué)習(xí)各門學(xué)科有非常重要的推進(jìn)作用。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具,也是目前在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一。確切的說,Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包,它支持線性和非線性系統(tǒng),連續(xù)、離散時(shí)間模型,或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng),而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。Simulink工作環(huán)境進(jìn)過幾年的發(fā)展,已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來建模和仿真的主流工具包。在Simulink環(huán)境中,它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口,采用這種結(jié)構(gòu)畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便,故用戶只需進(jìn)行簡單的點(diǎn)擊和拖動(dòng)就能完成建模,并可直接進(jìn)行系統(tǒng)的仿真,快速的得到仿真結(jié)果。它的主要特點(diǎn)在于：1、建模方便、快捷；2、易于進(jìn)行模型分析；3、優(yōu)越的仿真性能。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink模塊庫〔或函數(shù)庫包含有Sinks〔輸出方式、Sources〔輸入源、Linear〔線性環(huán)節(jié)、Nonlinear〔非線性環(huán)節(jié)、Connection〔連接與接口和Extra〔其他環(huán)節(jié)等具有不同功能或函數(shù)運(yùn)算的Simulink庫模塊〔或庫函數(shù),而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊,用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu),因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級(jí)開始觀看模型,然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊,來查看其下一級(jí)的容,以此類推,從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié),幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后,用戶可以通過Simulink的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便,而命令行方式對(duì)于運(yùn)行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其他的顯示模塊,可以在仿真進(jìn)行的同時(shí)就可立即觀看到仿真結(jié)果,若改變模塊的參數(shù)并再次運(yùn)行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果,這適用于因果關(guān)系的問題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。2基于鎖相環(huán)的FSK與PSK調(diào)制解調(diào)原理2.1鎖相環(huán)基本原理鎖相環(huán)的基本組成許多電子設(shè)備要正常工作,通常需要外部的輸入信號(hào)與部的振蕩信號(hào)同步,利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路,簡稱鎖相環(huán)〔PLL。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤,所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中,當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí),輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值,即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住,這就是鎖相環(huán)名稱的由來。鎖相環(huán)通常由鑒相器〔PD、環(huán)路濾波器〔LF和壓控振蕩器〔VCO三部分組成,鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖2.1所示。PDPDVCOLF圖2.1鎖相環(huán)基本組成圖2.1鎖相環(huán)基本組成鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器,它的作用是檢測輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差,并將檢測出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成uD〔t電壓信號(hào)輸出,該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC〔t,對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制。鎖相環(huán)的工作原理鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成,利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖2.2所示Ui〔tUi〔tUo〔tUd〔t圖2.2圖2.2鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號(hào)電壓和壓控振蕩器輸出的信號(hào)電壓分別為：〔〔式中的ω0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或?yàn)橹绷麟妷簳r(shí)的振蕩角頻率,稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：〔用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉,剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC〔t。即uC〔t為：〔式中的ωi為輸入信號(hào)的瞬時(shí)振蕩角頻率,θi〔t和θO〔t分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的瞬時(shí)位相,根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)位相的關(guān)系為：即〔則,瞬時(shí)相位差θd為〔對(duì)兩邊求微分,可得頻差的關(guān)系式為〔圖2.3圖2.3上式等于零,說明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài),此時(shí)輸出和輸入信號(hào)的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài),uc〔t為恒定值。當(dāng)上式不等于零時(shí),說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定,輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不等,uc〔t隨時(shí)間而變化因壓控振蕩器的壓控特性如圖2.3所示,該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心,隨輸入信號(hào)電壓uc〔t的變化而變化。該特性的表達(dá)式為〔上式說明當(dāng)uc〔t隨時(shí)間而變時(shí),壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時(shí)間而變,鎖相環(huán)進(jìn)入"頻率牽引",自動(dòng)跟蹤捕捉輸入信號(hào)的頻率,使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài),并保持ω0=ωi的狀態(tài)不變。2.2FSK與PSK調(diào)制解調(diào)原理FSK〔Frequency-shiftkeying：頻移鍵控。就是用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波的頻率。是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式,它的主要優(yōu)點(diǎn)是:實(shí)現(xiàn)起來較容易,抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。2FSK是利用兩個(gè)不同的頻率F1和F2的振蕩源來表示信號(hào)1和0。2.2.12FSK調(diào)制解調(diào)基本原理在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化,則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)<2FSK信號(hào)>.二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形如圖2.4所示,圖中波形g可分解為波形e和波形f,即二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的疊加.若二進(jìn)制基帶信號(hào)的1符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率f1,0符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率f2,則二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為

〔〔〔

圖2.4二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形由圖2.4可看出,bn是an的反碼,即若an=1,則bn=0,若an=0,則bn=1,于是bn=,θn和分別代表第n個(gè)信元的初始相位.在二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)中,和θn不攜帶信息,通常可令和θn為零.因此,二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可簡化為

〔二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)生,可以采用模擬調(diào)頻電路來實(shí)現(xiàn),也可以采用數(shù)字鍵控的方法來實(shí)現(xiàn).圖2.5是數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖,圖中兩個(gè)振蕩器的輸出載波受輸入的二進(jìn)制基帶信號(hào)控制,在一個(gè)碼元Ts期間輸出f1或f2兩個(gè)載波之一.二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的解調(diào)方法很多,有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測法,有非相干解調(diào)方法也有相干解調(diào)方法.采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法的原理圖如圖2.6所示.其解調(diào)原理是將二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)分解為上下兩路二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào),分別進(jìn)行解調(diào),通過對(duì)上下兩路的抽樣圖2.4fsk調(diào)制波形圖圖2.4fsk調(diào)制波形圖

值進(jìn)行比較最終判決出輸出信號(hào).非相干解調(diào)過程的時(shí)間波形如圖2.7所示.圖2.5數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖

圖2.6二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)解調(diào)器原理圖<a>非相干解調(diào);<b>相干解調(diào)

圖2.72FSK非相干解調(diào)過程的時(shí)間波形過零檢測法解調(diào)器的原理圖和各點(diǎn)時(shí)間波形如圖2.8所示.其基本原理是,二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的過零點(diǎn)數(shù)隨載波頻率不同而異,通過檢測過零點(diǎn)數(shù)從而得到頻率的變化.在圖2.8中,輸入信號(hào)經(jīng)過限幅后產(chǎn)生矩形波,經(jīng)微分,整流,波形圖2.8過零檢測法原理圖和各點(diǎn)時(shí)間波形整形,形成與頻率變化相關(guān)的矩形脈沖波,經(jīng)低通濾波器濾除高次諧波,便恢復(fù)出與原數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的基帶數(shù)字信號(hào).2.2.2基于鎖相環(huán)的調(diào)頻調(diào)制原理LFLF調(diào)制信號(hào)Uf<t>FM信號(hào)PDVCO晶振圖2.9FM調(diào)制原理圖根據(jù)環(huán)路的相位模型,可以導(dǎo)出在調(diào)制信號(hào)Uf<t>作用下,環(huán)路的輸出相位〔以下均用它的拉普拉斯變換表示：﹒=He〔s﹒〔1/s﹒K0﹒UF<s>VCO輸出頻率相對(duì)于自由振蕩頻率ω0的頻偏即為sθ2<s>。有以上式得sθ2<s>=He〔s﹒K0﹒UF<s>〔由于K0是常數(shù),He〔s具有高通特性,可見只要在He〔s的帶通之,輸出頻偏與調(diào)制信號(hào)的幅度成正比,這樣就產(chǎn)生了FM信號(hào)。有以上說明可知,完成FM依賴于鎖相環(huán)路的誤差傳遞函數(shù)He〔s,必須使調(diào)制頻率Ω在頻率特性He〔jΩ的通帶之才行。因?yàn)镠e〔jΩ具有高通特性,所以圖2.9的方案在調(diào)制頻率Ω很低,進(jìn)入He〔jΩ的阻帶之后,調(diào)制頻偏是很小的。調(diào)制跟蹤的鎖相環(huán)路本身就是一個(gè)FM解調(diào)器,從壓控振蕩器輸入端得到解調(diào)輸出。發(fā)射機(jī)部分用PLL集成電路構(gòu)成,VCO作為FM調(diào)制器,PD用一個(gè)相乘器,這里用作緩沖發(fā)大,只要在另一端加一固定偏置電壓即可。接收機(jī)是一通用的線性PLL電路。利用PLL良好的調(diào)制跟蹤特性,使PLL跟蹤輸入FM信號(hào)的瞬時(shí)相位的變化,從而從VCO控制端獲得解調(diào)輸出。PSK調(diào)制解調(diào)原理PSK分為二進(jìn)制移頻鍵控〔2FSK和多進(jìn)制移頻鍵控〔MPSK。本實(shí)驗(yàn)主要介紹2PSK的調(diào)制與解調(diào)。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí),則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控<2PSK>信號(hào).通常用已調(diào)信號(hào)載波的0°和180°分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的1和0.二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為

e2PSK<t>=g<t-nTs>]cosωct

其中,an與2ASK和2FSK時(shí)的不同,在2PSK調(diào)制中,an應(yīng)選擇雙極性,即

〔〔若g<t>是脈寬為Ts,高度為1的矩形脈沖時(shí),則有

e2PSK<t>=cosωct,發(fā)送概率為P

e2PSK<t>=-cosωct,發(fā)送概率為1-P

由式<>可看出,當(dāng)發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)1時(shí),已調(diào)信號(hào)e2PSK<t>取0°相位,發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)0時(shí),e2PSK<t>取180°相位.若用φn表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位,則有：

φn=0°,發(fā)送1符號(hào)

φn=180°,發(fā)送0符號(hào)

這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式,稱為二進(jìn)制絕對(duì)移相方式.二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的典型時(shí)間波形如圖2.10所示.圖2.10二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)間波形二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的調(diào)制原理圖如圖2.11所示.其中圖<a>是采用模擬調(diào)制的方法產(chǎn)生2PSK信號(hào),圖<b>是采用數(shù)字鍵控的方法產(chǎn)生2PSK信號(hào).

2PSK信號(hào)的解調(diào)通常都是采用相干解調(diào),解調(diào)器原理圖如圖2.12所示.在相干解調(diào)過程中需要用到與接收的2PSK信號(hào)同頻同相的相干載波。2PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形如圖2.13所示.當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180°倒相時(shí),解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好是相反,解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò).圖2.112PSK信號(hào)的調(diào)制原理圖

圖2.122PSK信號(hào)的解調(diào)原理圖

圖2.132PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形

這種現(xiàn)象通常稱為"倒π"。由于在2PSK信號(hào)載波恢復(fù)過程中存在著180°的相位模糊,所以2PSK信號(hào)的相干解調(diào)存在隨機(jī)的"倒π"現(xiàn)象,從而使得2PSK方式在實(shí)際中很少采用。在本次試驗(yàn)中2PSK調(diào)制解調(diào)中所用載波均使用PLL提供,PLL可產(chǎn)生高穩(wěn)定的載波并能不斷調(diào)整載波的相位,從而提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3調(diào)制與解調(diào)電路仿真3.1FSK調(diào)制與解調(diào)電路的設(shè)計(jì)與仿真FSK調(diào)制電路的設(shè)計(jì)與仿真FSK調(diào)制simulink仿真框圖實(shí)驗(yàn)使用鎖相環(huán)調(diào)制方式信號(hào)直接加到VCO端,根據(jù)VCO的特性即可隨信號(hào)產(chǎn)生2FSK信號(hào)如圖3.1圖3.12FSK信號(hào)鎖相環(huán)調(diào)制模型圖3.12FSK信號(hào)鎖相環(huán)調(diào)制模型其中乘法器、低通濾波器和VCO構(gòu)成一個(gè)PLL環(huán)路,Pulsegenerator是信號(hào)源。參數(shù)設(shè)置如下：本來信號(hào)源s<t>序列是用隨機(jī)的0、1信號(hào)產(chǎn)生,在此為了方便仿真就選擇了基于采樣的PulseGenerator信號(hào)模塊,其參數(shù)設(shè)置如下：圖3.2信號(hào)源Pulsegenerator參數(shù)設(shè)置圖3.2信號(hào)源Pulsegenerator參數(shù)設(shè)置其中幅度為1、f1=2Hz、占空比為1/2圖3.3VCO參數(shù)設(shè)置圖3.3VCO參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)仿真及各點(diǎn)時(shí)間波形圖,以上參數(shù)的設(shè)置后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真,其各點(diǎn)的時(shí)間波形如下：圖3.4FSK調(diào)制圖3.4FSK調(diào)制由上圖可以看出經(jīng)過VCO調(diào)制,2FSK信號(hào)有明顯的頻率上的差別。基于鎖相環(huán)解調(diào)的設(shè)計(jì)與仿真2FSK信號(hào)的解調(diào)方法很多,有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測法,有非相干解調(diào)方法也有相干解調(diào)方法,實(shí)驗(yàn)中分別進(jìn)行了相干解調(diào)和基于鎖相環(huán)的解調(diào)方式。下面采用鎖相環(huán)解調(diào)方法對(duì)2FSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。〔1設(shè)計(jì)2FSK解調(diào)的SIMULINK模型方框圖：其中FromFile是一個(gè)封裝模塊,就是2FSK信號(hào)的調(diào)制模塊對(duì)應(yīng)于調(diào)制模塊的ToFile模塊,仿真框圖如下：圖3.52FSK解調(diào)電路圖3.52FSK解調(diào)電路〔2參數(shù)設(shè)置在解調(diào)過程中,適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)鎖相環(huán)的參數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),Sign是取樣模塊,BipolartoUnipolarconverter是極性轉(zhuǎn)換模塊,參數(shù)設(shè)置如圖：圖3.6環(huán)路濾波器參數(shù)設(shè)置圖3.6環(huán)路濾波器參數(shù)設(shè)置圖3.7VCO參數(shù)設(shè)置圖3.7VCO參數(shù)設(shè)置〔2系統(tǒng)仿真及各點(diǎn)時(shí)間波形圖：圖3.82FSK解調(diào)輸出波形圖3.82FSK解調(diào)輸出波形2FSK相干解調(diào)的仿真相干解調(diào)的仿真在進(jìn)行相干解調(diào)時(shí)為了實(shí)現(xiàn)簡單,要對(duì)調(diào)制電路做適當(dāng)?shù)男薷?把VCO的中心頻率改為100HZ,Inputsensivitity改為100HZ,其中sinwave2和sinwave3是兩個(gè)頻率分別為100HZ和200HZ的相干載波載波,為了便于觀察把信號(hào)源改為1/3的矩形波參數(shù)解調(diào)系統(tǒng)仿真框圖如下：圖3.92FSK相干解調(diào)仿真框圖圖3.92FSK相干解調(diào)仿真框圖系統(tǒng)各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置圖3.10信號(hào)源參數(shù)設(shè)置圖3.10信號(hào)源參數(shù)設(shè)置圖3.11上路帶通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)圖3.11上路帶通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)圖3.12下路帶通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)圖3.12下路帶通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)兩路低通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：圖3.13低通濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)圖3.13低通濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)圖3.14低通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)圖3.14低通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)〔3系統(tǒng)各點(diǎn)波形如下：圖3.152FSK相干解調(diào)各點(diǎn)波形圖3.152FSK相干解調(diào)各點(diǎn)波形3.22PSK調(diào)制與解調(diào)電路仿真2PSK調(diào)制仿真電路〔1PSK調(diào)制電路仿真框圖在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí),則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控<2PSK>信號(hào).在此用已調(diào)信號(hào)載波的0°和180°分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的1和0.本次實(shí)驗(yàn)載波由鎖相環(huán)提供,其方框圖如下：圖3.16PSK調(diào)制框圖圖3.16PSK調(diào)制框圖參數(shù)設(shè)置如下：圖3.17VCO參數(shù)設(shè)置圖3.17VCO參數(shù)設(shè)置圖3.18信號(hào)源參數(shù)設(shè)置圖3.18信號(hào)源參數(shù)設(shè)置信號(hào)源采用雙極性方波信號(hào)幅度為1,頻率為0.5HZ系統(tǒng)各點(diǎn)波形如圖：圖3.192PSK調(diào)制波形圖3.192PSK調(diào)制波形2PSK解調(diào)仿真〔12PSK解調(diào)仿真框圖圖3.20PSK解調(diào)框圖圖3.20PSK解調(diào)框圖參數(shù)設(shè)置：為了便于參數(shù)設(shè)置及可客觀性,參數(shù)設(shè)置如下：圖3.21低通濾波器參數(shù)設(shè)置圖3.21低通濾波器參數(shù)設(shè)置圖3.22VCO參數(shù)設(shè)置圖3.22VCO參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)各點(diǎn)波形如圖3.232PSK解調(diào)各點(diǎn)波形圖3.232PSK解調(diào)各點(diǎn)波形5總結(jié)以上就是本次實(shí)驗(yàn)的主要容。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成,更加深入的了解了鎖相環(huán)的基本原理及其應(yīng)用,對(duì)基于鎖相環(huán)的數(shù)字信號(hào)的simulink建模仿真,使我數(shù)字鍵控的概念又有了更深的了解,而且也熟悉了simulink軟件的操作。。在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程中,發(fā)現(xiàn)了很多自身的不足,同時(shí)也有很多深刻的感受與啟發(fā)。首先,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論最好的手段之一,在實(shí)驗(yàn)過程中,不斷發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與結(jié)論與理論有一定的出入,然后根據(jù)理論不斷改變實(shí)驗(yàn)中的某些設(shè)置,不斷地去調(diào)試實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)元件,從中做出一個(gè)更接近理論的實(shí)驗(yàn),這樣可以讓自身對(duì)一些理論知識(shí)的記憶更加深刻,加強(qiáng)了對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)的鞏