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

1、目錄1 技術(shù)要求12 基本原理12.1 2DPSK簡(jiǎn)介12.1.1 2DPSK調(diào)制原理22.1.2 2DPSK解調(diào)原理22.2 SystemView簡(jiǎn)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(yùn)行結(jié)果94 模塊功能分析114.1 信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)論176 心得體會(huì)187 參考文獻(xiàn)19二進(jìn)制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)2DPSK系統(tǒng)1 技術(shù)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)2DPSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，要求：（1）設(shè)計(jì)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(jì)出各個(gè)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(shí)現(xiàn)該數(shù)字通信系統(tǒng)； （4）觀察仿真并進(jìn)行波形分析； （5）系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。2 基本原理2.1 2DPSK簡(jiǎn)介現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求通信距離遠(yuǎn)、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(gè)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(yùn)用，使得信息的傳輸更為有效和可靠。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)。因?yàn)樵谡{(diào)制過程中，2PSK調(diào)制容易出反向工作問題，影響2PSK 信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸。為克服此缺點(diǎn)，并保持2PSK信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，將2PSK體制改進(jìn)為二進(jìn)制差分相移鍵控體制。二進(jìn)制差分相移鍵控簡(jiǎn)稱為二相相對(duì)調(diào)相，記作2DPSK。它不是利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用前后碼元的相對(duì)載波相位值傳送數(shù)字信息。所謂相對(duì)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(duì)應(yīng)相同的數(shù)字信息符號(hào)，而前后碼元

4、的相對(duì)相位才唯一確定信息符號(hào)。這說明解調(diào)2DPSK信號(hào)時(shí)，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(duì)相位關(guān)系不破壞，則鑒別這個(gè)相位關(guān)系就可正確恢復(fù)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(duì)移相調(diào)制無(wú)“反問工作”問題，因此得到廣泛的應(yīng)用。單從波形上看，2DPSK與2PSK是無(wú)法分辯的。這說明，一方面，只有已知移相鍵控方式是絕對(duì)的還是相對(duì)的，才能正確判定原信息；另一方面，相對(duì)移相信號(hào)可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對(duì)碼）變換成相對(duì)碼，然后再根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)移相而形成。這就為2DPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)指出了一種借助絕對(duì)移相途徑實(shí)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(hào)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(duì)移相鍵控2DPSK信號(hào)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(hào)產(chǎn)生只需要在二相調(diào)制前加一套相對(duì)碼變換電路就可以實(shí)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(hào)有兩種解調(diào)方式：極性比較法和差分相干解調(diào)法。信號(hào)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(duì)2DPSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對(duì)碼，再通過碼反變換器變換為絕對(duì)碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)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(duì)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(duì)碼不會(huì)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(hào)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(fù)發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。由于解調(diào)的同時(shí)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(jiǎn)述SystemView是美國(guó)ELANIX公司推出的，基于Window

7、s環(huán)境下運(yùn)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(wú)需與復(fù)雜的程序語(yǔ)言打交道，不用寫一句代碼即可完成各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(fù)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(jì)和仿真。用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只需從SystemView配置的圖標(biāo)庫(kù)中調(diào)出有關(guān)圖標(biāo)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成圖標(biāo)間的連線，然后運(yùn)行仿真操作，最終以時(shí)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(kù)資源十分豐富，包括含若干圖標(biāo)的基本庫(kù)（M

8、ain Library）及專業(yè)庫(kù)(Optional Library)，基本庫(kù)中包括多種信號(hào)源、接收器、加法器、乘法器，各種函數(shù)運(yùn)算器等；專業(yè)庫(kù)有通訊（Communication）、邏輯（Logic）、數(shù)字信號(hào)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(jì)、仿真和方案論證，尤其適合于無(wú)線電話、無(wú)繩電話、尋呼機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星通訊等通信系統(tǒng)；并可進(jìn)行各種系統(tǒng)時(shí)域和頻域分析、譜分析，及對(duì)各種邏輯電路、射頻/模擬電路（混合器、放大器、RLC電路、運(yùn)放電路等）進(jìn)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(shí)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(hào)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(duì)照，也為了用更多方法來進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，綜合收索修改應(yīng)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(hào)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(hào)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(hào)' );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(hào)' );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(yùn)行結(jié)果由于Matlab部分在本實(shí)驗(yàn)中相對(duì)所占篇幅較小，故考慮集中在一起，各部分程序運(yùn)行結(jié)果亦放在此處。如圖所示，圖8為基帶信號(hào)，圖9為調(diào)制后信號(hào)，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(hào)幾乎一致，調(diào)制解調(diào)成功。4 模塊功能分析4.1 信號(hào)源模塊System

17、View 軟件本身提供了很多產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)的模塊，在這次的設(shè)計(jì)中我們采用的信號(hào)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(hào)源模塊4.2 差分器模塊由于2DPSK信號(hào)的鍵控調(diào)制法中需要用到相對(duì)碼，我們需要對(duì)信號(hào)源出來的基帶信號(hào)進(jìn)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L(zhǎng)ow Cutoff 900Hz，Hi Cutoff 1100Hz，Inband Ripple 0.01HZ；Token13設(shè)置為L(zhǎng)ow 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(gè)分模塊組成，負(fù)責(zé)抽樣判決輸出信號(hào)。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(gè)模塊的參數(shù)之后，運(yùn)行程序進(jìn)行仿真。調(diào)試過程中，各波形如下。信號(hào)源頻率為100Hz，波形圖如圖19下。圖19信號(hào)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(gè)調(diào)制后，進(jìn)

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(jìn)入了解調(diào)的部分。第一步是經(jīng)過帶通濾波器進(jìn)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(jìn)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(yīng)碼間串?dāng)_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?dāng)_，改善系統(tǒng)性能。運(yùn)行仿真-點(diǎn)擊分析窗口左下角“接收計(jì)算器”（根號(hào)a）-點(diǎn)擊“style”標(biāo)簽-選“slice”組-設(shè)置“

21、start”跟“l(fā)ength”。時(shí)間切片的長(zhǎng)度一般設(shè)置為當(dāng)前采樣頻率下采樣周期的2倍，比如采樣周期為10ms，則時(shí)間切片長(zhǎng)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(xué)中，信號(hào)通常是波的形式，例如電磁波、隨機(jī)振動(dòng)或者聲波。當(dāng)波的頻譜密度乘以一個(gè)適當(dāng)?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(hào)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(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。碼反變換電路自身不產(chǎn)生誤碼（與噪聲無(wú)關(guān)），但其輸入相對(duì)碼有誤差時(shí)，必然會(huì)造成其輸出絕對(duì)碼與發(fā)端基帶信號(hào)失真，因而系統(tǒng)總誤碼應(yīng)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(shí)驗(yàn)誤碼分析圖如下。圖28誤碼分析圖5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論調(diào)制時(shí)，采用2DPSK差分調(diào)制。經(jīng)過信道后，加入了噪聲。解調(diào)時(shí)，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(hào)輸出與開始的輸入信號(hào)基本相同，有一定的延時(shí)，說明設(shè)計(jì)是正確的。6 心得體會(huì)將近二周的課程設(shè)計(jì)到了尾聲，這是我大學(xué)里的第二次課程設(shè)計(jì)，又是一次將理論與實(shí)踐相結(jié)合的考驗(yàn)。在本次課程設(shè)計(jì)的過程中，我學(xué)會(huì)了靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，而且還懂得怎樣使理論付之于實(shí)際。第一周是準(zhǔn)備預(yù)答辯，雖然我們預(yù)答辯由于時(shí)間與假期沖突了，但我們還是自我要求，進(jìn)行了準(zhǔn)備。我和同學(xué)一起拿出一塊時(shí)間共同探討方案的實(shí)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(shí)間也提高了效率。整個(gè)過程讓我們提高了檢索信息的能力，也增強(qiáng)了合作意識(shí)。同學(xué)們各有所長(zhǎng)，每個(gè)人都發(fā)揮了自己的特點(diǎn)，合作相當(dāng)愉快。然后的任務(wù)是仿真通信系統(tǒng)，找到的資料實(shí)現(xiàn)的方案看起來很簡(jiǎn)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