二进制数字频带传输系统设计—2DPSK系统.docx

武汉理工大学专业课程设计2（通信原理）课程设计说明书目录1 技术要求12 基本原理12.1 2DPSK简介12.1.1 2DPSK调制原理22.1.2 2DPSK解调原理22.2 SystemView简述33 建立模型43.1 SystemView仿真43.1.1 2DPSK调制模型43.1.2 2DPSK信道模型43.1.3 2DPSK解调模型53.1.4 2DPSK总模型53.2 Matlab编程仿真63.2.1 程序编制63.2.2 程序运行结果94 模块功能分析114.1 信号源模块114.2 差分器模块114.3 调制模块114.4 带通滤波及低通滤波模块124.5 判决器模块125 调试过程及结论135.1 基本调试波形135.2 眼图，功率谱密度和误码分析165.3 实验结论176 心得体会187 参考文献19二进制数字频带传输系统设计2DPSK系统1 技术要求 设计一个2DPSK数字调制系统，要求：（1）设计出规定的数字通信系统的结构； （2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）； （3）用Matlab或SystemView 实现该数字通信系统； （4）观察仿真并进行波形分析； （5）系统的性能评价。2 基本原理2.1 2DPSK简介现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。因为在调制过程中，2PSK调制容易出反向工作问题，影响2PSK 信号长距离传输。为克服此缺点，并保持2PSK信号的优点，将2PSK体制改进为二进制差分相移键控体制。二进制差分相移键控简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的“倒 ”现象发生。由于相对移相调制无“反问工作”问题，因此得到广泛的应用。单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。2.1.1 2DPSK调制原理移相键控是指载波的相位受数字信号的控制而改变，通常用相位0来表示“1”，而用180来表示“0”。二相相对移相键控2DPSK信号的参考相位不是未调波的相位，而是相邻的前一位码元的载波相位。2DPSK信号产生只需要在二相调制前加一套相对码变换电路就可以实现，2DPSK的调制方框图见图1。本次仿真采用这种调制方法。图1 2DPSK差分调制2.1.2 2DPSK解调原理2DPDK信号有两种解调方式：极性比较法和差分相干解调法。信号可以采用相干解调方式，其原理框见图2。其调制原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生180相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了在载波相位模糊度的问题。图2 相干解调原理框图信号也可以采用差分相干解调方式（相位比较法），其原理框图见图3。其解调原理是：直接比较前、后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一种非相干解调方法。本次仿真采用这种解调方式。 图3差分相干解调原理框图2.2 SystemView简述SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库(Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。3 建立模型3.1 SystemView仿真3.1.1 2DPSK调制模型采用2DPSK差分调制作为实现方案，仿真图如图4所示。图4 2DPSK差分调制仿真图3.1.2 2DPSK信道模型采用具有加性噪声干扰的信道，仿真图如图5所示。图5 信道仿真图3.1.3 2DPSK解调模型 在解调2DPSK信号采用的是2DPSK差分相干解调仿真，仿真图如图6所示。图6 2DPSK差分相干解调仿真3.1.4 2DPSK总模型2DPSK总模型如图7所示，包含了调制模块，信道模块，解调模块，波形显示模块和误码分析模块。图7 总模型仿真图3.2 Matlab编程仿真3.2.1 程序编制为了与SystmView仿真结果相对照，也为了用更多方法来进行课程设计，综合收索修改应用，编制了以下2DPSK仿真程序。%- 2DPSK 调制与解调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%可自行调整初始输入信号Lenth_Of_Sign = length ( Sign_Set );st = zeros ( 1, Num_Unit * Lenth_Of_Sign );sign_orign = zeros ( 1, 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;%产生基带信号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_Level; endend%调制部分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(t, sign_orign);axis( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - (A / 2)-A, A + (A / 2) );title ( 原始信号 );gridfigureplot ( t, st );axis( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - 3*(A / 2), 3*(A / 2) );title ( 调制后的信号 );grid%相乘dt = st .* cos ( 2 * pi * w * t );figureplot ( t, dt );axis( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - 3*(A / 2), 3*(A /2) );title ( 相乘后的波形 );grid%低通滤波部分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), - 3*(A / 2), 3*(A / 2) );title ( 低通滤波后的波形 );grid%抽样判决 逆码变换部分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 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - 3*(A / 2), 3*(A / 2) );title ( 逆码变换后的波形 );grid3.2.2 程序运行结果由于Matlab部分在本实验中相对所占篇幅较小，故考虑集中在一起，各部分程序运行结果亦放在此处。如图所示，图8为基带信号，图9为调制后信号，图10为相乘后波形，图11为低通滤波后波形，图12为解调波形。图8基带波形图9调制后波形图10相乘后波形图11低通滤波后波形图12解调后波形比较图9和图12可知，调制解调信号几乎一致，调制解调成功。4 模块功能分析4.1 信号源模块SystemView 软件本身提供了很多产生二进制信号的模块，在这次的设计中我们采用的信号源是PN Seq，它的模型图如图13所示，可以设置的参数是Amplitude和Rate。Token 0设置为Amplitude 1V, Rate 100Hz。图13 信号源模块4.2 差分器模块由于2DPSK信号的键控调制法中需要用到相对码，我们需要对信号源出来的基带信号进行差分处理。差分器的框图如图14所示。Token2设置为Threshold 500e-3，Ture Output 1，False Output -1；Token 3设置为Delay Type Non-Interpolating，Delay 10e-3。图14 差分器模块4.3 调制模块该模块的功能是2DPSK的调制，另有信道模块附在此处。Token6设置为Amplitude 1V，Frequency1e+3Hz；Token20设置为Std Deviation 10e-3V。如图15所示。图15调制模块4.4 带通滤波及低通滤波模块差分相干解调部分中需要用到带通滤波器和低通滤波器。图16为带通滤波器，图17为低通滤波器。Token7设置为Low Cutoff 900Hz，Hi Cutoff 1100Hz，Inband Ripple 0.01HZ；Token13设置为Low Cutoff 100Hz。图16带通滤波器图17低通滤波器4.5 判决器模块判决器模块有2个分模块组成，负责抽样判决输出信号。如图所示。Token15设置Select Comparison为a=b，Ture Output为1V，False Output为0；Token16设置Amplitude为0V，Start Time为0Sec，Offset为0V。如图18所示。图18抽样判决模块5 调试过程及结论5.1 基本调试波形2DPSK系统在搭建好模型之后，依照前面部分调整好各个模块的参数之后，运行程序进行仿真。调试过程中，各波形如下。信号源频率为100Hz，波形图如图19下。图19信号源经过码变换后，波形如图20所示。图20码变换后波形经过整个调制后，进入信道的波形如图21所示。图21调制后波形 从信道出来后，加入了信道噪声，进入了解调的部分。第一步是经过带通滤波器进行滤波。滤波后波形如图22所示。图22带通后波形经过带通滤波器后，进入相乘器，相乘后波形如图23所示。图23相乘后波形然后是经过低通滤波器，波形如图24。图24低通后波形经过抽样判决器后，输出的解调波形如图25所示。图25解调后输出波形5.2 眼图，功率谱密度和误码分析眼图可以定性反应码间串扰的大小和噪声的大小，眼图还可以用来指示接收示波器的调整，以减小码间串扰，改善系统性能。运行仿真-点击分析窗口左下角“接收计算器”（根号a）-点击“style”标签-选“slice”组-设置“start”跟“length”。时间切片的长度一般设置为当前采样频率下采样周期的2倍，比如采样周期为10ms，则时间切片长度设为20ms。眼图如图26所示。图26眼图功率谱密度在物理学中，信号通常是波的形式，例如电磁波、随机振动或者声波。当波的频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率波携带的功率，这被称为信号的功率谱密度。如图27所示。图27功率谱密度误码率是衡量一个数字通信系统性能的重要指标。码反变换电路自身不产生误码（与噪声无关），但其输入相对码有误差时，必然会造成其输出绝对码与发端基带信号失真，因而系统总误码应为2PSK 系统的误码加码反变换的误码积累。目前用得最多的数字调制方式是相干2DPSK。本次实验误码分析图如下。图28误码分析图5.3 实验结论调制时，采用2DPSK差分调制。经过信道后，加入了噪声。解调时，通过带通滤波，载波移位相乘，低通滤波，比较判决器，然后比较图19和图25，最后的信号输出与开始的输入信号基本相同，有一定的延时，说明设计是正确的。6 心得体会将近二周的课程设计到了尾声，这是我大学里的第二次课程设计，又是一次将理论与实践相结合的考验。在本次课程设计的过程中，我学会了灵活运用所学的知识，而且还懂得怎样使理论付之于实际。第一周是准备预答辩，虽然我们预答辩由于时间与假期冲突了，但我们还是自我要求，进行了准备。我和同学一起拿出一块时间共同探讨方案的实现，从网上查了许多相关资料，大家做好分工，节约了时间也提高了效率。整个过程让我们提高了检索信息的能力，也增强了合作意识。同学们各有所长，每个人都发挥了自己的特点，合作相当愉快。然后的任务是仿真通信系统，找到的资料实现的方案看起来很简洁，但调试的过程我碰到了些许困难，许多模块的参数不知道怎么设置。另外，由于