通信原理课程设计2PSK和2DPSK系统的设计论文

1、. . . . 题目：2PSK和2DPSK系统的设计通信原理课程设计任务书： 班级：07电子（2）班 指导老师：设计课题：XX通信系统的仿真设计任务与要求设计任务与要求：一、 基本要求：1. 自行寻找一个通信传输系统，画出该系统的组成框图，说明工作原理；2. 说明通信仿真的意义，学会利用常用通信仿真软件仿真通信系统；3. 给出系统的仿真图与仿真波形，并进行简单的波形与图形分析；4. 编写课程设计说明书，要求字数不少于5000字。二、 发挥部分：1、 利用信道加扰法分析系统的抗噪性能；2、 给出相应系统的整体或部分电路。注：通信系统可以是模拟通信系统，数字通信系统，模拟数字混合系统，编码解码系统

2、，压缩扩展系统，加密解密系统，扩频与解扩系统，频分时分码分通信系统等等，必须含有发送与接收部分。设计步骤1、 调研并查阅相关的资料；2、 熟悉仿真软件的基本使用；3、 画出通信系统的总体框图，并调整好系统各参数；4、 根据系统框图设计仿真图并进行仿真；5、 调整系统参数，观察仿真图形的变化，分析系统的性能；6、 撰写设计说明书（字数不得少于5000字）；7、列出设计时的参考文献。参考文献现代通信原理 志刚编著 清华大学通信原理课程设计指导书 金光浪主编 瓷学院Systemview 动态系统分析与通信系统仿真设计罗卫兵等编著，电子科技大学Systemview系统设计与仿真入门与应用东生等编著，电

3、子工业数字通信系统的Systemview仿真与分析青松等编著，航空航天大学Matlab通信仿真与应用实例详解 邓华等编著 人民邮电现代通信系统分析与仿真Matlab通信工具箱 新建等编著 电子科技大学目 录一、绪论3二、Systemview软件简介52.1 Systemview软件特点42.2 使用Systemview进行系统仿真的步骤4三、二进制频移键控（2FSK）53.1.1. 一般原理与实现方法53. 1.2. 2PSK信号的频谱和带宽63. 1. 3 .2PSK系统的抗噪声性能83.2 .1一般原理与实现方法103.2.22DPSK信号的频谱和带宽143.2.32DPSK系统的抗噪声性

4、能143.2.42PSK与2DPSK系统的比较15基于Systemview的通信系统2PSK的仿真摘 要数字通信系统, 按调制方式可以分为基带传输和带通传输。数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率低频段，因而在很多实际的通信中就不能直接进行传输，需要借助载波调制进行频谱搬移，将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传输，这种传输方式，称为数字信号的频带传输或调制传输。数字调制在实现的过程中常采用键控的方法，从几个不同参量的独立振荡源中选参量，由此产生的三种基本调制方式分别称为振幅键控（ASK,Amplitude-Shift keying）、移频键控（FSK ，Frequency

5、-Shift keying）和移相键(PSK,Phase-Shift keying )或差分移相（DPSK,DifferentPhase-Shift keying）。本文通过Systemview仿真软件，对2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK系统进行仿真，分析2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK的信号的调制方式，频谱特性，2ASK的相干解调和非相干解调系统、利用Costas环对2FSK、2PSK信号进行解调以与2FSK、2PSK的相干解调系统，并且对2PSK的抗噪声性能做了一定的分析，最后同样用两种方式对2DPSK信号解调，并进行仿真分析。通过对2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK

6、系统的分析，对几种调制方式的抗噪声性能、频带利用率与相干解调和非相干解调的抗噪声性能等有了更加清楚的认识。关键字：2ASK；2FSK；2PSK；2DPSK；相干解调；非相干解调；Systemview一、绪论数字通信系统, 按调制方式可以分为基带传输和带通传输。数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率（如06M）低频段，因而在很多实际的通信（如无线信道）中就不能直接进行传输，需要借助载波调制进行频谱搬移，将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传输，这种传输方式，称为数字信号的频带传输或调制传输、载波传输。所谓调制，是用基带信号对载波波形的某参量进行控制，使该参量随基带信号的规律变

7、化从而携带消息。对数字信号进行调制可以便于信号的传输；实现信道复用；改变信号占据的带宽；改善系统的性能。和模拟调制不同的是，由于数字基带信号具有离散取值的特点，所以调制后的载波参量只有有限的几个数值，因而数字调制在实现的过程中常采用键控的方法，就像用数字信息去控制开关一样，从几个不同参量的独立振荡源中选参量，由此产生的三种基本调制方式分别称为振幅键控（ASK,Amplitude-Shift keying）、移频键控（FSK,Frequency-Shift keying）和移相键(PSK,Phase-Shift keying )或差分移相键（DPSK,DifferentPhase-Shift k

8、eying）。数字调制系统的基本结构如图：在数字调制中，数字基带信号可以是二进制的，也可以是多进制的，对应的就有二进制数字调制和多进制数字调制两种不同的数字调制，最简单的情况即是以二进制数字基带信号作为调制信号的二进制数字调制，本次课程设计主要针对就是最常用的二进制数字调制方式即二进制振幅键控、移频键控和移相键控三进行系统仿真分析，通过学习Systemview仿真软件，对对三种系统进行仿真，熟悉2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK的原理、已调信号的频谱特点和各系统的抗噪声性能。二、Systemview软件简介2.1 Systemview软件特点Systemview是El ANIX公司推出的

9、一个完整的动态系统设计、模拟和分析的可视化软件。他可以提供大量的信号源供系统分析使用；其丰富的算子图符和函数库便于设计和分析各种系统；其多种信号接受器为时域和频域的数值分析提供便捷的途径；其无限制的分层结构使建立大而复杂的系统变得容易；另外他还提供对于外部数据文件的接口，使信号分析更加灵活方便。Systemview操作简单，使用方便，只要用鼠标从Systemview 库中选择图符并将他们拖拽到设计窗口中连接起来创造线性和非线性，离散和连续，模拟、数字和混合模式的系统，Systemview 的所有图符都有相似的参数定义窗口，我们所要做的只是修改各个图符的参数，无需编程即可实现系统的设计和模拟。S

10、ystemview 的界面直观，设计窗口中各功能模块都用形象直观的图符表示，分析窗口中分析结果以各种图形直观显示，使我们对系统的结构，功能和分析结果一目了然。他的另一个重要特点是可扩展性，Systemview 允许用户插入使用C+编写的用户代码库，插入的用户库自动集成到Systemview 中，能够像建库一样使用。Systemview提供了智能化的辅助设计。在系统设计仿真时，Systemview 能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息。通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。并在编译时，给出系统运行的大约时间，方便了设计人员进行调试。其带有的API功能可以利用VC 环

11、境，将系统编译成可脱离Systemview独立运行的可执行文件，大大提高了运行速度和仿真效率。2.2使用Systemview进行系统仿真的步骤使用Systemview进行系统仿真，一般要经过以下几个步骤：(1)建立系统的数学模型根据系统的基本工作原理，确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分的关系，画出系统框图。(2)从各种功能库中选取、拖动可视化图符，组建系统在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接受器图符库中选取满足需要的功能模块，将其图符拖到设计窗口，按设计的系统框图组建系统。(3)设置、调整参数，实现系统模拟参数设置包括运行系统参数设置(系统模拟时间，采样速率等)和功能

12、模块运行参数(正弦信号源的频率、幅度、初相，低通滤波器的截止频率、通带增益、阻带衰减等)。(4)设置观察窗口，分析模拟数据和波形在系统的关键点处设置观察窗口，用于检查、监测模拟系统的运行情况，以便与时调整参数，分析结果三 .1 一般原理与实现方法    绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通常用相位0和来分别表示“0”或“1”。2PSK已调信号的时域表达式为             

13、                   （5-58）这里，与2ASK与2FSK时不同，为双极性数字基带信号，即                         &

14、#160;          （5-59）式中，是高度为1，宽度为的门函数；                               （5-60）   &#

15、160;因此，在某一个码元持续时间观察时，有，或                （5-61）    当码元宽度为载波周期的整数倍时，2PSK信号的典型波形如图5-17所示。 图5-17  2PSK信号的典型波形2PSK信号的调制方框图如图5-18示。图（a）是产生2PSK信号的模拟调制法框图；图（b）是产生2PSK信号的键控法框图。图5-18  2

16、PSK调制器框图    就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对要求不同，因此2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。    2PSK信号属于DSB信号，它的解调，不再能采用包络检测的方法，只能进行相干解调，其方框图如图5-19。工作原理简要分析如下。 图5-19 2PSK信号接收系统方框图 不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为 

17、60;                        （5-62）    式中为2PSK信号某一码元的初相。时，代表数字“0”；时，代表数字“1”。与同步载波相乘后，输出为       （5-63）经低通滤波器滤除高频分量，得解调器输出为 

18、                      （5-64）    根据发端产生2PSK信号时（0或）代表数字信息（“1”或“0”）的规定，以与收端与的关系的特性，抽样判决器的判决准则为             &

19、#160;                （5-65）其中为在抽样时刻的值。2PSK接收系统各点波形如图5-20所示。                           

20、;                   可见，2PSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。由于2PSK信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为相位或相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接

21、收端发生错误恢复的现象称为“倒”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。这也是它实际应用较少的主要原因。    由于习惯上画波形时以正弦形式画图较方便，这与数学式常用余弦形式表示载波有些不一致，请读者看图时注意。2. 2PSK信号的频谱和带宽    比较式（5-58）和（5-1）可知，2PSK信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全一样的，所不同的只是两者基带信号的构成，一个由双极性NRZ码组成，另一个由单极性NRZ码组成。因此，求2PSK信号的功率谱密度时，也可采用与求2A

22、SK信号功率谱密度一样的方法。    2PSK信号的功率谱密度可以写成                              （5-66）    其中基带数字信号的功率谱密度可按照4.1节中介绍的方法直接推出。对于双

23、极性NRZ码，引用4.1节例4.2的结果式（4-6），有需要注意的是，该式是在双极性基带信号“0”、“1”等概（）出现的条件下获得的，一般情况下，当时，中将含有直流分量。将上式代入式（5-66），得                 （5-68）2PSK信号功率谱示意图如图5-21所示。图5-21  2PSK信号的功率谱由图5-21可见：（1）当双极性基带信号以相等的概率（）出现时，2PSK信号的功率谱仅由连

24、续谱组成。而一般情况下，2PSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于数字基带信号经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。（2）2PSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本一样（仅差一个常数因子）。因此，2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的一样                          

25、      （5-69）                                 （5-70）    其中，为数字基带信号带宽。这就表明，在数字调制中，2PSK（

26、后面将会看到2DPSK也同样）的频谱特性与2ASK十分相似。相位调制和频率调制一样，本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。这样一来，数字调一样线性调制的数字调幅就联系起来了，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。但是不能把上述概念推广到所有调相信号中去。3. 2PSK系统的抗噪声性能    在最佳门限时，2PSK系统的误码率为            

27、;                   （5-78）式中，为接收端带通滤波器输出端信噪比。在大信噪比下，上式成为                         

28、;           （5-79）四二进制差分相移键控（2DPSK）1. 一般原理与实现方法二进制差分相移键控常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。    假设相对载波相位值用相位偏移表示，并规定数字信息序列与之间的关系为    则按照该规定可画出2DPSK信号的波形如图

29、5-24所示。由于初始参考相位有两种可能，因此2DPSK信号的波形可以有两种（另一种相位完全相反，图中未画出）。为便于比较，图中还给出了2PSK信号的波形。由图5-24可以看出：（1）与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应一样的数字信息符号，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。（2）单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的，比如图5-2

30、4中2DPSK也可以是另一符号序列（见图中下部的序列，称为相对码，而将原符号序列称为绝对码）经绝对移相而形成的。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。这里的相对码，就是4.1节中介绍的差分码，其是按相邻符号不变表示原数字信息“0”，相邻符号改变表示原数字信息“1”的规律由绝对码变换而来的。    绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为&#

31、160;                          （5-80）                      &#

32、160;    （5-81）    这里，表示模二和。使用模二加法器和延迟器（延迟一个码元宽度）可以实现上述转换，如图5-25（a）、（b）所示。其中，图（a）是把绝对码变成相对码的方法，称其为差分编码器；图（b）是把相对码变为绝对码的方法，称其为差分译码器。由以上讨论可知，相对相移本质上就是对由绝对码转换而来的差分码的数字信号序列的绝对相移。那么，2DPSK信号的表达式与2PSK的形式（5-58）应完全一样，所不同的只是此时式中的信号表示的是差分码数字序列。即    

33、60;                   （5-82）这里                         （5-83）与的关系由式（5-80）确定。

34、0;   实现相对调相的最常用方是基于上述讨论而建立的，如图5-26所示。首先对数字信号进行差分编码，即由绝对码表示变为相对码（差分码）表示，然后再进行2PSK调制（绝对调相）。2PSK调制器可用前述的模拟法如图5-26（a），也可用键控法如图5-26（b）。图5-26 2DPSK调制器框图2DPSK信号的解调有两种解调方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调-码变换法。后者又称为极性比较码变换法。（1）相干解调-码变换法。此法即是2PSK解调加差分译码，其方框图见图5-27。2PSK解调器将输入的2DPSK信号还原成相对码，再由差分译码器（码反变换器）把相对码

35、转换成绝对码，输出。 （2）差分相干解调法。它是直接比较前后码元的相位差而构成的，故也称为相位比较法解调，其原理框图如图5-28（a）所示。 这种方法不需要码变换器，也不需要专门的相干载波发生器，因此设备比较简单、实用。图中延时电路的输出起着参考载波的作用。乘法器起着相位比较（鉴相）的作用。图5-28（b）以数字序列=1011001为例，给出了2DPSK信号差分相干解调系统各点波形。据此，极易分析其工作原理。2. 2DPSK信号的频谱和带宽    由前讨论可知，无论是2PSK还是2DPSK信号，就波形本身而言，它们都可以等效成双极性基

36、带信号作用下的调幅信号，无非是一对倒相信号的序列。因此，2DPSK和2PSK信号具有一样形式的表达式，所不同的是2PSK表达式中的是数字基带信号，2DPSK表达式中的是由数字基带信号变换而来的差分码数字信号。据此，有以下结论：（1）2DPSK与2PSK信号有一样的功率谱，如图5-21所示。（2）2DPSK与2PSK信号带宽一样，是基带信号带宽的两倍，即                    

37、60;          （5-84）（3）2DPSK与2PSK信号频带利用率也一样，为                                 （5-85）3. 2DPSK系统的抗噪声性能（1）极性比较-码变换法解调时2DPSK系统的抗噪声性能    2DPSK信号极性比较-码变换方式解调时的误码率为