二进制数字频带传输系统的设计.doc

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1、 课程设计说明书 目 录1技术要求12基本原理12.1 2DPSK信号原理12.2 2DPSK信号的调制原理22.3 2DPSK信号的解调原理32.3.1 2DPSK信号解调的极性比较和码变换法32.3.2 2DPSK信号解调的差分相干解调法33 建立模型描述43.1差分和逆差分变换模型43.2 带通滤波器和低通滤波器的模型43.3 抽样判决器模型43.4总模型框图43.4.1 2DPSK模拟调制和极性相干解调法仿真43.4.2 2DPSK模拟调制和差分相干解调法仿真44 SystemView元件简介45 模块功能分析45.1 信号源source library45.2 差分器45.3 调制和

2、加噪模块45.4 解调模块46调试过程及结论46.1 差分相干法46.2 极性比较法47 心得体会48 参考文献4二进制数字频带传输2DPSK系统的设计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信号原理2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。现假设用表示本码元初相与前一码元初相之差，并规定：0表

3、示0码，表示1码。则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在接收端只能采用相干解调，它的时域波形图如图1所示。图1 2DPSK信号在这种绝对移相方式中，发送端是采用某一个相位作为基准，所以在系统接收端也必须采用相同的基准相位。如果基准相位发生变化，则在接收端回复的信号将与发送的数字信息完全相反。所以在实际过程中一般不采用绝对移相方式，而采用相对移相方式。定义DF为本码元初相与前一码元初相之差，假设：DF=0数字信息“0”；DF=p数字信息“1”。0则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息

4、： 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1DPSK信号相位：0 p p 0 p p 0 p 0 0 p或：p 0 0 p 0 0 p 0 p p 02.2 2DPSK信号的调制原理 一般来说，2DPSK信号有两种调试方法，即模拟调制法和键控法。2DPSK信号的的模拟调制法框图如图2所示，其中码变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码。码变换相乘载波s(t)eo(t)图2 模拟调制法2DPSK信号的的键控调制法框图如图3所示，其中码变换的过程为将输入的基带信号差分，即变为它的相对码。选相开关作用为当输入为数字信息“0” 时接相位0，当输入数字信息为“1”时接pi。图3 键控法调制原

5、理图2.3 2DPSK信号的解调原理2DPSK信号最常用的解调方法有两种，一种是极性比较和码变换法，另一种是差分相干解调法。2.3.1 2DPSK信号解调的极性比较和码变换法它的原理是2DPSK信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再与本地载波相乘，去掉调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决的到基带信号的差分码，再经过逆差分器，就得到了基带信号。它的原理框图如图1.1.4所示。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器逆差分器本地载波2DPSK图 4 极性比较解调原理图2.3.2 2DPSK信号解调的

6、差分相干解调法差分相干解调的原理是2DPSK信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。它的原理框图如图1.1.5所示。相乘器低通滤波器抽样判决器2DPSK带通滤波器图 5 差分相干解调原理图3 建立模型描述3.1差分和逆差分变换模型差分变换模型的功能是将输入的基带信号变为它的差分码。用到的SystemView模块有延时器Delay,异或门。由于求差分码的过程就是将基带信号与差分码前一个码

7、元求异或，所以异或门的输出经单位延时后与基带信号分别接到异或门的两个输入端，异或门的输出就是基带信号的差分码。3.2 带通滤波器和低通滤波器的模型带通滤波器模型的作用是只允许通过（fl，fh）范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平。低通滤波器模型的作用是只允许通过（0，fh）范围内的频率分量，并且将其他范围的频率分量衰减到极低水平。在SystemView中带通滤波器和低通滤波器的模型可以用operator library中的模块模拟。3.3 抽样判决器模型抽样判决器的功能是根据位同步信号和设置的判决电平来还原基带信号。在SystemView中抽样判决器可以用Logic Libr

8、ary中的模块来模拟。它的模型框图如图所示，它的内部结构图如图所示。图 6 抽样判决器3.4总模型框图3.4.1 2DPSK模拟调制和极性相干解调法仿真 图7 2DPSK模拟调制和极性相干解调法仿真图3.4.2 2DPSK模拟调制和差分相干解调法仿真 图8 2DPSK模拟调制和差分相干解调法仿真图4 SystemView元件简介 ：原始基带信号产生器，产生一个按设定速率，由不同电平幅度脉冲组成的伪随机数列（PN）信号。 ：正弦波信号发生器，在调制部分作为载波输入。 ：延时器，使原信号产生一个码元的延迟。 ：乘法器。完成基带信号和载波信号的乘法运算以及延时信号与原信号相乘。 ：加法器。完成2AS

9、K信号和噪声的加法运算。 ：带通滤波器。主要功能是滤除杂波，使频率在最高和最低截止频率之间的信号通过。 ：低通滤波器。滤除和原始载波相乘后信号的高频成分，保留低频信号。 ：抽样判决器。主要作用是对经过低通后的信号进行抽样判决，高于门限电压的判为1，低于门限电压的判为0，从而还原原始基带信号。 ：异或门电路。 ：单刀双掷开关。在本设计中，主要实现2DPSK信号的调制。 ：反向器。 ：的基本信号接收器。该接收器平时无显示，必须进入系统分析窗口才能观察和分析输出结果。 ：数据列表，生成并在系统窗口显示接收到的数据表。 ：SystemView标准观察窗口，可在系统运行结束后于系统窗口中显示输出波形。5

10、 模块功能分析下面我们以2DPSK键控调制调制和差分相干解调法仿真为例来说明各个模块的功能和主要参数。5.1 信号源source librarySystemView 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 9所示，可以设置的参数是Amplitude和Rate。我们设置为Amplitude 1V, Rate 1e+3 图 9 信号源5.2 差分器 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10所示。它是由二个模块组成的子系统。其中异或门有两个参数需要设置Gate Del

11、ay为0，Threshold为100e-3,True Output为800e-3。 图 10 差分变换模块5.3 调制和加噪模块该模块的功能是2DPSK的调制和添加高斯白噪声，其中参数设置有正弦波：幅度（Amplitude）：这里采用默认值1。频率（Frequency）：单位是HZ,在仿真中设置为2000。相位（Phase）：单位是rad，在产生正弦波是设置为0，余弦波时设置为pi。键控开关Switch :键控开关采用SystemView中的Logic模块，其参数设置为Gate Delay为0S,Ctrl Thresh为100e-3V。噪声模块不需要设置参数。其调制框图如下所示： 图 11 调

12、制和加噪模块5.4 解调模块 在2DPSK系统的设计中可以用两种方法实现解调：差分相干法解调和极性比较法解调。如下图所示，其中的参数设置主要是滤波器的设置，滤波器用System -View中的Operator Library模块。输入滤波器设计参数，即可通过该模型来实现滤波器。他的主要参数有：滤波器设计方法：有巴特沃斯(Butterworth)切比雪夫1型(Chebyshev I)切比雪夫2型(Chebyshev II)以及椭圆型（Elliptic）。滤波器类型：低通（Lowpass）高通（Highpass）带通（Bandpass）和带阻(Bandstop)。通带下边频率：单位是rad/s，是

13、带通和带阻滤波器的设计参数。通带下边频率：单位是rad/s，是带通和带阻滤波器的设计参数。除此之外还有相乘器，延时器和抽样判决器。它的功能是将输入的两个信号相乘后输出。延时器采用SystemView中的Operator Library模块。它的功能是将输入的信号值延时一个预先设置的时间后输出。抽样判决器由SystemView中的已经存在的Operator Library模块组装成子系统。抽样判决器由D触发器，脉冲发生器和继电器组成。D触发器的功能是在脉冲发生器的电平发生跳变是将输入端的电平输出，在不跳变时输出不发生改变，继电器（Relay）的功能是将输入的电平转换为严格的0电平和1电平形式。图

14、12 差分相干法解调图13极性比较法解调两种方法的比较：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。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。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。极性比较法解调，此法即是2PSK解调加差分译码，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）把相对码转换成绝对码，输出 。6调试过程及结论6.1 差分相干法图14 信号源波形图信号源为频率为1000HZ的NRZ信号。图 15 差分变换波形图基带信号变为差分码就是将基带信号与差分码的前一

15、个码元求异或图16 键控法调制框图当输入信号为数字信息“0”时，接相位“0”。输入为数字信息“1”时，接相位“pi”。 图17 加噪经过带通滤波器的波形图调制过后加入高斯白噪声，连接到带通滤波器，去除调制信号以外的在信道中混入的噪声，再连接到相乘器。此相乘器是一路延时一个码元时间后与另一路信号相乘。作用是去除调制信号中的载波成分。图18 经低通滤波器波形图信号经过低通滤波器后，去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号。图19 抽样判决波形图信号经过抽样判决，便还原原始信号。比较信号源与抽样判决之后的信号，图形基本一致，不过有点延迟。6.2 极性比较法 图20 信号源波形图图21键控法调制框图图

16、 22 过低通波形图图 23 首次抽样波形图调制信号经过带通滤波器之后，与本地的载波相乘，然后通过低通滤波器，去除信号中的高频成分，得到包含基带信号的低频成分。最后抽样判决，得到基带信号的差分码波形。图24 逆差分变换波形图信号通过逆差分变换之后，便得到基带信号。图 25 2次通过低通滤波器波形图 图26 最后抽样判决波形图图27 误码波形图比较图26和图20可知，系统搭建正确，还原了原始信号。在仿真中基带信号的频率为2000HZ，即码元传输速率为Rs=0.0005B，则低通滤波器的阻带边频率设置为2000Hz。正弦波和与余弦波的频率设置为fc=2000Hz， 2DPSK信号的频率范围近似为（

17、fc-Rs，fc+Rs），则带通滤波器的通带下边频率设置为1000Hz，通带上边频率设置为3000Hz。设置完各模块参数，检查无错误后启动仿真，用示波器观察各点的波形。比较基带信号波形和输出波形，发现输出波形有一个码元的延时。在调试的过程中发现参数的设置十分重要，波形结果是否正确决定于各个模块参数的设置。尽管最终结果正确，但是对SystemView这个软件还是不熟悉，SystemView是比较重要的仿真软件，希望这次课设过后，能加深对SystemView的理解与使用。7 心得体会这次的课程设计需要使用SystemView软件进行仿真，我以前对这软件一无所知，在开始的时候觉得十分困难，通过查阅相

18、关书籍，和上网查阅有关SystemView的使用，下载教程学习SystemView软件的使用方法，最后终于完成了设计要求。这次的2DPSK数字基带传输系统设计与SystemView仿真使我加强了对2DPSK信号的认识，并且使我了解到利用SystemView软件进行仿真的基本方法。在仿真的过程中遇到了许多的问题，比如基带信号的产生方法，对基带信号的差分方法以及最后抽样判决还原基带信号的方法都曾使我感到困惑。在仿真中遇到的一个难题是基带码差分的问题，由于对差分的过程及其表达式理解不清，使我在这个问题上耽搁了很长的时间。最后在同学的提醒下才完成了差分模块的设计。2dpsk系统的设计可以用两种软件仿真

19、，一种是Matlab/Simulink;另一种就是我使用的SystemView。通过在互联网上查询和查看相关的书籍得知基带信号的产生有两种方法。一种是自己使用Matlab编程产生相应的信号，在利用Simulink中的From Workplace模块从工作空间引入，这种方法的有优点是可以产生自己定义的信号，缺点是加大了系统的复杂程度。另一种方法是使用Simulink中Bernoulli Binary Generator模块，它是系统变得简单，但它产生的信号不受控制。而SystemView直接添加相应的模块，在模块中设置参数即可。权衡之下，决定用SystemView进行这次课设的设计。总之，这次课程设计对我的意义十分重大。8 参考文献1 樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理（第5版）.国防工业大学出版社，20012 罗卫兵,孙桦,张捷.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计M.北京:电子工业出版社,20023 杜武林.高频电路原理与分析M.西安:西安电子科技大学出版社,2000.13-1515116