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文檔簡介
1、<p> 《基于System View的2PSK調(diào)制與解調(diào)》</p><p><b> 課程設計說明書</b></p><p> 題 目 基于System view的2PSK調(diào)制與解調(diào) </p><p> 課 程 名 稱 基于System view的2PSK調(diào)
2、制與解調(diào) </p><p> 系 院 信息工程學院 </p><p> 專 業(yè) </p><p> 班 級 </p><p> 學
3、 生 姓 名 </p><p> 學 號 </p><p> 設 計 地 點 </p><p> 指 導 教 師 </p><p> 設計起止時間: 2012年
4、6月 7日 至 2012年 6月 1日 </p><p><b> 目 錄</b></p><p><b> 一、需求分析*</b></p><p> 二、系統(tǒng)總體設計*</p><p> 三、系統(tǒng)詳細設計*</p><p><b>
5、 四、調(diào)試與維護*</b></p><p><b> 五、結束語*</b></p><p><b> 六、參考文獻*</b></p><p> 七、指導教師評閱*</p><p><b> 一、需求分析</b></p><p&g
6、t; 數(shù)字通信系統(tǒng), 按調(diào)制方式可以分為基帶傳輸和帶通傳輸。數(shù)字基帶信號的功率一般處于從零開始到某一頻率(如0~6M)低頻段,因而在很多實際的通信(如無線信道)中就不能直接進行傳輸,需要借助載波調(diào)制進行頻譜搬移,將數(shù)字基帶信號變換成適合信道傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號進行傳輸,這種傳輸方式,稱為數(shù)字信號的頻帶傳輸或調(diào)制傳輸、載波傳輸。</p><p> 所謂調(diào)制,是用基帶信號對載波波形的某參量進行控制,使該參量隨基帶信
7、號的規(guī)律變化從而攜帶消息。對數(shù)字信號進行調(diào)制可以便于信號的傳輸;實現(xiàn)信道復用;改變信號占據(jù)的帶寬;改善系統(tǒng)的性能。</p><p> 和模擬調(diào)制不同的是,由于數(shù)字基帶信號具有離散取值的特點,所以調(diào)制后的載波參量只有有限的幾個數(shù)值,因而數(shù)字調(diào)制在實現(xiàn)的過程中常采用鍵控的方法,就像用數(shù)字信息去控制開關一樣,從幾個不同參量的獨立振蕩源中選參量,由此產(chǎn)生的三種基本調(diào)制方式分別稱為振幅鍵控(ASK,Amplitude-S
8、hift keying)、</p><p> 移頻鍵控(FSK,Frequency-Shift keying)和移相鍵(PSK,Phase-Shift keying )或差分移相鍵(DPSK,DifferentPhase-Shift keying)。數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結構如圖所示:</p><p> 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結構圖</p><p><b>
9、 二、系統(tǒng)總體設計</b></p><p> 在數(shù)字調(diào)制中,數(shù)字基帶信號可以是二進制的,也可以是多進制的,對應的就有二進制數(shù)字調(diào)制和多進制數(shù)字調(diào)制兩種不同的數(shù)字調(diào)制,最簡單的情況即是以二進制數(shù)字基帶信號作為調(diào)制信號的二進制數(shù)字調(diào)制,本次課程設計主要針對就是最常用的二進制數(shù)字調(diào)制方式即二進制振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控三進行系統(tǒng)仿真分析,通過學習Systemview仿真軟件,對對三種系統(tǒng)進行仿真,熟悉
10、2PSK的原理、已調(diào)信號的頻譜特點和各系統(tǒng)的抗噪聲性能。</p><p> 所謂2PSK就是根據(jù)數(shù)字基帶信號的兩個電平使載波相位在兩個不同的數(shù)值之間切換的一種相位調(diào)制方法 ,而2PSK的解調(diào)只能采用相干解調(diào)方法。</p><p><b> 三、系統(tǒng)詳細設計</b></p><p> 一、SystemView的基本介紹</p>
11、<p> SystemView是一個用于現(xiàn)代科學與科學系統(tǒng)設計及仿真打動態(tài)系統(tǒng)分析平臺。從濾波器設計、信號處理、完整通信系統(tǒng)打設計與仿真,到一般打系統(tǒng)數(shù)字模型建立等各個領域,SystemView在友好而功能齊全打窗口環(huán)境下,為用戶提供啦一個精密的嵌入式分析工具。</p><p> 進入SystemView后,屏幕上首先出現(xiàn)該工具的系統(tǒng)視窗,系統(tǒng)視窗最上邊一行為主菜單欄,包括:文件(File)、編輯
12、(Edit)、參數(shù)優(yōu)選(Preferences)、視窗觀察(View)、便箋(NotePads)、連接(Connetions)、編譯器(Compiler)、系統(tǒng)(System)、圖符塊(Tokens)、工具(Tools)和幫助(Help)共11項功能菜單。如下圖(1)所示。</p><p><b> 圖1</b></p><p> 使用Systemview進行系統(tǒng)
13、仿真,一般要經(jīng)過以下幾個步驟:</p><p> (1)建立系統(tǒng)的數(shù)學模型 根據(jù)系統(tǒng)的基本工作原理,確定總的系統(tǒng)功能,并將各部分功能模塊化,找出各部分的關系,畫出系統(tǒng)框圖。</p><p> (2)從各種功能庫中選取、拖動可視化圖符,組建系統(tǒng)在信號源圖符庫、算子圖符庫、函數(shù)圖符庫、信號接受器圖符庫中選取滿足需要的功能模塊,將其圖符拖到設計窗口,按設計的系統(tǒng)框圖組建系統(tǒng)。</p&g
14、t;<p> (3)設置、調(diào)整參數(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)模擬參數(shù)設置包括運行系統(tǒng)參數(shù)設置(系統(tǒng)模擬時間,采樣速率等)和功能模塊運行參數(shù)(正弦信號源的頻率、幅度、初相,低通濾波器的截止頻率、通帶增益、阻帶衰減等)。</p><p> (4)設置觀察窗口, 分析模擬數(shù)據(jù)和波形在系統(tǒng)的關鍵點處設置觀察窗口,用于檢查、監(jiān)測模擬系統(tǒng)的運行情況,以便及時調(diào)整參數(shù),分析結果。</p><p>
15、System View的工具欄</p><p> 設計窗口中工具欄,如下圖2所示,由十六個常用快捷功能按鈕組成動作條,如圖所示。當鼠標移動到每個圖標時,系統(tǒng)會自動顯示該按鈕的作用。</p><p><b> 圖2 工具欄</b></p><p> 從左到右依次為切換按鈕、打開文件按鈕、保存按鈕、打印按鈕、清除按鈕、刪除按鈕、斷開連接按鈕、
16、連接按鈕、復制按鈕、反轉(zhuǎn)按鈕、便箋按鈕、創(chuàng)建嵌套系統(tǒng)按鈕、觀察嵌套系統(tǒng)按鈕、根軌跡按鈕、波特圖按鈕、重繪按鈕、取消操作按鈕、開始仿真按鈕、系統(tǒng)定時按鈕、分析窗口按鈕。</p><p> System View的圖標庫</p><p> 圖標是System View仿真運算,處理的基本單元,共分為三大類;第一類包括信號源庫,它只有輸出端沒有輸入端;第二個類包括觀察窗庫,它只有輸入端沒有輸
17、出端;第三類包括其他所有圖表庫,這類圖標都有一定個數(shù)的輸入端和輸出端. 在設計窗口的左邊有一個圖標庫區(qū),一組是基本庫(Main Libraries),共8個。另一組是可選擇的專業(yè)庫(Optional Libraries),如通信庫、數(shù)字信號處理庫、邏輯庫、射頻/模擬庫等,支持用戶自己用C/C++語言編寫源代碼定義圖標以完成所需自定義功能的用戶自定義庫(Custom),及可調(diào)用、訪問Matlab的函數(shù)的M-Link庫,以及CDMA、DVB
18、、自適應濾波器庫等。</p><p><b> 圖3 基本庫圖標</b></p><p> 在上述八個圖符中,除雙擊加法器和乘法器圖符按鈕可直接使用外,雙擊其他按鈕會出現(xiàn)相應的對話框,應進一步設置圖符塊的操作參數(shù)。單擊圖符庫選擇區(qū)最上面的主庫開關按鈕“Main”,將出現(xiàn)選擇開關按鈕“Option”下的庫(user)、通信庫(comm)、DSP庫、邏輯庫(LOGIC
19、)、射頻/模擬庫(RF/ANALOG)和數(shù)學庫(MATALAB)選擇按鈕,可分別雙擊他們選擇調(diào)用。在設計窗口中間的大片區(qū)域就是工作區(qū)域,用戶可以在這里放置、定義和連接各種圖符,建立新的系統(tǒng)。</p><p> 系統(tǒng)視窗左側(cè)豎排為圖符庫選擇區(qū)。圖符塊(Token)是構造系統(tǒng)的基本單元模塊,相當于系統(tǒng)組成框圖中的一個子框圖,用戶在屏幕上所能看到的僅僅是代表某一數(shù)學模型的圖形標志(圖符塊),圖符塊的傳遞特性由該圖符塊
20、所具有的仿真數(shù)學模型決定。創(chuàng)建一個仿真系統(tǒng)的基本操作是,按照需要調(diào)出相應的圖符塊,將圖符塊之間用帶有傳輸方向的連線連接起來。這樣一來,用戶進行的系統(tǒng)輸入完全是圖形操作,不涉及語言編程問題,使用十分方便。進入系統(tǒng)后,在圖符庫選擇區(qū)排列著8個圖符選擇按鈕創(chuàng)建系統(tǒng)的首要工作就是按照系統(tǒng)設計方案從圖符庫中調(diào)用圖符塊,作為仿真系統(tǒng)的基本單元模塊??捎檬髽俗箧I雙擊圖符庫選擇區(qū)內(nèi)的選擇按鈕。</p><p> 當需要對系統(tǒng)中
21、各測試點或某一圖符塊輸出進行觀察時,通常應放置一個信宿(Sink)圖符塊,一般將其設置為“Analysis”屬性。Analysis塊相當于示波器或頻譜儀等儀器的作用,它是最常使用的分析型圖符塊之一。</p><p> 在SystemView系統(tǒng)窗中完成系統(tǒng)創(chuàng)建輸入操作(包括調(diào)出圖符塊、設置參數(shù)、連線等)后,首先應對輸入系統(tǒng)的仿真運行參數(shù)進行設置,因為計算機只能采用數(shù)值計算方式,起始點和終止點究竟為何值?究竟需要
22、計算多少個離散樣值?這些信息必須告知計算機。假如被分析的信號是時間的函數(shù),則從起始時間到終止時間的樣值數(shù)目就與系統(tǒng)的采樣率或者采樣時間間隔有關。實際上,各類系統(tǒng)或電路仿真工具幾乎都有這一關鍵的操作步驟,SystemView也不例外。如果這類參數(shù)設置不合理,仿真運行后的結果往往不能令人滿意,甚至根本得不到預期的結果。有時,在創(chuàng)建仿真系統(tǒng)前就需要設置系統(tǒng)定時參數(shù)。</p><p> 時域波形是最為常用的系統(tǒng)仿真分析
23、結果表達形式。進入分析窗后,單擊“工具欄”內(nèi)的繪制新圖按鈕(按鈕1),可直接順序顯示出放置信宿圖符塊的時域波形,</p><p> 對于碼間干擾和噪聲同時存在的數(shù)字傳輸系統(tǒng),給出系統(tǒng)傳輸性能的定量分析是非常繁雜的事請,而利用“觀察眼圖”這種實驗手段可以非常方便地估計系統(tǒng)傳輸性能。實際觀察眼圖的具體實驗方法是:用示波器接在系統(tǒng)接收濾波器輸出端,調(diào)整示波器水平掃描周期Ts,使掃描周期與碼元周期Tc同步(即Ts=nT
24、c,n為正整數(shù)),此時示波器顯示的波形就是眼圖。由于傳輸碼序列的隨機性和示波器熒光屏的余輝作用,使若干個碼元波形相互重疊,波形酷似一個個“眼睛”,故稱為“眼圖”?!把劬Α睊甑迷酱螅砻髋袥Q的誤碼率越低,反之,誤碼率上升。SystemView具有“眼圖”這種重要的分析功能。當需要觀察信號功率譜時,可在分析窗下單擊信宿計算器圖標按鈕,出現(xiàn)“SystemView信宿計算器”對話框,單擊分類設置開關按鈕spectrum,完成功率譜的觀察。<
25、;/p><p> 二、 二進制相移鍵控(2PSK)的調(diào)制</p><p> 2.1. 2PSK的調(diào)制原理</p><p> 2PSK是利用載波的不同相位去直接傳送數(shù)字信息的一種方式,若用相位π代表“0” 碼, 相位0代 表“ 1” 碼, 即規(guī)定數(shù)字基帶信號為“0” 碼時, 已調(diào)信號相對于載波的相位為π;數(shù)字基帶信號為“1”碼時 ,已調(diào)信號相對載波相位為同相。&l
26、t;/p><p> 2PSK已調(diào)信號的時域表達式為: </p><p> μ2psk= A [Σang(t-nTs)]coswt (an=1或-1) </p><p> e2psk=Acos(wt+φn)</p><p> 這種以載波的不同相位直接去表示二進制數(shù)字信號的調(diào)制方式,稱為二進制絕對方式。 </p><p&g
27、t; 數(shù)字相位調(diào)制是用數(shù)字基帶信號控制載波的相位, 使載波的相位發(fā)生跳變的一種調(diào)制方式,2PSK( 二進制相位鍵控) 調(diào)制可采用直接調(diào)相法即雙極性數(shù)字基帶信號與載波直接相乘的方法,也可采用相位選擇法即由振蕩器和反相器電路來實現(xiàn)調(diào)制的方法。其原理框圖如圖4,其中。圖(a)就是一般的模擬相乘法,用乘法器實現(xiàn);圖(b)是一種數(shù)字鍵控法。</p><p> 圖(a)模擬相乘法 </p><p>
28、;<b> 圖(b)數(shù)字鍵控法</b></p><p> 圖4 2PSK調(diào)制器原理框圖</p><p> 2.2. 2PSK的調(diào)制的仿真設計</p><p> 根據(jù)模擬相頻法原理圖,利用System View軟件進行仿真設計,得到圖5 </p><p> 圖5 2PSK調(diào)制仿真設計圖</p>&l
29、t;p><b> 參數(shù)設置:</b></p><p> Token 0:基帶信號--PN碼序列將參數(shù)設置為Rate=10HZ,</p><p> Amp(幅度)= 0.5v, Offset(偏移)= 0.5v;</p><p> Token 7、8:相乘器</p><p> Token 3: 載波,載波頻
30、率為10Hz</p><p> Token 2:延時器,delay=0.5s</p><p> Token 6:反相器</p><p> Token 9:加法器</p><p> Token 1、4、5、10: 分析觀察窗口</p><p> 檢查仿真電路圖和參數(shù)設置無誤后,進行仿真運行,運行時間設置為:St
31、art Time: 0秒; Stop Time: 1秒;采樣頻率:Sample Rate:10000Hz。如圖6所示:</p><p> 圖6 運行時間設置窗口</p><p> 運行后可以很直觀地觀察到各點的波形如圖7、8、9所示</p><p> 圖7二進制不歸零信號</p><p><b> 圖8 載波波形</b
32、></p><p><b> 圖9 調(diào)制輸出波形</b></p><p> 基帶信號頻率=10HZ,載波頻率=10HZ。將雙極性不歸零信號同載波相乘得到2PSK信號。</p><p><b> 圖10</b></p><p> 信源:(發(fā)送0的概率幅度為1,發(fā)送1的概率幅度為-1)&l
33、t;/p><p><b> 圖11</b></p><p><b> 已調(diào)信號:</b></p><p><b> 圖12</b></p><p> 三、二進制相移鍵控(2PSK)的解調(diào)</p><p> 3.1 2PSK的解調(diào)原理</p&g
34、t;<p> 2PSK信號有多種解調(diào)方法,如非相干解調(diào)(包絡檢波法)、相干解調(diào)法、鑒頻法、過零檢測法及差分檢波法等,這里給出相干解調(diào)法的接收系統(tǒng)組成方框圖如圖13所示。</p><p> 圖13 2PSK解調(diào)器原理框圖</p><p> 3.2 2PSK的解調(diào)的仿真設計</p><p> 根據(jù)相干解調(diào)法原理圖,利用System View軟件進行
35、仿真設計,得到圖14</p><p> 圖14 2PSK解調(diào)仿真設計圖</p><p><b> 參數(shù)設置:</b></p><p> Token 0:基帶信號--PN碼序列將參數(shù)設置Rate=10Hz,</p><p> Amp(幅度)= 1v, Offset(偏移)= 0v;</p><p
36、> Token 2、9: 乘法器</p><p> Token 3、6: 載波,載波頻率為100Hz</p><p> Token 5:加法器</p><p> Token 11:IIR Butterworth低通濾波器,截止頻率60Hz,No.of Poles=3;</p><p> Token 13:比較器</p&g
37、t;<p> Token 14:保持器</p><p> Token 1、4、7、10、12、15: 分析觀察窗口</p><p> 檢查仿真電路圖和參數(shù)設置無誤后,進行仿真運行,運行時間設置為:Start Time: 0秒; Stop Time: 1秒;采樣頻率:Sample Rate:10000Hz。如圖15所示:</p><p> 圖15
38、 運行時間設置窗口</p><p> 運行后可以很直觀地觀察到各點的波形如圖16、17、22、23、24、25所示。</p><p><b> 圖16 原始信號</b></p><p> 圖17 2PSK調(diào)制信號</p><p> 基帶信號頻率=30HZ,電平=2,偏移=0,載波頻率=600HZ,模擬低通濾波器頻
39、率=225,極點個數(shù)為3。</p><p><b> 圖18</b></p><p><b> 模塊1為調(diào)制信號:</b></p><p><b> 圖19</b></p><p> 模塊2為解調(diào)后的調(diào)制信號</p><p><b>
40、 圖20</b></p><p><b> 模塊3為已調(diào)信號</b></p><p><b> 圖21</b></p><p> 圖22 加入高斯白噪聲的波形</p><p> 圖23 調(diào)制信號加入噪聲經(jīng)過相乘器后的波形</p><p> 圖24 經(jīng)過低
41、通濾波器后的波形</p><p> 圖25 解調(diào)輸出的波形</p><p><b> 四、調(diào)試與維護</b></p><p> 2PSK調(diào)制相對2FSK、2ASK具有帶寬窄、頻帶利用率高 、抗干擾性強等優(yōu)點,因此被廣泛地運用于中、高速通信系統(tǒng)中。但在更高速的通信系統(tǒng)中,2PSK調(diào)制已不能滿足頻帶利用率和系統(tǒng)的有效性等要求,故基本采用多進制
42、系統(tǒng)。此外,絕對調(diào)相系統(tǒng)會產(chǎn)生倒相現(xiàn)象,因此應考慮采用相對相位調(diào)相系統(tǒng)。</p><p> 產(chǎn)生倒相現(xiàn)象的原因是在2PSK信號的載波恢復過程中存在180°相位模糊,既恢復的本地載波與所需的相干載波可能同相,也可能反相,這種相位關系的不確定性將會造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好相反,判決器輸出信號全部出錯,這也是2PSK方式在實際中很少采用的主要原因。另外,在隨機信號碼元序列中,信號波形
43、有可能出現(xiàn)長時間連續(xù)的正弦波形,致使在接受端無法辨認信號碼元的起止時刻。為了解決上述問題,可以采用差分相移鍵控體制。</p><p> 2PSK系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)圖對比:</p><p><b> 圖26</b></p><p><b> 圖27</b></p><p> 模塊1、模塊2分別為調(diào)制
44、信號、解調(diào)信號。它們波形整體一致,但是每段的起點處存在一定的波動誤差,造成的主要原因是調(diào)制系統(tǒng)的誤差。仿真結果準確。同樣已調(diào)信號不是很清楚,因為載波頻率太高的緣故。</p><p> 相干解調(diào)錯一位,碼變換錯兩位;相干解調(diào)錯連續(xù)兩位,碼變換也錯兩位;相干解調(diào)錯連續(xù)n位,碼變換也錯兩位。</p><p><b> 五、結束語</b></p><p
45、> 通過課程設計實習課的學習,我對二進制數(shù)字調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)有更為深入的了解,尤其是對2PSK系統(tǒng),同時我也充分認識到了理論和實踐相結合的重要性。平時我們一味的學習理論知識,很少有自己動手設計的機會,但這次課程設計為我們提供了一個好的機會,不僅鍛煉了我們的動手能力,還使我們對通信系統(tǒng)有了感性的認識。</p><p><b> 六、參考文獻</b></p><p&g
46、t; [1] 樊昌信,曹麗娜編著,通信原理,電子工業(yè)出版社,2006。</p><p> [2] 李東生.《SystemView系統(tǒng)設計及仿真入門與應用》 電子工業(yè)出版社 2002</p><p> [3] 李哲英主編,SystemView動態(tài)系統(tǒng)分析與設計軟件學習版中文手冊1997。</p><p> [4] 陳星,劉斌,SystemView通信原理實驗指
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