通信原理课程设计-基于system_view的4DPSK调制与解调的仿真.doc

目 录 引言引言.1 1.qdpsk 的组成、原理的组成、原理2 1.1 qdpsk 的调制原理.2 1.2 qdpsk 的解调原理.3 1.3 qdpsk 调制中差分编码与解码.4 1.4 qdpsk 中抽样判决.6 1.5 qdpsk 中逆码变换模块.6 2.qdpsk 系统的仿真系统的仿真.7 2.1 qdpsk 调制系统的仿真.7 2.2 qdpsk 解调系统的仿真.8 3.qdpsk 结果分析结果分析10 4.小结小结.12 附录附录 a13 附录附录 b.15 参考文献参考文献16 陕西理工学院通信原理课程设计 第 1 页 共 16 页 引言 在现实生活中数字信号的传输可分为基带传输和带通传输。不经载波调制而直接传输 数字基带信号的方式称为数字基带传输。然而，实际中大多数信道因具有带通特性而不能 直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须对数字基带信号进行数字调 制。常用的数字调制方式包括振幅键控、频移键控和相移键控三种基本方式。这三种方式 虽是最近几十年里最基础的数字信号编码解码方式，但还不是很完善，有许多值得改进的 地方。qdpsk（4 differential phase shift keying）即四相差分相移键控技术是多进制数字调 相系统中经常使用的一种技术，它除了可以实现调制解调的最基本目标外，还具有抗干扰 能力强、误码性能好、频谱利用率高、对临道干扰小等优点，而且，它成功地解决了四进 制绝对移相键控（qpsk）在相干解调过程中产生的相位模糊问题，使系统的性能得以提 高。第三代移动通信系统中的 vv-cdma 采用的就是这种调制方式。此外，随着技术的进 步，特别是超大规模集成电路和数字技术的发展，使得复杂的电路设计得以用少量的集成 电路模块实现，甚至使用软件代替实现。因此根据这一现实要求，使用 systemview 软件 实现 qdpsk 系统的硬件仿真，使得 qdpsk 可以更好的被理解和应用。 陕西理工学院通信原理课程设计 第 2 页 共 16 页 1.qdpsk 的组成、原理 1.1 qdpsk 的调制原理的调制原理 多进制数字相位调制又称多进制，它利用载波的多种不同相位或相位差来表征数字信 息的调制方式。qdpsk（四相相对移调制）信号是利用前后码元之间的相对相位变化来表 示数字信息。 qdpsk 信号的调制通常采用码变换加调相法。先将输入的双比特码进行码形变换， 再用码形变换器输出的双比特进行四相绝对移相，所得到的输出信号便是四相相对移相信 号。 如图 1.1 所示，qdpsk 调制系统包括串并转换电路、码元变换电路以及相乘电路。输 入的基带信号先经过串并转换电路变成两路速率减半的序列，再经码元变换为两路双极性 信号 i(t)、q(t)，再分别对两个正交的载波信号进行调制、相加，即可得到 qdpsk 信号。 图 1.1 qdpsk 调制系统的原理框图 图 1.2 qdpsk 调制图像未加噪的图像 陕西理工学院通信原理课程设计 第 3 页 共 16 页 图 1.3 qdpsk 调制加噪图像 1.2 qdpsk 的解调原理的解调原理 qdpsk 信号的解调通常采用码反变换加相干解调法。qdpsk 信号可以看做两个载波 正交 2dpsk 信号的合成，因此对 qdpsk 信号的解调可以采用与 2dpsk 信号类似的解调 方法进行解调。 如图 1.4 所示，此 qdpsk 解调器采用的是相干解调-码反变换器方式，即 极性比较法。电路主要包括相乘器、抽样判决器、码反变换器及并串转换电路 等。 qdpsk 已调信号与本地载波相乘后，经低通滤波器滤除高频成分量，得到同相支路 和正交支路的两路码元分量，经抽样判决器完成波形恢复。然后，两支路码元分别经码反 变换后，送入并串转换电路完成并串变换，得到 qdpsk 解调信号。 这种调制方法主要利用了延迟电路将前一码元信号延迟一码元时间后，分别作为上、 下支路的相干载波，可直接比较前后码元的相位。 图 1.4 qdpsk 解调系统的原理框图 陕西理工学院通信原理课程设计 第 4 页 共 16 页 图 1.5 qdpsk 解调后图像 1.3 qdpsk 调制中差分编码与解码调制中差分编码与解码 qdpsk 可有两路载波正交的 2psk 信号相加而成，这可用正交型调制器实现。双比特 信码,（有 00，01，10，11 四种组合方式）与 qpsk 信号相位的关系称为 qpsk 相位逻辑， 共有 4 1=24 种然而，正交型调制电路本身所产生的 qpsk 信号刚好满足循环码相位逻辑 关系，也就是说产生循环码相位逻辑 qpsk 信号的电路很简单，这是循环码相位逻辑 qpsk 信号的优点之一它还有另一个更重要的优点：由于循环码所有相邻码组只相差一 个码元，故当载波相位受噪声干扰错成相邻相位，解调器输出码组错成相邻码组时，只有 一位码出错而其他 23 种相位逻辑关系中，都有可能两位码全出错由于循环码相位逻 辑关系具有以上两个优点，所以最为常用。 qpsk 同步解调电路所恢复的参考载波存在相位模糊解调器输出存在四种可能的并 行码组，除一种外其他三种都是错误的解决上述 qpsk 解调相位模糊的办法是采用 qdpsk 相对调相，用载波相位的变化值表示码符，则收端所恢复的参考载波相位的模糊 不影响码符的正确解调。 图 1.6 qdpsk 调制，解调总框图 是正交型 qdpsk 调制、解调总框图图 1.6 中，,发端原始的井行双比特信码（对应 的四进制码为）经差分编码变换为相对码 xitayl 相（对应的四进制码为 zt 相） ，然后由正 交调制器进行循环码相位逻辑 qpsk 绝对调相得到 qdpsk 信号，收端由正交同步解调器 进行循环码相位逻辑 qpsk 解调及差分解码等与发端相反的处理，得到正确的并行双比特。 以下对此进行详细讨论。 具有循环码相位逻辑的 qdpsk 调制关系如图 1.7 所示qdpsk 调制中用到正交型 qpsk 调制、解调电路，具有图 1.7 所示的循环码相位逻辑关系: 陕西理工学院通信原理课程设计 第 5 页 共 16 页 图 1.7 循环码相位逻辑关系 由(3)(6)式即呵得到循环码相位逻辑 qdpsk 差分变换电路如图 1.7 所示，图示， 为异或门模二加电路，完成循环码一自然二进制码变换两位 d 触发器将双比特自 然二进制码延迟一个码符周期，得到超前一个周期的码符二位级连全加器通用四位全加 器的低二位，其中， ，bl 及i(z=l，2)分别为本位两个数据的输入端及和数输出端， co 为最低位前级进位输入端完成模 4 加、减运算其中，图 3(a)中的加法运算是一 目了然的；图 3(b)中减法运算是根据“减去某数等于加上该数的补码（求反加 1） ”规律 进行：从 d 触发器的反相输出端输出数据实现求反，二位全加器最低位进位端 c。=l 实现 加 1，完成了对减数求反加 l 的求补码运算，再与被减数相加，就完成了减法运算另外， 该减法电路当被减数小于减数时可自动形成借位，在图 1.7(a)和(b)的两位二进制加、减运 算中，不管进位与借位，只从两位全加器的和数输出端输出两位数据就实现了模 4 加、减 运算。 图 1.8 差分编码与差分译码原理框图 注：循环码一自然二进制码变换自然二进制码一循环码变换 由图 1.8 可见，无论是差分编码还是差分解码其电路都是由三片集成块（四位异或门 一片，双 d 触发器一片，四位全加器一片）及很少的外部连线组成在采用集成电路片数 及外部连线最少的准则下“。 ，电路最简单 我们所研制的 bs-2 卫星直播电视数字伴音接收机和调试用伴音发端中的差分解码及 差分编码就是采用图 3 所示电路，各用了四位异或门 sn74ls86 -片、双 d 触发器 sn74ls74 陕西理工学院通信原理课程设计 第 6 页 共 16 页 一片、四位全加器 sn74ls283-片经室内联调及室外试收表明，该电路工作稳定、 性能良好。 图 1.9 qdpsk 差分编码图像 1.4 qdpsk 中抽样判决中抽样判决 通过相乘器 mc1496 的信号，输出的信号均值不等于 0，此信号经过电容和滤波器后， 反向放人器后得到的均值为零但正负不对称的信号，在此 2dpsk 系统示，抽样判决器输 入信号是个均值为零且正负对称信号，判决电平 ve 由比较器 lm710 的负向段对地的电平 决定，电位器 r39 来调节 ve 的电甲的高低，使判决电平处于信号输入的图眼的巾心位置 （即最佳判决门限） ，确保对输入信号的解调不会山现误判的现象，比较判决后的信号为 经低通滤波器波形的规范化后的矩形波。 抽样判决电路的核心器件是比较器 lm311 和双 d 触发器 74ls74，其巾双 d 触发器 74ls74 是用来实现抽样功能的。前面输入的 lpf 和电压 vc 作比较后，得到 2dpsk 的矩 形波，通过对最佳门限判决的电平 ve 的比较和一个 d 触发器的起伏电平的翻转就可以将 信号解调得到相对码 bk 码，d 触发器的 clk 信号频率为 2dpsk 信号的 0 .5 倍。 1.5 qdpsk 中逆码变换模块中逆码变换模块 逆码变换电路采用如图 1.9 所示的原理框图实现，它包括一个微分镇流电路 和一个脉冲展宽电路组成，著分变换的功能是将输入的基带信号变为它的差分 码，然后经过逆码变换得到原来的传输信号。 本次设计的逆码变换模块主要由双 d 触发器 74ls74 和个异或门 74ls86 组成。两个 74ls04 非门。经过捕样判决器得到的信号 bk（绝对码）经过该单元电路后，得到发送端 发送的原始信息，即绝对码 ak。d 触发器的同步信号为原始信号的 0 5 倍，bk 信号经过 d 触发器的间隔翻转取逆转，就可原来的恢复为原来的发送信号。异或门 74ls86 输出的 绝对码波形的高电甲上叠加有微小的干扰信号，通过两个非门就可以将其去掉，具体电路 与波形如图所示。其巾左而部分是位同步信号产生单元，位同步信号频率为 l70.5khz。 陕西理工学院通信原理课程设计 第 7 页 共 16 页 2.qdpsk 系统的仿真 如图，在 qdpsk 调制系统中设计完成了串并转换电路、码元变换电路以及相乘电路， 并在其信号输出时加入高斯噪声。在其解调系统中设计完成了低通滤波器、抽样判决电路、 码反变换电路以及并串转换电路。最终，在解调输出端得到了与原输入码元序列在时间上 略有延迟的 qdpsk 解调信号。 2.1 qdpsk 调制系统的调制系统的仿真仿真 图 2.1 qdpsk 调制系统的电路 qdpsk 调制系统的电路如图 2.1 所示，二进制源序列码元信息由图符 0 产生，其波 形可在图符 14 的观察窗进行观察。串/并转换及电平转换电路由图中亚系统图符 54 完成。 图符 24 的正弦波产生 10khz 的载波，其相同分量和正交分量分别经过串/并转换后的双比 特码相乘。正弦波产生器本身就有同向和正交两路输出。因此，图中不用另加 /2 移相器。 码元与载波相乘分别完成两个独立的 2dpsk 调制后，将两路信号相加，即可得到最后的 qdpsk 信号。该信号可由图符 27 的观察窗进行观察。 图 2.2 串并转换亚系统内部结构图 图 2.2 所示为串并转换亚系统内部结构。实现串并转换的方法是：两路抽样器分别分 别以 4khz 的抽样率对源序列进行抽样。其中一列先经过一个码元宽度的实践延迟，这样 上一路抽取第奇数个码元，下一路抽取第偶数个码元，完成串并转换。为了使两路信号抽 样后在相位上对齐，抽取奇数个码元的支路也进行了相应的时间延迟。串并变换后的两路 信号分别由图符 12、13 观察窗进行观察。为了便于观察，信号被抽样后应经过保持器保 持。 陕西理工学院通信原理课程设计 第 8 页 共 16 页 2.2 qdpsk 解调系统的解调系统的仿真仿真 图 2.3 qdpsk 解调系统 qdpsk 解调系统的电路如图所示。解调时本地载波采用与调制载波同频同相的正弦 波信号。qdpsk 已调信号与本地载波相乘后，经接受低通滤波器滤除高频成分量，得到 同相和正交支路的码元分量， （反相器的作用是模拟相干解调中年载波相位 180模糊的情 况） 。 之后，两支路码元经差分解码后，送入系统 46 中，完成并串变换，解调器输出的 信号由图符 134 的观察窗观察。 图 2.4 抽样判决亚系统内部结构图 抽样判决电路如图：两路信号经延迟后，在以各自的码元速率进行抽样。延迟图符 陕西理工学院通信原理课程设计 第 9 页 共 16 页 127、121 得到延迟时间是从滤波器输出码元的开始时刻到眼图张开度最大时刻的时间差。 选用信号源库中幅度为 0v 的阶跃信号作为基准信号。为了保证比较器两个输入信号的速 率相同，该阶跃信号也应以码元速率进行抽样。比较结果经保持器将数据速率恢复为系统 抽样频率后输出。 图 2.5 并串转换亚系统结构图 并串变换电路如图：先用 4khz 的方波与恢复的两路输出波形相乘，取出同相和正交 通道的波形信息，再将其中一路延迟一个码元宽度的时间，是两路信号错开， ，然后将两 路信号相加即可。 陕西理工学院通信原理课程设计 第 10 页 共 16 页 3.qdpsk 结果分析 图 3.1 qdpsk 调制解调系统内所有观察窗所示波形图 图 3.1 为 qdpsk 调制解调系统内所有观察窗所示波形图。sink14 为源序列码元信息， sink141 为调制系统输出波形图，sink134 为解调系统输出波形图。 图 3.2 qdpsk 信源波形图 图 3.3 qdpsk 调制输出波形图 陕西理工学院通信原理课程设计 第 11 页 共 16 页 图 3.4 qdpsk 解调输出波形图 由图可以看出解调输出波形与原调制码元序列在时间上略有延迟，与原调制码元序列 基本相同的，表明系统传输无误码。 陕西理工学院通信原理课程设计 第 12 页 共 16 页 4.小结 通过这次课程设计，我学习并掌握了 qdpsk 的调制解调原理，了解了 qdpsk 调制 解调电路的构成，通过实践巩固了课堂上学习的理论知识。另外，学习并能较熟练的使用 systemview 动态系统分析工具软件。在使用 systemview 进行仿真的过程中，再一次复习 并巩固了课堂上所学到的知识，同时也掌握一项软件的使用，为今后的学习提供了一定的 帮助。 这次的课程设计是在李老师的监督指导下完成的，在此过程中，李老师提供了许多重 要信息和引导，培养了我们对处理问题的严谨态度和创新精神。这非常有利于我们今后的 学习和工作。在此表示衷心的感谢！ 陕西理工学院通信原理课程设计 第 13 页 共 16 页 附录 a 关于 systemview systemview 是美国 elanix 公司设计开发的用于现代工程与科学系统设计、仿真的动 态系统分析工具，是基于 windows 环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。它界面友 好，使用方便。使用它，用户可以使用代表不同功能的块图符(token)方便快速地建立全部 动态系统和子系统的精确模型，无须与复杂的程序语言打交道，不用写代码，即可完成各 种系统的设计与仿真。 利用 systemview 可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合通信系统和多速率系统， 也可以用于各种线性或非线性控制系统以及离散和连续时间的的设计和仿真。用户在进行 系统设计时，只需从 systemview 配置的图符中调出有关图符，进行各个图符的参数设置 和相互间的连线，即可进行仿真操作，给出分析结果。 systemview 的图符资源十分丰富，包括基本库和专业库。基本库包括加法器、乘法器、 多种信号源、接收器、各种函数运算器等，专业库有通信库、逻辑库、数字信号处理库、 射频/模拟库等。用户可以快速建立和修改系统的运行参数，实现实时修改系统参数，实时 显示运行结果的动态仿真。 能仿真大量的应用系统。该系统能在 dsp、通信和控制系统应用中构造出复杂的模 拟、数字、混合和多速率系统。系统具有巨大的可选择的库，允许用户选择的增加通信、 逻辑、dsp 和射频/模拟功能模块，特别适用于无线电话 (gsm、cdma、fdma、tdma、dsss)、无绳电话、寻呼机和调制解调器以及卫星通信 系统(gps、dvbs、leos)等的设计；能够仿真（c3x、c4x 等）dsp 系统；可进行各种系 统时域/频域分析和频谱分析；能够对射频/模拟电路（混合器、放大器、rlc 回路和运放 电路）进行理论分析和失真分析。 快速方便的动态设计与仿真。systemview 使用了用户熟悉的 windows 界面和功能 键，使用户可以快速的建立和修改系统，并在对话框中对系统参数进行快速访问和设置， 达到实时修改、实时显示的操作效果。用户只需要简单的用鼠标点击图符即可创建连续线 性系统、dsp 滤波器、并输入/输出基于真实系统模型的仿真数据，不用写一行代码即可建 立用户所需要的子系统库（metasystem）。 systemview 图符库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能模块，提供了从 dsp、通信、信号处理、自动控制，到构造通用数学模型等的应用模块。信号源和接收端 图符允许在 systemview 的内部生成和分析信号，并形成可供外部处理的各种文件格式， 同时提供了相应的输入/输出数据接口。systemview 图符库非常丰富，包括基本库（main library）和专业库（optional library）。基本库中包括加法器、乘法器、多种信号源接收 器、各种函数运算器等，专业库有逻辑（logic）、通信（communication）、射频/模拟 （rf/analog）等特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。另外，systemview 还通过自定义库的形式提供了 is95 和 dvb 扩展图符库，方便用户进行 cdma 通信系统 和数字电视业务的分析。 在报告中方便地加入 systemview 的结论。systemview 通过 notes(注释)很容易地在 屏幕上对系统进行描述和说明，生成的 systemview 系统和输出的波形可以很方便的使用 复制（copy）和粘贴（paste）命令插入到微软的 word 等文字处理软件中进行编辑。 提供基于组织结构图方式的设计。通过利用图符和 metasystem（子系统）对象的无 限制分层结构功能，systemview 能够很容易的建立复杂的系统。用户首先可以定义一些简 单的功能组，再通过对这些简单功能组的连接进而实现一个大系统，利用系统提供的子系 统结构功能可以将这个大系统形成一个对应的新子系统，这样，单一的图符就可以代表一 陕西理工学院通信原理课程设计 第 14 页 共 16 页 个复杂系统。metasystem 的操作方法与系统提供的其他图符的使用方法类同，只要用鼠标 器单击一下该子系统，就会出现一个特定的窗口来显示出复杂的 metasystem 结构。 多速率系统和并行系统。systemview 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