数字通信综合实验测试系统课程设计.doc

华东交通大学课设论文目录1、 题目12、 实验目的13、 设计和制作任务14、 设计思路及工作原理2五 各单元设计7六 总体框图 七 程序八 课程设计总结与体会10九参考资料十HDB3十一附件111数字通信综合实验测试系统1. 题目：组成一个包括数字基带传输系统，ASK系统，FSK系统，PSK系统和DPSK系统的数字通信综合实验测试系统。二.实验目的(1) 通过课程设计掌握通信中常用的信号处理方法，能够分析简单通信系统的性能。(2) 掌握通信电路的设计方法，能够进行设计简单的通信电路系统。(3) 掌握通信系统安装的基本知识和技能，培养对通信系统的整机调试和检测的能力。 (4) 了解通信工程专业的发展现状及发展方向。三.课程要求：组成一个包括数字基带传输系统，ASK系统，FSK系统，PSK系统和DPSK系统的数字通信综合实验测试系统。要求画出整个实验系统框图、各点波形，并说明工作原理。1、 系统组成应包括调制解调系统（除基带系统外）2、 具有同步系统，包括载波同步、位同步3、 能观察各分系统的各级波形（利用示波器），在图中表示出各点波形4、 能测试其各分系统的频谱特性，在图中表示出各点频谱四. 设计思路及工作原理：1.通信的概念通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。 通信系统一般模型如下所示：图1：通信系统一般模型相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如下图3-2所示：图2：通信系统一般模型 同时数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如图3-3所示的数字通信系统：图3：数字通信系统2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。3.通信的目的通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information) 。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。4通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。五 各单元设计1数字基带传输系统在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。 图4数字调制系统的基本结构数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的数字调制方式有：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)、正交振幅键控(QAM)、多相相移键控信号(QPSK)、最小移频键控(MSK)。本次课设内容主要以二进制振幅键控(2ASK)、二进制频移键控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK)、二进制相对相移键控（2DPSK）、最小移频键控(MSK)为主。2. 二进制振幅键控2.1 ASK调制解调框图图 5 ASK调制解调框图2.2 2ASK调制。(1) 调制原理（模拟相乘法）：振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为： 其中： Ts是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲: 则二进制振幅键控信号可表示为： （2）根据模拟相乘法调制原理框图如下： 6振幅调制模拟相乘法调制原理图（3） 二进制振幅键控调制波形如下：根据载波信号幅度的取值的对调制信号进行调制。波形如下：4-2二进制振幅键控调制波形2.3 2ASK的解调：2ASK有两种基本解调方法：相干解调法（同步检测法）和非相干解调法（包络检波法）。相干解调需要将载频位置的已调信号频谱重新搬回原始基带位置，因此用相乘器与载波相乘来实现。相乘后的信号只要滤除高频部分就可以了。为确保无失真还原信号，必须在接收端提供一个与调制载波严格同步的本地载波，这是整个解调过程能否顺利完好进行的关键。本次设计采用相干解调法。两种解调原理图如图2-5和图2-6所示。图 2-5 相干解调法（同步检测法）图 2-6 非相干解调法（包络检波法）2.4 频谱图见课本P179图7-62.5仿真结果及分析通过编写M文件程序（见附录），产生随机信号，按图2-1顺序对每一模块编程后。程序中注有需注意语句及解释。运行程序，实现2ASK的调制与解调过程。本次设计采用模拟调制法（相乘器法）和相干解调法。仿真后调制过程及解调过程的图形分别如图2-7和图2-8所示图 2-7 2ASK调制过程仿真图图 2-8 2ASK解调过程仿真图由图可以看出，产生的数字随机信号为“0100100001”，经载波调制后信号为“1”的时间内有正弦波形，信号为“0”的时间内无波形。经过加随机噪声，相干解调后，恢复出原始信号，与基带信号一致，因此达到本次设计目的。3 FSK3.1 2FSK调制解调框图图 2-9 2FSK调制解调框图3.2 FSK调制原理一个FSK信号可以看成是两个不同载波的2ASK信号的叠加。其解调和解调方法和FSK差不多。2FSK信号的频谱可以看成是f1和f2的两个2ASK频谱的组合。频移键控是利用载波的频率来传递数字信号，在2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。在2FSK中，载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为：典型波形如图 2-10所示。图 2-10 2FSK典型波形图2FSK的调制方式有两种，即模拟调频法和键控法。本次设计采用键控法。键控法中可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一频率f2，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源f1、f2进行选择通。键控法原理图如图2-11示图 2-11 2FSK键控法原理图3.3 FSK解调原理 2FSK的解调方式有两种：相干解调方式和非相干解调方式。非相干解调是经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f1、f2滤出不需要的信号，然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波，最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲，最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。其原理图如图2-12所示。2FSK非相干解调原理图相干解调是根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成，则先用两个分别对f1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可图 2-13 2FSK相干解调原理图3.4 频谱图见课本P182 图7-113.5 仿真结果及分析通过编写M文件程序（见附录），产生随机信号，按流程图2.2.1顺序对每一模块编程后。程序中注有需注意语句及解释。运行程序，实现2FSK的调制与解调过程。本次设计中采用键控法调制法和相干解调法。仿真后调制过程及解调过程的图形分别如图2-14、图2-15和图2-16所示。由图可以看出，产生的随机信号为“1011001001”，经过反相产生反码，并分别与两个载波相乘，经过加入随机噪声后波形如图2-15所示。在解调时，分别与对应的载波相乘。解调出基带信号，可以看出实现了本次设计目的。 2FSK键控法调制过程仿真图 2FSK键控法调制过程仿真图图 2-16 2FSK相干解调过程仿真图4 二进制相移键控4.1 2PSK调制解调框图图 2-17 2PSK调制解调框图4.2 PSK调制原理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。2PSK信号调制有两种方法，即模拟调制法和键控法。通常用已调信号载波的 0和 180分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0，模拟调制法用两个反相的载波信号进行调制。2PSK以载波的相位变化作为参考基准的，当基带信号为0时相位相对于初始相位为0，当基带信号为1时相对于初始相位为180。键控法，是用载波的相位来携带二进制信息的调制方式。通常用0和180来分别代表0和1。其时域表达式为：其中，2PSK的调制中an必须为双极性码。本次设计中采用模拟调制法。两种方法原理图分别如图2-18和图2-19所示。 图 2-18 模拟调制法原理图图 2-19 键控法原理图4.3 PSK解调原理由于2PSK的幅度是恒定的，必须进行相干解调。经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在进行抽样判决。判决器是按极性来判决的。即正抽样值判为1，负抽样值判为0。2PSK信号的相干解调原理图如图2-20所示，各点的波形如图2-21所示。图 2-20 2PSK的相干解调原理图 图 2-21 相干解调中各点波形图由于2PSK信号的载波回复过程中存在着180的相位模糊，即恢复的本地载波与所需相干载波可能相同，也可能相反，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的基带信号正好相反，即“1”变成“0”吗“0”变成“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK方式的“倒”现象或“反相工作”。但在本次仿真中是直接给其同频同相的载波信号，所以不存在此问题。4.4 频谱图见课本P185图7-164.5 仿真结果及分析通过编写M文件程序（见附录），产生随机信号，按流程图2-17所示顺序对每一模块编程后。程序中注有需注意语句及解释。运行程序，实现2PSK的调制与解调过程。本次设计采用模拟调制法和相干解调法。仿真后调制过程及解调过程的图形分别如图2-22和图2-23示。图 2-22 2PSK模拟调制方法过程仿真图图 2-23 2PSK相干解调过程仿真图由图可以看出，产生的随机信号为“0011001100”，经过反相产生反码，并将原码跟反码一起合成双极性码，与载波相乘后加入随机噪声。在解调时，与对应的载波相乘经过低通滤波、抽样判决后，解调出基带信号与原基带信号一致，可以看出实现了本次设计目的。5 二进制差分相移键控5.1DPSK调制解调框图。图2-24 2DPSK调制解调框图5.2.DPSK调制原理二进制差分相移键控。2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为：为前一码元的相位。实现二进制差分相移键控的最常用的方法是：先对二进制数字基带信号进行差分编码，然后对变换出的差分码进行绝对调相即可。2DPSK调制原理图如图2-25所示。图 2-25 2DPSK调制原理框图5.3 DPSK解调原理2DPSK信号解调有相干解调方式和差分相干解调。用差分相干解调这种方法解调时不需要恢复本地载波，只要将DPSK信号精确地延迟一个码元时间间隔，然后与DPSK信号相乘，相乘的结果就反映了前后码元的相对相位关系，经低通滤波后直接抽样判决即可恢复出原始的数字信息，而不需要在进行差分解码。相干解调码变换法及相干解调法的解调原理是，先对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，从而解决了载波相位模糊的问题。本次设计采用相干解调。两种解调方式的原理图如图2-26和图2-27所示。2DPSK相干解调各点波形图如图 2-28所示。图 2-26 2DPSK差分相干解调原理图 2-27 2DPSK相干解调原理图图 2-28 2DPSK相干解调各点波形图5.4 频谱图 见课本见课本P185图7-165.5 仿真结果及分析通过编写M文件程序（见附录），产生随机信号，按流程图2-24所示顺序对每一模块编程后。程序中注有需注意语句及解释。本次设计采用相干解调法。运行程序，实现2DPSK的调制与解调过程。仿真后调制过程及解调过程的图形分别如图2-29、图2-30和图2-31所示。由图可以看出，产生的绝对随机码为“0100111010”，经码差分变化产生相对码，经反相产生相对码反码，分别与两个载波相乘后加入随机噪声。在解调时，分别与对应的载波相乘经过低通滤波、抽样判决后，解调出基带信号与原基带信号一致，可以看出实现了本次设计目的。图 2-29 2DPSK调制过程仿真图图 2-30 2DPSK调制过程仿真图图 2-31 2DPSK相干解调过程仿真图6. 同步系统6.1同步的分类 同步是通信系统中很重要的一个过程，它可以使通信系统更稳定、更可靠、更准确，它是数字通信系统有顺序进行的技术支撑。同步分为位同步、帧同步和载波同步。（1）载波同步 目前，在广泛采用的相移键控（2PSK，DPSK，MPSK）、最小频移键控（MSK）、正交幅度调制（QAM）等数字调制系统中，接收端解调时都必须提供与发送端调制载波同频同相的相干载波，获取该相干载波的过程称为载波同步（或载波提取）。（2）位同步 无论是基带传输，还是频带传输，都需要位同步。在数字通信系统中，任何消息都是由一连串数字信号码元序列来传送的。但是由于传输信道不理想和受到噪声的干扰，数字信号必然会产生波形失真。接受时需要知道每个码元的起止时刻，以便在最佳的时刻进行抽样判决。这就要求接收端必须产生一个与接受码元具有相同频率和相同相位（位置）的位定时脉冲序列，即位同步（或码元同步），该码元定时脉冲序列称为位同步脉冲（或码元同步脉冲）（3）帧同步在前面介绍的数字时分多路复用系统中，各路信码都是在规定的时隙内传送，形成规定的帧结构，例如PDH基群、二次群、三次群和四次群帧结构。在这些帧结构中，都包括帧同步信号，用于接收端识别出每帧的起始时刻和分接定位以便正确分接。在接收端获得这些帧同步信号的过程称为帧同步（或群同步）。6.2位同步位同步也就是保证接收端准确有效抽样判决数字基带信号序列的基础，一般位同步信号从解调后的基带信号中提取出来，同时也可以从已调频带信号当中直接提取位同步信号。对位同步的要求有：让接收端产生出来的位同步脉冲频率正好等于发送端的码元速率；让接收器在正确的时刻接受接受象征例句。一般可以进行一元中央位置采样的决定，最好是在接收元素结束时间采样的决定。插入导频法（一种外同步法）和直接法（一种自同步法），是我们位同步的主要方法。6.2.1锁相法 所谓数字锁相法是指采用锁相环来提取未能同步信号的方法。数字锁相环提取位同步电路的原理框图如图2.3框图所示，它是由信号钟、分频器、相位比较器和控制器等组成。高稳定度的晶体振荡器和脉冲整形电路是信号的主要组成部分。原理框图见课本P32页图5.16.2.2 锁相环程序流程见课本P37页图5.66.2.3 捕获波形图见课本P37页图5.56.2.4 仿真见附件图十一6.3 载波同步6.3.2波形图七总体框图见课本P14页图2.1课本P26页图4.1八 程序见附件九课程设计总结与体会通信系统