现代通信技术课程设计指导书.doc

现代通信技术 指导书张莹1.技术要求2基本原理2.1 2ASK和2DPSK信号原理2.2 2ASK和2DPSK信号的调制原理2.3 2ASK和2DPSK信号的解调原理 （1） 2DPSK信号解调的极性比较和码变换法 （2）2DPSK信号解调的差分相干解调法3 模块分析 3.1 幅度调制模块分析 3.2 2DPSK功能模块分析差分和逆差分变换模型带通滤波器和低通滤波器的模型抽样判决器模型2DPSK总模型框图（1） 2DPSK模拟调制和极性相干解调法仿真（2） 2DPSK模拟调制和差分相干解调法仿真信号源source library差分器调制和加噪模4 SystemView元件简介5调试过程及结论5.1基于SystemView的2ASK调制解调仿真过程及结论5.2 差分相干法5.3 极性比较法6 参考文献1技术要求分别设计2ASK和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2.1二进制振幅键控（2ASK）振幅键控（也称幅移键控），记做ASK,或称其为开关键控（通断键控），记做OOK 。二进制数字振幅键控通常记做2ASK。 对于振幅键控这样的线性调制来说，在二进制里，2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续的输出，有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。根据线性调制的原理，一个二进制的振幅调制信号可以表示完成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的乘积。2ASK信号可表示为 式中,为载波角频率，s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列 其中，g(t)是持续时间为、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数； 为二进制数字 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： 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 2ASK调制原理及框图通常，二进制振幅键控信号的产生方法有两种，如下图2.2所示。图2.2（a）就是一般的模拟调制方法，不过这里的是s（t）由上式规定，即图2.2（b）就是一种键控方法，这里开关电路受s(t)控制。二进制振幅键控信号，若一个信号状态始终为零，相当于处于断开状态，即此时常称为通断键控信号（OOK）信号 图1 图22DPSK信号的调制原理及框图 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 键控法调制原理图2.3 2ASK解调原理及框图如同AM信号的解调方法一样，OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波）和（同步检波）。相应的接收系统组成的方框图如图所示。 二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的，也是最简单的。这种方法最初用于电报系统，但由于它在抗噪声的能力上较差，故在数字通信系统中用得不多。 带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK信号，即，包络检波器输出为s(t)。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。 图3 2ASK非相干解调接收系统 图4 2ASK相干解调接收系统 2DPSK信号的解调原理及框图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。（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） 2DPSK信号解调的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 模块分析3.1 幅度调制模块分析图6 ASK模拟幅度调制模块0：信号源，幅度为1V，频率为10HZ，偏移量为1，相位为0，点平数为2。见下图图7模块1：乘法器模块2：正弦载波幅度为1V，频率50HZ，相位为0。见下图图8（1） 相干解调&非相干解调模块分析图9 相干解调&非相干解调其中图上上面一种为非相干解调（包络检波法），下面为相干解调（同步检测法）。模块3、10为带通滤波器。模块5、13为低通滤波器，截止波频率为10HZ。模块12为载波，与模块2相同，频率为50hz。模块18、19为比较器，设置一个参考电平，当输入大于或等于此点位时判1，小于时则判0。模块20为阶跃电平，用来设置比较器的参考电平。此时参考电平设置为200e-3V。3.2 2DPSK功能模块分析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。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。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 Library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 Delay为0，Threshold为100e-3,True Output为800e-3。 图 10 差分变换模块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 调制和加噪模块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2ASK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。5.5调试过程及结论5.1 基于SystemView的2ASK调制解调仿真过程及结论5.1.1 仿真过程中的各点波形图16 初始输入的方波图17 已调2ASK信号波形图18 经过抽样判决后和未经过抽样判决前波形比较图19 相干解调和非相干解调波形比较图20 综合各点波形对照按照试验原理框图在SystemView中调出模块，并实现相关功能，设置相关参数是能得到符合设计要求的各点波形，运行并观察仿真波形，比较其与应得波形，发现基本符合则设计达到预期，试验成功。我们还可以用此软件进一步观察比如频谱分析图，眼图等相关波形。5.2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。5.3 极性比较法 图20 信号源波形图图21键控法调制框图图 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（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，