PSK调制与解调系统实验.doc

目录目录 1 实验要求及开发环境 3 2 二 课程设计软件说明 2 三 基本原理 2 3 1 调制方式简介 2 3 2 OQPSK 的含义 3 3 3 同相正交环法 科斯塔斯环 5 四 实验框图原理说明 7 4 1 实验总框图介绍 7 4 2 五个子部分的介绍 7 4 2 1 串并转换 7 4 2 2 载波调制 9 4 2 3 科斯塔斯环解调 10 4 2 4 抽样判决 12 4 2 5 并串转换 12 五 实验结论 13 六 调试报告 14 6 1 频率调制器 FM参数设置 14 6 2 低通滤波器参数设置 14 6 3 脉冲串的参数设置 15 七 实验心得 16 八 参考文献 17 1 一 实验要求及开发环境 实验要求 1 数字相关器子系统 2 仿真结果分析 实验目的 1 了解 PSK 直序扩频通信系统的基本原理 2 掌握 Systemview 的使用 开发环境 PC 机 开发软件 Systemview Systemview 简介 Systemview 是一个用于现代工程与科学系统设计及仿的动 态系统分析平台 从滤波器设计 信号处理 完整通信系统的 设计与仿真 直到一般系统的数学模型建立等各个领域 systemview 在友好且功能齐全的窗口环境下 为用户提供了一 个精密的嵌入式分析工具 利用 systemview 可以构造各种复杂的模拟 数字 数模 混合系统和各种多速率系统 可用于各种线性或非线性控制系 统的设计和仿真 其特色是 利用它可以从各种不同角度 以 不同方式 拉要求设计多种滤波器 并可自动完成滤波器的各 种指标一如幅频待件 波特图 传递函数 根轨迹图等之间的转 2 换 它还可以实时地仿真各种位真的 DSP 结构 并进行各种系 统的时域和频域分析 诺 谱分析 以及对各种逻辑电路 射 频 模拟电路 混领器 放大器 RLC 电路 运放电路等 进行 理论分析和失真分析等 2PSK 信号的调制与解调 1 二进制相移键控 2PSK 二进制相移键控又称为 BPSK 通常用载波的相位 0 表示信号 1 用载波相位 来表示信号 1 或者用相位 0 表示 1 用相位 表示 1 其表达式可写成 tnTtgatS c n snBPSK cos 为双极性码元 n a 用 Systemview 仿真得到的 BPSK 波形如下 信息码如上图所示 3 由上图可以看出 BPSK 信号相位为 0 时表示 1 相位为 时 表示 1 BPSK 信号调制器如下 通常有两种调制方法 1 相乘法 双极性 二进制信号BPSK 已调信号 t c cos 2 相位选择法 4 开关电路 t c cos 移相 180 0 s t BPSK 已调信号 2PSK 信号的解调通常采用相干解调法 其原理框图如下 2 te PSK 定时脉冲 带通 滤波器 低通 滤波器 抽样 判决器 t c cos 输出 其中相干解调中如何得到与接收的信号同频同向的相干载波是一个 关键点 将在后面 Costas 环中提及这里不再赘述 通过 systemview 仿真解调过程如下所示 其中随机码 发生器频率 为 10kHz 调制载波与 相干载波频 率为 100kHz 低通滤波截 止频率为 50kHz 其余 参数默认 双极性码如下 5 通过 BPSK 调制后波形如下 通过相干解调后波形如下 经过低通滤波器后恢复出原始信号如下 6 设源信号为 s t 通过调制后信号为tts c cos 经过想干解调后信号为 tts c 2 cos ttsts c 2cos 2 1 2 1 通过低通滤波后信号变为 2 1 ts 由上图可见通过想干解调后经过滤波正确的恢复出了原信号但是幅 度变为原信号一半与理论相符 要恢复出与原信号相同幅度的信号只需加入一个 2 倍的增益放大器 即可 OQPSKOQPSK调制与解调系统的设计调制与解调系统的设计 一 课程设计目的一 课程设计目的 1 了解 Systemview 的运行环境及应用领域 2 通过本课程设计掌握 OQPSK 调制及解调的原理及方法 7 二 课程设计软件说明二 课程设计软件说明 SystemView是美国ELANIX公司推出的 基于Windows环境的用于系统仿真分 析的可视化软件工具 使用它 用户可以用图符 Token 去描述自己的系统 无需 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 数模混合系统和各种多 速率系统 它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真 SystemView 的图符资源十分丰富 特别适合于现代通信系统的设计 仿真和 方案论证 还可进行CDMA 通信系统和数字电视业务的分析 用户还可以自己用 C语 言编写自己的用户自定义库 三 基本原理三 基本原理 3 13 1 调制方式简介调制方式简介 在通信原理中把通信信号按调制方式可分为调频 调相和调幅三种 数字 传输的常用调制方式主要分为 正交振幅调制 QAM 调制效率高 要求传送途径的信噪比高 适合有线 电视电缆传输 键控移相调制 QPSK 调制效率高 要求传送途径的信噪比低 适合卫 星广播 残留边带调制 VSB 抗多径传播效应好 即消除重影效果好 适合地 面广播 编码正交频分调制 COFDM 抗多径传播效应和同频干扰好 适合地面广 播和同频网广播 世广数字卫星广播系统的下行载波的调制技术采用 TDM QPSK 调制体制 它 比编码正交频分多路复用 COFDM 调制技术更适合卫星的大面积覆盖 通信的最终目的是在一定的距离内传递信息 虽然基带数字信号可以在传 输距离相对较近的情况下直接传送 但如果要远距离传输时 特别是在无线或 光纤信道上传输时 则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传 输 为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输 必须对数字信号进行载波 调制 如同传输模拟信号时一样 传输数字信号时也有三种基本的调制方式 8 幅移键控 ASK 频移键控 FSK 和相移键控 PSK 它们分别对应于用载波 正 弦波 的幅度 频率和相位来传递数字基带信号 可以看成是模拟线性调制和 角度调制的特殊情况 理论上 数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同 它们都是属正弦波 调制 但是 数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制 而模拟调制则是调 制信号为连续型的正弦波调制 在数字通信的三种调制方式 ASK FSK PSK 中 就频带利用率和抗噪声 性能 或功率利用率 两个方面来看 一般而言 都是 PSK 系统最佳 所以 PSK 在中 高速数据传输中得到了广泛的应用 OQPSK 是 PSK 调制方式中的一种 解调是调制的逆过程 调制方式不同 解调方法也不一样 与调制的分类 相对应 解调可分为正弦波解调 有时也称为连续波解调 和脉冲波解调 正 弦波解调还可再分为幅度解调 频率解调和相位解调 此外还有一些变种如单 边带信号解调 残留边带信号解调等 同样 脉冲波解调也可分为脉冲幅度解 调 脉冲相位解调 脉冲宽度解调和脉冲编码解调等 对于多重调制需要配以 多重解调 3 23 2 OQPSKOQPSK 的含义的含义 OQPSK 也称为偏移四相相移键控 offset QPSK 是 QPSK 的改进型 它 与 QPSK 有同样的相位关系 也是把输入码流分成两路 然后进行正交调制 不 同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期 由于两支路码元半周期的偏移 每次只有一路可能发生极性翻转 不会发 生两支路码元极性同时翻转的现象 因此 OQPSK 信号相位只能跳变 0 90 不会出现 180 的相位跳变 OQPSK 信号可采用正交相干解调方式解调 其原理如图 5 49 所示 由图看 出 它与 QPSK 信号的解调原理基本相同 其差别仅在于对 Q 支路信号抽样判决 时间比 I 支路延迟了 2 这是因为在调制时 Q 支路信号在时间上偏移了 2 所 以抽样判决时刻也应偏移 2 以保证对两支路交错抽样 9 OQPSK 克服了 QPSK 的 l80 的相位跳变 信号通过 BPF 后包络起伏小 性 能得到了改善 因此受到了广泛重视 但是 当码元转换时 相位变化不连续 存在 90 的相位跳变 因而高频滚降慢 频带仍然较宽 QPSK 数据码元对应的相位变化如图 1 1 所示 OQPSK 数据码元对应相位变 化如图 1 2 所示 图 1 1 QPSK 相位变化图 图 1 2 OQPSK 相位变化 图 对于 QPSK 数据码元对 的相位变换由图 1 1 求得为 可见 在 QPSK 中存在过零点的 180 跃变 对于 OQPSK 数据码元对的相位变化由图 1 2 求得为 可见 在 OQPSK 中 仅存在小于 90 的相位跃变 而不存在过零点跃变 所以 OQPSK 信号的带限不会导致信号包络经过零点 OQPSK 包络的变化小多了 因此对 OQPSK 的硬限幅或非线性放大不会再生出严重的频带扩展 OQPSK 即使 再非线性放大后仍能保持其带限的性质 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 3 4 4 4 3 4 4 2 2 码元对 相位及相位变化 I I信信道道 Q Q信信道道 1 1 1 1 0 Q Q信信道道 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I I信信道道 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 码元对 相位及 相位变化 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 3 4 2 3 4 4 4 3 4 3 4 4 4 4 0 0 2 2 2 2 2 2 2 10 OQPSK 的调制和相干解调框图如图 1 3 图 1 4 所示 图 1 3 OQPSK 调制器框图 图 1 4 OQPSK 相干解调器框图 当采用同步解调或相干检测时 接收端需要提供一个与发射端调制载波同 频同相的相干载波 这个相干载波的获取就称为载波提取 或称为载波同步 提取载波的方法一般分为两类 一类是在发送有用信号的同时 在适当的 频率位置上 插入一个 或多个 称作导频的正弦波 接收端就由导频提取出 载波 这类方法称为插入导频法 另一类是不专门发送导频 而在接收端直接 从发送信号中提取载波 这类方法称为直接法 3 33 3 同相正交环法 科斯塔斯环 同相正交环法 科斯塔斯环 利用锁相环提取载波的另一种常用方法如图所示 加于两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号和它的 正交信号 因此 通常称这种环路为同相正交环 有时也被称为科斯 塔斯 Costas 环 串串并并变变换换 电电平平产产生生 电电平平产产生生 载载波波 发发生生器器 移移相相90 二二进进制制信信息息 OQPSK信信号号 I t Q t 延延时时Ts 2 cosAt sinAt 并并串串变变换换 载载波波 发发生生器器 移移相相9 90 0o o 二二进进制制信信息息 O OQ QP PS SK K信信号号 整整形形判判决决 整整形形判判决决 位位定定时时 恢恢复复 延延时时T Ts s 2 2 11 图 同相正交环法提取载波 设输入的抑制载波双边带信号为 则 7 4 经低通后的输出分别为 7 5 乘法器的输出为 7 6 式中是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差 当较小时 式 7 6 可以近似地表示为 7 7 式 7 7 中 的大小与相位误差成正比 因此 它就相当于一个鉴相器的 输出 用 去调整压控振荡器输出信号的相位 最后就可以使稳态相位误差 减 小到很小的数值 这样压控振荡器的输出 就是所需要提取的载波 12 四 实验框图原理说明四 实验框图原理说明 4 14 1 实验总框图介绍实验总框图介绍 OQPSK 调制与解调系统总框图 从上面的实验总框图可以看出 一是发射端 发射端包括串并转换和载波 调制两部分 二是信道 信道中加了高斯白噪声 模拟真实 三是接收端 接 收端包括科斯塔斯环解调 抽样判决和并串转换三个部分 4 24 2 五个子部分的介绍五个子部分的介绍 4 2 14 2 1 串并转换串并转换 如上图所示 首先介绍一下 信源以 PN 序列充当 它的频率为 10Hz 周 13 期性脉冲的频率为 5Hz 串并转换主要是通过两个采样保持器 图符 3 和 4 同时利用频率为信源频率一半的脉冲作为时钟 对信源进行采样 值得说明的 是 下面一路的时钟脉冲较上一路多经过了一个码元周期 T 1 f 1 10 100ms 的延迟 这样做的目的在于保证上下两路采样的数据分 别为信源序列的单数和偶数个码元 从而实现了串并转换 另外 我们可以看到 上面路采样保持后经过了一个码元周期的延迟 图 符 55 其目的在于保证上下两路信号能对齐 这部分相关图符的参数设置如下 图符 0 PN 码随机序列 图符 2 脉冲串 也即采样时钟 图符 3 4 采样保持 14 图符 5 55 采样保持 4 2 2 载波调制 如上图所示 载波调制部分没什么需要介绍的 就是把两路信号分别与 COS 和 SIN 的两路载波相乘 将数据调制到载波上进行传输 15 载波的参数设置如下 4 2 34 2 3 科斯塔斯环解调科斯塔斯环解调 如图所示 科斯塔斯环的工作原理在前面已经介绍过了 它主要是通过频 率调制器 Fm 即图符 72 并不断滤除载波中 2wc 的高频部分 不断循环 从而 使解调时能与发射端的载波同频同相 准确解调的目的 但是它的参数设置却是一个很难搞的部分 具体如何设置会在后面的调试 报告中进行说明 这部分中器件参数设置如下 图符 72 频率调制器 Fm 16 图符 59 增益 图符 69 70 71 73 74 低通滤波器 17 4 2 44 2 4 抽样判决抽样判决 抽样判决部分的实现与前面的串并转换的结构比较相似 也是利用脉冲串 Q 路有一个码元周期的延迟 作为时钟脉冲 分别对解调出来的 I Q 两路 信号进行抽样判决 再通过图符 24 27 进行整流 将 1 变为 0 1 保持不变 参数设置与前面串并转换部分相同 4 2 54 2 5 并串转换并串转换 如图 并串转换的实现方法是利用脉冲串分别与 I Q 两路信号相乘 其中 18 脉冲串的频率为 5Hz 同时将 Q 路经过一个码元周期的延迟 延迟的目的在于 是 I Q 两路序列错开 相当于插空 使两个序列在后面相加后能恢复出原始序 列 其中的参数与前面设置相同 五 实验结论五 实验结论 1 1 原始输入与最终输出波形 原始输入与最终输出波形 输入和输出波形除延迟外完全一致 说明整个调制解调过程是正确的 2 2 串并转换后的 串并转换后的 I I Q Q 两路波形 两路波形 分别将 I Q 两路序列波形与上面的输入波形对比 可以看出 I 路是从原 始输入序列的第一个码元开始 依次抽取序号为奇数的码元 Q 路则相反 是 依次抽取的序号为偶数的码元 上一页图中的输入序列为 101000110100100101111 I 路的序列为 11010010011 Q 路序列为 0001100111 这也从数据的角度验证了串并 转换的原理 3 3 载波调制后的两路信号 载波调制后的两路信号 19 4 4 调制后的 调制后的 I I Q Q 两路信号 两路信号 从图中可以看出 当其中一路信号有值时 令一路信号就接近于零 这种 现象表明解调成功 5 5 并串转换后得到的两路信号以及相加后的结果 并串转换后得到的两路信号以及相加后的结果 可以看出 上面两个信号相加就可以得到最下面的序列 最下面的序列即 为最终的输出序列 与发送序列只有延迟的区别 六 调试报告六 调试报告 6 16 1 频率调制器频率调制器 FmFm 参数设置参数设置 频率调制器的参数设置依据主要是载波的频率 因为最终的目的是为了达 到与载波同频同相 所以频率调制器的频率应该与载波的频率相同 所以将其 频率设置为 1KHz 6 26 2 低通滤波器参数设置低通滤波器参数设置 低通滤波器的参数设置不像频率调制器 Fm 那么严格 但它也不能随便设置 我们设置时必须保证噪声能被滤除 同时又用信息必须保留 所以我认为在设 置低通滤波器的截止频率时 应使之比又用序列的频率略大 在本实验中 由 于经过串并转换后的信息序列的频率为 5Hz 所以我将低通滤波器的截止频率 20 设置为 7Hz 之前设置了一个 50Hz 发现无法得到正确的波形 设为 50Hz 时 解调后 的两路信号如下 可以看出 此时解调后的波形有很多毛刺 说明有部分干扰没有滤除 此时的输入输出序列的对比如下 从这个对比图中可以看出明显的错误 验证了关于滤波器参数设置的说法 6 36 3 脉冲串的参数设置脉冲串的参数设置 图中的三个脉冲串的参数设置有所不同 用于作为抽样时钟脉冲的两个脉 冲串参数设置是一样的 如下 重点在于自动设置后 原本 Pulse Width sec 为 100e 3 也就是 0 1 但 21 是如果不做修改就无法得到正确的波形 对此 我的理解是 自动设置的脉冲 宽度与信息码元周期相等了 这样在跳变的边沿就可能无法准确判断抽样的信 息是 0 还是 1 或者是 1 还是 1 该脉冲宽度的范围在 1e 3 50e 3 之间 不包括 50e