通信原理课程设计数字通信系统的仿真与原理实验分析.doc

武汉科技学院论文任务书课题名称： 数字通信系统的仿真与原理实验分析 完成期限：2009年12月26日至 2010年1月3日院系名称 电子信息工程学院 指导教师 * 专业班级 电信072 指导教师职称 副教授 学生姓名 * 学生学号 * 摘 要本次课程设计共分两大部分：SystemView及其操作简介和数字带通传输系统仿真，主要包括2PSK和2DPSK系统。第一部分简单介绍了SystemView的特点，并通过学习进一步介绍了仿真软件的基本功能和用法。第二部分首先阐述了数字带通传输系统的基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控。而本次设计主要介绍了相移键控，相移键控分为绝对相移方式2PSK和相对相移方式2DPSK，分别对这两个系统进行了详细的理论比较与分析、信号调制和解调的设计方案，并用SystemView软件分别对2PSK和2DPSK进行仿真。 本次设计通过使用SystemView 软件对2PSK和2DPSK进行仿真比较，得到为了避免倒“”现象，在实际应用中我们一般不采用2PSK方式，而采用2DPSK方式。关键字：system view ； 数字通信； 相移键控； 调制； 解调ABSTRACT The thesis consists of two parts：System view and its operational profile and the digital band-pass transmission systems simulation , mainly about 2PSK and 2DPSK system . The first section of the course describes the characteristics of System view and further information through studying in the basic functions of the simulation software and usage . The second part first states the basic shift keying methods of digital band-pass transmission system, as Amplitude Shift Keying(ASK), Frequency Shift Keying(FSK) , Phase Shift Keying(PSK) . However ， the course is mainly about Phase Shift Keying(PSK). The Phase Shift Keying has two different kinds , 2PSK and 2DPSK. The course gives some comparison and analysis about the two systems in details. Then it introduces the design method of the signal modulation and demodulation . Last , the course gives the samples of the simulation picture of 2PSK and 2DPSK using the System view to simulate . The design have comparison on 2PSK and 2DPSK useing System view to make conclusion that we usually use 2DPSK insteadof 2PSK just to avoid the inverted phenomenon .Key Words: System view digital band-pass transmission system Phase Shift Keying modulation demodulation 目 录1 前言51.1 设计目的51.2 设计开发环境及其介绍51.2.1 开发环境51.2.2 SystemView的特点51.3 SystemView的基本功能介绍51.3.1 SystemView5.0主菜单功能61.3.2 快捷功能按钮61.3.3 图符库选择按钮71.3.4 系统定时71.3.5 分析窗介绍82 数字带通传输系统及仿真92.1 2PSK调制系统102.1.1 2PSK基本原理102.1.2 2PSK信号的调制方法102.1.3 2PSK信号的解调方法112.1.4 2PSK调制系统仿真设计132.1.5 2PSK调制系统分析142.2 2DPSK调制系统152.2.1 2DPSK基本原理152.2.2 2DPSK信号的调制方法162.2.3 2DPSK信号的解调方法172.2.4 2DPSK调制系统仿真设计192.2.5 2DPSK调制系统分析21结论22参考文献1 前言1.1 设计目的学习通过计算机建立通信系统仿真模型的基本方法及基本技能，学会利用仿真的手段对实时通信系统的基本理论、基本算法进行验证。学习现有流行通信系统仿真软件SystemView的基本使用方法，掌握系统各功能模块的基本工作原理，学会使用这些软件解决实际系统中的问题，并通过论文的书写来提高科技论文写作能力。1.2 设计开发环境及其介绍1.2.1 开发环境：SystemView System View 是一个用于现代工程科学系统设计及仿真的动态系统分心平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，System View在友好而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System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；尤其特色的是，利用它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各种指标幅频特性、传递函数、根轨迹图等之间的转换。另外，它还自带有通讯、逻辑数字信号处理、射频/模拟等专业库以备选择，特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。它还可以实时的仿真各种DSP结构，并进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及时各种逻辑电路、射频/模拟电路(混合器、放大器、RLC电路、运放电路等)进行理论分析和失真分析等。随着现代通信技术的不断发展，无线通信技术已日趋成熟和完善。1.2.2 SystemView的特点(1)、能仿真大量的应用系统(2)、快速方便的动态系统设计与仿真(3)、在报告中快速方便的加入SystemView的结论(4)、提供基于组织图结构的设计(5)、多速率系统和并行系统的设计(6)、完备的滤波器和线性系统设计(7)、先进的信号分析和数据块处理(8)、可扩展性(9)、完善的自我诊断能力1.3 SystemView的基本功能介绍System View基本属于一个系统级工具平台，可进行包括数字信号处理(DSP)系统、模拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真分析，并配置了大量图符块(Token)库，用户很容易构造出所需要的仿真系统，只要调出有关图符块并设置好参数，完成图符块间的连线后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源十分丰富，主要包括：含若干图符库的主库(Main Library)、通信库(Communications Library)、信号处理库(DSP Library)、逻辑库(Logic Library)、射频/模拟库(RF Analog Library)和用户代码库(User Code Library)。1.3.1 SystemView5.0主菜单功能进入SystemView后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，如图1-1所示的系统视窗图。系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件（File）、编辑（Edit）、参数优选（Preferences）、视窗观察（View）、便笺（NotePads）、连接（Connetions）、编译器（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11项功能菜单。图1-1 系统视窗图1.3.2 快捷功能按钮在主菜单栏下，SystemView为用户提供了十几个常用快捷功能按钮，部分常用按钮功能如图1-2所示：清除系统(clear design area) 删除图符(delete object) 切断连线(disconnect tokens) 复制图符(duplicate tokens)图符翻转(reverse token) 注释(new note pad)终止运行(cancel operation) 运行系统(run system)系统定时(define system time) 分析窗口(analysis window)图1-2 部分常用快捷按钮功能1.3.3 图符库选择按钮系统视窗左侧竖排为图符库选择区。图符块(Token)是构造系统的基本单元模块，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅是代表某一数学模型的图形标志（图符块），图符块的传递特性由该图符块所具有的仿真数学模型决定。创建一个仿真系统的基本操作是，按照需要调出相应的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来。这样一来，用户进行的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题，使用十分方便。进入系统后，在图符库选择区排列着8个图符选择按钮，即如下图1-3所示：信源库 亚符件库 加法器 输入/输出操作库 函数库 乘法器 信宿库 图1-3 部分图符库选择按钮1.3.4 系统定时（System Time）在system view系统窗中完成系统创建输入操作（包括调出图符块、设置参数、连线等）后，首先应对输入系统的仿真运行参数进行设置，因为计算机只能采用数值计算方式，起始点和终止点究竟为何值？究竟需要计算多少个离散样值？这些信息必须告知计算机。假如被分析的信号是时间的函数，则从起始时间到终止时间的样值数目就与系统的采样率或者采样时间间隔有关。实际上，各类系统或电路仿真工具几乎都有这一关键的操作步骤，SystemView也不例外。如果这类参数设置不合理，仿真运行后的结果往往不能令人满意，甚至根本得不到预期的结果。有时，在创建仿真系统前就需要设置系统定时参数。当在系统窗下完成设计输入操作后，首先单击“系统定时”快捷功能按钮，此时将出现系统定时设置（System Time Specification）对话框，如图1-4所示。用户需要设置几个参数框内的参数，包括以下几条： 图1-4 参数设置对话框1.3.5 分析窗介绍设置好系统定时参数后，单击“系统运行”快捷功能按钮，计算机开始运算各个数学模型间的函数关系，生成曲线待显示调用。此后，单击“分析窗口”快捷功能按钮，进入分析视窗（SystemView Analysis）进行操作。分析视窗的主要功能是显示系统窗中信宿（主要是Analysis块）处的给类分析波形、功率谱、眼图、信号星座图等信息，每个信宿对应一个活动波形窗口，各以多种排列方式同时或单独显示，也可将若干个波形合成在同一个窗口中显示，以便进行结果对比。2 数字带通传输系统仿真数字信号的传输方式分为基带传输(based transmission)和带通传输(bandpass trasmission)。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特性相匹配。通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。数字调制技术有两种方法：1、利用模拟调制的方法去实现数字式调制；2、通过开关键控载波，通常称为键控法。基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控。 振幅键控 频移键控 相移键控数字调制可分为二进制调制和多进制调制。本次设计主要为二进制调制系统2PSK和2DPSK。相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。分绝对移相和相对(差分)移相两种。数字移相是以载波不同的初始相位去表示不用的数字信号。载波出相为每个码元起始时刻对应的载波相位。其原理如图2-1所以： 图2-1 数字移相原理2.1 2PSK调制系统2.1.1 2PSK基本原理绝对移相(2PSK)：利用载波相位（初相）来表示数字信号的相移方式。已调载波与未调载波同相（相位差为0 ）表示“0”码；已调载波与未调载波反相（相位差为 ）表示“1”码。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为 其中，表示第n个符号的绝对相位：上式可以写为:其典型波形如图2-2所示。1001 图2-2 2PSK信号的时间波形2.1.22PSK的调制方法2PSK有两种调制方式： 键控法(如图2-3所示)和模拟调法(如图2-4所示)。开关电路 图2-3 2PSK信号的键控调制法框图乘法器极性变换0 +11 -1二进制双极性不归零基带脉冲序列二进制单极性不归零基带信号 图2-4 2PSK信号的模拟调制法框图2.1.3 2PSK信号解调方法通常情况下，2PSK使用相干解调方式进行解调，解调器原理框图如图2-5所示。由于本地相干载波一般是从接收信号中提取形成的，通常它的相位有两个稳定状态0或，在各种干扰作用下，其相位可以由一种状态变到另一种状态，并且是随机的，这使得解调出的消息可能与原始消息符号相反，由于“倒”现象是随机的，因此使得无法判断的正确与否。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器abcd定时脉冲e输出 图2-5 2PSK解调器原理框图 2PSK信号相干解调各点时间波形如图2-6所示。图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致。但是，由于在2PSK信号的载波回复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，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数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK方式的“反相工作”。因此，实际中一般不采用2PSK方式，为了克服2PSK的“倒”现象，提出了差分移相键控，即2DPSK。0011111100abcde0 图2-6 2PSK信号相干解调时各点时间波形2.1.4 2PSK调制系统仿真设计2PSK调制系统 基带信号波形 载波信号波形 带通滤波后的输出波形 2PSK输出信号波形 低通滤波后的波形 解调输出的信号波形Token1、4、6、5、7、10为输出波形观察点Token2、16为相乘器Token3为载波信号，频率10Hz，幅度1VToken13为带通滤波器Token14为低通滤波器Token15为抽样判决器Token17为随机数字信号(基带信号)2.1.5 2PSK调制系统分析2PSK信号的功率谱密度为: (等概率发送)其曲线如图所示 图2-7 2PSK信号的功率谱密度2.2 2DPSK调制系统2.2.1 2DPSK基本原理2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。假设为当前码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息之间的关系为于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系示例如下：二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 02DPSK信号相位： (0) 0 0 0 或 () 0 0 0 0 0 0相应的2DPSK信号的典型波形如下： （a）绝对码 1 1 0 1 0（b）相对码 0 1 0 0 1 1（c）2DPSKt参考 图2-8 2DPSK信号调制过程波形对于相同的基带信号，由于初始相位不同，2DPSK信号的相位可以不同。即2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元的相对相位才决定信息。2DPSK信号的矢量图如图2-9所示： 参考相位（a）A方式参考相位（b）B方式 图2-9 2DPSK信号的矢量图 在B方式中，当前码元的相位相对于前一码元的相位改变p/2。因此，在相邻码元之间必定有相位突跳。在接收端检测此相位突跳就能确定每个码元的起止时刻。2.2.2 2DPSK信号的调制方法s(t)开关电路码变换 图2-10 2DPSK信号调制器原理框图差分码可取传号差分码或空号差分码。其中，传号差分码的编码规则为: 式中，为模2加，为的前一码元，最初的可任意设定。 上式的逆过程称为差分译码（码反变换），即2.2.3 2DPSK信号解调方法2DPSK信号的解调方法之一是相干解调(极性比较法)加码反变换法。其解调原理是先对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经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，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。2DPSK的相干解调器原理框图如图2-11所示。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器码元变换器abcdef输出定时脉冲 图2-11 2DPSK相干解调器原理框图2DPSK信号的相干解调器的各点波形如图2-12所示：0011111111100000abcdef 图2-12 2DPSK信号的相干解调器的各点波形2DPSK信号的另一种解调方法是差分相干解调(相位比较法),其原理框图如图2-13所示。此方法解调时不需要专门的相干载波，只需由收到的2DPSK信号延时一个码元间隔，然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不需要码反变换器。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器abcde输出定时脉冲延时 图2-13 2DPSK差分相干解调器原理框图2.2.4 2DPSK调制系统仿真设计2DPSK调制系统 随即信号输出波形 带通滤波后的波形Token0、1、2、11为输出波形观察点Token20、6为相乘器Token3为载波信号，频率10Hz，幅度1VToken7为带通滤波器Token16、17为延时器Token10为抽样判决器Token3为随机数字信号(基带信号)2.2.5 2DPSK调制系统