武汉理工-PSK通信系统课程设计

武汉理工大学通信原理课程设计课程设计任务书学生姓名： 顾舰灵 专业班级 电信1102 班 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目：PSK通信系统的设计初始条件：具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、完成PSK移频数据传输电路的设计，实现基带信号的PSK传输功能，收发波形一致。2、完成系统中相关调制、传输以及解调模块电路的设计。3、载波信号频率：256KHz、峰值：5V；基带信号为M序列，峰值为1V的方波。4、安装和调试整个电路，并测试出结果；5、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。时间安排： 二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试 指导教师签名 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1 数字频带传输系统12 PSK调制解调的基本原理22.1 PSK调制原理22.2 PSK解调原理43 PSK通信系统模块设计与仿真73.1 m序列发生电路73.1.1 m序列电路设计73.1.2 M序列仿真结果83.2 PSK调制电路93.2.1 PSK调制电路设计93.2.2 PSK调制电路仿真103.3 PSK解调电路103.3.1 PSK解调电路设计103.3.2 PSK解调器仿真124 整体电路145实物安装与调试166 总结体会18参考文献191 数字频带传输系统 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。解调器调制器信道输入输出噪声源 图 2.1 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。基本的三种数字调制方式是：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK 或DPSK)。 本课设重点设计二进制移相键控(2PSK)通信系统。2 PSK调制解调的基本原理 2.1 PSK调制原理相移键控是利用载波的不同相位来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“0”和“1”。因此，2PSK信号的时域表达式为 （1） 其中，表示第n个符号的绝对相位： （2） 因此，式（2）可以改写为 （3） 由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号一般可以表述为一个双极性（bipolarity）全占空（100% duty ratio）矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即 （4） 其中 （5） 这里，g(t)是脉宽为的单个矩形脉冲，而的统计特性为 （6） 即发送二进制符号“0”时（取1），取0相位；发送二进制符号“1”时（取1），取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。二进制移相键控信号的典型时间波形如图2.1所示： 图 2.1 二进制移相键控信号的时间波形 乘法器e2PSK (t)cosct双极性不归零码(a)模拟调制方法cosct开关电路(b)键控法 图2.2PSK信号的调制原理框图1800相移o码型变换e2PSK (t)s(t) 二进制移相键控信号的调制方法有模拟调制和键控法，如图2.2所示。 2.2 PSK解调原理2PSK信号的解调通常都是采用相干解调， 解调器原理图如图3.9所示，在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波 抽样判决低通滤波器带通滤波器相 乘 器。定时脉冲输出cosct 图2.3 PSK信号的解调原理框图 带通滤波器的意义是让有用信号（已调信号）通过，滤除一部分噪声，所以有用信号在处得到信号为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（通常默认为0相位）。所以得到下式通过低通滤波器后最后通过抽样判决器恢复出数字信号。 2PSK信号相干解调各点时间波形如图 2.4 所示。但是，由于在信号的载波恢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 方式的“倒”现象或“反相工作”。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。 图 2.4 PSK信号相干解调各点时间波形3 PSK通信系统模块设计与仿真3.1 m序列发生电路3.1.1 m序列电路设计四级伪随机码Q3Q2Q1Q01111011100110001100001000010100111000110101101011010110111101111 M 序列也称作伪随机序列，它的显著特点是：（a）随机特性；（b）预先可确定性；（c）可重复实现。本次综合设计要求用D触发器构成四级移位寄存器，形成长度为24-1=15位码长的伪随机码序列，码率约为1000bit/s。图3.1是4级伪随机序列码发生器电原理图。 图3.1 M序列发生器电原理图从图中可知，这是由4级D触发器和异或门组成的4级反馈移位寄存器。本电路是利用带有两个反馈抽头的4级反馈移位寄存器，状态转移图见表1，该电路输出的信码序列为： 1000。 信号波形如图3.2所示： 图3.2 基带信号波形图3.1.2 M序列仿真结果给m序列电路输入一个时钟信号，观测其输出信号。 图3.3m序列时钟信号 图3.4 m序列仿真图仿真成功，该电路输出的信码序列为： 1000。3.2 PSK调制电路3.2.1 PSK调制电路设计我选择的是采用键控法产生2PSK信号。主载波，按照要求设定载波为256kHZ,5V。通过反相器后反相信号与原始信号通过键控芯片控制。键控开关采用的是4066芯片。当控制端加高电平时，开关导通，低电平时开关截止。M序列作为控制信号输入。其引脚图如下： 图3.5芯片4066引脚图反相器我用了一个集成运放，适当设置电路的元件参数，即可以成为一个反相器。 图3.6 PSK调制电路3.2.2 PSK调制电路仿真由于载波信号和调制信号的频率差距太大，不方便观察，所以将载波设置为和M序列相同的频率8KZ,观测仿真输出。 图3.7 PSK调制仿真由仿真结果可以看出，调制成功。发送二进制符号“0”时，取0相位；发送二进制符号“1”时，取相位，这是二进制绝对相移调制。3.3 PSK解调电路3.3.1 PSK解调电路设计我采用相干解调，首先调制器输出信号由鉴相器鉴定相位后由低通滤波器滤掉没用的载波分量，再由抽样判决器及译码器解调输出。其中鉴相器我采用一个异或门实现，输出相同为0，不同为1，这是逻辑功能，它可以用来检测相位，简单地说就是锁相环中的鉴相器。将已调信号和载波信号输入74LS86异或门芯片。 低通滤波器部分，为了获得良好的幅频特性，脉冲展宽电路输出端所接的低通滤波器的带外衰减应很快，达40dB/十倍频程。采用巴特沃斯低通滤波器，其电路如图3.8。后接一个缓冲放大器，因为原本的输出就足够大，所以设置放大倍数为1倍。 图中所示的低通滤波器为二阶有源低通滤波器。能提供40dB/十倍频程衰减量，由截止频率公式： 图3.8 低通滤波器原理图检波以后的信号是模拟信号，需要经过抽样判决与判决门限比较，才能还原为数字基带信号。这次信号的比较基准电压就为“0V”,所以直接采用一个D触发器作为抽样判决器。 图3.9 抽样判决器3.3.2 PSK解调器仿真 图3.10 鉴相器仿真输出 （为了方便观测，这里的载波信号仍然是用的8KHZ）PSK信号经过鉴相器输出后已经成为的方波信号。 图3.11 滤波器仿真输出 经过滤波器，输出信号与调制信号已经很接近了。 图3.12 抽样判决仿真输出可以看到，抽样判决输出信号与调制信号M序列一样，解调成功！同时可以发现解调信号与m序列有一定的时延，t=126.094us。4 整体电路 通过前面部分的模块电路设计，我设计出了整体的电路。 图4.1 整体模块图 图4.2整体电路原理图这次将载波按照要求设定为256KHZ,。进行仿真。可以看出电路正常工作，能够调制和解调，满足课程任务要求。输出有一定的时延，与传输信号一致。最后，通过观察仿真波形，以上的两部分系统功能都能很好的实现，可以确定，本PSK通信系统设计成功。 图4.3 整体仿真结果 图4.4 材料清单5实物安装与调试 在实物焊接阶段，我们小组成员选择分模块焊接，这样不仅便于检测和找到问题点，而且我们可以同时进行焊接，加快了工程的进度。各个模块之间设置插点进行连接，实物图如下：M序列模块调制模块解调模块 图5.1 实物安装图 实物连接好之后，我进行实物的检查，其结果如下： 图5.2M序列实物测试图 图5.3 滤波器实物测试输出图 6 总结体会这次的通信课程设计，我收获很多。首先肯定关于PSK调制解调的了解，有了深刻的记忆，其次是实际动手能力的大大提高，团队合作精神也有了提高。不得不说知识一定要经过实践才印象深刻，理论和实际还是有很多不同的。这次设计，在不断的发现错误，改正错误中结束，错误让人进步，而经过困难后的成功让人成长，也培养了兴趣。这次设计中我们基本是采取模块化的思想，把整个设计分成几个小模块，一个个的攻克，查资料，一起讨论，定下初步的设计方案。然后进行仿真，这过程中肯定是很多问题的，基本每个模块都是更改几次才成功的。错了就再一起讨论，更改，实在还不行就去向老师请教。印象最深刻的是低通滤波器的设计，我们整体电路设计是没问题，但是就是不能正常工作，搞得大家都有点泄气了。最后向别人请教了，才发现我们的电容电阻选取不太合适，通过我们多次的调试，最后终于能正常工作，这小小的成功让我们对后面的工作都充满信心。最后出问题的是抽样比较器，我们原来设计的是一个比较复杂的电路，我们都觉得电路设计是没有问题的，也多次调试了，可是就是不能正常工作，输出直接就是直流了。最后我们打算放弃原有的设计，考虑到我们的实际问题，选择了一个异或门。当看到与M序列一致的输出信号时，我们都高兴惨了，这就是付出的收获吧！最后就是进行实物的焊接和调试，这个也是一个不断错误不断改正的过程，最后成功的时候我们都为之欢呼，忍不住的开心！ 我也明白了做设计要有耐心，成果都不是一蹴而就的，都是在不断的修正错误的过程收获的。以后的学习一点要结合实际，多动手，锻炼动手能力。