PSK通信系统课程设计

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，所有消息必须在转换成电信号后才能在通信系统中传输。所以，信号是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。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。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。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。通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图1.1所示：图1.1通信系统一般模型通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统：数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。2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。3 PSK原理及设计过程3.1 PSK的调制3.1.1 调制原理分析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。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： 发送“0”时 概率为P 发送“1”时 概率为1-P 图 3.1 二进制移相键控信号的时间波形二进制移相键控信号的调制原理图如图3.2，3.3 所示。 其中图3.2是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图3.3是采用数字键控的方法产生2PSK信号。乘法器码型变换 s(t) NRZ (t) 图3.2采用模拟调制的方法产生2PSK信号开关电路图 3.3采用数字键控的方法产生2PSK信号3.1.2 调制电路设计采用模拟调制的方法产生2PSK信号，首先由振荡器产生一个主载波，通过反相器后反相信号与原始信号通过乘法器调制，而M序列由M序列发生器产生，经码变换器后加到调制器后便调制出2PSK信号，其总设计框图如下：图3.4 调制电路框图对每一单元进行逐步设计并调试，其中反相器运用了运放进行设计：图3.5 反相器采用运算放大器，并取R1=R2=10k，由虚断虚地，可得到反相信号。M序列发生器采用D触发器设计：图3.7 M序列发生器采用D触发器及门电路，运用反馈效应，产生的M序列为：1111，考虑到PSK会有反相现象，便使用码变换器使绝对码变相对码后输入调制器，而调制器使用4066BD_5V开关3.2 PSK的解调3.2.1 解调原理分析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， 带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器 输出 定时脉冲图 3.9 2PSK信号的解调原理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 3.10 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。图 3.10 2PSK信号相干解调各点时间波形这种现象称为 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。3.2.2 解调电路设计本课设采用相干解调原理，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，得出解调原理框图如下：带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器 输出 定时脉冲图 3.9 2PSK信号的解调原理图图3.13 解调原理框图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。低通滤波器择采用比较普遍的RC低通滤波器实现，这两模块电路较简单，而抽样判决器采用了运放电路来实现，如下图：图3.14 抽样判决器检波以后的信号是模拟信号，需要经过比较器与判决门限比较，才能还原为数字基带信号， 比较器实际上是工作在开环状态下的运算放大器，它是用来比较两个电压大小的器件，其传输特性如图所示：图3.15比较器传输特性比较器的工作原理比较简单，当稍高于时，输入端的电压差-经过具有很大电压增益的集成运放进行放大，输出时达到高电平饱和状态；当稍低于时，输入经过具有很大电压增益的集成运放进行放大，输出时达到高电平饱和状态。4 仿真及结果分析4.1调制仿真本设计采用multism软件进行仿真，相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的 混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，可以几乎100%地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直观。首先，根据设计电路图4.1，在EWB中选好元器件，连好电路图，并设置好参数： 图4.1调制电路画好电路图后，用示波器观察0相载波和反相载波，得：图4.2 载波再观测NRZ码波形和经过码变换后的波形，即相对码和绝对码，得：图4.3 相对码和绝对码分别观测两个相乘器的输入输出波形，如图4.4为乘法器1的输入，即0相载波和相对码，图4.5为两信号相乘后输出波形：图4.4图4.5如图4.6为乘法器2的输入，即相载波和反相相对码，图4.7为两信号相乘后的输出波形：图4.6图4.7四路信号经过两个相乘器后输出两路波形如图4.8，这两路波形经过加法器相加后，便得到PSK的调制波形如图4.9所示：图4.8图4.9 调制波形4.2 解调仿真同理，在EWB中选好元器件，连好解调电路图，并设置好参数，在各模块输出接一个示波器观察波形，可观察解调过程波形图，得到如下结果：首先是由调制模块的输出PSK波形和相对码一同输入鉴相器进行相位鉴定，同相为0，异相为1，然后鉴相器的输出经过低通滤波器，滤掉没用的高频载波，得到如下波形图：图4.10 鉴相器输入及滤波器输出信号经过滤波后，通过电压比较器和判决器，设定判决电压，可得到判决波形：图4.11 判决波形经抽样判决的信号最后通过差分译码器，将相对码变换成绝对码，所得PSK解调波形如下：图4.12 解调波形4.3 结果分析 通过以上仿真结果，可看出： 首先，在解调部分，0相载波和相载波波形完全倒相，反相器正确，M序列发生器产生波形为：1111，经过码变换后变成相对码：01011，然后0相载波和相载波分别与相对码和其反相相乘，所得结果再通过加法器，从而得到PSK的调制波形； 其次，在解调部分，PSK信号经过鉴相后进行低通滤波滤掉高频载波，观察波形，可见设计的滤波器效果良好，最后将信号进行抽样判决，并通过码变换由相对码变成原始的绝对码信号，即解调输出信号； 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。5心得体会 经过这次的通信原理课程设计的学习，让我收获多多。但在这中间，我也发现了我存在的很多不足。我的动手能力还不够强，当有些实验需要很强的动手能力时我还不能从容应对；我的探索方式还有待改善，当面对一些复杂的电路图时我还不能很快很好的画完；我的数据处理能力还得提高，当眼前摆着一大堆复杂的PSK原理公式我处理的方式及能力还不足，不能用最佳的处理手段仿真误差减小到最小程度，短短几天里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 总之，通信原理课程设计让我收获颇丰，同时也让我发现了自身的不足。在实验课上学得的，我将发挥到其它中去，也将在今后的学习和工作中不断提高、完善；在此间发现的不足，我将努力改善，通过学习、实践等方式不断提高，克服那些不应成为学习、获得知识的障碍。在今后的学习、工作中有更