通信原理-BPSK传输系统设计与仿真-实验指导书

《通信原理》实验指导书信息学院通信教研部目录实验、2PSK传输系统设计与仿真实验目的．在前面2PSK调制系统设计与仿真实验的基础上，通过本实验建立起BPSK传输系统的概念，深入理解、掌握二进制相移键控技术（2PSK）的调制/解调原理及在通信传输系统中的应用。掌握（2PSK）调制/解调系统模型的构建技术。掌握（2PSK）调制/解调的设计与实现方法。深入理解、分析、掌握二进制相移键控（2PSK）调制/解调系统各模块间参数的设置及相互间的关联与影响。能够按不同用户的技术指标需求，进行（2PSK）调制/解调系统的设计。掌握（2PSK）调制/解调系统的测试方法。掌握对（2PSK）调制/解调系统的相关参数、信号波形及频谱进行分析的方法。对比原始发送数据信号经调制/与解调系统传输后，还原的数据信号是否与原始发送数据信号一致。实验仪器（软/硬件环境及所需元器件模块）PC机一台安捷伦科技EESof软件ADS：AdvancedDesignSystem–2005A计算机操作系统：Win2000,WinXP,HPUnix11.0,SunUnix5.8等元器件模块：Sinusoid正弦波信号发生器（Sinusoidsignalgenerator）；Data数字序列信号发生器（Datagenerator）；信号类型转换器（SignalConverters）：TimedToFloat信号类型转换器、FloatToTimed信号类型转换器；TimedSink信号接收器（TimedDataCollector）；SpectrumAnalyzer频谱分析仪（Spectrumanalyzer）；DF数据流控制器(DataFlowController)；Mpy2乘法器（2-InputMultiplier）；VAR变量和方程式模块(器件)（VariablesandEquationsComponent）。时钟源Clock，抽样保持器SampleAndHold，带通滤波器BPF_RaisedCosineTimed，低通滤波器为LPF_RaisedCosineTimed，限幅器Limiter，实验原理在（2PSK）的调制技术中，载波的相位随数字基带信号改变。2PSK信号的时域表达式为：是用双极性码元表示二进制数字基带信号的，即：设g(t)是幅度为1、宽度为Tb的矩形脉冲，则有：二进制相移键控信号的时间波形如图所示。二进制相移键控信号的时间波形2PSK信号的产生方法主要有两种：相乘法和相位选择法。产生2PSK信号的调制器原理图如图6-12所示，其中图(a)是采用乘法器的方法产2PSK信号，图(b)和(c)是采用数字键控（相位选择）的方法产生2PSK信号。图6-122PSK信号的调制器原理图3．2PSK信号的解调2PSK信号的解调只能采用相干解调的方法，也称极性比较法，其原理如图6-13（a）所示，2PSK信号相干解调各点的波形如图6-13(b)、(c)所示。图6-132PSK相干解调器原理图及各点波形解调的过程，实质上是接收的已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程。不考虑噪声时，带通滤波器输出a点波形与输入端2PSK波形相同，a点与b点本地恢复的同步载波相乘，得到c点波形其表达式为：；经低通滤波器滤掉高频分量输出为：得到d点波形，经抽样判决，恢复出原数字信号，如图(b)所示。x为抽样时刻的值，判别规则为x>0,判为0，x<0,判为1。在相干解调中，要求本地恢复的相干载波相位与接收的2PSK信号同频同相，由于本地恢复的载波相位有随机性，当恢复的载波产生1800倒相时，如图（c）中波形b，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号“1”和“0”正好相反，解调器输出的数字基带信号全部出错，如图(c)所示。这种现象通常称为“倒л”现象或称反向工作，也称相位模糊。这对数字传输来说是不能允许的。克服相位模糊最常用的办法是，采用相对相移键控技术（DPSK）。实验内容设计一个（2PSK）调制/解调系统。采用乘法器的方法产2PSK信号。采用相干解调的方法，也称极性比较法，解调2PSK信号，并还原成原始数字信号应用ADS软件：AdvancedDesignSystem–2005A构建所设计的（2PSK）调制/解调系统模型。应用ADS软件：AdvancedDesignSystem–2005A对所设计的（2PSK）调制/解调系统进行测试及分析。(1).记录保存各点的测试数据。(2).测试、观察、画出（2PSK）调制/解调系统各关键点的时域波形，并对其进行比较、分析。(3).测试、观察、画出（2PSK）调制/解调系统的基带信号和已调信号的频域波形，并对其进行比较、分析。实验步骤应用ADS软件：AdvancedDesignSystem–2005A构建所设计的（2PSK）调制/解调系统。要求采用乘法器的方法产2PSK信号。开始步骤与（2PSK）调制系统实验相同：（1）开始运行ADS：执行“程序->AdvancedDesignSystem2005A->RFDesigner”，如图（图1.1）。图1.1图1.2（2）新建一个工程文件：在ADS窗口，执行“File-〉NewProject…”，如图（图1.2）。在“NewProject”窗口中，创建工程名d：\学生姓名，如d：\zhanglibao如图（图1.3），点击OK。图1.3图1.4在出现的“SchematicWizard”窗口，选中“Nohelpneeded”如图（图1.4），Finish即可完成创建。进入原理图窗口如图（图1.5）。图1.5（3）创建项目文件：在原理图窗口中，执行“File-〉NewDesign…”并命名为：“学生姓名”，如图（图1.6）。在“TypeofNetwork”中，选中“DigitalSigalProcessingNetwork”，其它的不变点击OK。图1.62.构建（2PSK）调制/解调系统模型及参数设置(1).寻找元器件有三种方法：(a).知道元器件在哪个库中时选择相应的“库函数”，从下方的“元件图”中拉出想要的元器件。如图（图1.7）(b).知道元器件名时在“元件名”的位置直接输入“元件名”即可调出元器件。注意：输入时系统区分大小写。如图（图1.7）(c).前两种都不知道，只知道大概的元器件名时，点击“查找元件图标”，如图（图1.7）。在出来的窗口中点击输入sin进行查找，即可出现如图（图1.8）的结果，点中Sinusoid那行即可拉出相应的元器件。在Libraries中可以看到相应的库名。图1.7图1.8（2）配置系统模型中各模块及参数设置(a).需要的元器件有：正弦波发生器，DATA信号发生器，信号类型转换器，信号接收器，频谱仪器，DF数据流控制器，乘法器，VAR变量和方程式器件。带通滤波器，抽样保持器，时钟源，低通滤波器，限幅器。在实验一的基础上添加器件。把实验一中的正弦波发生器，信号类型转换器，信号接收器，乘法器进行复制，再添加新的器件。图3.1(b).按照寻找元器件的第二种方法搭建，正弦波发生器“元件名”为Sinusoid，用两个。双击如图（图3.1）中的正弦函数，出现如图（图3.2）并按图进行参数设置。TSemp=Tsemp，Vpeak=1.0V，Frequency=1MHz，Phase=0.0，DecayRatio=0，Delay=0.0sec，DurationTime=1usec，Repetitionlnterval=1usec。其中Tsemp是变量，会在VAR变量和方程式器件中赋值。当有不明白的地方时可以点击如图（图3.2）右下角的help帮助进行了解。当“Displayparameteronschematic”前面打对勾时证明需要显示。。图3.2DATA信号发生器“元件名”为Data；并按如图（图3.3）进行参数设置。Rout=50.0m0hm，RTemp=-273.15，TSemp=Tsemp，BitTime=BitTime，SequencePattern=8，Repeat=Yes。其中Tsemp、BitTime是变量，会在VAR变量和方程式器件中赋值。图3.3信号类型转换器（1.黑色箭头表示时系数，2.蓝色箭头表示浮点数）“元件名”为TimedToFloat用三个，FloatToTimed用一个，注意蓝的要和蓝的箭头接，黑的要和黑色箭头接，颜色一定要一致。信号类型转换器TimedToFloat的作用是把模拟信号变为数字信号如图（图3.4），FloatToTimed是反过来。信号类型转换器不需要修改参数。图3.4信号接收器“元件名”为TimedSink用三个，如图（图3.5）。频谱分析仪“元件名”为SpectrumAnalyzer用一个。如图（图3.512）。图3.5DF数据流控制器“元件名”为DF，并按如图（图3.6）进行参数设置。DefaultNumericStart=0，DefaultNumericStop=100，DefaultTimeStart=0usec，DefaultTimeStop=100usec。并在“display”窗口中在这四项打上对勾，OK进行显示。图3.6乘法器“元件名”为Mpy2，这是一个数字乘法器。如图（图3.7）图3.7VAR变量和方程式器件“元件名”为VAR，并按如图（图3.8）进行参数设置。Tstep=0.1usec，BitTime=10usec。图3.8限幅器“元件名”为Limiter，并按如图（图3.9）进行参数设置。Nlimit=-1V，Plimit=1V，Gain=1。图3.9低通滤波器“元件名”为LPF_RaisedCosineTimed，并按如图（图3.10）进行参数设置。Loss=0.0，CornerFreq=100kHz，ExcessBw=0.5，Delay=1usec。图3.10带通滤波器“元件名”为BPF_RaisedCosineTimed，并按如图（图3.11）进行参数设置。Loss=0.0，FCenter=1000000.0kHz，ExcessBw=0.5，Delay=1usec。图3.11抽样保持器:“元件名”为SampleAndHold，并按如图（图3.12）进行参数设置。图3.12时钟源，“元件名”为Clock，并按如图（图3.13）进行参数设置。图3.13（3）构建系统连接图点击图标把找到的元器件进行连接，连接方式如图（图3.14）,保存即可。图3.143．运行仿真程序并分析仿真结果：在原理图窗口中，单击Simulate运行仿真程序，结果正确时，出现如图（图3.15）结果，单击图标，出现显示窗口，点击并拉出图框，在“PlotType”窗口如图（图3.16）中，加入T3（输入数据流）、T4（本地振荡正弦波）、T5（PSK已调输出波），显示仿真结果图形如图（图3.16）。点击和图标，进行T3（输入数据流）、T4（本地振荡正弦波）、T5（PSK已调输出波）图形的局部放大显示，如图（图3.17、图3.18）所示。图3.15图3.16图3.17图3.18照此方法：在原理图窗口中，单击Simulate运行程序，运行完后，单击出现显示窗口，点击并拉出图框，在“PlotType”窗口中，加入要显示的图形即可，方法同上。图3.19中，T17为已调信号波形、T14为本地载波波形，T19为接收端相干解调信号波形。图3.19图3.20中，T19为接收端相干解调信号波形，T20为低通滤波器输出信号波形，T16为抽样时钟信号，T15为经抽样判别后还原的数字信号波形，T3为发送端的原始数字信号波形。可见试验及仿真结果与理论设计、分析结果一致。实验