通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

1、第1章 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)要求熟悉CVSD-DPSK通信系統(tǒng)構(gòu)成及原理，了解信號變換過程。熟悉systemview軟件及實現(xiàn)該系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。實現(xiàn)用該軟件實現(xiàn)CVSD-DPSK通信系統(tǒng)并進行仿真。具體要求： 熟悉CVSD-DPSK通信系統(tǒng)的構(gòu)成及原理。 在systemview環(huán)境中設(shè)計并搭建CVSD-DPSK通信系統(tǒng)電路實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 要求采用3種不同頻率（20,100，100KHz）的載波分別進行實現(xiàn)。對系統(tǒng)進行仿真，并進行參數(shù)分析。專修過通信原理、單片機原理等課程，擁有一定的理論知識。目標： 熟悉CVSD-DPSK通信系統(tǒng)的構(gòu)成及原理。 在systemview環(huán)境中設(shè)計并搭建CVSD-

2、DPSK通信系統(tǒng)電路實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 改變系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)不同的仿真結(jié)果并進行分析。摘要：連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(CVSD)是一種性能良好的音節(jié)壓擴自適應(yīng)增量調(diào)制,非常適合語音信號的編解碼，其硬件實現(xiàn)簡單，抗噪聲能力強。差分相移鍵控（DPSK）是一種將數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號，有利于信號在大部分信道中傳輸，其抗干擾能力強，誤碼性能好，頻帶利用率高。本設(shè)計主要是對語音信號進行CVSD調(diào)制，將產(chǎn)生的編碼通過DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，有利于信號在信道中的傳輸，最后再通過CVSD譯碼將語音信號還原出來。通過分析CVSD和DPSK工作原理，在systemview環(huán)境下提出了系統(tǒng)仿真，并畫出了編譯碼仿真流程圖

3、，同時權(quán)衡各種參數(shù)的影響，合理選取了各參數(shù)的值。第2章 Systemview軟件介紹 Systemview軟件概述SystemView是美國ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(Token)去描述程序，無需與復(fù)雜的程序語言打交道，不用寫一句代碼即可完成各種系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，快速地建立和修改系統(tǒng)、訪問與調(diào)整參數(shù)，方便地加入注釋。利用System View，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)模混合系統(tǒng)，各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。用戶在進行系統(tǒng)設(shè)計時，只需從System View配置的圖標庫中調(diào)

4、出有關(guān)圖標并進行參數(shù)設(shè)置，完成圖標間的連線，然后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。SystemView的庫資源十分豐富，包括含若干圖標的基本庫（Main Library）及專業(yè)庫(Optional Library)，基本庫中包括多種信號源、接收器、加法器、乘法器，各種函數(shù)運算器等；專業(yè)庫有通訊（Communication）、邏輯（Logic）、數(shù)字信號處理（DSP）、射頻/模擬（RF/Analog）等；它們特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和方案論證，尤其適合于無線電話、無繩電話、尋呼機、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星通訊等通信系統(tǒng)；并可進行各種系統(tǒng)時域和頻域分析、譜分

5、析，及對各種邏輯電路、射頻/模擬電路（混合器、放大器、RLC電路、運放電路等）進行理論分析和失真分析。Systemview是用于現(xiàn)代工程與科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計仿真的動態(tài)系統(tǒng)分析平臺。從濾波器設(shè)計、信號處理、完整通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真，到一般系統(tǒng)的數(shù)學(xué)系統(tǒng)的模型的建立等各個領(lǐng)域。Systemview在一個可視化功能齊全的窗口下，為我們提供了嵌入式的分析工具。 第三章 CVSD調(diào)制模塊1、CVSD調(diào)制基本原理CVSD調(diào)制即為連續(xù)斜率可變增量調(diào)制，它是一種把信號上采樣的樣值作為預(yù)測值的單純預(yù)測騙碼方式。增量調(diào)制是預(yù)測編碼方式中最簡單的一種，它將信號瞬時值與前一個抽樣時刻的量化值之差進行量化，而且只對這個差值的符

6、號進行編碼，而不對差值的大小進行編碼，因此量化只限于正和負兩個電平，只用一比特傳輸一個樣值。如果差值是正的，就發(fā)“”碼，若差值為負的，就發(fā)“”碼，因此數(shù)碼“”和“”只是表示信號相對于前一時刻的增減，不化表信號的絕對值。在接收端，每收到一個“”碼，譯碼器的輸出相對于前一個時刻的值上升一個量階；每接收一個“”碼就下降一個量價。當(dāng)收到連“”碼時，表示信號連續(xù)增長；當(dāng)收到連“”時，表示信號連續(xù)下降。與PCM相比增量調(diào)制有以下優(yōu)點： (1) 在比特率較低時，增量調(diào)制的量化信噪比高于PCM的量化信噪比； (2) 增量調(diào)制的抗誤碼率性能好。能工作于誤碼率為的信道中，而PCM要求誤碼率通常為 (3) 增量調(diào)制

7、的譯碼器比PCM簡單。2、CVSD調(diào)制的設(shè)計原理和框圖 2.1 簡單增量調(diào)制的設(shè)計原理 總的來說，簡單增量調(diào)制要經(jīng)過編碼和本地譯碼兩個部分。它的編碼思想如下假設(shè)一個模擬信號 (為作圖方便起見，令 0)，可以用一時間間隔為，幅度差為的階梯波形去逼近它，如圖2.1所示。只要足夠小，即抽樣頻率足夠高，且足夠小，則可以相當(dāng)近似于。在這里把稱作量化階，稱為抽樣間隔。圖2.1 簡單增量調(diào)制的編碼過程逼近的物理過程是這樣的：在時刻用與比較，倘若，就讓上升一個量階段，同時調(diào)制器輸出二進制“1”；反之就讓下降一個量階段，同時調(diào)制器輸出二進制“0”。根據(jù)這樣的編碼思路，結(jié)合圖2.1去近似。而鋸齒波也只有斜率為正和

8、斜率為負兩種情況，因此也可以用“1”碼表示正斜率和“0”碼表示負斜率，以獲得一個二進制代碼序列。 簡單增量調(diào)制的本地譯碼思想如下與編碼相對應(yīng)，譯碼也有兩種情況，一種是收到“1”碼上升一個量化階(跳變)，收到“0”碼下降一個量化階(跳變)，這樣就可以把二進制代碼經(jīng)過譯碼變成這樣的階梯波。另一種是收到“1”碼后產(chǎn)生一個正斜變電壓，在時間內(nèi)上升一個量化階，收到一個“0”碼產(chǎn)生一個負的斜變電壓，在時間內(nèi)均勻下降一個量化階。這樣，二進制碼經(jīng)過譯碼后變?yōu)槿邕@樣的鋸齒波?？紤]電路上實現(xiàn)的簡易程度，一般都采用后一種方法。這種方法可用一個簡單RC積分電路把二進制碼變?yōu)椴ㄐ?，如圖2.2所示。圖中假設(shè)二進制雙極性代

9、碼為1010111時與的波形。圖2.2 簡單增量調(diào)制譯碼原理圖 2.2 簡單增量調(diào)制的總原理框圖 簡單增量調(diào)制總的原理框圖如下圖2.3比較器所示限幅電路反相器加法器放大器CP單雙變換積分器射隨器圖2.3 CVSD調(diào)制總原理框圖在圖2.3中，信號通過一個加法器得到誤差信號e(t),由于在經(jīng)過加法器后得到的是一個反相的信號，所以在加法器后還要再接上一上反相器以為信號變?yōu)楹驮瓉淼南辔灰粯?。然后再?jīng)過一個放大器再經(jīng)過一個零偏置電路得到一個雙極性信號，雙極性信號再通過一個限幅電路（相當(dāng)于一個開關(guān)電路）把信號限制在03伏之間，信號再接入到一個比較器再加上CP脈沖出來得到一個單極性信號，信號再經(jīng)過一個單雙變

10、換把電壓信號轉(zhuǎn)換為雙極性電流信號I然后經(jīng)過一個積分器和射隨器得出一個反饋信號再接入到加法器。3、實驗原理和電路說明CVSD編碼系統(tǒng)分別由CVSD發(fā)送模塊和CVSD譯碼模塊模塊完成。CVSD編碼器模塊將模擬信號進行CVSD編碼，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號在信道上進行傳輸。CVSD譯碼器模塊將信道上接收到的數(shù)字信號進行CVSD碼字譯碼處理，還原出模擬信號。CVSD編譯碼器使用了莫托洛拉公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路MC34115芯片，該芯片可用于CVSD編碼，又可用作CVSD解碼，其取決于芯片第15腳的使能信號：“1”電平為編碼方式，“0”電平為譯碼方式。CVSD編譯碼器電路組成框圖參見下圖：1、 CVSD發(fā)送模塊

11、主要由CVSD編碼集成電路U801(MC34115)、運放U802(TL082)、本地譯碼器、音節(jié)濾波器和非線性網(wǎng)絡(luò)組成，CVSD發(fā)送模塊原理框圖見圖1.8.2所示。外部輸入的話音信號經(jīng)U802A緩沖放大之后，送U801的1腳進行CVSD話音編碼（CLKT_Data為32KHz的編碼時鐘），CVSD編碼之后的數(shù)據(jù)經(jīng)9腳輸出（CVSD_ENOUT）。R806、R807、R808、C805和C804組成的積分網(wǎng)絡(luò)完成本地譯碼；TP803是恢復(fù)的原始模擬信號（近似值），該信號通過2腳送入比較器與輸入信號進行比較。在TP804可以觀測到連碼一致性脈沖信號，R813、R814和C806構(gòu)成音節(jié)濾波器，用

12、于對連碼一致性脈沖進行平滑。U802B、D801、D802和周圍電阻組成非線性網(wǎng)絡(luò)，使在大信號輸入時，量化階自適應(yīng)的增加，實現(xiàn)斜率連續(xù)可變的自適應(yīng)增量調(diào)制。在通信原理實驗箱中，CVSD_ENOUT編碼信號可直接送到CVSD譯碼模塊中，亦可經(jīng)信道調(diào)制系統(tǒng)（BPSK或DBPSK）送到接收端。2、 CVSD編碼框圖如下：3、 CVSD譯碼框圖如下：4、系統(tǒng)調(diào)試 本次系統(tǒng)調(diào)試可分為兩個步驟： 1. 開環(huán)時 接入加法器的反饋信號斷開，并使其接地。首先使輸入為一個高電平,反饋接地。由增量調(diào)制的原理可得: 由于沒反饋信號，誤差信號就是輸入信號,誤差信號經(jīng)過限幅和比較器輸出全為“1”的編碼。而積分器之后輸出的

13、本地譯碼則為正向性線增長的直線。 編碼輸出為: 1111111111 2. 閉環(huán)時 在閉環(huán)調(diào)試中，加法器的一端輸入信號源,另一端輸入反饋信號，加法器將輸出比較后的差值，如果差值是正的,則輸出為“1”表示，反之為“0”。輸出的此時如果輸入的為一個高電平,此時反饋信號從零開始，由于輸入大于輸出，所以此時輸出為“1”；在下一個時間周期內(nèi)輸入信號仍大于反饋信號，此時繼續(xù)輸出“1”。直到反饋信號大于輸入信號時，才輸出“0”。如此循環(huán)得到的碼型如下。如果輸入的是低電平,輸出的則先為“1”，再為“0”，如此循環(huán)。如下圖所示: 輸入為高電平時: 111101010。輸入為低電平時: 101010101。4、系

14、統(tǒng)仿真步驟與參數(shù) 系統(tǒng)仿真步驟： 1. 系統(tǒng)框圖初步確定仿真所要求的元器件在Systemview連好仿真圖，并進行仿真。 2. 對初步仿真的結(jié)果進行核查，并找出比較合適的參數(shù)。 3. 找出比較合適的波形，并記錄好各元器件的參數(shù)。 本次仿真的幾個關(guān)鍵器件參數(shù)設(shè)置如下： 如下圖6.1中信號源（器件8）的頻率設(shè)在3K，器件10中Gaim設(shè)為3；器件0中Select Comparision：a>=b True Output：3 ；器件5中設(shè)置為Gain Units選中Linear，Gain設(shè)為40e-3 ；器件1和11中l(wèi)nitial Condition先為Fill Last Regiter，T

15、oken Attribute選為Passive，Delay(samples)設(shè)為1。6、系統(tǒng)仿真圖與波形 系統(tǒng)仿真圖如下圖6.1所示圖6.1 系統(tǒng)仿真圖 系統(tǒng)輸入信號波形如下圖6.2所示圖6.2 系統(tǒng)輸入信號波形 系統(tǒng)輸出信號波形如下圖6.3所示圖6.3 系統(tǒng)輸出信號波形系統(tǒng)反饋信號波形如下圖6.4所示圖6.4 系統(tǒng)反饋信號波形第四章 DPSK的工作原理與設(shè)計思想一.DPSK信號產(chǎn)生原理DPSK方式即是利用前后相鄰碼元的相對值去表示數(shù)字信息的一種方式?，F(xiàn)假設(shè)用表示本碼元初相與前一碼元初相之差，并規(guī)定：=0表示0碼，=表示1碼。則數(shù)字信息序列與2DPSK信號的碼元相位關(guān)系可舉例表示如PSK信號是

16、用載波的不同相位直接去表示相應(yīng)的數(shù)字信號而得出的，在接收端只能采用相干解調(diào)，它的時域波形圖如下圖所示 圖3-1 2DPSK信號波形在這種絕對移相方式中，發(fā)送端是采用某一個相位作為基準，所以在系統(tǒng)接收端也必須采用相同的基準相位。如果基準相位發(fā)生變化，則在接收端回復(fù)的信號將與發(fā)送的數(shù)字信息完全相反。所以在實際過程中一般不采用絕對移相方式，而采用相對移相方式。定義為本碼元初相與前一碼元初相之差，假設(shè)：=0 ，數(shù)字信息“0”；= ，數(shù)字信息“1”。則數(shù)字信息序列與2DPSK信號的碼元相位關(guān)系可舉例表示如下：數(shù)字信息： 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 DPSK信號相位：0 0 0 0 0 或：

17、0 0 0 0 0 0二DPSK的調(diào)制系統(tǒng)1. DPSK的調(diào)制工作原理DPSK信號的實現(xiàn)方法：首先對二進制數(shù)字基帶信號進行差分編碼，將絕對碼表示二進制信息變換為用相對碼表示二進制信息，再輸入載波信號，將基帶信號與載波信號相乘輸出2DPSK信號。2.DPSK的調(diào)制系統(tǒng)框圖 差分編碼乘法器輸入PN碼2DPSK輸出 圖3-2 調(diào)制框圖絕對碼： 相對碼： 載波： DPSK信號： 圖3-3 調(diào)制信號波形3. DPSK的解調(diào)系統(tǒng)二DPSK的解調(diào)工作原理1.DPSK信號屬于DSB信號，它的解調(diào)，不再能采用包絡(luò)檢測的方法，只能相干解調(diào)。它可以采用相干解調(diào)法方式（極性比較法），但由于它對載波的同步性要求比較高，

18、不容易實現(xiàn)，所以本次設(shè)計使用了差分相干解調(diào)法方式（相位比較法）。其解調(diào)原理是直接比較前后碼元的相位差，從而恢復(fù)發(fā)送的二進制數(shù)字信息。由于解調(diào)的同時完成了碼反變換作用，故解調(diào)器中部需要碼反變換器。DPSK信號先經(jīng)過帶通濾波器，去除調(diào)制信號頻帶以外的在信道中混入的噪聲，再與本地載波相乘，去掉調(diào)制信號中的載波成分，再經(jīng)過低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號的低頻信號，將其送入抽樣判決器中進行抽樣判決得到原基帶信號。 2. DPSK的解調(diào)系統(tǒng)框數(shù)據(jù)輸出帶通濾波器乘法器低通濾波器抽樣判決延時Tsabde定時脈沖2DPSK輸入 c圖3-4 解調(diào)框圖2DPSK信號a： b: c: d： 二進制信息e：

19、圖3-5 解調(diào)信號波形4.DPSK系統(tǒng)的設(shè)計思想考慮到以上幾節(jié)有關(guān)2DPSK的產(chǎn)生原理，調(diào)制解調(diào)工作原理與系統(tǒng)框圖，以及本次設(shè)計所需實現(xiàn)的設(shè)計指標，我們主要從以下幾個方面著手本次的設(shè)計： （1）搞懂設(shè)計原理，2DPSK的產(chǎn)生原理，在紙上畫出原理框圖以及理論上各點對應(yīng)的波形，理解各個器件的作用； （2）學(xué)習(xí)并熟悉Systemview軟件，根據(jù)軟件使用介紹，查找器件，設(shè)計參數(shù)，連接系統(tǒng)。 (3) 進行軟件仿真，觀察各點輸出波形，與理論想比較，檢驗2DPSK的工作原理，記錄輸入序列、差分碼序列、DPSK信號、帶通輸出、低通輸出和解調(diào)輸出的波形，并分析。注：本次設(shè)計中：以“0”對于相位無變化，“1”對

20、應(yīng)于相位有變化，改變相。第4章 基于Systemview軟件DPSK仿真設(shè)計4.1 DPSK調(diào)制與解調(diào)總模型搭建圖4-1 DPSK調(diào)制與解調(diào)總模型圖4.2 參數(shù)設(shè)置與器件功能Token0：PN碼源參數(shù)： Amp=1v、Offset=0v、Rate=100Hz、No.of levels=2；功能：輸入基帶碼元信號 （絕對碼），碼元速率為100HZ；Token2, Token7 ：延時器參數(shù)：sec=10e-3功能：延時T，2是為了生成差分碼，從而差分編碼；7是為了解調(diào)時恢復(fù)源碼；Token1：差分編碼器（異或）參數(shù)：Threshold=0、True Output=1、False Output=-

21、1；功能：將前后碼元進行異或，實現(xiàn)差分編碼，得到相對碼；Token4：輸入載波，參數(shù)：頻率f=1000HZ；Amp=1v，相位為0功能：提供載波，與相對碼相乘Token3、6：乘法器功能：相乘，3完成DPSK調(diào)制；5相當(dāng)于整流；Token5：帶通濾波器參數(shù)：Low Cuttoff=900HZ、 Hi Cuttoff=1100HZ；功能：取有用信號，去帶外噪聲；Token8：低通濾波器，參數(shù)：Low Cuttoff=100HZ；功能：濾除高次諧波，取低頻率信號；Token9 ，Token10：構(gòu)成抽樣判決器參數(shù) ：10門限，值為0；9當(dāng)a大于等于b時輸出0，小于0時輸出1功能：對濾出的低頻信號進

22、行抽樣判決，恢復(fù)原來的碼元信號； Token11、12、13、14、15、16、17、18、19、20為觀察窗；功能：觀察各點波形，便于比較分析；注：(1)濾波器的參數(shù)得最后設(shè)計，其中帶通的兩個參數(shù)來自：1000+100HZ;(2)系統(tǒng)定時操作不能省略，采樣率應(yīng)為最高頻率的十倍以上，采樣點數(shù)以及起止時間應(yīng)選取恰當(dāng)，便于觀察波形；(3)系統(tǒng)時延的確定：理論上的設(shè)計，碼元延時與差分相干解調(diào)時的延時，都為一個碼元速率，而給定為100HZ，因此取延時為0.01S.4.3 DPSK差分信號產(chǎn)生及相干解調(diào)波形的仿真與分析在進行仿真設(shè)計與結(jié)果分析時，我們將2DPSK系統(tǒng)分模塊討論，各模塊如下：（1）差分編碼

23、模塊（2）2DPSK調(diào)制模塊（3）2DPSK解調(diào)乘法器模塊（4）解調(diào)抽樣判決模塊4.3.1差分編碼模塊1） 輸入的二進制基帶波形（絕對碼）：輸入的基帶信號（絕對碼）是二進制 雙極性偽隨機碼（即PN序列），碼元速率為100Hz。圖4-2 調(diào)制信號波形圖2）2DPSK調(diào)制中輸出的相對碼：輸入的基帶絕對碼經(jīng)過差分編碼器 轉(zhuǎn)換成相對碼。圖4-3 輸出地相對碼波形圖說明1：從左圖可以看出：系統(tǒng)實現(xiàn)了差分編碼功能;體現(xiàn)在，圖4-2與圖4-4相異或的結(jié)果正好為圖4-3.即bn=bn-1異或an,bn為差分編碼輸出，輸出為相對碼，an為基帶輸入，輸入為絕對碼；圖4-4調(diào)制信號時延t后的波形圖說明2：比較圖4-

24、2、與圖4-3，后圖與前圖波形上存在相位差，整體向右平移，定量為兩個小格，從坐標上看，時延為10e-3，這與我們設(shè)置的延時器的參數(shù)一致，說明軟件仿真結(jié)果與理論符合。4.3.2 2DPSK調(diào)制模塊1）基帶信號與載波信號相乘輸出的2DPSK信號：（載波頻率為1000 Hz）圖4-5 2DPSK信號波形圖2）經(jīng)過帶通濾波器輸出2DPSK信號波形：（載波頻率為1000 Hz）圖4-6 帶通濾波輸出波形圖說明3：圖4-5為基帶信號與載波信號相乘輸出的2DPSK信號，由于信號中含有有用信號，同時又含有大量的高次諧波與噪聲，因此圖中難以看出2DPSK信號；而圖4-6為經(jīng)過帶通濾波后波形，可見，經(jīng)過帶通濾波后，取出了有用信號，從圖中已能看出每個碼元的初始相位，分