現(xiàn)代通信技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

1、現(xiàn)代通信技術(shù) 指導(dǎo)書 張瑩1. 技術(shù)要求2.基本原理2.1 2ASK和 2DPSK 信號(hào)原理2.2 2ASK和 2DPSK 信號(hào)的調(diào)制原理2.3 2ASK和 2DPSK 信號(hào)的解調(diào)原理(1 2DPSK信號(hào)解調(diào)的極性比較和碼變換法(2 2DPSK 信號(hào)解調(diào)的差分相干解調(diào)法3. 模塊分析3.1 幅度調(diào)制模塊分析3.2 2DPSK功能模塊分析差分和逆差分變換模型帶通濾波器和低通濾波器的模型抽樣判決器模型2DPSK 總模型框圖(1 2DPSK模擬調(diào)制和極性相干解調(diào)法仿真(2 2DPSK模擬調(diào)制和差分相干解調(diào)法仿真信號(hào)源 source library差分器調(diào)制和加噪模4 SystemView元件簡介5調(diào)

2、試過程及結(jié)論5.1基于 SystemView 的 2ASK 調(diào)制解調(diào)仿真過程及結(jié)論 5.2 差分相干法5.3 極性比較法6 參考文獻(xiàn)1技術(shù)要求分別設(shè)計(jì) 2ASK 和 2DPSK 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),要求:(1設(shè)計(jì)出規(guī)定的數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);(2根據(jù)通信原理,設(shè)計(jì)出各個(gè)模塊的參數(shù)(例如碼速率,濾波器的截止頻率等 ;(3用 SystemView 實(shí)現(xiàn)該數(shù)字通信系統(tǒng);(4觀察仿真并進(jìn)行波形分析;(5系統(tǒng)的性能評價(jià)。2基本原理2.1二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK 振幅鍵控(也稱幅移鍵控 ,記做 ASK, 或稱其為開關(guān)鍵控(通斷鍵控 ,記做 OOK 。 二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控通常記做 2ASK 。對于振幅鍵控這樣的線性

3、調(diào)制來說,在二進(jìn)制里,2ASK 是利用代表數(shù)字信息“ 0”或 “ 1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波,使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)的輸出,有載波輸出時(shí)表 示發(fā)送“ 1” ,無載波輸出時(shí)表示發(fā)送“ 0” 。根據(jù)線性調(diào)制的原理,一個(gè)二進(jìn)制的振幅調(diào)制 信號(hào)可以表示完成一個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦型載波的乘積。 2ASK 信號(hào)可表示為 式中 , 為載波角頻率, s(t為單極性 NRZ 矩形脈沖序列 其中, g(t是持續(xù)時(shí)間為、高度為 1的矩形脈沖,常稱為門函數(shù); 為二進(jìn)制 數(shù)字2DPSK 信號(hào)原理2DPSK 方式即是利用前后相鄰碼元的相對相位值去表示數(shù)字信息的一種方式。 現(xiàn)假設(shè) 用 表示本碼元初相與前一碼元

4、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(hào)的碼元相位關(guān)系可舉例表示如 2PSK 信號(hào)是用載波的不同相 位直接去表示相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)而得出的,在接收端只能采用相干解調(diào),它的時(shí)域波形圖如 圖 1所示。 圖 1 2DPSK信號(hào)在這種絕對移相方式中,發(fā)送端是采用某一個(gè)相位作為基準(zhǔn),所以在系統(tǒng)接收端也必須采 用相同的基準(zhǔn)相位。如果基準(zhǔn)相位發(fā)生變化,則在接收端回復(fù)的信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字信息 完全相反。所以在實(shí)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 2

5、DPSK 信號(hào)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 1DPSK 信號(hào)相位:0 0 0 0 0 或: 0 0 0 0 0 02.2 2ASK調(diào)制原理及框圖通常,二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種,如下圖 2.2所示。圖 2.2(a 就是一 般的模擬調(diào)制方法,不過這里的是 s (t 由上式規(guī)定,即 圖 2.2(b 就是一種鍵控方法,這里開關(guān)電路受 s(t控制。二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào),若一個(gè)信號(hào)狀態(tài)始終為零,相當(dāng)于處于斷開狀態(tài),即此時(shí)常稱為通斷鍵控信號(hào)(OOK 信號(hào) 圖 1 圖 22DPSK 信號(hào)的調(diào)制原理及框圖一般來說, 2DPSK 信號(hào)有兩種調(diào)試方法,即模擬調(diào)

6、制法和鍵控法。 2DPSK 信號(hào)的的模 擬調(diào)制法框圖如圖 2所示,其中碼變換的過程為將輸入的單極性不歸零碼轉(zhuǎn)換為雙極性不 歸零碼。 圖 2 模擬調(diào)制法2DPSK 信號(hào)的的鍵控調(diào)制法框圖如圖 3所示, 其中碼變換的過程為將輸入的基帶信號(hào)差分, 即變?yōu)樗南鄬Υa。選相開關(guān)作用為當(dāng)輸入為數(shù)字信息“ 0” 時(shí)接相位 0,當(dāng)輸入數(shù)字信 息為“ 1”時(shí)接 pi 。-=”時(shí)發(fā)送“ 以概率 , ”時(shí) 發(fā)送“ 以概率 0P 101P t, Acos (c OOK t e 開 關(guān) 電 路 圖 3 鍵控法調(diào)制原理圖2.3 2ASK解調(diào)原理及框圖如同 AM 信號(hào)的解調(diào)方法一樣, OOK 信號(hào)也有兩種基本的解調(diào)方法:非

7、相干解調(diào)(包絡(luò) 檢波和(同步檢波 。相應(yīng)的接收系統(tǒng)組成的方框圖如圖所示。二進(jìn)制振幅鍵控方式是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的,也是最簡單的。這種方法最初用于電 報(bào)系統(tǒng),但由于它在抗噪聲的能力上較差,故在數(shù)字通信系統(tǒng)中用得不多。帶通濾波器(BPF 恰好使 2ASK 信號(hào)完整地通過,經(jīng)包絡(luò)檢測后,輸出其包絡(luò)。低通 濾波器(LPF 的作用是濾除高頻雜波,使基帶信號(hào)(包絡(luò)通過。抽樣判決器包括抽樣、 判決及碼元形成器。定時(shí)抽樣脈沖(位同步信號(hào)是很窄的脈沖,通常位于每個(gè)碼元的中 央位置,其重復(fù)周期等于碼元的寬度。不計(jì)噪聲影響時(shí),帶通濾波器輸出為 2ASK 信號(hào), 即 ,包絡(luò)檢波器輸出為 s(t。經(jīng)抽樣、判決后將碼元再

8、生,即可 恢復(fù)出數(shù)字序列 。 圖 3 2ASK非相干解調(diào)接收系統(tǒng) 圖 4 2ASK相干解調(diào)接收系統(tǒng)2DPSK信號(hào)的解調(diào)原理及框圖2DPSK 信號(hào)最常用的解調(diào)方法有兩種,一種是極性比較和碼變換法,另一種是差分相 干解調(diào)法。(1 2DPSK信號(hào)解調(diào)的極性比較和碼變換法 圖 4 極性比較解調(diào)原理圖(2 2DPSK信號(hào)解調(diào)的差分相干解調(diào)法 圖 5 差分相干解調(diào)原理圖3 模塊分析3.1 幅度調(diào)制模塊分析 圖 6 ASK 模擬幅度調(diào)制模塊 0:信號(hào)源,幅度為 1V ,頻率為 10HZ ,偏移量為 1,相位為 0,點(diǎn)平數(shù)為 2。見 下圖 圖 7模塊 1:乘法器模塊 2:正弦載波幅度為 1V ,頻率 50HZ

9、 ,相位為 0。見下圖 圖 8(1 相干解調(diào) &非相干解調(diào)模塊分析 圖 9 相干解調(diào) &非相干解調(diào)其中圖上上面一種為非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法 ,下面為相干解調(diào)(同步檢測法 。模塊 3、 10為帶通濾波器。模塊 5、 13為低通濾波器,截止波頻率為 10HZ 。模塊 12為載波,與模塊 2相同,頻率為 50hz 。模塊 18、 19為比較器,設(shè)置一個(gè)參考電平,當(dāng)輸入大于或等于此點(diǎn)位時(shí)判 1,小于時(shí) 則判 0。模塊 20為階躍電平,用來設(shè)置比較器的參考電平。此時(shí)參考電平設(shè)置為 200e-3V 。 3.2 2DPSK功能模塊分析差分和逆差分變換模型差分變換模型的功能是將輸入的基帶信號(hào)變

10、為它的差分碼。用到的 SystemView 模塊有 延時(shí)器 Delay , 異或門。由于求差分碼的過程就是將基帶信號(hào)與差分碼前一個(gè)碼元求異或, 所以異或門的輸出經(jīng)單位延時(shí)后與基帶信號(hào)分別接到異或門的兩個(gè)輸入端,異或門的輸出 就是基帶信號(hào)的差分碼。帶通濾波器和低通濾波器的模型帶通濾波器模型的作用是只允許通過(fl , fh 范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻 率分量衰減到極低水平。 低通濾波器模型的作用是只允許通過 (0, fh 范圍內(nèi)的頻率分量, 并且將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平。在 SystemView 中帶通濾波器和低通濾波器的 模型可以用 operator library中的模塊模

11、擬。抽樣判決器模型抽 樣 判 決 器 的 功 能 是 根 據(jù) 位 同 步 信 號(hào) 和 設(shè) 置 的 判 決 電 平 來 還 原 基 帶 信 號(hào) 。 在 SystemView 中抽樣判決器可以用 Logic Library中的模塊來模擬。它的模型框圖如圖所示, 它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖所示。 圖 6 抽樣判決器信號(hào)源 source librarySystemView 軟件本身提供了很多產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)的模塊,在這次的設(shè)計(jì)中我們采用的 信號(hào)源是 PN Seq,它的模型圖如圖 9所示,可以設(shè)置的參數(shù)是 Amplitude 和 Rate 。我們設(shè)置 為 Amplitude 1V, Rate 1e+3 圖 9 信

12、號(hào)源差分器由于 2DPSK 信號(hào)的鍵控調(diào)制法中需要用到相對碼,我們需要對信號(hào)源出來的基帶信 號(hào)進(jìn)行差分處理。差分器的框圖如圖 10所示。它是由二個(gè)模塊組成的子系統(tǒng)。其中異或 門有兩個(gè)參數(shù)需要設(shè)置 Gate Delay為 0, Threshold 為 100e-3,True Output為 800e-3。 圖 10 差分變換模塊調(diào)制和加噪模塊該模塊的功能是 2DPSK 的調(diào)制和添加高斯白噪聲,其中參數(shù)設(shè)置有正弦波:·幅度(Amplitude :這里采用默認(rèn)值 1。·頻率(Frequency :單位是 HZ , 在仿真中設(shè)置為 2000。·相位(Phase :單位是

13、rad ,在產(chǎn)生正弦波是設(shè)置為 0,余弦波時(shí)設(shè)置為 pi 。鍵控開關(guān) Switch :鍵控開關(guān)采用 SystemView 中的 Logic 模塊, 其參數(shù)設(shè)置為 Gate Delay為 0S,Ctrl Thresh為 100e-3V 。噪聲模塊不需要設(shè)置參數(shù)。其調(diào)制框圖如下所示: 圖 11 調(diào)制和加噪模塊2DPSK 模擬調(diào)制和極性相干解調(diào)法仿真 圖 7 2DPSK模擬調(diào)制和極性相干解調(diào)法仿真圖2DPSK 模擬調(diào)制和差分相干解調(diào)法仿真 圖 8 2DPSK模擬調(diào)制和差分相干解調(diào)法仿真圖4 SystemView 元件簡介 :原始基帶信號(hào)產(chǎn)生器,產(chǎn)生一個(gè)按設(shè)定速率,由不同電平幅度脈沖組成的偽隨機(jī)數(shù) 列

14、(PN 信號(hào)。 :正弦波信號(hào)發(fā)生器,在調(diào)制部分作為載波輸入。:延時(shí)器,使原信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)碼元的延遲。:乘法器。完成基帶信號(hào)和載波信號(hào)的乘法運(yùn)算以及延時(shí)信號(hào)與原信號(hào)相乘。 :加法器。完成 2ASK 信號(hào)和噪聲的加法運(yùn)算。 :帶通濾波器。主要功能是濾除雜波,使頻率在最高和最低截止頻率之間的信號(hào)通 過。:低通濾波器。濾除和原始載波相乘后信號(hào)的高頻成分,保留低頻信號(hào)。 :抽樣判決器。 主要作用是對經(jīng)過低通后的信號(hào)進(jìn)行抽樣判決, 高于門限電壓的判為 1,低于門限電壓的判為 0,從而還原原始基帶信號(hào)。:異或門電路。:單刀雙擲開關(guān)。在本設(shè)計(jì)中,主要實(shí)現(xiàn) 2DPSK 信號(hào)的調(diào)制。:反向器。 :的基本信號(hào)接收器。

15、該接收器平時(shí)無顯示,必須進(jìn)入系統(tǒng)分析窗口才能觀察和分 析輸出結(jié)果。 :數(shù)據(jù)列表,生成并在系統(tǒng)窗口顯示接收到的數(shù)據(jù)表。 :SystemView 標(biāo)準(zhǔn)觀察窗口,可在系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后于系統(tǒng)窗口中顯示輸出波形。 5.5調(diào)試過程及結(jié)論5.1 基于 SystemView 的 2ASK 調(diào)制解調(diào)仿真過程及結(jié)論 圖 16 初始輸入的方波 圖 17 已調(diào) 2ASK 信號(hào)波形 圖 18 經(jīng)過抽樣判決后和未經(jīng)過抽樣判決前波形比較 圖 19 相干解調(diào)和非相干解調(diào)波形比較 圖 20 綜合各點(diǎn)波形對照按照試驗(yàn)原理框圖在 SystemView 中調(diào)出模塊,并實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能,設(shè)置相關(guān)參數(shù)是能 得到符合設(shè)計(jì)要求的各點(diǎn)波形,運(yùn)行并觀

16、察仿真波形,比較其與應(yīng)得波形,發(fā)現(xiàn)基本符合 則設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期,試驗(yàn)成功。我們還可以用此軟件進(jìn)一步觀察比如頻譜分析圖,眼圖等相 關(guān)波形。5.2差分相干法 圖 14 信號(hào)源波形圖信號(hào)源為頻率為 1000HZ 的 NRZ 信號(hào)。 圖 15 差分變換波形圖基帶信號(hào)變?yōu)椴罘执a就是將基帶信號(hào)與差分碼的前一個(gè)碼元求異或 圖 16 鍵控法調(diào)制框圖當(dāng)輸入信號(hào)為數(shù)字信息“ 0”時(shí),接相位 “ 0” 。輸入為數(shù)字信息“ 1”時(shí),接相位 “ pi ” 。 圖 17 加噪經(jīng)過帶通濾波器的波形圖調(diào)制過后加入高斯白噪聲,連接到帶通濾波器,去除調(diào)制信號(hào)以外的在信道中混入的 噪聲,再連接到相乘器。此相乘器是一路延時(shí)一個(gè)碼元時(shí)間后

17、與另一路信號(hào)相乘。作用是 去除調(diào)制信號(hào)中的載波成分。 圖 18 經(jīng)低通濾波器波形圖信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后,去除高頻成分,得到包含基帶信號(hào)的低頻信號(hào)。 圖 19 抽樣判決波形圖信號(hào)經(jīng)過抽樣判決,便還原原始信號(hào)。比較信號(hào)源與抽樣判決之后的信號(hào),圖形基本 一致,不過有點(diǎn)延遲。5.3 極性比較法 圖 20 信號(hào)源波形圖 圖 21鍵控法調(diào)制框圖 圖 22 過低通波形圖 圖 23 首次抽樣波形圖調(diào)制信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器之后,與本地的載波相乘,然后通過低通濾波器,去除信號(hào) 中的高頻成分,得到包含基帶信號(hào)的低頻成分。最后抽樣判決,得到基帶信號(hào)的差分碼波 形。 圖 24 逆差分變換波形圖信號(hào)通過逆差分變換之后,便得

18、到基帶信號(hào)。圖 25 2 次通過低通濾波器波形圖 圖 26 最后抽樣判決波形圖 圖 27 誤碼波形圖 比較圖 26 和圖 20 可知，系統(tǒng)搭建正確，還原了原始信號(hào)。 在仿真中基帶信號(hào)的頻率為 2000HZ，即碼元傳輸速率為 Rs=0.0005B，則低通濾波器 的阻帶邊頻率設(shè)置為 2000Hz。正弦波和與余弦波的頻率設(shè)置為 fc=2000Hz， 2DPSK 信號(hào) 的頻率范圍近似為（fc-Rs，fc+Rs） ，則帶通濾波器的通帶下邊頻率設(shè)置為 1000Hz，通帶 上邊頻率設(shè)置為 3000Hz。設(shè)置完各模塊參數(shù)，檢查無錯(cuò)誤后啟動(dòng)仿真，用示波器觀察各點(diǎn) 的波形。比較基帶信號(hào)波形和輸出波形，發(fā)現(xiàn)輸出波形有一個(gè)碼元的延時(shí)。在調(diào)試的過