2DPSK調制解調系統(tǒng)的設計和仿真

TOC\o"1-5"\h\z摘要1\o"CurrentDocument"第1章緒論2\o"CurrentDocument"2DPSK簡述2\o"CurrentDocument"Systemview簡述2第2章2DPSK基本原理4\o"CurrentDocument"2DPSK信號原理4\o"CurrentDocument"2DPSK信號的調制原理5\o"CurrentDocument"2DPSK信號的解調原理52DPSK信號解調的極性比較法62DPSK信號解調的差分相干解調法6\o"CurrentDocument"第3章建立模型7\o"CurrentDocument"3.1差分和逆差分變換模型7\o"CurrentDocument"3.2帶通濾波器和低通濾波器的模型7\o"CurrentDocument"3.3抽樣判決器模型7\o"CurrentDocument"3.4總模型框圖82DPSK模擬調制和積極相干解調法仿真82DPSK模擬調制和差分相干解調法仿真9\o"CurrentDocument"第4章模塊功能10\o"CurrentDocument"4.1信號源Sourcelibrary10\o"CurrentDocument"4.2差分器10\o"CurrentDocument"4.3調制和加噪模塊11\o"CurrentDocument"4.4解調模塊11\o"CurrentDocument"第5章調試過程及結論13\o"CurrentDocument"5.1差分相干法13\o"CurrentDocument"5.2極性比較法15\o"CurrentDocument"參考文獻182DPSK調制解調系統(tǒng)的設計和仿真摘要相對移相的基帶信號是由相鄰兩碼元相位的變化來表示的，它與載波相位無直接關系，即使采用同步解調，也不存在相位模糊問題，因此在實際設備中，相對移相得到了廣泛的運用。論文介紹了相對移相鍵控信號調制和解調原理，建立相關模型并對信號進行模擬調制和仿真。分析了信號源、差分器、調制和加噪模塊和解調模塊的功能，最后用差分相干法和極性比較法對信號進行了調試。經調試后，信號源與抽樣判決之后的信號，圖形基本一致；不過前者調試后，信號波形有延遲，而后者沒有。關鍵詞:2DPSK、調制解調第1章緒論2DPSK簡述現代通信系統(tǒng)要求通信距離遠、通信容量大、傳輸質量好。作為其關鍵技術之一的調制解調技術一直是人們研究的一個重要方向。從最早的模擬調幅調頻技術的日臻完善，到現在數字調制技術的廣泛運用，使得信息的傳輸更為有效和可靠。在二進制數字調制中，當正弦載波的相位隨二進制數字基帶信號離散變化時，則產生二進制移相鍵控(2PSK)信號。因為在調制過程中，2PSK調制容易出反向工作問題，影響2PSK信號長距離傳輸。為克服此缺點，并保持2PSK信號的優(yōu)點，將2PSK體制改進為二進制差分相移鍵控體制[1]二進制差分相移鍵控簡稱為二相相對調相，記作2DPSK。它不是利用載波相位的絕對數值傳送數字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。與2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不對應相同的數字信息符號，而前后碼元的相對相位才唯一確定信息符號。這說明解調2DPSK信號時，并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對相位關系不破壞，則鑒別這個相位關系就可正確恢復數字信息。這就避免了2PSK方式中的“倒”現象發(fā)生。由于相對移相調制無“反問工作”問題，因此得到廣泛的應用。單從波形上看，2DPSK與2PSK是無法分辯的。這說明，一方面，只有已知移相鍵控方式是絕對的還是相對的，才能正確判定原信息；另一方面，相對移相信號可以看作是把數字信息序列(絕對碼)變換成相對碼，然后再根據相對碼進行絕對移相而形成。這就為2DPSK信號的調制與解調指出了一種借助絕對移相途徑實現的方法。Systemview簡述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)的設計與仿真，快速地建立和修改系統(tǒng)、訪問與調整參數，方便地加入注釋。利用SystemView，可以構造各種復雜的模擬、數字、數模混合系統(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)的設計和仿真。用戶在進行系統(tǒng)設計時，只需從SystemView配置的圖標庫中調出有關圖標并進行參數設置，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)的仿真分析結果。SystemView的庫資源十分豐富，包括含若干圖標的基本庫(MainLibrary)及專業(yè)庫(OptionalLibrary)，基本庫中包括多種信號源、接收器、加法器、乘法器，各種函數運算器等；專業(yè)庫有通訊(Communication)、邏輯(Logic)、數字信號處理(DSP)、射頻/模擬(RF/Analog)等；它們特別適合于現代通信系統(tǒng)的設計、仿真和方案論證，尤其適合于無線電話、無繩電話、尋呼機、調制解調器、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能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，給出連接錯誤信息或尚懸空的待連接端信息，通知用戶連接出錯并通過顯示指出出錯的圖標。這個特點對用戶系統(tǒng)的診斷是十分有效的。SystemView的另一重要特點是它可以從各種不同角度、以不同方式，按要求設計多種濾波器，并可自動完成濾波器各指標一如幅頻特性(伯特圖)、傳遞函數、根軌跡圖等之間的轉換。在系統(tǒng)設計和仿真分析方面，SystemView還提供了一個真實而靈活的窗口用以檢查、分析系統(tǒng)波形。在窗口內，可以通過鼠標方便地控制內部數據的圖形放大、縮小、滾動等。另外，分析窗中還帶有一個功能強大的“接收計算器”，可以完成對仿真運行結果的各種運算、譜分析、濾波。SystemView還具有與外部文件的接口，可直接獲得并處理輸入/輸出數據。提供了與編程語言VC++或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的調用其函數。還具備與硬件設計的接口：與Xilinx公司的軟件CoreGenerator配套，可以將SystemView系統(tǒng)中的部分器件生成下載FPGA芯片所需的數據文件；另外，SystemView還有與DSP芯片設計的接口，可以將其DSP庫中的部分器件生成DSP芯片編程的C語言源代碼。2.12DPSK信號原理2DPSK方式即是利用前后相鄰碼元的相對相位值去表示數字信息的一種方式?，F假設用中表示本碼元初相與前一碼元初相之差，并規(guī)定：中=0表示0碼，中=兀表示1碼。則數字信息序列與2DPSK信號的碼元相位關系可舉例表示如2PSK信號是用載波的不同相位直接去表示相應的數字信號而得出的，在接收端只能采用相干解調，它的時域波形圖如圖2.1所示。圖2.12DPSK信號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，則在接收端回復的信號將與發(fā)送的數字信息完全相反。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△中為本碼元初相與前一碼元初相之差，假設：△中=0一數字信息“0”；△中=兀一數字信息“1”。則數字信息序列與2DPSK信號的碼元相位關系可舉例表示如下：數字信息：1011011101DPSK信號相位：0兀兀0兀兀0兀00?；颍贺?0兀00兀0兀兀02DPSK信號的調制原理一般來說，2DPSK信號有兩種調試方法，即模擬調制法和鍵控法。2DPSK信號的的模擬調制法框圖如圖2.2.1所示，其中碼變換的過程為將輸入的單極性不歸零碼轉換為雙極性不歸零碼。＞碼變換相乘載波圖2.2.1模擬調制法2DPSK信號的的鍵控調制法框圖如圖2.2.2所示，其中碼變換的過程為將輸入的基帶信號差分，即變?yōu)樗南鄬Υa。選相開關作用為當輸入為數字信息“0”時接相位0，當輸入數字信息為“1”時接pi。圖2.2.2鍵控法調制原理圖2DPSK信號的解調原理2DPSK信號最常用的解調方法有兩種，一種是極性比較和碼變換法，另一種是差分相干解調法。它的原理是2DPSK信號先經過帶通濾波器，去除調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，去掉調制信號中的載波成分，再經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的到基帶信號的差分碼，再經過逆差分器，就得到了基帶信號。它的2.3.22DPSK信號解調的差分相干解調法差分相干解調的原理是2DPSK信號先經過帶通濾波器，去除調制信號頻帶以外的在信道中混入的噪聲，此后該信號分為兩路，一路延時一個碼元的時間后與另一路的信號相乘，再經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，抽樣判決器的輸出即為原基帶信第3章建立模型3.1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變?yōu)樗牟罘执a。用到的SystemView[2模塊有延時器Delay,異或門。由于求差分碼的過程就是將基帶信號與差分碼前一個碼元求異或，所以異或門的輸出經單位延時后與基帶信號分別接到異或門的兩個輸入端，異或門的輸出就是基帶信號的差分碼。3.2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operatorlibrary中的模塊模擬。3.3抽樣判決器模型抽樣判決器的功能是根據位同步信號和設置的判決電平來還原基帶信號。在SystemView中抽樣判決器可以用LogicLibrary中的模塊來模擬。它的模型框圖如圖所示，它的內部結構圖如圖3.3所示。抽樣判決器>InlOutl>胴步信號O'j-tlTrigTEiediLbs/iten圖3.3抽樣判決器3.4總模型框圖3.4.12DPSK模擬調制和積極相干解調法仿真Fin.^lValueSink"MTimeValue500網.明Svsttmvitwbi/EL/iJMl?;...Fin.^lValueSink"MTimeValue500網.明Svsttmvitwbi/EL/iJMl?;...圖3.4.12DPSK模擬調制和極性相干解調法仿真圖3.4.22DPSK模擬調制和差分相干解調法仿真SLCtrJ-■fl-■KOerJ-■軻丈印服.?：二Fk1Li引EePe5i心234072DPSK信號的調制’t」侔分相干法解調GpjlemVitiAibyGLftHIX圖3.4.22DPSK模擬調制和差分相干解調法仿真圖SourceTokens匚i.FN"SourceTokens匚i.FN"Q.Sinusoid2E.Siriuaoid35.□s卜」ui岳目圖4.1信號源Earameters...第4章模塊功能下面我們以2DPSK鍵控調制調制和差分相干解調法仿真為例來說明各個模塊的功能和主要參數。4.1信號源SourcelibrarySystemView軟件本身提供了很多產生二進制信號的模塊，在這次的設計中我們采用的信號源是PNSeq，它的模型圖如圖4.1所示，可以設置的參數是Amplitude和Rate。我們設置為Amplitude1V,Rate1e+3。S3J.4.2差分器由于2DPSK信號的鍵控調制法中需要用到相對碼，我們需要對信號源出來的基帶信號進行差分處理。差分器的框圖如圖4.2所示。它是由二個模塊組成的子系統(tǒng)。其中異或門有兩個參數需要設置GateDelay為0，Threshold為100e-3,TrueOutput為800e-3。1扁7111J1nIf1111111111111111111-3111J11111■11111111_圖4.2差分變換模塊4.3調制和加噪模塊該模塊的功能是2DPSK的調制和添加高斯白噪聲［3］其中參數設置有正弦波：?幅度（Amplitude）：這里采用默認值1。?頻率（Frequency）:單位是HZ,在仿真中設置為2000。?相位（Phase）：單位是rad，在產生正弦波是設置為0,余弦波時設置為pi。鍵控開關Switch:鍵控開關采用SystemView中的Logic模塊，其參數設置為GateDelay為0S,CtrlThresh為100e-3V。噪聲模塊不需要設置參數。其調制框圖如下所示：圖4.3調制和加噪模塊4.4解調模塊在2DPSK系統(tǒng)的設計中可以用兩種方法實現解調：差分相干法解調和極性比較法解調。如下圖所示，其中的參數設置主要是濾波器的設置，濾波器System-View中的OperatorLibrary模塊。輸入濾波器設計參數，即可通過該模型來實現濾波器。他的主要參數有：濾波器設計方法：有巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫1型（ChebyshevI）、切比雪夫2型（Chebyshev錯誤!未找到引用源。）以及橢圓型（Elliptic）o濾波器類型：低通（Lowpass）、高通（Highpass）、帶通（Bandpass）和帶阻（Bandstop）o通帶下邊頻率：單位是rad/s，是帶通和帶阻濾波器的設計參數。通帶下邊頻率：單位是rad/s，是帶通和帶阻濾波器的設計參數。除此之外還有相乘器，延時器和抽樣判決器。它的功能是將輸入的兩個信號相乘后輸出。延時器采用SystemView中的OperatorLibrary模塊。它的功能是將輸入的信號值延時一個預先設置的時間后輸出。抽樣判決器由SystemView中的已經存在的OperatorLibrary模塊組裝成子系統(tǒng)。抽樣判決器由D觸發(fā)器，脈沖發(fā)生器和繼電器組成。D觸發(fā)器的功能是在脈沖發(fā)生器的電平發(fā)生跳變是將輸入端的電平輸出，在不跳變時輸出不發(fā)生改變，繼電器（Relay）的功能是將輸入的電平轉換為嚴格的0電平和1電平形式。圖4.4.1差分相干法解調圖4.4.2極性比較法解調兩種方法的比較：差分相干解調法。它是直接比較前后碼元的相位差而構成的，故也稱為相位比較法解調。這種方法不需要碼變換器，也不需要專門的相干載波發(fā)生器，因此設備比較簡單、實用。延時電路的輸出起著參考載波的作用。乘法器起著相位比較（鑒相）的作用。極性比較法解調，此法即是2PSK解調加差分譯碼，2PSK解調器將輸入的2DPSK信號還原成相對碼，再由差分譯碼器（碼反變換器）把相對碼轉換成絕對碼，輸出。

5.1差分相干法第5章調試過程及結論2DPSK信號經相關模塊調試后的波形圖如下:坦wo：Sbik110*-3■2D^-330fl-25.1差分相干法第5章調試過程及結論2DPSK信號經相關模塊調試后的波形圖如下:坦wo：Sbik110*-3■2D^-330fl-240q-310c320e-330?-3meiitSecendsOSrstefriMsuj信號源為頻率為1000HZ的NRZ信號。sink47圖5.1.2sink47圖5.1.2差分變換波形圖基帶信號變?yōu)椴罘执a就是將基帶信號與差分碼的前一個碼元求異或圖5.1.3鍵控法調制框圖圖5.1.3鍵控法調制框圖審wtSink12當輸入信號為數字信息“0”時，接相位“0”。輸入為數字信息“1”時，接相位“pi”。圖5.1.4圖5.1.4加噪經過帶通濾波器的波形圖TimeinSecoTidESysternMew圖TimeinSecoTidESysternMew圖5.1.5經低通濾波器波形圖調制過后加入高斯白噪聲，連接到帶通濾波器，去除調制信號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一個碼元時間后與另一路信號相乘。作用是去除調制信號中的載波成分。理fw4:Sink33Eirik23TimeinEirik23TimeinSecondsSystemMem信號經過低通濾波器后，去除高頻成分，得到包含基帶信號的低頻信號。墩曲3:Sink23|[口|回墩曲3:Sink23信號經過抽樣判決，便還原原始信號。比較信號源與抽樣判決之后的信號，

圖形基本一致，不過有點延遲。5.2極性比較法2DPSK信號經相關模塊調試后的波形圖如下:wO:Sink1率w1:Sink12圖5.2.1信號源波形圖50e-3SPEHSink1210e-320e-330e-340e-310e-340e-3wO:Sink1率w1:Sink12圖5.2.1信號源波形圖50e-3SPEHSink1210e-320e-330e-340e-310e-340e-320e-330e-3TimeinSeconds50e-3SvstemMeui圖5.2.2鍵控法調制框圖圖5.2.3過低通波形圖Sink38SystemMewTimeinSystemMewTimeinEecands圖5.2.4首次抽樣波形圖調制信號經過帶通濾波器之后，與本地的載波相乘，然后通過低通濾波器，去除信號中的高頻成分，得到包含基帶信號的低頻成分。最后抽樣判決，得到基帶信號的差分碼波形。率w6:Sink43TimeinSecondsSystemMewTimeinSecondsSystemMewvpnXJri圖5.2.5