通信原理大型实验报告.doc

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1、 通信原理大型实验实验报告学生姓名： 刘向阳 学 号： X48 郝景壮 学 号： X50 陈柏年 学 号： X58 学 院： 信息商务学院 专 业： 通信工程专业 实验题目：2PSK数字信号频带传输系统（陈柏年） 2DPSK数字信号频带传输系统（郝景壮） 数字基带通信系统实验（刘向阳） 眼图及信道模拟实验（郝景壮） 完成时间： 2012.6.21 指导教师： 辛洁 丁永红 一、 实验内容 通信按照传统的理解就是信息的传输。在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。信息作为一种资源，只有通过广泛地传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出

2、巨大的经济效益。而通信作为传输信息的手段或方式，与传感技术、计算机技术相互融合，已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。通信系统一般模型如图1所示。信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源图1 通信系统一般模型在通信系统的发送设备中，主要实现调制功能，调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。常见的调制方式有线性调制、非线性调制、数字调制、脉冲模拟调制和脉冲数字调制等。其中线性调制

3、和非线性调制统称为模拟调制，模拟调制和数字调制又统称为连续波调制；脉冲模拟调制和脉冲数字调制统称为脉冲调制。本次课程设计就是通过Systemview仿真软件，实现数字调制系统中二进制振幅键控（2ASK）系统、二进制移频键控（2FSK）系统、二进制移相键控（2PSK）系统以及二进制差分相位键控（2DPSK）系统的设计。1、观察PSK(DPSK)信号波形。2、观察PSK(DPSK)信号频谱。3、观察PSK(DPSK)相干解调器各点波形。二、 基本原理 1. 2PSK二进制移相键控（2psk）方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。设2psk的信号为e0（t），则e0(t)发送二进

4、制符号0时，e0（t）取0相位；发送二进制符号1时e0（t）取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应数字信号的相位键控，通常被称为绝对移相方式。采用移相方式，由于发送端是以一个相位作基准的，因而在接受系统中也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化（0相位变相位或相位变0相位），则恢复的数字信息就会发生0变为1或为1变为0，从而造成错误的恢复。这样，采用2psk方式就会在接受端发生错误恢复。这种现象，常称为2psk方式的“倒”现象或“反向工作”现象。绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通常用相位0和来分别表示“0”或“1”。2PS

5、K已调信号的时域表达式为这里，s(t)与2ASK及2FSK时不同，为双极性数字基带信号，即式中，g(t)是高度为1，宽度为的门函数；因此，在某一个码元持续时间内观察时,有，或。当码元宽度为载波周期的整数倍时，2PSK信号的典型波形如下图，2PSK信号的模拟调制法框图（a）；图（b）是产生2PSK信号的键控法框图，就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对s(t)要求不同，因此2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号s(t)控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时s(t)为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。 基带数字信号

6、已调信号相乘 载波 2. 2DPSK2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。现假设用表示本码元初相与前一码元初相之差，并规定：0表示0码，表示1码。则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在接收端只能采用相干解调.在这种绝对移相方式中，发送端是采用某一个相位作为基准，所以在系统接收端也必须采用相同的基准相位。如果基准相位发生变化，则在接收端回复的信号将与发送的数字信息完全相反。所以在实际过程中一般不采用绝对移相方式，而采用相对移相方式。定义 DF为本码元初相与前一码元初相之差，假设：

7、DF=0数字信息“0”；DF=p数字信息“1”。则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息： 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1DPSK信号相位：0 p p 0 p p 0 p 0 0 p一般来说，2DPSK信号有两种调试方法，即模拟调制法和键控法。2DPSK信号的的模拟调制法框图如图2.2.1所示，其中码变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码。 码变换 相乘 载波s(t)eo(t)图2.2.1模拟调制法方框图2DPSK信号的的键控调制法框图如图2.2.2所示，其中码变换的过程为将输入的基带信号差分，即变为它的相对码。选相开关作用为当输入为数字信息

8、“0” 时接相位0，当输入数字信息为“1”时接。 图2.2.2键控法调制方框图写出本设计实用的原理知识、相关技术；三、 总体设计 1. 2PSK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：。因此表达式可改写为：典型波形如图2.3.1所示。由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号一般可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即。图3.1.1 2PSK信号的时间波形2PSK信号的调制原理框图如图2.3.2所示。与2A

9、SK信号的产生方法相比，只是对s(t)的要求不同，在2ASK中s(t)是单极性的，而在2PSK中s(t)是双极性的基带信号。此外，还可使用键控法实现2PSK信号的调制。乘法器双极性不归零码图3.1.2 2PSK信号的调制原理框图(模拟调制法)2PSK信号的解调通常采用相干解调法，解调器原理框图如图图3.1.3所示。图3.1.3 2PSK信号的解调原理框图2. 2DPSK 2PSK相干解调时，由于载波恢复中相位有0、模糊性，导致解调过程出现“反向工作”现象，恢复出的数字信号“1”和“0”倒置，从而使2PSK难以实际应用。为了克服此缺点，提出了二进制差分相移键控（2DPSK）方式。2DPSK是利用

10、前后相邻码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息与之间的关系为：于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系示例如下：二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 02DPSK信号相位：（0）0 0 0 或（）0 0 0 0 0 0相应的2DPSK信号的典型波形如图3.2.1 所示。图3.2.1 2DPSK信号调制过程波形图对于相同的基带数字信息序列，由于初始相位不同，2DPSK信号的相位可以不同。也就是说，2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。产生2DPSK信号时，先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信

11、息序列的绝对码换成相对码（差分码），然后再根据相对码进行2PSK调制，从而产生二进制差分相移键控信号。2DPSK信号调制器原理框图如图3.2.2所示。图3.2.2 2DPSK信号调制原理框图绝对码变换到相对码的编码规则为。式中：为异或，为的前一码元，最初的可任意设定。变换电路如图3.2.3所示。图3.2.3 绝对码相对码变换电路2DPSK信号的解调方法之一是相干解调（极性比较法）加码反变换法。其解调原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，此时的相对码可能是“1”和“0”倒置；再经码反变换器变换为绝对码，得到的绝对码不会发生任何倒置现象，从而恢复出发送的二进制数字信息。2DPSK的相

12、干解调原理框图如图3.2.4所示。图3.2.4 2DPSK的相干解调原理框图码反变换是绝对码变换到相对码变换的逆过程，其编码规则为。2DPSK信号的另一种解调方法是差分相干解调（相位比较法），其原理框图如图2.4.5所示。用这种方法解调时不需要专门的相干载波，只需由收到的2DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不需要码反变换器。图3.2.5 2DPSK差分相干解调原理框图确定本次设计题目的设计方案及理论分析四、 详细设计 1. 2PSK相比键控法，用

13、模拟调制法产生2PSK信号的电路要简单一些。由于2PSK信号的频率只一个，信息只包含在相位中，所以不能用非相干的方式解调，只有相干解调。具体的实现电路如图4.1所示。图4.1 相干解调2PSK系统组成电路仿真电路中主要模块参数设置如下：Token0 基带信号（PN码序列，幅度1V，频率50Hz，电平2Level，偏移0V）。Token1 载波（正弦波发生器，幅度1V，频率50Hz）。Token4 载波（正弦波发生器，幅度1V，频率50Hz）。Token6 模拟低通滤波器（Butterworth型，截止频率35Hz）。Token9 比较器（Select Comparison：ab，True Ou

14、tput：1，False Output：-1）。Token10 比较电平（幅度0V）。Token15、Token16 反相器（True 1，False -1）。模块连线时，Token6连到Token9时，选择A Input，Token10连到Token9时，选择B Input。在调制过程中，由于基带信号是双极性码，经过反相器后仍为双极性，此时“1”码对应-1V电平，“0”码对应1V电平，-1V电平与载波相乘时，自然使载波的相位反相，1V与载波相乘后相位不变，从而实现了“0”码和“1”码对应了频率相同相位相反的载波。同理，解调时也需要加一个反相器，才能得到和基带信号一致的波形。2. 2DPSK2

15、DPSK调制时，采用上述调方案，先以过码变换电路将绝对码变成相对码，再对相对码进行2PSK调制。解调时采用差分相干解调，因为该方案即不用在接收端恢复载波，又不需要码反变换器，设备简单。具体的实现电路如图4.2 所示。图4.2.1 差分相干解调2DPSK系统组成电路仿真电路中主要模块参数设置如下：Token0 基带信号（PN码序列，幅度1V，频率50Hz，电平2Level，偏移0V）。Token1 逻辑异或（Threshold=1，True Output=1，False Output=-1）。Token3 载波（正弦波发生器，幅度1V，频率50Hz）。Token4 数字采样延迟块（Delay(S

16、amples)=200，Select Output=1:Delay-dT）。Token6 延迟块（Delay Type:Non-Interpolating，Delay(sec):0.02）。Token7 模拟低通滤波器（Butterworth型，截止频率30Hz）。Token8 反相器（True 1，False -1）。Token15 比较器（Select Comparison：ab，True Output：1，False Output：-1）。Token16 比较电平（幅度0V）。因为运行时间设置中设置的采样频率为1000Hz，基带信号的频率为50Hz，所以一个码元间隔为0.02s，一个码元

17、中采样点数为200，所以数字采样延迟块（Token4）中设置延迟采样点数为200，延迟块（Token6）中设置延迟时间为0.02s，均为延迟一个码元宽度。图4.2.2 相干解调2DPSK系统组成电路五、 仿真结果分析 1. 2PSK图5.1.1 2PSK仿真波形图5.1.2 2PSK仿真分析通过仿真波形可以看出，由基带信号（NRZ）输入到调制输出完全符合2PSK调制原理，在码元“0”处的波形与载波的波形一致，在码元“1”处的波形与载波的波形频率相同相位相反。也可以认为如果NRZ码有从0到1或从1到0的跳变，输出载波的波形就反相。因为载波频率与基带信号频率相同，所以在调制输出波形中可观测到每个码

18、元对应一个周期的载波。由于在信道中加入了高斯噪声，所以接收到的信号有很多高频分量。通过低通滤波器，就能看出此时信号波形已经基本能反应出基带信号反相后的变化趋势。由于基带信号是双极性的，所以以“0V”作为判决电平，使时此的信号大于0的部分输出高电平（1V），小于0的部分输出低电平（-1V），再将得到的矩形波反相，即为解调输出波形。对比解调输出与NRZ输入波形，二者只存在时间上的延迟，波形基本一致。2. 2DPSK图5.2.1 2DPSK相干解调仿真波形图5.2.2 2DPSK差分相干解调仿真波形图5.2.3 2DPSK相干解调仿真分析图5.2.2 2DPSK差分相干解调仿真分析通过仿真波形可以看

19、出，由基带信号（NRZ）输入到调制输出完全符合2DPSK调制原理。先由绝对码变换成相对码，在相对码码元“1”处的波形与载波的波形一致，在相对码码元“0”处的波形与载波的波形频率相同相位相反。也可以认为绝对码为“1”时，输出波形相位翻转，绝对码为“0”时，输出波形相位保持不变，或者认为如果相对码有从0到1或从1到0的跳变，输出载波的波形就反相。差分相干解调是将调制信号延迟一个码元长度再与原调制信号相乘，如果前后码型不一致，则相乘后振幅为负，否则为正。又因为2DPSK信号的信息包含在信号的相对相位中，差分相干解调的方式正好可以将相位的变化解调出来。因为载波频率与基带信号频率相同，所以在调制输出波形

20、中可观测到每个码元对应一个周期的载波。通过低通滤波器，就能看出此时信号波形已经基本能反应出基带信号反相后的变化趋势。由于基带信号是双极性的，所以以“0V”作为判决电平，使时此的信号大于0的部分输出高电平（1V），小于0的部分输出低电平（-1V），再将得到的矩形波反相，即为解调输出波形。对比解调输出与NRZ输入波形，二者只存在时间上的延迟，波形基本一致。六、 实验总结 二进制数字调制的基本方式有：二进制振幅键控（2ASK）载波信号的振幅变化；二进制频移键控（2FSK）载波信号的频率变化；二进制相移键控（2PSK）载波信号的相位变化。由于2PSK体制中存在相位不确定性，又发展出了差分相移键控2DP

21、SK。在本次课程设计中，为方便观测输出信号，设计中载波的频率仅为基带信号的频率的12倍，但在实际中载波信号的频率应比基带信号的频率大几十甚至上百倍，才能将调制信号通过有限长的天线发射出去，并且使调制信号有足够的功率以满足远距离传输的需要，提高抗信道干扰的能力。在仿真中尽管调制信号的频率不高，但在接收端仍然可以解调出正确的基带信号，说明这四种调制方式有较高的可靠性。在实现传输系统时，从抗噪声性能考虑，则相干解调比非相干解调更有优势，但在信噪比较大时，这种优势不明显；从设备复杂度方面考虑，非相干解调方式比相干解调方式更适宜。因为相干解调需要提取载波，故设备相对复杂些，成本也略高。所以在设计中一般选

22、择非相干解调。此外，由于在设计中用到的滤波器不可能是理论分析中的理想滤波器，所以上、下限的截止频率要在理论分析中的截止频率附近调试，根据仿真结果再确定合适的滤波器参数。其它模块也要根据设计需要来确定参数的设置。在接收端，理论上接收到的信号应该先通过一个带通滤波器，滤除带外噪声，再经过相干或非相干解调，最后低通滤波、判压输出。由于在设计中调制信号的频率并不高，在经过低通滤波器的时候就可以将高频率的噪声连同相干解调时产生的新的高频分量一同滤除，所以就省去了带通滤波的步骤。目前用得最多的数字调制方式是相干2DPSK和非相干2FSK。相干2DPSK主要用于高速数据传输，而非相干2FSK则用于中、低速数据传输中，特别是在衰落信道中传输数据时，它有着广泛的应用。