通信原理2PSK和PCM实验.docx
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通信原理2PSK和PCM实验
通信原理大作业
基于SYSTEMVIEW环境下2PSK模拟调制解调
和PCM编码解码系统的设计与仿真
学号:
XXXXXXXXXXX
姓名:
XXX
班级:
XXXXXXX
2015.12.31
一、实验目的
(1)深入理解通信系统的工作原理、电路组成和信息传输特点;
(2)熟悉上述通信系统的设计方法与参数选择原则;
(3)掌握在SYSTEMVIEW环境中使用参数化图符模块构建通信系统模型的设计仿真方法;
(4)熟悉系统中各信号时域波形特点;
(5)熟悉系统中各信号频域的功率谱特点。
二、实验内容
本实验分为两大部分内容,分别是2PSK调制与解调、PCM编码与解码,具体内容如下:
(一)、2PSK模拟调制解调
(1)使用m序列为数字系统输入调试信号,基波速率为10KHZ;
(2)采用模拟调制或数字键控实现2PSK调制;
(3)通过相干解调完成2PSK解调,恢复初始m序列;
(4)从时域观测各信号点波形,获得接收端信号眼图;
(5)观测各信号功率谱。
(二)PCM编码与解码系统:
(1)通过不少于三个频率正弦信号叠加而成的 模拟信号作为系统真实输入信号,并采用PCM 编码方法实现模数转换;
(2)模拟输入信号转换形成的数字信号通过2PSK调制解调系统实现数字频带传输;
(3)通过PCM解码恢复初始模拟信号;
(4)从时域重点观测模拟信号点波形;
(5)从频域重点观察模拟信号功率谱。
3、实验简明原理
(一)、2PSK模拟调制解调实验简明原理
2PSK,即二进制相移键控,用输入信号控制载波的相位随之变化,一般情况下,用载波的”0○”表示二进制基带信号的“0”,”180○”表示二进制基带信号的“1”,也可反过来。
输入信号的形式一般为s(t)=∑ang(t-nTs),an以概率P取“1”,以1-P取“0”,g(t)一般是脉宽为TS,高为1的方波(也可取三角波等)。
1、2PSK调制
2PSK调制可采用模拟调制和数字键控两种方式,本实验以模拟调制为主,调制原理如下:
e2PSK(t)=s(t)coswct
若输入不是双极性不归零波形,我们可以通过码型变化将其转换为双极性不归零波形。
调制波形如下所示:
通过观察波形,我们可以得到,当输入为“1”时,已调载波相位为0;当输入为“0”时,已调载波相位为180。
2、2PSK解调
2PSK解调一般采用相干解调法,原理如下:
解调时各点波形如下所示:
通过对以上波形的分析,我们可以看出,当恢复载波相位差180○时,输出波形刚好与输入的波形相反。
通过对理论的学习,我们称之为180○相位模糊,可以通过采用2DPSK来解决这个问题
(二)、PCM调制解调系统简明实验原理
1.PCM(脉冲编码调制):
在发送端将低频模拟信号根据ITU-T提出G.711建议中的规则变换为数字脉冲码;在接收端从收到的数字脉冲码中恢复出低频模拟信号。
2.PCM编码包括如下三个过程:
⑴抽样:
将模拟信号转换为时间离散的样本脉冲序列。
⑵量化:
将离散时间连续幅度的抽样信号转换成为离散时间离散幅度的数字信号。
⑶编码:
用一定位数的脉冲码表示量化采样值。
PCM编码实际上是一个数模转换过程。
3.PCM解码包括如下三个过程:
⑴译码:
将数字PCM码变换成模拟信号,并去除编码过程中的变换,恢复采样后信号。
⑵低通:
从采样后信号恢复采样前信号形态。
⑶放大:
恢复原模拟信号电平。
PCM解码实际上一个数模转换并对得到的模拟信号进一步处理的过程。
PCM编码、解码功能框图如下:
4.PCM的编码原理:
⑴抽样:
需要满足低通采样定理,采样频率8kHz
⑵量化:
均匀量化时小信号量化误差大,因此采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法,即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小,而在大信号时分层疏、量化间隔大。
⑶实现方法:
实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x先进行压扩处理,再把压扩得到的信号y进行均匀量化。
压扩器就是一个非线性变换电路,弱信号被扩大,强信号被压缩。
压缩器的入出关系表示为y=f(x)。
常用压扩器大多采用对数式压缩,广泛采用的两种对数压扩特性是μ律压扩和A律压扩。
⑷效果:
改善了小信号时的量化信噪比。
μ律压扩特性:
A律压扩特性:
x——压缩器归一化输入电压y——压缩器归一化输出电压
A——压缩器参数(A=87.6)
⑸A律压扩特性的13段折线逼近方法:
具体方法是:
对x轴不均匀分成8段,分段的方法是每次以二分之一对分;对y轴在0~1范围内均匀分成8段,每段间隔均为1/8。
然后把x,y各对应段的交点连接起来构成8段直线。
其中第1、2段斜率相同(均为16),因此可视为一条直线段,故实际上只有7根斜率不同的折线。
以上分析的是第一象限,对于双极性语音信号,在第三象限也有对称的一组折线,也是7根,但其中靠近零点的1、2段斜率与正方向的第1、2段斜率相同,又可以合并为一根,因此,正、负双向共有13段折线。
13段折线在第一象限的压扩特性如下图所示:
编码:
采用8位折叠二进制码,对应有M=28=256个量化级。
这需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级。
5.PCM的解码原理:
⑴译码:
包括以下两个动作,
⑵解压扩:
采用一个与13段折线压扩特性相反的解压扩器来恢复x,即x=f-1(y)。
⑶D/A变换,PCM码变换成模拟信号,即恢复到发送端模拟信号刚完成采样时的信号。
⑷低通:
通带要满足低通采样定理的要求。
4、系统模块及图符模块参数设置
(一)、2PSK调制解调系统:
图中,左边为模拟调制系统,图符23、24构成M序列发生器,图符2为相乘器,图符15为正弦载波,频率为40KHz,与基波相乘后产生2PSK信号,完成调制系统;右边为相干解调系统,图符4为相加器,图符3为带通滤波器,图符5为噪声源,图符8为低通滤波器,图符10为延时器,图11为保持器,图符12为保持器,这三个构成抽样判决。
图符模块参数设置:
编号
库/名称
参数
Token24
Source:
PulseTrain
Amp=1v
Freq=10e+3Hz
PulseW=50e-6sec
Offset=-500e-3v
Phase=0deg
MaxRate=400e+3Hz
Token23
Comm:
PNGen
RegLen=5
Taps=[2-5]
Seed=-1
Threshold=0
True=1
False=-1
MaxRate=400e+3Hz
Token2
Multiplier:
NonParametric
Inputsfromt23p0t15p0
Outputsto417
MaxRate=400e+3Hz
Token15
Source:
Sinusoid
Amp=1v
Freq=40e+3Hz
Phase=0deg
Output0=Sinet2
Output1=Cosine
MaxRate(Port0)=400e+3Hz
Token18
Source:
Sinusoid
Amp=1v
Freq=40e+3Hz
Phase=0deg
Output0=Sinet6
Output1=Cosine
MaxRate(Port0)=400e+3Hz
Token4
Adder:
NonParametric
Inputsfromt2p0t5p0
Outputsto3
MaxRate=400e+3Hz
Token3
Operator:
LinearSys
ButterworthBandpassIIR
3Poles
LowFc=30e+3Hz
HiFc=50e+3Hz
QuantBits=None
InitCndtn=Transient
DSPModeDisabled
MaxRate=400e+3Hz
Token6
Multiplier:
NonParametric
Inputsfromt18p0t3p0
Outputsto825
MaxRate=400e+3Hz
Token8
Operator:
LinearSys
ButterworthLowpassIIR
3Poles
Fc=10e+3Hz
QuantBits=None
InitCndtn=Transient
DSPModeDisabled
MaxRate=400e+3Hz
Token5
Source:
GaussNoise
StdDev=0v
Mean=0v
MaxRate=400e+3Hz
Token10
Operator:
Delay
Non-Interpolating
Delay=0sec
=0.0smp
Output0=Delayt9
Output1=Delay-dT
MaxRate(Port0)=400e+3Hz
Token9
Operator:
Sampler
Interpolating
Rate=400e+3Hz
Aperture=0sec
ApertureJitter=0sec
MaxRate=400e+3Hz
Token11
Operator:
Hold
LastValue
Gain=1
OutRate=400e+3Hz
MaxRate=400e+3Hz
Token12
Logic:
Buffer
GateDelay=0sec
Threshold=0v
TrueOutput=1v
FalseOutput=0v
RiseTime=0sec
FallTime=0sec
MaxRate=400e+3Hz
(二)、PCM系统:
上图中,图符0、1、2为三个正弦波发生器,叠加后作为模拟信号的输入,图符6为扩压器,图符8为AD转换器,图符14为脉冲发生器,图符40、41构成数字信号的并串转换,图符43为保持器,图符47为2PSK通信子系统,图符45构成数字信号的串并转换,图符9是DA转换,图符7为解压扩器,图符12为低通滤波器。
2PSK调制解调模块:
并串转换模块:
图符参数:
编号
库/名称
参数
Token0
Source:
Sinusoid
Amp=2v
Freq=200Hz
Phase=0deg
Output0=Sinet3
Output1=Cosine
MaxRate(Port0)=400e+3Hz
Token1
Source:
Sinusoid
Amp=2v
Freq=300Hz
Phase=0deg
Output0=Sinet3
Output1=Cosine
MaxRate(Port0)=400e+3Hz
Token2
Source:
Sinusoid
Amp=2v
Freq=100Hz
Phase=0deg
Output0=Sinet3
Output1=Cosine
MaxRate(Port0)=400e+3Hz
Token3
Adder:
NonParametric
Inputsfromt0p0t1p0t2p0
Outputsto46
MaxRate=400e+3Hz
Token6
Comm:
Compander
A-Law
MaxInput=±5
MaxRate=400e+3Hz
Token14
Source:
PulseTrain
Amp=1v
Freq=5e+3Hz
PulseW=100e-6sec
Offset=-500e-3v
Phase=0deg
MaxRate=400e+3Hz
Token8
Logic:
ADC
Two'sComplement
GateDelay=0sec
Threshold=500e-3v
TrueOutput=1v
FalseOutput=0v
No.Bits=8
MinInput=-5v
MaxInput=5v
RiseTime=0sec
Analog=t6Output0
Clock=t14Output0
Token41
Comm:
TDMux
No.Inputs=8
TimeperInput=800e-6sec
TimeSlot0=t32Output0
TimeSlot1=t33Output0
TimeSlot2=t34Output0
TimeSlot3=t35Output0
TimeSlot4=t36Output0
TimeSlot5=t37Output0
TimeSlot6=t38Output0
TimeSlot7=t39Output0
MaxRate=40e+3Hz
Token43
Operator:
Hold
LastValue
Gain=1
OutRate=400e+3Hz
MaxRate=400e+3Hz
Token88
Operator:
Delay
Non-Interpolating
Delay=700e-6sec
=280.0smp
Output0=Delayt45
Output1=Delay-dT
MaxRate(Port0)=400e+3Hz
Token45
Comm:
TDDeMux
No.Outputs=8
TimeperOutput=800e-6sec
Output0=TimeSlot0t44t9
Output1=TimeSlot1t9
Output2=TimeSlot2t9
Output3=TimeSlot3t9
Output4=TimeSlot4t9
Output5=TimeSlot5t9
Output6=TimeSlot6t9
Output7=TimeSlot7t9
MaxRate(Port0)=50e+3Hz
Token9
Logic:
DAC
Two'sComplement
GateDelay=0sec
Threshold=500e-3v
No.Bits=8
MinOutput=-5v
MaxOutput=5v
D-0=t45Output0
D-1=t45Output1
D-2=t45Output2
D-3=t45Output3
D-4=t45Output4
Token7
Comm:
DeCompand
A-Law
MaxInput=±5
MaxRate=50e+3Hz
Token12
Operator:
LinearSys
ButterworthLowpassIIR
3Poles
Fc=400Hz
QuantBits=None
InitCndtn=Transient
DSPModeDisabled
MaxRate=50e+3Hz
五、仿真结果及分析
(一)、2PSK调制解调系统:
输入信号波形:
这是输入波形,该波形将会经过调制系统产生的2PSK信号。
输入信号的功率谱:
这是输入信号的功率在各个频率上的分量。
恢复信号波形:
对比发现,输入的信号最终在一定的延时后完成了恢复,即完成了一次数字信号的传输。
恢复信号的功率谱:
这是恢复信号的功率在各个频率上的分量。
输入输出信号的瀑布图:
对比瀑布图,可见信号恢复良好。
调制信号的波形:
对比输入信号,未调载波,2PSK波形可以发现,输入信号的“1”使载波相位变化0度,“0”使载波变化180度,满足2PSK的调制原理。
正弦载波功率谱
正弦载波功率在频率上的分布,由于载波是40KHz,所以功率只在40KHz处有分量。
调制信号功率谱:
调制信号功率在各个频率上的分量。
带通滤波器幅频响应:
带通滤波器,滤除频率在30KHz和50KHz以外的成分。
带通滤波器输出:
带通滤波器输出波形,输出的是经过带通滤波器滤除频率在30KHz和50KHz后的波形。
带通滤波器输出的功率谱:
经过带通滤波器后的信号功率在频率上的分量。
乘法器输出:
2PSK经过带通滤波器后和载波相乘,输出的波形即为通过抽样判决器之前的波形,符合预期。
乘法器输出功率谱:
乘法器输出信号功率在频率上的分量。
低通滤波器幅频响应:
低通滤波器,滤除频率高于10KHz的分量。
低通滤波器输出:
这是经过低通滤波器后的输出信号,这个信号再经过抽样判决器后便是输出码,即我们想要的波形。
低通滤波器输出功率谱:
经过低通滤波器后的输出信号功率在频率上的分量。
未加噪声时的眼图:
未加噪声时的眼图,眼睛张开较大,质量较好。
加0.5V噪声时的眼图:
加0.5V噪声时的眼图,眼睛张开较小,质量较差。
加1V噪声时的眼图:
加1V噪声时的眼图,眼睛张开小,扫迹不太清晰,质量差。
(二)、PCM编码解码系统
输入信号波形:
这是三个频率分别为100Hz,200Hz,300Hz的正弦载波通过相加器后的输入信号波形。
输入信号功率谱:
输入信号功率在各个频率的分量,因为输入信号主要有100Hz,200Hz,300Hz的频率,所以在这三个频率处有分量,与波形一致。
恢复信号波形:
这是经过我们设计的系统后,恢复出来的波形。
恢复信号功率谱:
恢复信号功率在各个频率的分量。
虽然有一些不相关的分量,这可能是信号通过系统时由噪声产生。
输入输出瀑布图:
对比输入输出瀑布图,输出信号虽然有些不完美,但是在大体上恢复的很好。
输入输出功率谱比较:
从图里可以看出,在主要的频率处,输入信号和输出信号的功率分量基本重合,说明恢复信号良好,完成了一次成功的PCM编码解码。
6、设计过程与调试过程中的摸索及心得体会
(一)、分工以及遇到的问题
在本次通信原理仿真实验中,我负责2PSK模拟调制解调的眼图,PCM编码解码系统中通信子系统的导入,数据选择器、数据分配器的参数调整,以及输入输出信号波形、功率谱瀑布图的调出等工作。
当然,还有一位队友也负责了很多工作,在我们的共同努力下,最终完成了整个系统的设计和仿真。
在这个过程中我收获了许多知识,也掌握了不少技能。
以下是实验中遇到的问题及解决方法:
1.对软件的运用不熟
首当其冲的肯定是对SYSTEMVIEW这个软件不熟练的问题了,由于以前从未接触过这个软件,对这个软件最基本的操作和功能都不熟悉。
后来经过查阅资料和询问同学,才发现这个软件功能十分强大,它可以用来模块化设计,参数随意调整,用它来做通信实验的设计和仿真再适合不过。
当然在慢慢的运用的过程中,也慢慢掌握了一些基本和重要的操作,使我收获很多。
2.眼图质量不好和位置不对
在做2PSK实验时,由于要分析眼图,最开始设置的参数导致眼图的位置不是在中间,眼图显示不全,后来又看了起始位置,最终解决了。
还有很多时候,眼图显示不清晰,导致观察不直观,在询问了同学和老师后,顺利调出了质量好的眼图。
3.对PCM编码解码原理理解不够透彻
由于刚开始做这个实验的时候,我们的专业课还没有上到PCM编码解码这一部分,所以刚开始对PCM编码解码原理还不理解,只能边看书边做实验。
之后在做实验的过程中,碰到不懂的问题又去问,去查,最后掌握了原理,也成功设计了系统并进行了仿真。
4.一些采样频率的设置问题
在设计系统时,很多地方需要用到采样频率,这个时候就要根据基波频率或者载波频率来设置,最后设置了正确的采样频率,得到了正确的波形,完成了整个系统的设计。
(二)、心得体会
在这次实验中,我们通过小组分工的方式来完成这次系统的设计,这样各司其职,相互配合,最终成功完成了任务,得到了正确的波形。
而这些工作如果是一个人来做的话,必然要耗费很多精力和时间,达到的效果却是一样的,这充分说明了团结合作的重要性。
当然,在这个过程中,我学到了很多专业知识,包括书本上的理论知识,也包括在实践过程中的使用技能,特别是关于SYSTEMVIEW这个软件的使用,包括一些重要且基础常见的操作。
这告诉我,在学习理论知识的同时一定要注重实践,在实践的过程中加以理解和运用,我想这大概也是学校开设这门课程的原因吧。
另外,在做完这个实验,我对2PSK调制解调以及PCM编码解码等相关知识有了更深入的理解,这对我以后运用它们有很大的帮助,虽然这个实验做完了,但是在学有余力的情况下,我一定还会再复习和回顾,温故而知新,重新捡起这个实验,并对该实验做进一步的设计仿真和优化。
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- 关 键 词:
- 通信 原理 PSK PCM 实验