基于System view的2PSK调制与解调课程设计.docx

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基于Systemview的2PSK调制与解调课程设计

一、需求分析

数字通信系统,按调制方式可以分为基带传输和带通传输。

数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率（如0～6M）低频段，因而在很多实际的通信（如无线信道）中就不能直接进行传输，需要借助载波调制进行频谱搬移，将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传输，这种传输方式，称为数字信号的频带传输或调制传输、载波传输。

所谓调制，是用基带信号对载波波形的某参量进行控制，使该参量随基带信号的规律变化从而携带消息。

对数字信号进行调制可以便于信号的传输；实现信道复用；改变信号占据的带宽；改善系统的性能。

和模拟调制不同的是，由于数字基带信号具有离散取值的特点，所以调制后的载波参量只有有限的几个数值，因而数字调制在实现的过程中常采用键控的方法，就像用数字信息去控制开关一样，从几个不同参量的独立振荡源中选参量，由此产生的三种基本调制方式分别称为振幅键控（ASK,Amplitude-Shiftkeying）、

移频键控（FSK,Frequency-Shiftkeying）和移相键（PSK,Phase-Shiftkeying）或差分移相键（DPSK,DifferentPhase-Shiftkeying）。

数字调制系统的基本结构如图所示：

数字调制系统的基本结构图

二、系统总体设计

在数字调制中，数字基带信号可以是二进制的，也可以是多进制的，对应的就有二进制数字调制和多进制数字调制两种不同的数字调制，最简单的情况即是以二进制数字基带信号作为调制信号的二进制数字调制，本次课程设计主要针对就是最常用的二进制数字调制方式即二进制振幅键控、移频键控和移相键控三进行系统仿真分析，通过学习Systemview仿真软件，对对三种系统进行仿真，熟悉2PSK的原理、已调信号的频谱特点和各系统的抗噪声性能。

所谓2PSK就是根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法，而2PSK的解调只能采用相干解调方法。

三、系统详细设计

一、SystemView的基本介绍

SystemView是一个用于现代科学与科学系统设计及仿真打动态系统分析平台。

从滤波器设计、信号处理、完整通信系统打设计与仿真，到一般打系统数字模型建立等各个领域，SystemView在友好而功能齐全打窗口环境下，为用户提供啦一个精密的嵌入式分析工具。

进入SystemView后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：

文件（File）、编辑（Edit）、参数优选（Preferences）、视窗观察（View）、便笺（NotePads）、连接（Connetions）、编译器（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11项功能菜单。

如下图

（1）所示。

图1

使用Systemview进行系统仿真，一般要经过以下几个步骤：

（1）建立系统的数学模型根据系统的基本工作原理，确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分的关系，画出系统框图。

（2）从各种功能库中选取、拖动可视化图符，组建系统在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接受器图符库中选取满足需要的功能模块，将其图符拖到设计窗口，按设计的系统框图组建系统。

（3）设置、调整参数，实现系统模拟参数设置包括运行系统参数设置（系统模拟时间，采样速率等）和功能模块运行参数（正弦信号源的频率、幅度、初相，低通滤波器的截止频率、通带增益、阻带衰减等）。

（4）设置观察窗口，分析模拟数据和波形在系统的关键点处设置观察窗口，用于检查、监测模拟系统的运行情况，以便及时调整参数，分析结果。

SystemView的工具栏

设计窗口中工具栏，如下图2所示，由十六个常用快捷功能按钮组成动作条，如图所示。

当鼠标移动到每个图标时，系统会自动显示该按钮的作用。

图2工具栏

从左到右依次为切换按钮、打开文件按钮、保存按钮、打印按钮、清除按钮、删除按钮、断开连接按钮、连接按钮、复制按钮、反转按钮、便笺按钮、创建嵌套系统按钮、观察嵌套系统按钮、根轨迹按钮、波特图按钮、重绘按钮、取消操作按钮、开始仿真按钮、系统定时按钮、分析窗口按钮。

SystemView的图标库

图标是SystemView仿真运算,处理的基本单元,共分为三大类;第一类包括信号源库,它只有输出端没有输入端;第二个类包括观察窗库,它只有输入端没有输出端;第三类包括其他所有图表库,这类图标都有一定个数的输入端和输出端.在设计窗口的左边有一个图标库区，一组是基本库（MainLibraries），共8个。

另一组是可选择的专业库（OptionalLibraries）,如通信库、数字信号处理库、逻辑库、射频/模拟库等，支持用户自己用C/C++语言编写源代码定义图标以完成所需自定义功能的用户自定义库（Custom），及可调用、访问Matlab的函数的M-Link库，以及CDMA、DVB、自适应滤波器库等。

图3基本库图标

在上述八个图符中，除双击加法器和乘法器图符按钮可直接使用外，双击其他按钮会出现相应的对话框，应进一步设置图符块的操作参数。

单击图符库选择区最上面的主库开关按钮“Main”，将出现选择开关按钮“Option”下的库（user）、通信库（comm）、DSP库、逻辑库（LOGIC）、射频/模拟库（RF/ANALOG）和数学库（MATALAB）选择按钮，可分别双击他们选择调用。

在设计窗口中间的大片区域就是工作区域，用户可以在这里放置、定义和连接各种图符，建立新的系统。

系统视窗左侧竖排为图符库选择区。

图符块（Token）是构造系统的基本单元模块，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅是代表某一数学模型的图形标志（图符块），图符块的传递特性由该图符块所具有的仿真数学模型决定。

创建一个仿真系统的基本操作是，按照需要调出相应的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来。

这样一来，用户进行的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题，使用十分方便。

进入系统后，在图符库选择区排列着8个图符选择按钮创建系统的首要工作就是按照系统设计方案从图符库中调用图符块，作为仿真系统的基本单元模块。

可用鼠标左键双击图符库选择区内的选择按钮。

当需要对系统中各测试点或某一图符块输出进行观察时，通常应放置一个信宿（Sink）图符块，一般将其设置为“Analysis”属性。

Analysis块相当于示波器或频谱仪等仪器的作用，它是最常使用的分析型图符块之一。

在SystemView系统窗中完成系统创建输入操作（包括调出图符块、设置参数、连线等）后，首先应对输入系统的仿真运行参数进行设置，因为计算机只能采用数值计算方式，起始点和终止点究竟为何值？

究竟需要计算多少个离散样值？

这些信息必须告知计算机。

假如被分析的信号是时间的函数，则从起始时间到终止时间的样值数目就与系统的采样率或者采样时间间隔有关。

实际上，各类系统或电路仿真工具几乎都有这一关键的操作步骤，SystemView也不例外。

如果这类参数设置不合理，仿真运行后的结果往往不能令人满意，甚至根本得不到预期的结果。

有时，在创建仿真系统前就需要设置系统定时参数。

时域波形是最为常用的系统仿真分析结果表达形式。

进入分析窗后，单击“工具栏”内的绘制新图按钮（按钮1），可直接顺序显示出放置信宿图符块的时域波形，

对于码间干扰和噪声同时存在的数字传输系统，给出系统传输性能的定量分析是非常繁杂的事请，而利用“观察眼图”这种实验手段可以非常方便地估计系统传输性能。

实际观察眼图的具体实验方法是：

用示波器接在系统接收滤波器输出端，调整示波器水平扫描周期Ts，使扫描周期与码元周期Tc同步（即Ts＝nTc，n为正整数），此时示波器显示的波形就是眼图。

由于传输码序列的随机性和示波器荧光屏的余辉作用，使若干个码元波形相互重叠，波形酷似一个个“眼睛”，故称为“眼图”。

“眼睛”挣得越大，表明判决的误码率越低，反之，误码率上升。

SystemView具有“眼图”这种重要的分析功能。

当需要观察信号功率谱时，可在分析窗下单击信宿计算器图标按钮，出现“SystemView信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮spectrum，完成功率谱的观察。

二、二进制相移键控（2PSK）的调制

2.1.2PSK的调制原理

2PSK是利用载波的不同相位去直接传送数字信息的一种方式，若用相位π代表“0”码，相位0代表“1”码，即规定数字基带信号为“0”码时，已调信号相对于载波的相位为π；数字基带信号为“1”码时，已调信号相对载波相位为同相。

2PSK已调信号的时域表达式为：

μ2psk=A[Σang（t-nTs）]coswt（an=1或-1）

e2psk=Acos（wt+φn）

这种以载波的不同相位直接去表示二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对方式。

数字相位调制是用数字基带信号控制载波的相位，使载波的相位发生跳变的一种调制方式，2PSK（二进制相位键控）调制可采用直接调相法即双极性数字基带信号与载波直接相乘的方法，也可采用相位选择法即由振荡器和反相器电路来实现调制的方法。

其原理框图如图4，其中。

图（a）就是一般的模拟相乘法，用乘法器实现；图（b）是一种数字键控法。

图（a）模拟相乘法

图（b）数字键控法

图42PSK调制器原理框图

2.2.2PSK的调制的仿真设计

根据模拟相频法原理图，利用SystemView软件进行仿真设计，得到图5

图52PSK调制仿真设计图

参数设置：

Token0：

基带信号--PN码序列将参数设置为Rate=10HZ,

Amp（幅度）=0.5v,Offset（偏移）=0.5v；

Token7、8：

相乘器

Token3:

载波，载波频率为10Hz

Token2：

延时器，delay=0.5s

Token6：

反相器

Token9：

加法器

Token1、4、5、10:

分析观察窗口

检查仿真电路图和参数设置无误后，进行仿真运行，运行时间设置为：

StartTime:

0秒；StopTime:

1秒；采样频率：

SampleRate：

10000Hz。

如图6所示：

图6运行时间设置窗口

运行后可以很直观地观察到各点的波形如图7、8、9所示

图7二进制不归零信号

图8载波波形

图9调制输出波形

基带信号频率=10HZ，载波频率=10HZ。

将双极性不归零信号同载波相乘得到2PSK信号。

图10

信源：

（发送0的概率幅度为1，发送1的概率幅度为-1）

图11

已调信号：

图12

三、二进制相移键控（2PSK）的解调

3.12PSK的解调原理

2PSK信号有多种解调方法，如非相干解调（包络检波法）、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等，这里给出相干解调法的接收系统组成方框图如图13所示。

图132PSK解调器原理框图

3.22PSK的解调的仿真设计

根据相干解调法原理图，利用SystemView软件进行仿真设计，得到图14

图142PSK解调仿真设计图

参数设置：

Token0：

基带信号--PN码序列将参数设置Rate=10Hz,

Amp（幅度）=1v,Offset（偏移）=0v；

Token2、9:

乘法器

Token3、6:

载波，载波频率为100Hz

Token5：

加法器

Token11：

IIRButterworth低通滤波器，截止频率60Hz，No.ofPoles=3；

Token13：

比较器

Token14：

保持器

Token1、4、7、10、12、15:

分析观察窗口

检查仿真电路图和参数设置无误后，进行仿真运行，运行时间设置为：

StartTime:

0秒；StopTime:

1秒；采样频率：

SampleRate：

10000Hz。

如图15所示：

图15运行时间设置窗口

运行后可以很直观地观察到各点的波形如图16、17、22、23、24、25所示。

图16原始信号

图172PSK调制信号

基带信号频率=30HZ，电平=2，偏移=0，载波频率=600HZ，模拟低通滤波器频率=225，极点个数为3。

图18

模块1为调制信号：

图19

模块2为解调后的调制信号

图20

模块3为已调信号

图21

图22加入高斯白噪声的波形

图23调制信号加入噪声经过相乘器后的波形

图24经过低通滤波器后的波形

图25解调输出的波形

四、调试与维护

2PSK调制相对2FSK、2ASK具有带宽窄、频带利用率高、抗干扰性强等优点，因此被广泛地运用于中、高速通信系统中。

但在更高速的通信系统中，2PSK调制已不能满足频带利用率和系统的有效性等要求，故基本采用多进制系统。

此外，绝对调相系统会产生倒相现象，因此应考虑采用相对相位调相系统。

产生倒相现象的原因是在2PSK信号的载波恢复过程中存在180°相位模糊，既恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，判决器输出信号全部出错，这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。

另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接受端无法辨认信号码元的起止时刻。

为了解决上述问题，可以采用差分相移键控体制。

2PSK系统调制解调图对比：

图26

图27

模块1、模块2分别为调制信号、解调信号。

它们波形整体一致，但是每段的起点处存在一定的波动误差，造成的主要原因是调制系统的误差。

仿真结果准确。

同样已调信号不是很清楚，因为载波频率太高的缘故。

相干解调错一位，码变换错两位；相干解调错连续两位，码变换也错两位；相干解调错连续n位，码变换也错两位。

五、结束语

通过课程设计实习课的学习，我对二进制数字调制和解调系统有更为深入的了解，尤其是对2PSK系统，同时我也充分认识到了理论和实践相结合的重要性。

平时我们一味的学习理论知识，很少有自己动手设计的机会，但这次课程设计为我们提供了一个好的机会，不仅锻炼了我们的动手能力，还使我们对通信系统有了感性的认识。

六、参考文献

[1]樊昌信，曹丽娜编著，通信原理，电子工业出版社，2006。

[2]李东生.《SystemView系统设计及仿真入门与应用》电子工业出版社2002

[3]李哲英主编，SystemView动态系统分析与设计软件学习版中文手册1997。

[4]陈星，刘斌，SystemView通信原理实验指导，北京航空航天大学1997。