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2psk
一设计要求
1.1设计题目
数字频带传输系统设计与分析——2PSK系统。
1.2设计目的
1)了解2PSK系统的原理。
2)掌握2PSK信号的调制与解调方法。
3)了解和掌握SYSTEMVIEW软件的使用。
4)加深2PSK信号的调制与解调的时间波形的记忆。
5)2PSK系统的基本电路模型的建立和在SYSTEMVIEW上的实现。
6)掌握仿真运行结果进行分析。
二设计原理
2.1通信原理
2.1.1二进制移相键控(2PSK)的基本介绍
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。
然而,实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号,这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。
这使数字信号在带通信道中传输,必须用数字基带信号对载波进行调制,以使信号与信道的特性相匹配。
这种用数字基带信号控制载波,把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。
在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调。
通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。
一般来说,数字调制与模拟调制的基本原理相同,但是数字信号有离散取值的特点。
因此数字调制技术有两种方法:
利用模拟调制的方法去实现数字式调制,即把数字调制看成是模拟调制的一个特例,把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况处理;
利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波,从而实现数字调制。
这种方法通常称为键控法,比如对载波的振幅、频率和相位进行键控,便可获得振幅键控、频移键控和相移键控三种基本的数字调制方式。
调制信号是二进制数字基带信号时,这种调制称为二进制数字调制。
在二进制数字调制中,载波的幅度、频率和相位只有两种变化状态。
相应的调制方式有二进制振幅键控(2ASK)、二进制频移键控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK)。
图2.1相干解调方式
二进制数字调之中,当正弦波的相位随二进制数字基带信号的离散变化时,则产生二进制移相键控(2PSK)信号。
通常用已调信号载波的0o和180o分别表示二进制基带信号1和0.二进制相移键控的表达式:
(3.1.1)
an为双极性数字信号,如果个g幅度为1,Ts矩形脉冲,则公式为:
e2PSK(t)=coswct(3.1.2)
2.1.2二进制移相键控(2PSK)的基本原理
2PSK信号的产生方法通常有两种:
模拟调制法和键控法。
一般的模拟幅度调制的方法,用乘法器实现;数字键控法的开关电路受s(t)控制。
2PSK信号基本的解调方法是相干解调。
2PSK,二进制移相键控方式,是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式。
就是根据数字基带信号的两个电平(或符号)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。
两个载波相位通常相差180度,此时称为反向键控(PSK),也称为绝对相移方式。
(1)2PSK信号的产生
2PSK的产生:
模拟法和数字键控法。
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。
模拟调制法如图2.2所示。
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。
数字键控法如图2.3所示。
图2.2模拟法
图2.3数字键控法
2PSK信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全相同的,所不同的只是两者基带信号s(t)的构成,一个由双极性NRZ码组成,另一个由单极性NRZ码组成。
因此,求2PSK信号的功率谱密度时,也可采用与求2ASK信号功率谱密度相同的方法。
(2)2PSK的解调系统
2PSK信号属于DSB信号,它的解调,不再能采用包络检测的方法,只能进行相干解调。
解调可分为载波提取法和直接解调。
2PSK信号的解调大多都采用相干解调方式,在马原时间间隔为Ts的区间内,发送端的2PSK信号可表示2PSK相干解调系统框图及个测试行波形如图2.4所示。
图2.42PSK相干解调系统框图及个测试点波形
(3)2PSK信号的功率谱
2PSK信号的功率谱密度
及其功率谱示意图如下:
图2.52PSK信号的功率谱密度
及其功率谱
分析2PSK信号的功率谱:
(1)当双极性基带信号以相等的概率(p=1/2)出现时,2PSK信号的功率谱仅由连续谱组成。
而一般情况下,2PSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。
其中,连续谱取决于基带信号经线性调制后的双边带谱,而离散谱则由载波分量确定
(2)2PSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同因此,2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同。
其中,
数字基带信号带宽。
这就表明,在数字调制中,2PSK的频谱特性与2ASK相似。
相位调制和频率调制一样,本质上是一种非线性调制,但在数字调相中,由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值,因此,可以把相位变化归结为幅度变化。
这样一来,数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了,为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。
2.2SystemView的基本介绍
2.2.1Systemview软件特点
Systemview是ElANIX公司推出的一个完整的动态系统设计、模拟和分析的可视化软件。
他可以提供大量的信号源供系统分析使用;其丰富的算子图符和函数库便于设计和分析各种系统;其多种信号接受器为时域和频域的数值分析提供便捷的途径;其无限制的分层结构使建立大而复杂的系统变得容易;另外他还提供对于外部数据文件的接口,使信号分析更加灵活方便。
Systemview操作简单,使用方便,只要用鼠标从Systemview库中选择图符并将他们拖拽到设计窗口中连接起来创造线性和非线性,离散和连续,模拟、数字和混合模式的系统,Systemview的所有图符都有相似的参数定义窗口,我们所要做的只是修改各个图符的参数,无需编程即可实现系统的设计和模拟。
Systemview的界面直观,设计窗口中各功能模块都用形象直观的图符表示,分析窗口中分析结果以各种图形直观显示,使我们对系统的结构,功能和分析结果一目了然。
他的另一个重要特点是可扩展性,Systemview允许用户插入使用C++编写的用户代码库,插入的用户库自动集成到Systemview中,能够像内建库一样使用。
Systemview提供了智能化的辅助设计。
在系统设计仿真时,Systemview能自动执行系统连接检查,给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息。
通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。
并在编译时,给出系统运行的大约时间,方便了设计人员进行调试。
其带有的API功能可以利用VC环境,将系统编译成可脱离Systemview独立运行的可执行文件,大大提高了运行速度和仿真效率。
SystemView基本属于一个系统级工具平台,可进行包括数字信号处理(DSP)系统、模
拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真分析,并配置了大量图符块(Token)库,
用户很容易构造出所需要的仿真系统,只要调出有关图符块并设置好参数,完成图符块间的
连线后运行仿真操作,最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的
仿真分析结果。
SystemView的设计者希望它成为一种强有力的基于个人计算机的动态通信系
统仿真工具,以实现在不具备先进仪器的条件下同样也能完成复杂的通信系统设计与仿真。
2.2.2使用Systemview进行系统仿真的步骤
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。
三设计内容及步骤
3.1设计内容
1.2PSK的相干解调的原理。
2.Systemview软件的使用。
3.2PSK的相干解调的原理在Systemview软件上的实现。
4.完成课程设计说明书。
3.2设计步骤
3.2.12PSK信号的产生
1.模拟法生成2PSK
图3.1模拟法生成2PSK
2.键控法生成2PSK
利用正弦信号180°移相通过开关电路并用伪随机序列PN控制、进而产生2PSK信号。
Systemview实现如图3.2。
图3.2键控法生成2PSK
3.2.22PSK的相干解调
1.2PSK的相干解调
图3.3相干解调
2.2PSK的载波提取法解调
图3.4载波提取法解调
3.2.32PSK的整体程序
将步骤键控法生成2PSK及2PSK的相干解调整理,统一成为一个程序,即用一个PN输入,利用相干解调方式输出。
图3.5模拟法-相干解调
图3.6键控法-相干解调
图3.7模拟法-载波提取
图3.8键控法-载波提取
3.3程序运行及波形图
运行时间:
0~1s,采样频率:
10000
序号
编号
图符块属性
类型
符号
参数设置
1
Token0
Source
PNSeq
Amp=1V,Offset=0V,
2
Token1
3
Token2
4
Token3
5
Token4
6
Token5
7
Token6
8
Token7
9
Token8
10
Token9
11
Token10
12
Token11
13
Token12
14
Token13
15
Token14
16
Token15
17
Token16
18
Token17
四遇到的问题及解决办法
对于基础知识掌握不扎实的我们,在设计过程中遇到了大大小小的各种问题,由于设计题目比较简单,小组成员团结共同努力研究,所有的问题都一一击破,很顺利的完成任务。
以下是本小组在设计的过程中遇到的问题:
1.由于Systemview系统是新接触的一个软件,所以在理解和记忆上都会有些困难,所以在设计的前两天着重熟悉Systemview系统窗口的菜单及各按钮的功能。
纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。
经过仔细研究讨论、努力记忆,我们基本上可以熟练的进行操作。
2.了解Systemview系统窗口的菜单及各按钮的功能只是肤浅的,由于基础知识掌握的不扎实所以各个图符块参数的设置也成了问题。
在选择滤波器的时候就出现分歧,在FilterLibrary和SystemviewAnalogFilterLibrary中都有滤波器,至于选择哪个库函数里的滤波器成了问题。
在老师指导下选择了SystemviewAnalogFilterLibrary中的滤波器。
那因为FilterLibrary对参数的设置要求比较精确,而在SystemviewAnalogFilterLibrary中设置滤波器参数时只要考虑最高和最低截止频率就可以了。
所以不管设置带通滤波器还是低通滤波器参数时要注意最高和最低截止频率大小的选择。
3.在信号源的输出点是否有延迟。
参考资料中提到,由于系统有噪声干扰而不稳定,要在信号源的输出点加一段延迟,对系统进行初始化,最终得到稳定的波形。
所以在设计时我们在信号源上加了延迟τ=100e-3,在输出波形上也有了相应的体现.经过了老师指导分析知道此系统比较稳定,不对其
进行延迟也可以.所以最后我们将图标删掉,使得图形观察起来比较美观简单。
我们要善于发现问题,从问题里寻找问题,带着问题去学习会达到事半功倍的效果,在完成任务的同时又能学到更多的知识。
只有这样我们才能有所提高,有所进步。
本小组的设计完成的比较顺利,这还是要归功于老师的讲解,小组成员的积极配合。
从遇到的问题中可以总结出,有扎实的基础知识和踏实肯干的态度是非常重要的,所以平时我们要注重基础知识的积累,为以后的学习打好坚实的基础。
同时小组成员团结努力的精神也是非常可贵的,不管是遇到什么问题,不管对该问题了解多少,所有的成员都能参与讨论与分析,很快的将问题解决从而完成任务。
五设计总结
课程设计已经结束。
经过了一星期的学习和工作,在老师和同学们的鼓励和帮助下,我们终于完成了课程设计。
在这两周里,通过我们的亲身实践和学习懂得了许多道理,也学到了许多课上没有学到的东西。
作为当代的大学生,不能只学习书本上的知识,更主要的是要通过学习来增长自己的才干,将所学知识运用到具体实践中,充分发挥自己的主观能动性,调动学习的积极性。
实践是一本书,是知识的海洋,只有应用到实践中,才能在这广阔的海洋里翱翔。
光学不用,即使学习再怎么好,也会被人们称为“书呆子”。
以前我们只知道课本的理论知识,不知道如何去实际应用。
这次实训后,我们明白了如何应用理论知识,这是一种突破,在理论基础上的一种突破。
不仅让我们更扎实的掌握基础知识,而且掌握实践的操作。
这对我们未来从事通信行业有很大的帮助。
我们通过实训,不仅更加熟悉了理论知识,而且弄懂课本中许多不明白的地方。
我相信这次实训对我们的未来有更重大的意义,因为通信原理知识是从事通信专业不可或缺的重要基础,通信原理的实训也是未来工作经验的基础。
所以我们不会辜负学校和老师对我们的期望,我们会更加努力学习的!
学校既然给我们提供了实践的机会,我们就应该握这次机会,通过实践来检验一下自己这一学期究竟学到了什么,得到了什么,从中找出自己的缺点和不足,以便在以后的学习中加以改正,也能为我们将来步入社会打下基础。
通过这次实训,我们的团队合作精神得以发扬。
我们共同完成一个任务,每一个同学在小任务上弄不懂的时候,我们大家都会帮助他,就这样我们一直互相帮助下去。
从问题的不懂一直到弄懂!
我很感谢我们团队的各个成员,没有他们的互相帮助,就不可能完成任务。
我们团队成员让我感觉到温暖,让我感觉到这不是一个人的实训。
经过一个星期的艰辛努力最终换来了丰硕的成果,虽然有些不完善的地方,但毕竟是小组成员花费大量的时间设计出来的,也感到有一丝的欣慰。
可以肯定地说现在的我们对通信原理设计这一块也有了一定的了解,但我们深知,我们所了解的不过仅仅是皮毛而已,离真正的运用自如还相距甚远。
此次实训为我们提供了能更好掌握所学知识的实践环境,使我们进一步开阔视野。
学校为我们提供了先进的高新技术平台和创造性的工作环境,是我们得以接触最先进的计算机理论、技术和环境,为我们高水平的素质教育提供良好的物质基础。
人生有数,学无止境,学习生活是无穷尽的,只有掌握更多的、更新的知识才能使自己始终立于不败之地。
如果只因现在所取得的成绩就沉浸于喜悦、骄傲之中的话,那么,我们就不会前进,只能停留在原来的地方踏步,甚至还会倒退。
所以,我们要从两周的通信原理实训所显现出的问题入手,不断努力完善自己。
六设计小组评语
通信原理课程设计周结束在即,我们小组也成功地完成了本次实训任务。
我们小组选择的实训课题是2PSK信号的相干解调和非相干解调。
我们之所以能如此圆满的完成实训任务,首先要感谢的是老师细心的指导和耐心的帮助,还有就是小组每个成员的共同努力和合作。
在两周的实训期间我们遇到了许多困难,当被这些问题困扰的时候,我们就向老师和同学寻求帮助,老师很认真的为我们解答并告诉我们是哪里出了问题,通过老师的细心指导,我们在Systemview通信原理设计方面的知识得到了扩充,懂得了许多以前不知道的知识;我们也在老师的细心指导中体会到了老师对学生那种从内心发出的关爱,让我们非常感动。
我们也从指导老师身上学到了很多东西,老师认真负责的工作态度,严谨的治学精神和深厚的理论基础都使我们收益匪浅,并给我们留下了深刻的印象。
指导老师在整个设计过程中,帮助我们解决了不少的难题,给予了我们巨大的帮助和鼓励,并细心的为我们介绍Systemview通信原理设计方面的知识,这使我们得到不少的长进,这对于我们以后的工作和学习都起着巨大的影响。
更使我们加深了对通信原理设计的理解,并掌握了一定的设计技能。
学校为我们安排了两周的Systemview通信原理设计,使我们有良好的环境学习Systemview通信原理设计知识,使我们能够把学到的知识运用到实践中,感谢学校提供给我们这次实训机会。
当向同学求助时,同学也非常热心的尽全力帮助我们,让我们感受到了同学之间的友谊之情。
还要感谢我们组成员积极向上的团队精神。
没有成员的互相帮助,实验任务不可能进行下去;没有成员的互相帮助,我们就无法取长补短,互相促进互相进步。
在这两周的时间里,在老师的指导下,大家齐心协力攻克了重重难关,完成了预期的目标,这都得益于老师及同学们的大力支持和帮助,得益于老师们提供的各种资料和讲解。
最后,感谢所有帮助过我们的同学及老师,感谢所有关心我们课程设计的朋友们,感谢大家的支持,没有你们的帮助就没有我们的成功,你们的援助奠定了我们的成功!
参考文献
[1]樊昌信.通信原理.北京:
国防工业出版社,2008。
[2]青松,程岱松,武建华.数字通信系统的SystemView仿真与分析[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2001。
[3]孙屹.SystemView通信仿真开发手册.北京:
国防工业出版社,2004。
[4]SystemView使用手册.美国:
Elanix公司[M],1998。
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