PSK数字频带通信系统设计.docx
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PSK数字频带通信系统设计
2数字频带通信系统的设计与实现
摘要:
数字通信系统分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。
本次课程设计主要是利用中的模块对频带传输系统进行仿真。
在设计频带传输系统时,通过对原理的分析和实现过程中的实际操作问题的解决方便,采用的方案是用2的调制方式,首先对信号进行调制,并把运行仿真结果输入到示波器,根据示波器结果分析设计的系统性能。
再通过加入高斯白噪声传输信道,接着在接收端对信号进行解调,采用相干解调法,最后把输出的信号和输入的信号进行比较。
通过最后仿真结果可知,在仿真过程中存在着一定的误码,该信号频带传输通信系统已初步实现了设计指标并可用于解决一些实际性的问题。
关键词:
数字频带;2调制;高斯白噪声;;
第1章绪论
1、1背景
数字基带信号是低通型信号,其功率谱集中在零频附近,它可以直接在低通型信道中传输。
但是,实际信道大多是带通型的,数字基带信号无法直接通过。
因此,在发送端需要将其频谱搬移到通信信道的通带范围内,以便信号传输,频谱的搬移过程称为数字调制,数字基带信号称为调制信号,频谱搬移后的信号称为已调信号。
相应地,频谱的反搬移过程称为数字解调。
调制和解调的基本原理是利用信号与系统的频域分析和傅里叶变换的基本性质,将信号的频谱进行搬移,以使信号与信道的特性相匹配,从而完成信号的传输。
在现代数字通信系统中,频带传输系统的应用最为突出。
将原始的数字基带信号,经过频谱搬移,变换为适合在频带上传输的频带信号,传输这个信号的系统就称为频带传输系统。
通常选择正弦波信号为载波。
用载波信号参量的某些离散状态来表征所传输的信息,在接收端也只要对载波信号的调制参量有限个离散值进行判决,以便恢复出原始信号。
数字基带数字基带
信号输入信号输出
图1-1数字频带传输系统框图
1.2选题的目的和意义
本次课程设计选择的是利用中的搭建2数字调制与解调系统,并对调制与解调前后的时频域进行分析。
原因是在传输信号里,2信号与2与2信号相比,具有较好的误码率性能。
,。
本课程设计要针对数字频带传输的性能来进行研究,在分析数字频带传输基本原理的基础上,理论分析其传输系统的基本性能。
通过使用软件中的仿真模块得到比较符合实际情况的高斯噪声下传输的波形和功率谱图,理论分析其传输性能。
1.3本课程设计的主要内容
2数字频带通信系统的设计与建模,分析题目,设计系统框图,设计仿真模块,调试,并完成设计报告。
具体要求有以下五点:
(1)设计出规定的数字通信系统的结构,包括信源,调制,发送滤波器模块,信道,接受滤波器模块,解调以与信宿;
(2)根据通信原理,设计出各个模块的参数(例如码速率,滤波器的截止频率等);
(3)用实现该数字通信系统;
(4)观察仿真并进行波形分析;
(5)系统的性能评价。
第2章2信号调制与解调的基本原理
2.1总体思想
二进制数字相位调制就是用二进制数字信息控制正弦载波的相位,使正弦载波的相位随二进制数字信息的变化而变化。
由于二进制数字信息控制载波相位的方法不同,二进制数字相位调制又分为二进制绝对相位调制
(2)和二进制相对相位调制
(2)两种。
这次的课程设计则主要采用二进制绝对相位调制
(2)。
2调制与解调原理框图如图2-1所示。
二进制信息s’(t)
s(t)
2π
输出
位定时
图2-12调制与解调原理框图
2.22信号的产生
二进制绝对调相是用数字信息直接控制载波的相位。
例如,当数字信息为“1”时,使载波反相(即发生180°变化);当数字信息为“0”时,载波相位不变。
图2-2为2信号波形图(为作图方便,在一个码元周期内画两个周期的载波)。
图2-22信号波形图
图2-2中(a)为数字信息,(b)为载波,(c)为2波形,(d)双极性数字基带信号。
从图中可以看出,2信号可以看成是双极性基带信号乘以载波而产生的,即
(2-1)
图2-32调制器
图2-3中,电平变换器的作用是将输入的数字信息变换成双极性全占空数字基带信号s′(t)。
但需要注意的是,相同的数字信息可变换成两种极性相反的全占空数字基带信号,如图2-4所示。
一个调制器中只能采用其中的一种变换,至于采用哪一种变换,完全由调制规则决定。
如采用“1”变“0”不变的调制规则,则电平变换器将数字信息“1”变换成一个负的全占空矩形脉冲,将数字信息“0”变换成一个正的全占空矩形脉冲,如图2-4(a)波形所示。
图2-4(b)波形对应的调制规则是“0”变“1”不变。
图2-4电平变换器输入/输出波形
由式(2-1)与图2-3可知,双极性全占空数字基带信号s′(t)乘以A2π产生2信号,所以,根据频谱变换原理,2信号的功率谱为
其中,为双极性全占空矩形脉冲序列s′(t)的功率谱。
功率谱与P2(f)的示意图如图2-5所示。
2信号的功率谱与2信号的功率谱形状相同,只是少了一个离散的载波分量,这是由于双极性数字基带信号在“1”、“0”等概时直流分量等于零的缘故。
图2-52信号的功率谱
由图2-5可知,2信号的带宽为
B22
即2信号的带宽是数字信息码元速率值的两倍。
2.32信号的解调原理与抗噪声性能
2.3.12信号的解调原理
由于2信号信息携带在2信号与载波的相位差上,因此2信号的解调通常采用相干解调法,解调原理框图如图2.2所示。
首先是2信号通过一个带通滤波器,然后与本地载波相乘,再通过低通滤波器,经过抽样判决器来恢复出基带信号。
图2-62信号的相干解调器
2信号解调过程中的波形如图2-7所示。
为对比方便,图中画出了原调制信息s(t)。
图2-72相干解调器各点波形示意图
图2-7中,(b)是收到的2波形;(c)是本地载波提取电路提取的载波信号,此载波信号与调制用的载波信号同频同相。
(d)是接收2信号(b)与本地载波(c)相乘得到的波形示意图,此波形经低通滤波器滤波后得低通信号(e),取样判决器在位定时信号(f)的控制下对(e)波形取样,再与门限进行比较,作出相应的判决,得到恢复的信息(g)。
需要强调的是:
判决规则应与调制规则相一致。
如当调制规则采用“1”变“0”不变时,判决规则相应为:
当取样值大于门限时判为“0”,当取样值小于门限时判为“1”。
当“1”、“0”等概时,判决门限0。
反之,当调制规则采用“0”变“1”不变时,判决规则应为:
当取样值大于门限时判为“1”,当取样值小于门限时判为“0”。
以上说明图2-6所示的2解调器在无噪声情况下能对2信号正确解调。
下面讨论此2解调器在噪声干扰下的误码率。
2.3.22信号相干解调误码率的计算
误码率的基本分析方法是:
(1)求出发“1”与发“0”时低通滤波器输出信号的数学表达式。
(2)求出取样值的概率密度函数。
(3)求出解调器的平均误码率公式。
设调制采用“1”变“0”不变规则。
当发端发“1”时,收到的2信号为
s2(t)2π
带通滤波器的输出是信号加窄带噪声
上式与本地载波2π相乘,得
(2-2)
式(2-2)所示信号经低通滤波后得
x(t)(t)
显然,x(t)的瞬时值是均值为、方差为的高斯随机变量。
所以,x(t)的取样值的概率密度函数为
(2-3)
同理,发端发“0”时,收到的2信号为
带通滤波器的输出是信号加窄带噪声
上式与本地载波2π相乘,得
(2-4)
式(2-4)所示信号经低通滤波后得(不计系数1/2)
x(t)(t)
x(t)的瞬时值是均值为a、方差为
的高斯随机变量。
所以,x(t)的取样值的概率密度函数为
(2-5)
式(2-3)与式(2-5)的概率密度函数曲线如图2-8所示。
图2-8取样值概率密度函数示意图
当“1”、“0”等概时,最佳判决门限为0。
由图8.4.8可知,发“1”错判成“0”的概率为
将式(2-3)代入上式得
“0”错判成“1”的概率等于“1”错判成“0”的概率,即
根据平均误码率公式(0)P(1/0)
(1)P(0/1)得解调器平均误码率为
式中,。
第3章的介绍
3.1相关内容
是【2】最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
具有适应面广、结构和流程清晰与仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于。
模块库按功能进行分为以下8类子库:
(连续模块)(离散模块)(函数和平台模块)(数学模块)(非线性模块)(信号和系统模块)(接收器模块)(输入源模块)用户可以根据需要混合使用库中的模块来组合系统,自定义模块库、从而实现全图形化仿真。
模型库中的仿真模块组织成三级树结构子模型库中包含了、等下一级模型库模型库中又包含了若干模块,可直接加入仿真模型。
3.2仿真原理
通过利用模块组合的方法可以方便用户快速、准确地创建动态系统的计算机模型。
它可以用来模拟线性与非线性系统,连续与非连续系统,或者这些混合的系统,是强大的系统仿真工具。
在命令窗口输入“”并回车,就可进入模型库,单击工具栏上的按钮也可进入。
在子窗口或模型库的菜单栏依次选择“”|“”|“”,即可生成空白仿真模型窗口。
3.3仿真过程
仿真分为两个阶段:
初始化和模型执行。
1、初始化阶段
初始化阶段需要完成的主要工作与其步骤如下:
(1)对模型的参数进行估计,得到它们实际计算的值。
(2)展开模型的各个层次。
(3)按照更新的次序对模块进行排序。
(4)确定那些非显示化的信号属性,并检查每个模块是否能够接受连接到它们
输入端的信号。
(5)确定所有非显示化的信号采样时间模块的采样时间。
(6)分配和初始化存储空间,以便存储每个模块的状态和当前值的输出。
2、模型执行阶段
对于一般的仿真模型是通过采用数值积分来来进行仿真的,计算数积分可以采用以下两步来进行:
(1)按照秩序计算每个模块的积分。
(2)根据当前输入和状态来决定状态的微分,得到微分矢量,然后把它返回给解法器,以计算下一个采样点的状态矢量。
(3)运行仿真方式有两种方式,分别是菜单方式和命令行方式。
菜单方式:
在菜单栏中依次选择""|""或在工具栏上单击。
命令行方式:
输入“”启动仿真进程。
比较这两种不同的运行方式:
菜单方式的优点在于交互性,通过设置示波器或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。
命令行方式启动模型后,不能观察仿真进程,但仍可通过显示模块观察输出,适用于批处理方式。
第4章2数字调制与解调系统的设计
4.1整体电路设计
通过对上述原理的分析,所设计的方案是采用模拟调制和相干解调。
整个的仿真系统的调制与解调过程为:
由于本次设计使用的是巴克码,无需进行码型变换,所以首先将信号源的输出信号与载波通过相乘器进行相乘,送入加性高斯白噪声()信道中传输。
在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘,接着通过低通滤波器、抽样判决器,最后由示波器显示出各阶段波形,并用误码器观察误码率。
调制与解调仿真电路图如图4-1所示。
图4-12调制与解调仿真电路图
4.22信号调制模块设计
利用模拟调制法二进制相位调制,由于使用的是巴克码,所以不需要进行码型变换,巴克码直接与载波相乘,再通过加性高斯噪声信道,仿真电路图如图4-2所示。
图4-22模拟调制模块电路
其中为巴克码产生器,为载波模块。
各个模块参数设置如下:
(巴克码产生器):
要求码元速率为100,则采样时间为10-5s,如图4-3所示。
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