2dpsk课程设计.docx
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2dpsk课程设计
二进制数字频带传输系统设计——2DPSK系统
1技术指标
设计一个2DPSK数字调制系统，要求：
（1）设计出规定的数字通信系统的结构；
（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Matlab或SystemView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。
2基本原理
2.12DPSK信号基本原理
在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，产生二进制移相键控（2PSK）信号。
因为在调制过程中，2PSK调制及解调过程中容易出反向工作问题，即倒π现象，影响2PSK信号长距离传输。
2DPSK不同于2PSK的基本原理，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。
所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。
假设相对载波相位值用相位偏移△Φ表示，并规定数字信息序列与△Φ之间的关系为
进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。
它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。
所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。
假设前后相邻码元的载波相位差为△Φ，可定义一种数字信息与△Φ之间的关系为
△Φ=0,表示数字信息“0”
π,表示数字信息“1”
则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下所示:
二进制数字信息：
1101001110
2DPSK信号相位：
0π00πππ0π00
或π0ππ000π0ππ
数字信息与△Φ之间的关系也可以定义为
△Φ=0,表示数字信息“1”
π,表示数字信息“0”
图12DPSK信号原理图
2.22DPSK调制原理
2DPSK信号一般有两种调制方法，即模拟调制法与键控法。
2DPSK模拟调制法框图如图，原始信号经过码型变换后由绝对吗变换为相对码。
然后与载波相乘进行绝对移相。
图2模拟调制方框图
2DPSK键控调制法是先将原始信号经过码型变换后由绝对吗变换为相对码。
然后通过键控的方法使键控器在输入不同电平时输出初始相位不同的正弦波或者余弦波。
2DPSK键控调制法框图如下。
图3键控调制方框图
2.32DPSK解调原理
2DPSK信号一般有两种解调方法，即同步检测法和差分相干解调法。
2DPSK同步检测法的原理是2DPSK信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再与本地载波相乘，去掉调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决得到基带信号的差分码，再经过逆差分器，就得到了基带信号。
它的原理框图如图
图4极性解调方框图
2DPSK差分相干解调的原理是信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。
它的原理框图如图
图5差分相干解调方框图
3建立模型描述
3.1差分变换和逆差分变换模型
差分变换模型的功能是将输入的基带信号变为它的差分码。
用到的模块有延时器和异或门。
由于求差分码的过程就是将基带信号与差分码前一个码元求异或，所以异或门的输出经单位延时后与基带信号分别接到异或门的两个输入端，异或门的输出就是基带信号的差分码。
逆差分变换就是将差分码延迟一个码元宽度后与原码相乘就得到了绝对码。
图6差分变换与逆差分变换原理图
3.2调制与解调模型
2DPSK的调制主要有模拟调制和键控调制。
模拟调制既是将需要被调制的基带波形与载波相乘，一般基带信号码元宽度应为载波周期的整数倍，经过调制后不同码元对应着初始相位不同的载波。
键控调制是用基带信号作为控制信号，使得当基带信号不同时，输入的载波的初始相位不同，最后与模拟调制达到相同的效果，即经过调制后不同码元对应着初始相位不同的载波。
2DPSK的解调主要有同步解调与差分相干解调。
同步解调既是将通过带通滤波器之后的信号与本地载波相乘去掉载波成分，然后再进行其他的工作步骤。
差分相干解调是将经过带通滤波器之后的信号延迟一个码元周期之后再与其本身相乘，在去除载波成分的同时也完成了逆差分变换的功能。
3.3带通滤波器和低通滤波器的模型
带通滤波器的作用是将（fl，fh）频率范围外噪声衰减到极低水平，fl为低通截止频率，fh为高通截止频率。
低通滤波器模型的作用是将（0，fs）频率范围外的成分衰减到极低水平，fs为截止频率。
3.4抽样判决器模型
抽样判决器的功能是根据位同步信号和设置的判决电平来还原基带信号。
4模型组成模块功能描述
4.1使用systemview各图符功能介绍
：
原始基带信号产生器，产生一个按设定速率，由不同电平幅度脉冲组成的伪随机数列（PN）信号。
：
正弦波信号发生器，在调制部分作为载波输入。
：
延时器，使原信号产生一个码元的延迟。
：
乘法器。
完成基带信号和载波信号的乘法运算以及延时信号与原信号相乘。
：
加法器。
完成2ASK信号和噪声的加法运算。
：
带通滤波器。
主要功能是滤除杂波，使频率在最高和最低截止频率之间的信号通过。
：
低通滤波器。
滤除和原始载波相乘后信号的高频成分，保留低频信号。
：
抽样判决器。
主要作用是对经过低通后的信号进行抽样判决，高于门限电压的判为1，低于门限电压的判为0，从而还原原始基带信号。
：
异或门电路。
：
单刀双掷开关。
在本设计中，主要实现2DPSK信号的调制。
：
反向器。
：
基本信号接收器。
该接收器平时无显示，必须进入系统分析窗口才能观察和分析输出结果。
：
数据列表，生成并在系统窗口显示接收到的数据表。
：
SystemView标准观察窗口，可在系统运行结束后于系统窗口中显示输出波形。
4.2模块功能描述
4.2.1各种组成系统图
模拟调制与差分相干解调组合系统
图7模拟调制差分相干解调系统图
键控调制与极性解调组合系统
图8键控调制与极性解调系统图
图9模拟调制与极性解调系统图
图10键控调制差分相干解调系统图
4.2.2各模块功能描述
如前图，由2DPSK两种解调方法与调制方法可以组成四种基带传输系统，由于上述四种系统中所使用的各功能模块有重复，所以只就模拟调制与差分相干解调系统和键控调制与极性解调系统为例来做各模块功能的描述。
4.2.2.1模拟调制与差分相干解调系统
信号源模块
图11信号源模块
该模块通过一个信号源图符产生频率为10赫兹的原始双极性非归零信号，也就是我们所说的绝对码。
差分变换模块
图12差分变换模块
该模块通过一个异或图符与一个延迟图符来实现对原始信号的差分变换。
延迟图符的延迟时间设置为0.1s,异或图符的门限电压设置为0.5V，正确输出设置为1V，错误输出设置为-1V。
模拟调制模块
图13模拟调制模块
该模块通过一个相乘图符和一个正弦信号图符来实现对相对码的绝对相移，即对相对码进行2PSK调制。
正弦信号频率设置为10赫兹。
加噪信道模块
图14加噪信道模块
该模块由一个高斯噪声信号图符和一个加法图符以及一个带通滤波图符组成。
该模块用来模拟一个有高斯噪声信道，带通滤波器用来滤除有用信号频带以外的噪声，其低通截止频率设置为1赫兹，高通截止频率设置为20赫兹，而且高斯噪声信号图符输入的噪声功率可以更改。
差分相干解调模块
图15差分相干解调模块
该模块由一个相乘图符和一个延迟图符组成，通过将信号延迟一个码元周期之后与原信号相乘实现差分相干解调。
该延迟图符的延迟时间设置为0.1s。
抽判模块
图16抽判模块
该模块由一个低通滤波器图符和一个抽判图符组成。
通过该模块滤除高频率成分并通过抽判来还原原始绝对码。
低通滤波器的截止频率设置为8赫兹，抽判器门限电压设置为0V，错误输出设置为0V,正确输出设置为2V。
4.2.2.2键控调制与极性解调系统
此系统的信号源模块和差分变换模块以及加噪信道模块与模拟调制与差分相干解调系统的各对应模块组成成分相同。
但是参数设置并不一样，信号源模块频率为100赫兹；差分变换模块中延迟图符延迟时间为0.01s，异或图符门限电压设置为0.2V，错误输出为0V，正确输出为1V；加噪信道模块中带通滤波器高通截止频率为150赫兹，低通截止频率为250赫兹。
下面介绍其他不同模块的组成以及参数设置。
键控调制模块
图17键控调制模块
该模块由一个正弦信号图符和一个反相图符以及一个单刀双掷开关图符组成。
该模块的作用是用相对码作为控制信号，使得当相对码不同时，选择不同的输入，既使输入的载波的初始相位不同，最后与模拟调制达到相同的效果，即经过调制后不同码元对应着初始相位不同的载波。
正弦信号的频率设置为200赫兹。
极性解调模块
图18极性解调模块
该模块由一正弦信号图符和一个相乘器图符组成。
输入信号与本地载波相乘后去除载波成分。
正弦信号频率设置为200赫兹。
抽判模块
图19抽判模块
该模块由两个低通滤波器图符以及两个抽判图符和一个逆差分变换图符组成。
具体功能是先还原相对码，然后经过逆差分变换变为绝对码。
由于此时的绝对码型不够完善，再用一次低通将频率较高成分去掉。
两低通滤波器截止频率设置为50赫兹。
延迟器延迟时间设置为0.01s。
5调试过程及结论
5.1模拟调制与差分相干解调系统
噪声较小时信号源发出波形
图20信号源波形
此波是一频率为10赫兹的双极性非归零信号
逆差分变换后波形
图21差分变换后波形
经过差分变换后变为原码的相对码。
与载波相乘后波形
图22调制后波形
经过信道并经过带通滤波器后波形
图23经过带通后波形
差分相干解调后波形
图24差分解调后波形
经过低通滤波器后波形
图25低通后波形
抽判后波形
图26抽判后波形
观察此波并与信号源发出波形作比较，发现经过抽判后得到的波形与信号源发出的波形基本一致，但是有一定时间的延迟。
噪声较小时眼图
图27眼图
观察眼图可见当噪声较小时眼睛睁开较大。
噪声较大时的输入信号波形
图28信号源输入波形
最后解调得到波形
图29解调后波形
由上图可见经过解调并没有完全还原信号源发出的波形，可见信道中的噪声对信号传输质量有影响。
噪声较大时的眼图
图30眼图
当噪声较大时，眼图眼睛睁开较小，也验证了强噪声对信号传输质量有影响。
5.2键控调制与极性解调系统
噪声较小时信号源输入波形
图31信号源输入波形
经过差分变换后波形
图32差分变换后波形
经过键控调制后波形
图33键控调制后波形
与本地载波相乘后波形
图34与载波相乘后波形
第一次经过低通滤波器后波形
图35一次低通后波形
第一次抽判后波形
图36一次抽判后波形
经过逆差分变换后波形
图37逆差分变换后波形
最后接收到的波形
图38最后接收波形
将此图与信号源发出信号波形作比较，发现经过解调后能够基本再现原来波形，但是有一定时间延迟。
高斯噪声较小时的眼图
图39眼图
此时眼睛睁开幅度较大。
当加入信道中的高斯噪声较大时信源输出波形
图40信源发出波形
最后接收到的波形
图41接收波形
噪声较大时的眼图
图42眼图
由眼图可看出此时眼睛睁开的幅度较高斯噪声较小时的小一些，此情况正是由于噪声加大引起的，与事实相符。
5.3两种系统比较与结论
比较模拟调制与差分相干解调系统键控调制与极性解调系统的调试过程，发现两种系统都能较好的完成2DPSK的基带传输，但是两者都有一定时间的延迟。
模拟调制以及键控调制两种调制方法都是通过对数字进行绝对相移来达到调至目的，虽然所需器件不同，但本质上是一样的。
两种解调方法有一定的区别，极性解调是先将相对码进行相干解调进行还原，然后在进行逆差分变换得到绝对码。
差分相干解调是将相对码延迟一个码元周期之后与自己相乘然后经过低通滤波器得到绝对码，即完成解调的功能。
用差分相干解调不需要本地载波，也不需要逆差分变换，所以其用的器件少，能够节约成本，是一种实用的方法。
由于2DPSK的基带传输系统在抗噪声性能及信道频带利用率方面等方面二进制FSK及OOK的优越，所以其在实际中应用较广泛。
6心得体会
本次课程设计允许使用三种方法完成，即Matlab编程实现，Matlab中的Simulink模块实现以及SystemView软件实现。
由于对Matlab不是很熟悉，所以最后选择用SystemView软件来完成课程设计。
在选择2DPSK基带传输系统的实现方法时，主要依据课本上提供的方法来设计。
课本中的调制方法主要有模拟调制法和键控调制法，解调方法主要有极性解调法和差分相干解调法。
由上述两种调制方法与解调方法组合可以组成四种基带传输系统。
在网上下载一些SystemView软件的教程学习之后，对软件有了一定认识。
用软件建立系统模型之后，运行发现通过各图符后的波形没有规律。
信号源的波形上升沿存在一定倾斜，通过调高系统时钟的采样频率可以改善这种情况。
绝对码经过异或图符后并没有完成差分变换的功能，经过调整其门限电压及输出电压可以实现其功能。
低通滤波器和带通滤波器的设置均可影响到之后的其他解调步骤，通过调节它们的截止频率可以改善最后的抽判结果。
抽样判决器的门限电压以及输出电压也可以调节最后的输出结果。
噪声对系统的性能也有较大影响，当系统信道中噪声较小时，系统能较好的完成调制与解调功能，当信道中噪声增大时，对系统的性能有明显影响，具体表现在最后接收信号波形与信号源波形之间差别增大，当噪声增大到一定值时，最后接收信号波形与信号源波形基本上没有联系。
如上所述，系统的每一个步骤均能够影响到系统的传输性能，其中滤波器的频率设置较难把握，其他部分较好设置。
通过本次课程设计，我对2DPSK数字基带传输系统的工作原理有了更深刻的认识，对其各组成部分的工作原理的认识不仅停留在书本上。
此外通过使用SystemView软件实现系统，对此软件也有了一定了解。
7参考文献
[1]樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理（第5版）.国防工业大学出版社，2001
[2]罗卫兵,孙桦,张捷.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计[M].北京:
电子工业出版社,2002
[3]杜武林.高频电路原理与分析[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2000.13-15
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