DPSK的調(diào)制與解調(diào)

1、設(shè)計(jì)(論文)題目：2DPSK的調(diào)制與解調(diào)姓 名 學(xué) 號 班 級 學(xué) 院 指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)（論文）題目2DPSK的調(diào)制與解調(diào)主要研究內(nèi)容依據(jù)2DPSK的調(diào)制解調(diào)原理，設(shè)計(jì)差分移相鍵控的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，利用軟件MATLAB中的Simulink進(jìn)行系統(tǒng)建模。通過仿真結(jié)果，分析系統(tǒng)性能并加以改進(jìn)。研究方法 利用Simulink仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)的仿真分析，并對系統(tǒng)進(jìn)行修改完善。主要技術(shù)指標(biāo)(或研究目標(biāo))1.深刻理解2DPSK調(diào)制解調(diào)原理2.利用MATLAB實(shí)現(xiàn)2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)3.分析2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能主要參考文獻(xiàn)1 樊昌信，張甫翊，徐炳祥等.通信原理M.第5版.北京：國防工業(yè)出版社，2002

2、.2 杜武林.高頻電路原理與分析.M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.3 張會生.現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理.M.北京：高等教育出版社，2005.目 錄摘要2第1章 2DPSK原理介紹31.1 2DPSK的基本原理：31.2 2DPSK的調(diào)制原理：41.3 2DPSK的解調(diào)原理：51.3.1 極性比較法：71.3.2 相位比較法：7第2章 系統(tǒng)仿真82.1.1 2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)82.1.2 具體設(shè)計(jì)9第3章 結(jié)論14參考文獻(xiàn)152DPSK調(diào)制與解調(diào)摘要在現(xiàn)代通信技術(shù)中，因?yàn)榛跀?shù)字信號的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)于模擬信號的傳輸，所以數(shù)字信號的傳輸顯得越來越重要。雖然近距離時我們可以利用數(shù)字基帶

3、信號直接傳輸，但是進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時必須將基帶信號調(diào)制到高頻處。為了使數(shù)字信號能夠在信道中傳輸，要求信道應(yīng)具有高通形式的傳輸特性。然而，在實(shí)際信道中，大多數(shù)信道具有帶通傳輸特性，數(shù)字信號不能直接在這種帶通傳輸特特性的信道中傳輸，因此，必須用數(shù)字信號對載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生各種已調(diào)信號。我們通常采用數(shù)字鍵控的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制信號，所以又將其稱為鍵控法。當(dāng)調(diào)制信號采用二進(jìn)制數(shù)字信號時，這種調(diào)制就被稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。最常用的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式有二進(jìn)制振幅鍵控、二進(jìn)制移頻鍵控和二進(jìn)制移相鍵控。其中二進(jìn)制移相鍵控又包括兩種方式：絕對移相鍵控(2PSK)和相對(差分)移相方式(2DPSK )。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)

4、制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號離散變化時，就產(chǎn)生了二進(jìn)制移相鍵控，即所謂的絕對移相鍵控（2PSK）。雖然絕對移相鍵控的實(shí)現(xiàn)方法較為簡單，但是卻存在一個缺點(diǎn)，即我們所說的倒“”現(xiàn)象。因此，在實(shí)際中一般不采用2PSK 方式，而采用2DPSK方式對數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。本文主要討論關(guān)于2DPSK的調(diào)制解調(diào)。并將其與MATLAB結(jié)合進(jìn)行研究和仿真。第1章 2DPSK原理介紹1.1 2DPSK的基本原理：說到2DPSK，就不得不說一下二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）。所謂二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）方式是指受鍵控的載波相位按基帶脈沖而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式。即若發(fā)送二進(jìn)制符號0則載波初始相位取0，若

5、發(fā)送二進(jìn)制符號1 則載波初始相位取，如圖1所示（假設(shè)一個碼元用一個周期的正弦波表示）。這種移相通常被稱為絕對移相方式，如果采用絕對移相方式，由于發(fā)送端是以某一個相位作基準(zhǔn)的，因而在接收系統(tǒng)中也必須有這樣一個固定基準(zhǔn)相位作參考。如果這個參考相位發(fā)生變化（0相位變相位或相位變0相位），則恢復(fù)的數(shù)字信息就會由0變?yōu)?或由1變?yōu)?，從而造成錯誤。這種現(xiàn)象常稱為2PSK 方式的“倒”現(xiàn)象或“反向工作”現(xiàn)象。為此實(shí)際中一般采用一種所謂的差分移相鍵控（2DPSK）方式。2DPSK方式是利用前后相鄰碼元的相對載波相位值去表示數(shù)字信息的一種方式。例如，假設(shè)相位值用相位偏移表示（定義為本碼元初相與前一碼元初相之差

6、），設(shè)編碼結(jié)果如圖2.1所示。這樣就避免了2PSK中的倒現(xiàn)象。產(chǎn)生2DPSK信號時，先將輸入的絕對碼轉(zhuǎn)換成相對碼，然后再用相對碼用二進(jìn)制絕對移相方式對載波進(jìn)行調(diào)相。2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來表示數(shù)字信息。即本碼元初相與前一碼元初相之差。假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為，可定義一種數(shù)字信息與之間的關(guān)系為：圖2.1 相對移相示例下面將為大家介紹一下2DPSK的調(diào)制與解調(diào)原理。1.2 2DPSK的調(diào)制原理：眾所周知2PSK調(diào)制是將傳輸?shù)臄?shù)字碼元“1”用初始相位為180°的正弦波表示，而數(shù)字碼元“0”用初始相位為0°的正弦波表示。若設(shè)是傳輸數(shù)字碼元的絕對碼，則

7、2PSK已調(diào)信號在任一個碼元時間內(nèi)的表達(dá)式為 （1）若將傳輸數(shù)字碼元的絕對碼先進(jìn)行差分編碼得相對碼，其差分編譯碼如下：差分編碼為 （2）差分譯碼為 （3）再將相對碼進(jìn)行2PSK調(diào)制，則所得到的即是2DPSK已調(diào)信號，其在任一碼元時間內(nèi)的表達(dá)式為 （4）差分編碼移相2DPSK在數(shù)字通信系統(tǒng)中是一種重要的調(diào)制方式，其抗噪性能和信道頻帶利用率均優(yōu)于移幅鍵控(ASK)和移頻鍵控(FSK)，因而在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的原理框圖如圖2.2所示。差分編碼低通濾波調(diào)相帶通濾波相乘抽樣判決差分解碼分頻晶振+數(shù)字信號輸入數(shù)字信號輸出噪聲圖2.2 2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)原理框圖

8、2DPSK調(diào)制原理是指載波的相位受數(shù)字信號的控制而改變，通常用相位0°來表示“1”，而用180°來表示“0”。差分移相鍵控2DPSK信號的參考相位不是未調(diào)波的相位，而是相鄰的前一位碼元的載波相位。2DPSK信號的產(chǎn)生只需要在二相調(diào)制前加一套相對碼變換電路就可以實(shí)現(xiàn)，2DPSK 的調(diào)制方框圖見圖2.3，其中為載波，為已調(diào)信號。載波移相碼變換開關(guān)Eo(t)S(t)圖2.3 2DPSK的調(diào)制方框圖1.3 2DPSK的解調(diào)原理：基于DFT 的2DPSK 解調(diào)算法：實(shí)際中接收到的2DPSK 信號在經(jīng)過帶通濾波后，由于碼元跳變處的高頻分量被過濾掉，濾波后的2DPSK信號波形分為穩(wěn)定區(qū)和

9、過渡區(qū)，碼元中間部分是穩(wěn)定區(qū)，前、后部分為過渡區(qū)。穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的信號基本無損失，波形近似為正弦波，而過渡區(qū)內(nèi)的波形則不是正弦波，并且幅度明顯降低。調(diào)制信息基本上只存在于碼元穩(wěn)定區(qū)。從上述分析出發(fā)，可以得到基于DFT的數(shù)字解調(diào)方案。具體解調(diào)方法：對每個碼元穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的采樣點(diǎn)按照公式（5）做DFT： （5）其中，代表每個載波周期的采樣點(diǎn)個數(shù)，代表做DFT時使用的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的采樣點(diǎn)個數(shù)(通常取多個載波整周期)。然后，提取出前后碼元的相位跳變信息來進(jìn)行解調(diào)判決：計(jì)算， 并根據(jù)和的正負(fù)情況確定的取值范圍。把本碼元的相位記為，前一碼元的相位記為，則 （6）其中是進(jìn)行了位同步點(diǎn)調(diào)整時附加的相位?？梢姡诿總€碼元周期

10、只需要計(jì)算一次相位值即本碼元的相位，然后相減得到跳變相位，就可以依據(jù)判決條件恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，而不需要像文獻(xiàn)中所提到的對每個碼元要隨著窗函數(shù)的移動多次計(jì)算譜值，因而大大減輕了計(jì)算量，非常適合于軟件無線電的數(shù)字化實(shí)時解調(diào)。當(dāng)調(diào)頻信號不包括載波分量時，必須采用相干解調(diào)，2DPSK的解調(diào)可采用兩種方法。其一是極性比較法，然后再用碼變換器變?yōu)榻^對碼。另外還有一種實(shí)用的方法叫做差分相干解調(diào)法，二者的原理框圖分別如圖2.4，圖2.5。帶通濾波器本地連接乘法器抽樣判決器低通濾波器碼反變換器2DPSK數(shù)據(jù)輸出圖2.4 極性比較法解調(diào)帶通濾波器抽樣判決器乘法器低通濾波器碼元延遲2DPSK數(shù)據(jù)輸出圖2.5 差分相干解

11、調(diào)法1.3.1 極性比較法：信號可以采用相干解調(diào)方式(極性比較法)，其原理框圖見圖2.4。其解調(diào)原理是：對2DPSK 信號進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生180°相位模糊，解調(diào)出的相對碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊度的問題。1.3.2 相位比較法：2DPSK信號也可以采用差分相干解調(diào)方式(相位比較法)，其原理框圖見圖2.5。其解調(diào)原理是：直接比較前、后碼元的相位差，從而恢復(fù)發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。由于解調(diào)的同時完成了碼反變換作用，故解調(diào)

12、器中不需要碼反變換器。由于差分相干解調(diào)方式不需要專門的相干載波，因此是一種非相干解調(diào)方法。第2章 系統(tǒng)仿真 2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)：MATLAB提供了通信系統(tǒng)工具箱Communication Blockset。本文采用“自底向上”設(shè)計(jì)方式，先完成每個模塊的底層設(shè)計(jì)，封裝成子系統(tǒng)，再用其搭建通信系統(tǒng)仿真的總體框圖。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖如圖3.1所示。圖3.1 2DPSK仿真系統(tǒng)總體框圖通信仿真系統(tǒng)子模塊設(shè)計(jì)：（1）信號產(chǎn)生模塊：采用BernoulliBinarator模型產(chǎn)生一組值為0 或 1 的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，作為通信仿真系統(tǒng)的數(shù)字基帶信號輸入。（2）差分編碼模塊：選擇差分

13、編碼器，將信號源產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號進(jìn)行差分編碼。（3）2DPSK調(diào)制模塊：對雙極性不歸零碼進(jìn)行絕對調(diào)相，產(chǎn)生信道中傳輸?shù)?DPSK信號。（4）信道模塊：為模擬井下復(fù)雜通信環(huán)境對井下短程通信的影響，信道模塊加入高斯白噪聲（AWGNChannel），即在輸入信號中疊加高斯白噪聲，為簡單起見，假設(shè)信號在信道傳輸中沒有時間或相位的延遲。（5）接收及解調(diào)模塊：2DPSK信號的解調(diào)采用載波相干解調(diào)。解調(diào)用的相干載波可以用科斯塔斯環(huán)等方法直接從接收的信號中恢復(fù)，本文為方便起見，直接用與載波同頻同相的正弦信號作為載波同步輸出的相干載波.解調(diào)后的信號經(jīng)相關(guān)接收，抑制與載波無關(guān)的噪聲及干擾，使其在指定的抽樣判決時

14、刻有最大的信噪比。（6）抽樣判決模塊：為無失真地恢復(fù)輸入信號，解調(diào)后的基帶信號必須要經(jīng)過抽樣判決器的判決。由于本文假設(shè)沒有傳輸延遲，其抽樣判決的位同步定時脈沖可用一個脈沖源替代。實(shí)際的通信系統(tǒng)中，調(diào)制信號在信道中的傳輸存在傳輸延遲時間，此時可以直接從接收的數(shù)字信號中提取位同步定時信號，這種方法在數(shù)字通信系統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用。MATLAB系統(tǒng)提供的模型庫中沒有現(xiàn)成的抽樣判決器供選用，筆者利用MATLAB提供的S函數(shù)編寫了相應(yīng)的抽樣判決函數(shù)供使用。（7）差分解碼模塊：差分譯碼器把抽樣判決輸出的相對碼轉(zhuǎn)換成絕對碼，需要注意的是，差分編碼器和差分解碼器的初始狀態(tài)應(yīng)該一致。（8）比較和顯示模塊：一是

15、輸入數(shù)字基帶信號與解碼恢復(fù)信號的比較和顯示，二是輸入基帶信號與恢復(fù)信號之間誤碼率的分析與顯示。 具體設(shè)計(jì)應(yīng)用Matlab軟件中的Simulink進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)仿真，其結(jié)果如圖3.2所示。2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的組成：信號源、2DPSK調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)、輸出結(jié)果。圖3.2 2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖該圖為實(shí)際的simulink仿真圖，即具體的仿真框圖一、調(diào)制器調(diào)制器采用數(shù)字調(diào)制方式。它是由晶體振蕩器、分頻器、差分編碼和調(diào)相電路組成。晶體振蕩器產(chǎn)生11.0592MHz的方波信號，該信號經(jīng)9%、64%分頻電路后分別產(chǎn)生調(diào)制器和解調(diào)器所需的19.2kHz載波信號

16、2.4kHz時鐘信號。顯然，此系統(tǒng)的碼元速率是2400bit/s。差分移相是利用前后相鄰碼元信號的相對載波相位變化來傳遞數(shù)字信息。這時碼元不是以固定相位基準(zhǔn)為參考相位的，而是以前一碼元的相位作為參考相位。即：當(dāng)傳送“1”時，后一碼元的相位相對前一碼元的信號相位變化180°而當(dāng)傳送“0”時，前后碼元相位同。差分編碼器的作用就是對“數(shù)據(jù)入端”的數(shù)字信號進(jìn)行差分編碼，然后再對差分編碼輸出的差分信號進(jìn)行絕對調(diào)相，得到二相差分移相信號(2DPSK信號)。二、解調(diào)器解調(diào)器采用相干解調(diào)方式。它是由帶通濾波器、相乘器、低通濾波器、抽樣判決和碼變換電路組成。當(dāng)數(shù)字信號在傳輸過程中，由于信道中的加性隨機(jī)

17、噪聲，使解調(diào)端輸入的2DPSK信號疊加有白噪聲和其他干擾，所以用帶通濾波器來濾出干擾和噪聲，在其輸出端得到頻帶受限的2DPSK信號。相乘器和低通濾波器一起組成相干解調(diào)器。其作用是將帶通濾波器輸出的信號和本地恢復(fù)的相干載波進(jìn)行比較，再經(jīng)低通濾波器濾出基帶信號。在抽樣判決電路中，抽判脈沖對基帶信號比較、判決，由于判決后輸出的信號為相對碼信號，因而需進(jìn)行碼變換差分解碼，經(jīng)差分解碼器便恢復(fù)出與“數(shù)據(jù)輸入”相應(yīng)的數(shù)字基帶信號。在無噪聲情況下，解調(diào)恢復(fù)出的信號與調(diào)制器輸入的信號是完全相同的。三、信號根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇了3種基本的信號源：規(guī)則碼全“1”全“0”，“1 ：1”信號和31位的偽隨機(jī)碼。具體模塊設(shè)

18、計(jì)如下。1、調(diào)制模塊2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的調(diào)制過程分為兩部分(見圖3.3)：差分解碼和調(diào)相。圖3.3 差分解碼和調(diào)相(1)對由信號源產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號進(jìn)行差分編碼，即利用公式式中：傳輸信道中的差分編碼將原有信號由絕對碼表示變?yōu)橛媒?jīng)差分編碼處理的相對碼表示。設(shè)計(jì)中，選擇了位于Communications Blockset/Modulation/Source Coding/Differential Encoder的差分編碼器，它根據(jù)當(dāng)前時刻之前的所有輸入信息計(jì)算輸出信號達(dá)到差分編碼的作用。(2)對差分編碼后的信號進(jìn)行調(diào)相，即利用輸出信號與本地載波相乘的絕對調(diào)相?？梢赃x擇Modulation子庫中

19、的頻帶相位調(diào)制器(PM Modulator Passband)模塊。2、信道模塊信道是通信系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)之一，信道的傳輸質(zhì)量影響著信號的接收和解調(diào)。這種影響表現(xiàn)在兩個方面：一是產(chǎn)生噪聲，二是減弱信號的強(qiáng)度和改變信號的形狀。通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使接收端能夠再現(xiàn)發(fā)送端發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。因此，在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的過程中，信道對傳輸信號的影響是一個不可或缺的環(huán)節(jié)。為了使仿真的通信系統(tǒng)與實(shí)際更為相似，選擇了加性高斯白噪聲(AWGN channel)模塊。它位于Blockets/Communications Blockset/Channels/AWGN Channel，其作用是在輸入信號中自動加入高斯白噪聲。3

20、、解調(diào)模塊在本設(shè)計(jì)中，2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)采用相干解調(diào)的方式，即輸出已調(diào)信號與本地載波信號進(jìn)行極性比較，經(jīng)過低通濾波器濾出基帶信號，再利用抽樣判決和差分解碼恢復(fù)出數(shù)字基帶信號。因此，這一模塊分成四部分：帶通、低通、抽樣判決和差分解碼。2DPSK信號在傳輸?shù)倪^程中由于信道中的高斯白噪聲，使它不可避免地受到各種噪聲的干擾。利用帶通濾波器可以有效地濾除噪聲，更加有利于后面的解調(diào)。解調(diào)系統(tǒng)如圖3.4所示。圖3.4 2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)系統(tǒng)從DSP Blockset子庫中選取模擬帶通率濾波器模塊，利用公式：，式中：載波頻率帶寬信號頻率以31位偽隨機(jī)碼為例，載波頻率，計(jì)算出系統(tǒng)所需帶通濾波器的上

21、下邊界分別為：6000，250000rad/s。從帶通濾波器輸出了頻帶受限的2DPSK信號，與所加正弦載波(即與調(diào)相所用載波同頻同相的相干載波)相乘，再經(jīng)過低通濾波器，完成了相干解調(diào)。選取相乘模塊和低通濾波器模塊一起組成相干解調(diào)。由解調(diào)后經(jīng)低通濾波器輸出的基帶信號，以碼元定時作為同步信號在示波器屏幕上顯示的波形，即基帶信號的眼圖，如圖3.5所示。干擾和失真所產(chǎn)生的傳輸畸變，可以在眼圖上清楚地顯示出來。圖3.5 解調(diào)出的基帶信號的眼圖從解調(diào)器出來的基帶信號，會直接經(jīng)過抽樣判決器。抽樣是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)信號變成時間上離散信號。經(jīng)過抽樣信號包含原信號的所有信息，它能無失真地恢復(fù)

22、出原模擬信號。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，抽樣時間，抽樣頻率，抽樣值出現(xiàn)是等間隔的，抽樣脈沖的幅度隨模擬信號的變化而變化。因?yàn)槟Ｐ蛶熘袥]有現(xiàn)成的抽樣判決模塊可以選用，筆者編寫了一個相應(yīng)的S函數(shù)。對抽樣后的信號進(jìn)行比較、判決，將輸入的2DPSK信號還原成相對碼。再由差分譯碼器()把相對碼轉(zhuǎn)換成絕對碼?；謴?fù)出的信號與信號源輸出信號存在一定的單位延時，波形基本一致。以31位偽隨機(jī)碼為例，其部分輸出波形如圖3.6所示。圖3.6 31位偽隨機(jī)碼及其各部分輸出波形其中第一個波形為原始波形，其代表的數(shù)碼為；第二個波形為經(jīng)過差分移相后的波形，經(jīng)過差分處理以后，數(shù)碼變?yōu)?；?jīng)過濾波潤滑以后，差分波形被潤滑成為調(diào)整后的波形；通過抽樣判決，調(diào)整后的波形被重新變?yōu)榉讲?；最后再?jīng)過一次差分移相鍵控，就恢復(fù)出了原始的基帶信號?？梢钥闯觯?dāng)信號被恢復(fù)之后，會產(chǎn)生一定程度的時延，這些時延是伴隨著調(diào)制解調(diào)而出現(xiàn)的，所以不會影響系統(tǒng)的仿真結(jié)果。第3章 結(jié)論在利用Matlab中的Simulink完成的2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)中，由于信道中引入了適當(dāng)?shù)母咚拱自肼?，還有接收端帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置問題，觀察系統(tǒng)產(chǎn)生的眼圖后就會發(fā)現(xiàn)碼間干擾和噪聲的影響，它使解調(diào)后的輸出波形與信號源產(chǎn)生的波形相比有一定的畸變和時延。為了更好地改善系統(tǒng)的傳輸性能，在設(shè)置每個模塊的參數(shù)時都須經(jīng)過