毕业设计(论文)-DPSK调制解调及性能分析.doc
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1、 摘 要 摘要摘要 随着通信技术的日益迅速发展。数字通信很明显优越于模拟通信。但为了使 数字基带通信能够在具有带通传输特性中传输,数字基带信号必需要进行调制, 成为已调数字信号才能适应信道传输。其中基本的三种数字调制方式有:振幅键 控(ASK) ,移频键控(FSK)和相移键控(PSK 或 DPSK) 。其中相移键控是在 三种基本数字调制方式中抗噪声性能最好,而且差分相频键控(DPSK)克服了 PSK 的相干载波恢复中载波相位模糊的缺点。对 DPSK 的研究分析有助于现代或 者未来数字调制的发展。 关键词:DPSK 调制 调频 解调 抗噪声性能 System View ABSTRACT ABST
2、RACT With the increasingly rapid development of communication technology. Digital communications is significantly superior to analog communication. However, in order to enable digital communication with transmission characteristics of bandpass transmission, digital baseband signal will need to be mo
3、dulated, the modulated digital signal in order to adapt the channel transmission. Three Digital Modulation: Amplitude Shift Keying (ASK), frequency shift keying (FSK) and phase shift keying (PSK or DPSK). Which the phase-shift keying is the best anti-noise performance in the three basic digital modu
4、lation scheme, differential phase frequency shift keying (DPSK) to overcome the shortcomings of PSK coherent carrier recovery 180 degrees in the carrier phase ambiguity. The study of DPSK analysis to contribute to the development of the modern or the future of digital modulation. Keywords: DPSK syst
5、em demodulation performance of resistance to noise System View 目录 目 录 第一章第一章绪绪 论论.1 第二章第二章2DPSK 调调制制解解调系统原理调系统原理 .3 2.1二进制相移键控(2PSK)的调制解调方法3 2.1.12PSK 的调制原理.3 2.1.22PSK 的解调原理.4 2.22DPSK 调制与解调原理5 2.2.12DPSK 调制原理5 2.2.22DPSK 解调原理6 2.32DPSK 系统性能理论分析7 2.3.12DPSK 系统抗噪声性能7 2.3.22DPSK 频带利用率9 2.3.32DPSK 对信道
6、特性变化的敏感性10 第三章第三章多进制差分相移键控(多进制差分相移键控(MDPSK).13 3.1多进制相移键控(MPSK)13 3.1.1MPSK 信号表达形式.13 3.1.24PSK 调制与解调.14 3.2多进制差分相移键控(MDPSK)调制解调.16 3.34PSK 与 4DPSK 抗噪声性能.18 第四章第四章SYSTEM VIEW 软件平台基础软件平台基础21 4.1SYSTEM VIEW简介21 4.2SYSTEM VIEW的设计窗口21 4.2.1设计窗口.21 4.2.2菜单栏与工具栏.22 4.2.3图符库及图符定义.23 4.2.4System View 的分析窗口及
7、接受计算器.23 4.2.5System View 的基本使用流程.24 第五章第五章基于基于 SYSTEM VIEW 对对 2DPSK 调制解调系统分析调制解调系统分析27 5.1基于 SYSTEM VIEW实现 2DPSK 调制解调的基本思路 27 目 录 5.22DPSK 调制解调的原理框图绘制27 5.3基于 SYSTEM VIEW设计与分析 2DPSK 调制 28 5.4基于 SYSTEM VIEW设计信道.31 5.5基于 SYSTEM VIEW设计 2DPSK 的解调 34 5.5.1带宽滤波器的设计.34 5.5.22DPSK 差分相干解调设计37 5.6基于 SYSTEM V
8、IEW对 2DPSK 设计抗噪声性能分析 40 第六章第六章总结总结.45 致致 谢谢.47 参考文献参考文献.49 附附 录录.51 0DPSK 调制解调系统实现及性能分析 第一章 绪 论 随着数字技术日益迅速发展以及无线通信技术普及,我们有必要对数字调制 技术进行了解与分析。 对于一个数字调制系统的研究,除了要了解调制解调原理,还要懂得分析每 个调制解调环节的作用与设计过程。另外还要对系统性能做出分析,性能是指除 了抗噪声性能,还有频带利用率,对于信道的敏感性等。 对于 DPSK,除了可以克服 PSK 的相位模糊现象,而且有较好的频谱利用率。 虽然在 DPSK 的基础上,发展了现今北美和日
9、本的蜂窝移动通信都在用的 /4DQPSK 数字调制系统。对于 DPSK 研究,有助于对现代数字调制技术的学习 打下一定的基础。 通信系统是一个非常复杂的工程系统,通信系统设计研究也十分复杂, System View 是一个可用于通信系统设计及仿真的动态分析平台,可构造各种复 杂的模拟,数字,数模混合系统的设计与仿真。 本设计将以 System View 仿真系统对二进制差分相移键控(2DPSK)的调制 与解调进行计算机仿真为例。并且结合理论知识,通过 System View 所提供的各 种仿真计算分析技术来从实际情况入手,对 2DPSK 的信道传输,带宽变化,频 谱分析,抗噪声性能绘图等进行对
10、 2DPSK 调制与解调实现及性能分析。 第一章 绪论1 2DPSK 调制解调系统实现及性能分析 第二章 2DPSK 调制解调系统原理 2.1 二进制相移键控(2PSK)的调制解调方法 2.1.12PSK 的调制原理 所谓的二进制相移键控(2PSK)信号,是指在二进制调制中,正弦载波的相 位随着二进制数字基带信号离散变化而产生的信号。已调信号载波可以用“0” 和“”或者“+/2”和“-/2”来表示二进制基带信号的“0”和“1” 。2PSK 的表达式如下 e2psk(t)=cos(c*t+n) 下面以“0”和“”代表基带数字信号的“0”和“1”来讲述 2PSK。2PSK 信号典型时间波形如图 2
11、-1 所示。公式如下。 e2psk(t)=an*g(t-n*Ts)*coswc*t 图 2-1 其中 an是双极性数字信号,g(t)为幅度 1 的矩形脉冲,矩形脉冲的宽度为 Ts。 由于 2PSK 信号是双极性不归零码的双边带调制,所以如果数字基带信号不 是双极性不归零码时,则要先转成双极性不归零码,然后再进行调制。调制方法 有模拟法和相位选择法。2PSK 调制原理图如图 2-2 和 2-3 所示。模拟法使源信号 如果不是双极性不归零,则转成双极性不归零码后与本地载波相乘即可调制成 第二章 2DPSK 调制解调系统原理 3 2PSK 信号。相位选择则是通过电子开关来实现的,当双极性不归零码通过
12、电子 开关时,遇低电平就以 180 度相移的本地载波相乘输出,遇高电平,电子开关则 连通没相移的本地载波上然后输出。 图 2-2 图 2-3 2.1.22PSK 的解调原理 至于解调的方式,因为双极性不归零码在“1”和“0”等概时没有直流分量, 所以 2PSK 信号的功率谱密度是无载波分量,所以必须用相干解调的方式。如图 2-4 所示。 4DPSK 调制解调系统实现及性能分析 图 2-4 过程中需要用到与接收的 2PSK 信号同频同相的相干载波相乘,然后通过低 通滤波器,再进行抽样判决恢复数据。当恢复相干载波产生 180 度倒相时,解调 出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好相反,解调器输
13、出数字基带信号 全部出错。这种现象通常称为“倒 ”现象。因而 2PSK 信号的相干解调存在随 机的“倒 ”现象,使得 2PSK 方式在实际中很少采用。 2.2 2DPSK 调制与解调原理 2.2.12DPSK 调制原理 在 2PSK 信号中,信号的相位变化是由未调载波的相位作为参考基准的,是 利用载波的绝对相位传送数字信息的,所以称为绝对调相。但 2PSK 存在着一种 缺陷,就是在相干载波恢复中载波相位存在载波相位 180 度相位模糊,以至于解 调出的二进制基带信号出现反向现象,在实际应用中很难实现。所以为了解决 2PSK 这个问题,提出了二进制差分相移键控(2DPSK) 。2DPSK 是在
14、2PSK 的基 础上做出的改进。虽然 2DPSK 能够解决 2PSK 的载波相位模糊问题,是一种实用 的数字调相系统,但是其抗噪声性能却不如 2PSK。 图 2-5 2DPSK 是利用前后码元的载波相位相对变化来传输数字信息的,称为相对调 相。即对数字基带信号进行差分编码,把绝对码转换成相对码(差分码) 。编码 规则如下 bn=an xor bn-1 其中,xor 是模 2 加,也是异或。bn是 bn-1的前一个码元,最初的 bn-1可以任 第二章 2DPSK 调制解调系统原理 5 意设定。 2DPSK 信号的实现步骤如下:首先要对数字基带信号进行差分编码,把绝对 码转换成相对码来表示二进制信
15、号,然后再进行绝对调相,如图 2-5 所示。 2.2.22DPSK 解调原理 在 2DPSK 的解调方法中,我们可以采用相干解调方式,也叫做极性比较法。 其解调原理原理图如图 2-6 所示,它的解调原理过程是首先将已在信道中传输的 2DPSK 信号进入带宽滤波器,滤掉滤波器频带以外的噪声。然后与 2DPSK 载波 同频同相的本地载波相乘再通过低通滤波器,滤除高频分量,通过抽样判决恢复 出相对码。最后通过码反变换器把相对码转换成绝对码。 图 2-6 图 2-7 另外 2DPSK 还可以采用差分相干解调方式,即相位比较法。解调原理过程 如图 2-7 所示。其原理过程与相干解调不同的是解调过程不需要
16、相干载波,也不 需要码反变换这一过程。当 2DPSK 信号通过带通滤波器后,通过延时器,延时 一个码元的时间间隔,再与 2DPSK 信号本身相乘,实现前后码元相位差的直接 比较。再通过低通滤波器和抽样判决,从而恢复出绝对码。由于过程不需要专门 6DPSK 调制解调系统实现及性能分析 的相干载波,所以是一种非相干解调方法。虽然差分相干解调不需要相干载波而 且在性能上优越于采用相干解调的绝对调相。但是抗噪声能力比较差。 2.3 2DPSK 系统性能理论分析 2.3.12DPSK 系统抗噪声性能 在数字通信中,误码率是衡量数字通信系统性能的重要指标之一。2DPSK 信 号可采用相干解调与差分相干解调
17、两种形式。由于本设计采用的是差分相干解调, 所以在这里只对差分相干解调系统性能进行解说。 2DPSK 信号差分相干解调也称为相位比较法,是一种非相干解调方法。在上 面解调的设计过程可以看出,解调过程中需要对间隔为 Ts的前后两个码元进行比 较。假设当前发送的是“1” ,并且前一时刻发送的也是“1” ,则带通滤波器输出 的 y1(t)与延时输出的 y2(t)分别是 y1(t)=a*cos(c*t)+n1(t) y2(t)=a*cos(c*t)+n2(t) 其中 n1(t),n2(t)分别为无迟延支路的窄带高斯噪声和有延时支路的窄带高斯噪 声,并且 n1(t)和 n2(t)相互独立。由于窄带高斯噪
18、声是可以分解成同相分量与正 交分量。所以以上两式可以写成 y1(t)=a+n1c(t)cos(c*t)+n1s(t)*sin(c*t) y2(t)=a+n2c(t)cos(c*t)+n2s(t)*sin(c*t) 通过低通滤波器的输出在抽样时刻的样值为 x=0.5*(a+n1c)*(a+n2c)+n1s*n2s 若 x0,则判决为“1“符号(正确判决) ; 若 x0,则判决为“0“符号(错误判决) 。 “1”判为“0”符号的概率为 P(0/1)=Px0=P0.5*(a+n1c)(a+n2c)+n1s*n2s0 利用恒等式 x1*x2+y1*y2=0.25*(x1+x2)2+(y1+y2)2-(
19、x1-x2)2+(y1+y2)2 其中 第二章 2DPSK 调制解调系统原理 7 x1=a+n1c,x2=a+n2c,y1=a+n1s,y2=2+n2s 则 x=0.125*(2*a+n1c+n2c)2+(n1s+n2s)2-(n1c-n2c)2-(n1s+n2s)2 若判为“0” ,即 x0 则 0.125*(2*a+n1c+n2c)2+(n1s+n2s)2-(n1c-n2c)2-(n1s+n2s)2 0 令 R12=(2*a+n1c+n2c)2+(n1s+n2s)2 R22=(n1c-n2c)2+(n1s-n2s)2 则当 x0,有 R1R2。 此时,将“1”判为“0”符号的错误概率可表示
20、为 P(0/1)=PR1R2 因为 n1c,n2c,n1s,n2s是相互独立的高斯随机变量,且均值为 0,方差相等为 n2。根据高斯随机变量之和仍然为高斯随机变量,且均值为各随机变量的均值 代数之和,方差为各随机变量方差之和的性质,则 n1c+n2c是零均值,方差为 2n2 的高斯随机变量。同理,n1s+n2s,n1c-n2c,n1s+n2s都是零均值,方差为 2n2 的高斯随机变量。由随机信号分析理论可知,R1 的一维分布服从广义瑞利分布, R2 的一维分布服从瑞利分布。所以可得, P(0/1)=0.5*e(-r) 式中,r=a2/(2*n2) 同理可得“0”判成“1”的概率 P(1/0)=
21、P(0/1),即 P(1/0)= 0.5*e(-r) 8DPSK 调制解调系统实现及性能分析 图 2-8 通过对于同一种数字调制信号进行分析,根据图 2-8 各数字调制信号误码率 表格,采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率。在误码率 一定时,有以下情况,2PSK,2FSK,2ASK 系统所需要的信噪比关系为 r2ASK=2*r2FSK=4*r2PSK 式子表明了,在相干解调方式和误码率相同的情况下,所需要的信噪比 2FSK 是 2 倍的 2PSK ,2ASK 是 4 倍的 2PSK。如果采用分贝的方式表示,误码 率相同的情况下,所需要的信噪比则是 ASK 比 2PSK 高出
22、6 分贝,2FSK 比 2PSK 高出 3 分贝。若都采用非相干解调方式,也就是本设计所采用的解调方式, 通过各数字调制信号的误码率与信噪比的关系公式可以得到在误码率相同情况下 与其他数字调制信号进行比较,2DPSK 比 2FSK 低 3 分贝,比 2ASK 低 6 分贝。 反过来,若信噪比 r 一定,2PSK 系统的误码率低于 2FSK 系统,2FSK 的误 码率低于 2ASK 系统。 通过如图 2-9 可以看出各个数字调制系统的误码率比信噪比的关系曲线图。 第二章 2DPSK 调制解调系统原理 9 图 2-9 2.3.22DPSK 频带利用率 要知道 2DPSK 的频带带宽是多少。先要从数
23、字基带信号随机序列开始分析 起。根据随机序列 s(t)可费解为稳态波 v(t)和交变波 u(t),可得 s(t)=v(t)+u(t) s(t)的功率谱密度为 Ps(f)=Pv(f)+Pu(f) 其中 Pv(f)=|fs*P*G1*(m*fs)+(1-P)*G2(m*fs)|2*(f-m*fs) Pu(f)=fs*P*(1-P)*|G1(f)-G2(f)|2 通过合并得 Ps(f)=|fs*P*G1(m*fs)+(1-P)*G2(m*fs)|2*(f-m*fs) 其中 fs是随机序列的频率,G(f)是单个码元波形的频谱函数,P 为出现 g1(t) 的概率, (1-P)则是出现 g2(t)的概率。
24、 又因为 2DPSK 的数字基带信号必须转成双极性,当 P=1-P,双极性不归零码 没有直流分量在频谱不存在冲激函数,所以根据上式可得双极性随机序列的功率 谱 Ps(f)=fs*|G(f)|2 10DPSK 调制解调系统实现及性能分析 在这里码元波形 g(t)一般取矩形脉冲,所以傅里叶变换之后 G(f)为 sa 函数波 形。双极性随机序列的单边带功率谱图为如图 2-10 所示。 图 2-10 一般双极性不归零信号的带宽取决于该频谱的第一个零点 fs,带宽 Bs=fs。 至于基带信号乘以载波进行频谱搬移之后,已调制信号的带宽以载波频率 fc 为中心,Bs=2fs。 至于各种二进制数字调制系统的频
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