2022年数字频带通信系统的建模与设计借鉴 .pdf

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1、石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 1 页共 16 页目录序言.2第一章二进制数字调制原理.31.1二进制振幅键控（2ASK）调制原理.3 1.2二进制频移键控（2FSK）调制原理.3 1.3二进制相移键控（2PSK）调制原理.4 1.4二进制差分相移键控（2DPSK）调制原理.4 第二章二进制数字解调原理.62.1二进制振幅键控（2ASK）解调原理.6 2.2二进制频移键控（2FSK）解调原理.6 2.3二进制相移键控（2PSK）解调原理.7 2.4二进制差分相移键控（2DPSK）解调原理.7 第三章System View

2、简介.9第四章数字频带通信系统的建模.104.1信号源的System View建模.10 4.2数字调制系统的建模仿真.12 4.3载波提取系统的建模仿真.13 4.4数字解调系统的建模仿真.14名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 2 页共 16 页序言在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，如：卫星通信、移动通信等，数字基带信号不能直接在这种信道中传输，因此，必须用数字基带信号对载波进行调制，产生已调数字信号，数字基带信号经过正弦载波调制成频带信号

3、以及带通型数字调制信号通过频带信道进行传输、解调。数字调制技术有两个方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制，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点特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。方法通常称为键控法，对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase Shift Keying，PSK）三种基本的数字调制方式。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 16 页 -

4、石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 3 页共 16 页第一章二进制数字调制原理调制信号是二进制数字基带信号时，在二进制数字调制中，载波的幅度、频率和相位只有两种状态，得到的相应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）。1.1二进制振幅键控（2ASK）调制原理2ASK 是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。借助幅度调制的原理，2ASK 信号可表示为ttsteccos)(

5、2ASK其中nsnnTtgats)()(。2ASK 信号的产生方法（调制方法）有两种：模拟调制法和键控法。图1-1中图（a）是一般的模拟幅度调制方法，用乘法器实现；图1-1中图（b）是一种数字键控方法，这里的开关电路受 s(t)控制。乘法器)(2teASK二进制不归零信号tccos)(tstccos)(ts)(2teASK开关电路（a）模拟相乘法（b）数字键控法图 1-1 2ASK/OOK信号调制器原理框图1.2二进制频移键控（2FSK）调制原理频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK 中，载波的频率随二进制基带信号在 f1和 f2两个频率点之间变化。若二进制符号“1”对应于载波

6、f1，符号“0”对应于载频f2，其表达式可以表示为)cos(A)cos(A)(212FSKnnttte其中n和n分别是第 n 个信号码元（1 或 0）的初始相位。2FSK 信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种可以采用键名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 4 页共 16 页控法来实现，在二进制基带举行脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元TS期间输出 f1或 f2两个载波之一，如图 1-2

7、所示。由调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的；而键控法产生的2FSK 信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。图 1-2 键控法产生2FSK 信号的原理图1.3二进制相移键控（2PSK）调制原理将距离为 180 度的两个相位(如 0 度和 18O 度)对应 0 和 1,是相位调制中最简单的一种。绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通常用相位 0 和来分别表示“0”或“1”。2PSK 已调信号的时域表达式为ttsteccos)(2PSK其中nsnnTtgats)()(。2PSK 信号的调制原

8、理框图如图1-3所示。与2ASK 信号的产生方法相比较，只是对s(t)的要求不同，在2ASK 中 s(t)是单极性的，而在2PSK 中 s(t)是双极性的基带信号。乘法器)(2tePSK双极性不归零tccos)(ts码型变换tccos)(ts)(2tePSK开关电路移相01800（a）模拟调制方法（b）键控法图 1-3 2PSK信号调制器原理框图1.4二进制差分相移键控（2DPSK）调制原理由于 2PSK 信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011

9、 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 5 页共 16 页可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为 2PSK 方式的“倒”现象或“反相工作”。这也是 2PSK 方式在实际中很少采用的主要原因。在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。为了解决上述问题，可以采用差分相移键控（DPSK）。2DPSK 是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。假设为当前

10、码元与前一码元的载波相位差，数字信息与之间的关系可定义为”1表示数字信息“”0表示数字信息“0。如果我们先对二进制数字基带信号进行差分编码，把数字信息序列的绝对码变成相对码（差分码），然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。我们可以通过此方法得到 2DPSK 信号，其调制器原理图可由图1-4所示。tccos)(ts)(2teDPSK开关电路移相01800码变换图 1-4 2DPSK信号调制器原理框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计

11、第 6 页共 16 页第二章二进制数字解调原理2.1二进制振幅键控（2ASK）解调原理与 AM信号的解调方法一样，2ASK/OOK 信号也有两种基本的解调方式：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步剑波法），相应的接收系统组成方框图如图2-1所示。与模拟信号的接收系统性相比，这里增加了一个“抽样判决器”，这对于提高数字信号的接收性能是必要的。（a）相干解调（同步检测法）（b）非相干解调（包络检波法）图 2-1 2ASK/OOK信号的接收系统组成方框图2.2二进制频移键控（2FSK）解调原理2FSK 信号的常用解调方法是采用如图2-2所示的非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将2FS

12、K 信号的分解为上下两路2ASK 信号分别进行解调，然后进行判决。这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限。判决规则应与调制规则相呼应。（a）相干解调名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 7 页共 16 页（b）非相干解调图 2-1 2FSK信号解调原理图2.3二进制相移键控（2PSK）解调原理2PSK 信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如图2-3 所示。在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK 信号同频同相的相干载波。

13、带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2tePSKtccosabcde图 2-3 2PSK信号的解调原理框图2.4二进制差分相移键控（2DPSK）解调原理2DPSK 信号可以采用相干解调方式（极性比较法）加码反变换法。其解调原理是：对 2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生180 相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度的问题。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(DPSK2tetccos码反变

14、换器abcdef图 2-4 2DPSK信号的相干解调原理框图2DPSK 信号也可以采用差分相干解调方式（相位比较法），解调器原理图如图2-5所示。其解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 8 页共 16 页波，因此是一种非相干解调方法。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(DPS

15、K2te延迟 Tsabcde图 2-5 2DPSK信号的差分相干解调原理框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 9 页共 16 页第三章System View简介System View 是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，System View 在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。System View是美国

16、ELANIX 公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块（Token）描述程序。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设

17、计数字频带通信系统的建模与设计第 10 页共 16 页第四章数字频带通信系统的建模我们都知道，一般由信源、信宿（收信者）、发端设备、收端设备和传输媒介等组成。如图4-1所示。图 4-1 通信系统一般模型来自信源的消息（语言、文字、图像或数据）在发信端先由末端设备（如电话机、电传打字机、传真机或数据末端设备等）变换成电信号，然后经发端设备编码、调制、放大或发射后，把基带信号变换成适合在传输媒介中传输的形式；经传输媒介传输，在收信端经收端设备进行反变换恢复成消息提供给收信者。这种点对点的通信大都是双向传输的。因此，在通信对象所在的两端均备有发端和收端设备。通信系统按所用传输媒介的不同可分为两类：利

18、用金属导体为传输媒介，如常用的通信线缆等，这种以线缆为传输媒介的通信系统称为有线电通信系统；利用无线电波在大气、空间、水或岩、土等传输媒介中传播而进行通信，这种通信系统称为无线电通信系统。光通信系统也有“有线”和“无线”之分，它们所用的传输媒介分别为光学纤维和大气、空间或水。通信系统按通信业务（即所传输的信息种类）的不同可分为电话、电报、传真、数据通信系统等。信号在时间上是连续变化的，称为模拟信号(如电话)；在时间上离散、其幅度取值也是离散的信号称为数字信号（如电报）。模拟信号通过模拟数字变换（包括采样、量化和编码过程）也可变成数字信号。通信系统中传输的基带信号为模拟信号时,这种系统称为模拟通

19、信系统;传输的基带信号为数字信号的通信系统称为数字通信系统。通信系统都是在有噪声的环境下工作的（图中集中以噪声源表示）。设计模拟通信系统时采用最小均方误差准则，即收信端输出的信号噪声比最大。设计数字通信系统时，采用最小错误概率准则，即根据所选用的传输媒介和噪声的统计特性，选用最佳调制体制，设计最佳信号和最佳接收机。4.1信号源的 System View建模由脉冲序列经过分频器产生基带信号，同时通过反相器产生反向信号，再经分频器、用户自名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信

20、系统的建模与设计第 11 页共 16 页定义数字信息、二进制八路复用器、傅立叶变换器等元器件产生非归零码，作为数字频带通信系统的信号源，信号源的System View的建模如图4-2所示。图 4-2 信号源子系统的System View仿真该信号源可产生两种信号，即基带信号和双极性不归零信号。信号的仿真波形图如图4-3所示。图（a）是基带信号的波形，图（b）为双极性非归零信号的波形。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 12 页共 16 页（a）基带信

21、号（b）双极性非归零信号图 4-3 输出信号源的仿真波形4.2数字调制系统的建模仿真实际中的大多数信号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，为了使数字信号在带通信道中传输，必须使数字信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。利用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换成数字带通信号，我们可以采用的调制技术主要有两种：利用模拟调制的方法去实现数字式调制，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点特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。相同的信号可以采用多种调制方式，如振幅键控（Ampli

22、tude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase Shift Keying，PSK）等方式。在系统设计中，我们充分考虑到这一点，所以将不同的调制方式集成在一个系统中，使其能够按照不同的要求进行不同的调制。调制系统模型如图4-4所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 13 页共 16 页图 4-4 数字信号调制子系统的System View仿真对于不同的调制方式，其调

23、制波形也不相同。调制仿真如图4-5所示。（a）2FSK 调制波形（b）2DPSK 调制波形图 4-5 输出信号源的仿真波形4.3载波提取系统的建模仿真载波恢复和位定时提取，是数字载波传输系统必不可少的重要组成部分。载波恢复的具体实现方案是和发送端的调制方式有关的，以相位键控为例，有N 次方环、科斯塔斯环（Constas名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 14 页共 16 页环）、逆调制环和判决反馈环等。在该课程设计中，2PSK 和 2DPSK 的解调

24、单元中会涉及载波的提取和恢复，故设计了一个载波提取系统。如图4-6所示。图 4-6 数字信号调制子系统的System View仿真通过测试，我们看到提取出的载波波形，如图4-7所示。图 4-7 提取载波的波形4.4数字解调系统的建模仿真调制方式不同，解调方法也不一样。数字通信中，常用的解调方式有非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相干（同频同相）的参考信号与载频相乘。非相干解调，是指不需提取载波信息（或不需恢复出相干载波）的一种解调方法。根据信号的不同调制方式，采用不同的解调方式。在系统设计中，我们将非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检

25、测法）电路模块同时设计在其中，基本的解调系统模块如图4-8所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 15 页共 16 页图 4-8 数字信号解调系统的System View仿真仿真测试后，我们可以看到2FSK 和 2DPSK 解调后的波形，如图4-9所示。（a）2DPSK 解调波形（b）2FSK 解调波形图 4-5 解调波形图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 16 页 -石河子大学信息科学与技术学院2010 2011 学

26、年上学期通信原理课程设计数字频带通信系统的建模与设计第 16 页共 16 页【参考文献】1 樊昌信曹丽娜.通信原理 M.北京：国防工业出版社.2006.180-193 2 秦亚莉韩彬霞.现代通信网概论M.北京：人民邮电出版社.2008.13 3 孙屹戴妍峰.System View通信仿真开发手册M.北京：国防工业出版社.2004 4 李东生.System View系统设计及仿真入门与应用M.北京：电子工业出版社.2003 4孔令彬李颖陈向文.2ASK 数字频带传输系统设计J.电子技术.2006,10(21):46-48 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 16 页 -