2PSK通信系统设计武汉理工课程设计说明书

武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书12PSK通信系统设计1技术指标设计一个2PSK通信系统，要求：（1）设计出2PSK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基本原理本次课程设计分别使用SystemView与Matlab两种仿真软件并采用两种不同的方案完成。2.1方案12.1.1系统框图与调制原理使用Matlab中Simulink仿真模块实现，调制方法为利用键控法实现绝对相移，利用加法器加入高斯白噪声模拟真实传输系统，解调时直接使用原载波信号进行相干解调。系统框图如图1所示。图1方案1系统框图其中，调制部分的调制信号为NRZ数字信号，载波为比NRZ数字信号频率高的正弦载波，载波1与载波2反相，根据调制信号的0与1分别对应输出两个不同的载波实现键控2PSK调制。使用加法器加入高斯白噪声模拟信道传输过程。带通滤波器、乘法器、低载波1解调输出调制信号载波2键控调制加性高斯白噪声加法器带通滤波载波乘法器低通滤波抽样判决武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书2通滤波器、抽样判决模块共同组成2PSK的相干解调部分。键控调制法原理图如图2所示。图22PSK键控调制法原理图2.1.2仿真电路图与模块参数设置Simulink仿真电路图如图3所示。图3方案1Simulink仿真电路图使用BernoulliBinaryGenerator作为信号源产生随机的2进制NRZ数字信号，之后使用数字码型极性转换模块UnipolartoBipolarConverter将其转换为双极性码，作为之后Switch的键控信号输入。BernoulliBinaryGenerator的参数设置如图4所示。已调2PSK信号调制信号开关电路载波1载波2（与载波1反相）武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书3图4BernoulliBinaryGenerator参数设置产生码元宽度为1s，即频率为1Hz的随机数字信号，出现0的概率为0.5。利用SineWave产生两个频率为10Hz的正弦载波设置其幅度为相反数实现反相，并将两载波和经过极性变换后的双极性数字信号输入Switch开始2PSK键控调制。Switch参数设置和SineWave参数设置分别如图5、图6所示。图5Switch参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书4图6SineWave参数设置Switch参数中的判决阈值电平设为0，这样当输入的数字信号大于0时，输出正相载波，当输入的数字信号小于0时输出反相载波，从而实现2PSK键控调制。SineWave参数设置为幅度为2V，频率10Hz，抽样时间1/500s，每帧抽样1次。两SineWave参数除幅度外设置为完全相同，幅度设置为相反数实现反相。之后利用加法器Sum将高斯噪声产生模块GaussianNoiseGenerator产生的高斯白噪声加入调制后的2PSK信号模拟在传输信道中的高斯噪声干扰。GaussianNoiseGenerator模块参数设置如图7所示。图7GaussianNoiseGenerator参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书5将高斯噪声初始算数平均值设置为10方差设为1，抽样时间1s。实验仿真过程中可以通过改变方差和算术平均值来改变信道噪声干扰强度，从而观察系统的抗干扰能力。以上为2PSK信号调制与传输模块，接下来设计2PSK信号解调模块。根据通信原理的相关知识，先将接受的信号通过一带通滤波器滤除信道外高斯噪声。使用Simulink中的AnalogFilterDesign模块并将其设置为BandpassFilter。其参数设置如图8所示。图8AnalogFilterDesign参数设置滤波器设置为Bandpass型，由于载波频率为10Hz，且原NRZ信号的频率为1Hz，即带宽为2Hz。则带通的频率下限设为9Hz，将其转换为rad/s单位即为18*π，频率上限设为11Hz，转换为rad/s单位即为22*π。完成对信道外噪声的滤除之后，利用乘法器Product将载波与已调信号相乘开始相干解调，即利用载波将已调信号再次搬移回低频区域。Product参数设置如图9所示。武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书6图9Product参数设置之后将所得信号通过低通滤波器滤除搬移产生的两倍载波频率的高频部分，则剩下的就只有低频部分。低通滤波器同样利用AnalogFilterDesign实现，将其设置为Lowpass，AnalogFilterDesign1的参数设置如图10所示。图10AnalogFilterDesign1参数设置经过第二次频率搬移后，信号为1Hz的低频部分和2倍载波频率即20Hz的高频部分，所以将低通滤波器的截止频率设置为中间值10Hz，即rad/s单位下的20*π。阶数设置为8阶。武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书7将所得低频信号经过抽样判决模块还原NRZ数字信号。抽样判决模块由触发子系统TriggeredSubsystem、滞环比较器Relay、零阶保持器Zero-OrderHold三个模块组成。TriggeredSubsystem中的触发模块Trigger参数设置如图11所示。图11Trigger参数设置要使TriggeredSubsystem工作需要为其提供合适的触发信号，利用PulseGenerator产生触发信号并将其接入TriggeredSubsystem，PulseGenerator参数设置如图12。图12PulseGenerator参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书8产生周期为0.5s，脉冲宽度为周期的5%，幅度为1V的脉冲信号。利用滞环比较器将触发子系统产生的阶梯状信号转变为固定电平的数字信号。Relay参数设置如图13所示。图13Relay参数设置其判决点设置为eps函数，其无参时默认参数为1，实际上它是一个精度计算的函数，取值为距参数最近的浮点数的距离，即为计算浮点数精度。由于低通滤波器和带通滤波器都是有一定滚降范围和响应时间的，而且在滤波后的信号刚开始有一个从0升至1或降至-1的过程，这一部分在触发子系统产生的波形中的第一个周期会出现一个0电平，可以利用eps作为判决门限将其抹去。其输出设置为1或0，这样可以直接输出单极性数字信号，免去极性变换的麻烦。由于在设置触发子系统时，为了提高精度将其触发信号周期设置为0.5s，为原始NRZ信号的一半，同时由于滤波器有一定滚降范围，可能导致码值变换时滤波后的信号来不及改变出现半个周期的误码，但是每个原始NRZ信号周期的初始值是正确的，所以可以用一个零阶保持器Zero-OrderHold将前半个周期的信号扩展保持到后半个周期，从而进行信号修正。Zero-OrderHold的参数设置如图14所示。武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书9图14Zero-OrderHold参数设置抽样时间设置为1s，这样就可以使信号整型为标准的周期为1s的NRZ信号，至此解调完成，接下来介绍误码率计算模块。Simulink提供了非常方便的误码率计算模块ErrorRateCalculation，将原始数字信号与解调输出信号接入ErrorRateCalculation可以直接计算误码率并在Display模块显示输出。ErrorRateCalculation参数设置如图15所示。图15ErrorRateCalculation参数设置由于解调输出信号相比原数字信号有1s的延迟（详见调试部分），所以将Receivedelay参数设为1。将Outputdata输出设为Port，这样就可以直接将其接到Display模块上来显示误码率了。武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书102.2方案22.2.1系统框图与调制原理该方案使用Systemview仿真软件实现，采用模拟调制方法，将原始NRZ变换为双极性码后直接与正弦载波相乘即得到2PSK信号。同样利用加法器加入高斯白噪声模拟信道传输，并在相干解调模块中不直接引用原载波模块，而是利用科斯塔斯环对2PSK信号进行载波同步提取，再使用提取出的载波与2PSK信号相乘进行相干解调，在解调部分更接近真实的2PSK数字信号传输系统。系统框图如图16所示。图16方案2系统框图模拟调制法的原理为：将原始NRZ信号变换为双极性数字信号，将其直接与相对较高频率的正弦载波相乘。当双极性信号为1，即对应原NRZ信号为1时，载波直接输出。而当双极性信号为-1，即对应原NRZ信号为0时，载波与-1相乘，实现反相输出。这样最终输出的已调信号即为2PSK信号。模拟调制法原理图如图17所示。图172PSK模拟调制法原理图载波高斯白噪声解调输出调制信号极性变换乘法器加法器乘法器载波同步提取低通滤波抽样判决调制输出正弦载波双极性非归零信号原始信号乘法器码型变换武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书112.2.2仿真电路图与模块参数设置Systemview仿真电路图如图18所示。图18方案2Systemview仿真电路图使用SourceLibrary中的PNSequence模块产生振幅为2V，频率10Hz的随机二进制数字信号其参数设置如图19所示。图19PNSequence参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书12该模块实质上产生的是振幅为1的方波，通过设置直流偏置电压1V从而使其变成振幅为2的NRZ信号。利用SourceLibrary中的StepFunction模块和加法器使原始NRZ信号加上-1V的直流电压偏置使其变为振幅为1V的双极性非归零数字信号。StepFunction模块参数设置如图20所示。图20StepFunction参数设置将其幅度设置为-1，起始时间设置为0即可产生-1V的恒压偏置。利用SourceLibrary中的Sinusoid产生幅度1V，频率50Hz的正弦载波。Sinusoid参数设置如图21所示。图21Sinusoid参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书13利用SourceLibrary中的GaussNoise模块产生高斯噪声。GaussNoise参数设置如图22所示。图21GaussNoise参数设置初始标准差设为0.2V，在仿真过程中可以更改，以观察不同标准差下传输系统的误码率以及各点信号波形。利用CommunicationsLibrary中的Costas模块进行载波的同步提取，其参数设置如图22所示。图22Costas参数设置设置科斯塔斯环中压控振荡器（VCO）频率为50Hz，即可完成对50Hz载波的同步提取，从而与已调信号相乘进行相干解调。武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书14将相乘后的信号送入OperatorLibrary中的LinearSystem，将其设置为AnalogFilterLibrary中的Lowpass，完成对信号的低通滤波。Lowpass参数设置如图23所示。图23Lowpass参数设置载波频率为50Hz，原始数字信号频率为10Hz，故将低通滤波截止频率设置为12Hz。其阶数设置为3阶即可。之后利用OperatorLibrary中的Simple&Hold模块对得到的低频信号进行采样保持，为下一步比较输出做准备。Simple&Hold参数设置如图24所示。图24Simple&Hold参数设置其阈值电压设置为0.1V。武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书15另外，Simple&Hold模块需要外部输入定时脉冲来确定抽样频率，利用SourceLibrary中的PlusTrain产生定时脉冲，参数设置如图25所示。图25PlusTrain参数设置频率设置为10Hz，保持与原信号频率相同即可，幅度1V脉冲宽度0.05s，偏置电压0.06V。解调的最后一步，使用OperatorLibrary中的Compare模块对信号进行判决比较，输出数字信号。Compare参数设置如图26所示。图26Compare参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设