2PSK通信系统设计 武汉理工课件设计说明书

2PSK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1

2.1.1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

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2 2PSK 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1 Simulink 仿真电路图

使用Bernoulli Binary Generator 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Unipolar to Bipolar Converter 将其转换为双极性码，作为之后Switch 的键控信号输入。Bernoulli Binary Generator 的参数设置如图4所示。

图4 Bernoulli Binary Generator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Sine Wave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Sine Wave参数设置分别如图5、图6所示。

图5 Switch参数设置

图6 Sine Wave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。Sine Wave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Sine Wave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Gaussian Noise Generator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。Gaussian Noise Generator模

块参数设置如图7所示。

图7 Gaussian Noise Generator参数设置

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Analog Filter Design模块并将其设置为Bandpass Filter。其参数设置如图8所示。

图8 Analog Filter Design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。

图9 Product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Analog Filter Design实现，将其设置为Lowpass，

Analog Filter Design1的参数设置如图10所示。

图10 Analog Filter Design1参数设置

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。

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Triggered Subsystem、滞环比较器Relay、零阶保持器Zero-Order Hold三个模块组成。Triggered Subsystem中的触发模块Trigger参数设置如图11所示。

图11 Trigger参数设置

要使Triggered Subsystem工作需要为其提供合适的触发信号，利用Pulse Generator产生触发信号并将其接入Triggered Subsystem，Pulse Generator参数设置如图12。

图12 Pulse Generator参数设置

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13 Relay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-Order Hold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-Order Hold的参数设置如图14所示。

图14 Zero-Order Hold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Error Rate Calculation，将原始数字信号与解调输出信号接入Error Rate Calculation可以直接计算误码率并在Display模块显示输出。Error Rate Calculation参数设置如图15所示。

图15 Error Rate Calculation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Receive delay 参数设为1。将Output data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。

2.2 方案2

2.2.1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17 2PSK模拟调制法原理图

2.2.2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2 Systemview仿真电路图

使用Source Library中的PN Sequence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19 PN Sequence参数设置

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Source Library中的Step Function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。Step Function模块参数设置如图20所示。

图20 Step Function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Source Library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21 Sinusoid参数设置

利用Source Library中的Gauss Noise模块产生高斯噪声。Gauss Noise参数设置如图22所示。

图21 Gauss Noise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Communications Library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22 Costas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。

将相乘后的信号送入Operator Library中的Linear System，将其设置为Analog Filter Library中的Lowpass，完成对信号的低通滤波。Lowpass参数设置如图23所示。

图23 Lowpass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Operator Library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24 Simple &Hold参数设置

其阈值电压设置为0.1V。

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Source Library 中的Plus Train产生定时脉冲，参数设置如图25所示。

图25 Plus Train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Operator Library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26 Compare参数设置

比较形式设置为判断a>=b是否成立，其两种状态输出分别设置为1和0即可输出数字NRZ码。

此外，Compare在进行判决比较时要有两个输入a、b，使两者进行比较，而不是在内部设置判决电平，所以还需要输入一个0V的直流电压信号作为判决阈值。利用Source Library中的Step Function实现，参数设置如图27所示。

图27 Step Function参数设置

所有参数都设置为0，将其作为标准的0电平判决阈值。

3 调试过程及分析

3.1 方案1调试过程及分析

在Simulink中运行，观察各点波形。

Bernoulli Binary Generator产生的原始NRZ数字信号波形如图28所示。

图28 原始NRZ数字信号波形

经过Unipolar to Bipolar Converter之后变换为双极性非归零数字信号，波形如图29所示。

图29 双极性非归零数字信号波形

Sine Wave产生的正弦载波波形如图30所示。

图30 正弦载波波形

通过键控调制模块后，输出已调2PSK信号波形如图31所示。可以明显看出于原始NRZ信号对应，在0与1跳变时2PSK信号有π的相移。

图31 2PSK调制输出信号波形

将已调信号加入高斯白噪声后就模拟成了在信道中传输的传输信号。传输信号波形如图32所示。

图32 2PSK传输信号波形

可以看出，加入模拟的高斯白噪声后，信号产生了一定变形，但由于高斯噪声方差设置较小，所以信号变形不严重。

之后信号输入到带通滤波器中，滤除信道外噪声。带通滤波器输出波形如图33所示。

图33 2PSK传输信号波形

由于滤波器存在一定滚降范围，波形包络由矩形变为曲线。

继续将信号与原载波一起输入乘法器相乘，开始相干解调。乘法器输出波形如图34所示。

图34 乘法器输出波形

可以看出波形包络即低频分量近似原NRZ信号，但内部的高频载波更加密集，也就是说经过频率搬移后产生了跟高频率的分量。

通过低通滤波器滤除高频分量后波形如图35所示。

图35 低通滤波器输出波形

可以看出高频分量被滤除，只剩下低频分量。

将该低频信号送入触发子系统进行抽样，触发子系统输出波形如图36所示。

图36 触发子系统输出波形

其波形存在许多不同的电平阶，将其输入滞环比较器进行判决即可得到电平固定的二进制数字信号。滞环比较器输出波形如图37所示。

图37 滞环比较器输出波形

可以看出信号基本已还原为原NRZ数字信号，但是注意第一个周期，其波形存在跳变，这在频率为1Hz的NRZ数字信号中是不可能出现的。出现这种现象的原因是:滤波器的输出信号初始电平是0，而我们的传输信号经过滤波器时，会产生一定滚降区域。在滤波器输出信号时，第一个电平有从0升高到1或-1的一个过程，再加上我们的触发子系统抽样时间间隔设置为0.5s，正好是原NRZ数字信号周期的一半，所以在抽样时就会出现第一个周期的后半段不为0而为大于0的电平的情况，在通过滞环比较器判决后便将其判决为1。为了解决这种现象，将这个不应存在的电平跳变消除，将滞环比较器输出信号输入到一个零阶保持器中。零阶保持器输出波形如图38所示。

图38 零阶保持器输出波形

通过零阶保持器的作用，第一个周期信号的前半段被一直保持到第一个周期结束，消除了在第一个周期后半段的电平跳变。输出解调后信号。

将解调后信号与原NRZ信号相比较，发现解调后信号比原NRZ信号延时了一个周期