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1、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，
2、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。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武汉理工大学通信原理课程设计说明书2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
3、图 2 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）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，之后武汉理工大学通信原理课程设计说明书3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
4、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。武汉理工大学通信原理课程设计说明书4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
5、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。武汉理工大学通信原理课程设计说明书5图 7 Gaussian Noise G
6、enerator 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
7、，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*，频率上限设为 11Hz，转换为 rad/s 单位即为 22*。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 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Lo
8、wpass，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*。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Triggered Subsystem、滞环比较器 Relay、零阶保持器 Zero-Order Hold 三个模块组成。Triggered Su
9、bsystem 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。
10、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
11、，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。武汉理工大学通信原理课程设计说明书9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
12、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。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 Systemvie
13、w 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
14、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 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 10
15、Hz 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 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 So
16、urce 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 参数设置武汉理工大学通信原理课程设计说明书13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。武汉理工大学通信原理课程设计说明书14将
