2psk键控调制相干解调.docx

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2PSK及其性能估计
——键控调制，相干解调
1、实验目的：
（1）了解2PSK系统的电路组成、工作原理和特点；
（2）分别从时域、频域视角观测2PSK系统中的基带信号、载波及已调信号；
（3）熟悉系统中信号功率谱的特点；
（4）学会分析2DPSK系统的抗噪声性能；
（5）掌握使用SystemView软件对2DPSK系统进行性能估计的方法。
2、实验内容：
（1）以PN码作为系统输入信号，码速率Rb＝20kbit/s。
i. 采用键控法实现2PSK的调制；
ii. 观察绝对码序列、调制信号、载波及2PSK等信号的波形。
iii. 获取主要信号的功率谱密度。
（2）以2PSK作为系统输入信号，码速率Rb＝20kbit/s。
i. 采用相干解调法实现2PSK的解调，分别观察系统各点波形;
ii. 获取主要信号的功率谱密度。
3、实验原理：
在二进制数字调控中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控（2PSK）信号。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0。二进制移相键控信号的时域表达式为

其中，选择双极性，即=
是脉宽为、高度为1的矩形脉冲，则有

当发送二进制符号1时，已调信号取0°相位，发送二进制符号0时，取180°。若用表示第n个符号的绝对相位，则有
，其中
这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式，成为二进制绝对移相方式。数字相位调制是用数字基带信号控制载波的相位， 使载波的相位发生跳变的一种调制方式，2PSK( 二进制相位键控) 调制可采用直接调相法即双极性数字基带信号与载波直接相乘的方法，也可采用相位选择法即由振荡器和反相器电路来实现调制的方法。其原理框图如下，这就是一种数字键控法。

2PSK信号调制过程波形如图所示：

2PSK信号可以采用相干解调方式，对2PSK信号进行相干解调，恢复出绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。解调器原理图和解调过程各点时间波形如图(a)、(b)所示：
（a）

2PSK信号相干解调系统性能分析模型如下图所示。
假定信道噪声为加性高斯白噪声，其均值为0、方差为；发射端发送的2PSK信号为

2PSK信号相干解调系统性能分析模型
则经信道传输，接收端输入信号为
（1）
此处，为简明起见，认为发送信号经信道传输后除有固定衰耗外，未受到畸变，信号幅度：。
经带通滤波器输出
（2）
其中，为高斯白噪声经BPF限带后的窄带高斯白噪声。
取本地载波为，则乘法器输出，将式（2）代入，并经低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到
（3）
根据分析可知，为高斯噪声，因此，无论是发送“1”还是“0”，瞬时值的一维概率密度、都是方差为的正态分布函数，只是前者均值为，后者均值为，即

（4）

（5）
其曲线如上图所示。
之后的分析完全类似于2ASK时的分析方法。不难得到：
当时，2PSK系统的最佳判决门限电平为
（6）
在最佳门限时，2PSK系统的误码率为

（7）
式中，为接收端带通滤波器输出端信噪比。
在大信噪比下，上式成为
（8）
数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：（1）信号分布；（2）与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。
4、系统组成、图符块参数设置及仿真结果：
键控法：
采用键控法进行调制的组成如图所示。

其中图符0产生绝对码序列，传码率为20kbit/s；图符1输出正弦波，频率为20k Hz；图符2对正弦波反相；图符3为键控开关。图符3输出2PSK信号。图符的参数设置如表1所示。
表1：键控法图符参数设置表
编号
库/名称
参 数
0
Source: PN Seq
Amp = 1 v，Offset = 0 v，Rate = 20e+3 Hz，
Levels = 2，Phase = 0 deg，Max Rate = 600e+3 Hz
1
Source: Sinusoid
Amp = 1 v，Freq = 40e+3 Hz，Phase = 0 deg，
Output 0 = Sine t3 t2 t14 ，Output 1 = Cosine
2
Operator: Negate
Max Rate = 600e+3 Hz
3
Logic: SPDT
Switch Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 v，Input 0 = t1 Output 0，Input 1 = t2 Output 0，Control = t0 Output 0，Max Rate = 600e+3 Hz

相干解调法：
相干解调法的系统组成如图所示。

其中，图符4为带通滤波器，图符6实现相干载波的提取，图符5为乘法器，图符7为低通滤波器，图符8、9、10实现抽样判决。图符10输出绝对码。图符的参数设置如表2所示。
表2：相干解调法图符参数设置表
编号
库/名称
参 数
4
Operator: Linear Sys
Butterworth Bandpass IIR
3 Poles，Low Fc = 20e+3 Hz，Hi Fc = 60e+3 Hz，Quant Bits = None
Init Cndtn = Transient， DSP Mode Disabled，Max Rate = 600e+3 Hz
5
Multiplier: Non Parametric
Inputs from t4p0 t6p2 ，Outputs to 7，Max Rate = 600e+3 Hz
6
Comm: Costas
VCO Freq = 40e+3 Hz，VCO Phase = 0 deg，Mod Gain = 1 Hz/v，Loop Fltr = 1 + 1/s + 1/s^2，Output 0 = Baseband InPhase ，Output 1 = Baseband Quadrature ，Output 2 = VCO InPhase t5 t19 ，Output 3 = VCO Quadrature ，Max Rate (Port 2) = 600e+3 Hz
7
Operator: Linear Sys
Bessel Lowpass IIR
3 Poles，Fc = 8e+3 Hz，Quant Bits = None，Init Cndtn = Transient，DSP Mode Disabled，Max Rate = 600e+3 Hz
8
Operator: Sampler
Interpolating，Rate = 40e+3 Hz，Aperture = 0 sec，Aperture Jitter = 0 sec， Max Rate = 20e+3 Hz
9
Operator: Hold
Last Value，Gain = 1，Out Rate = 600e+3 Hz，Max Rate = 600e+3 Hz
10
Logic: Buffer
Gate Delay = 0 sec，Threshold = 0 v，True Output = 1 v，False Output = -1 v，Rise Time = 0 sec，Fall Time = 0 sec，Max Rate = 600e+3 Hz
调制信号为PN序列，码速率Rb＝20kbit/s；正弦载波的频率为40k Hz。系统定时：起始时间0秒，终止时间831.667e-6秒，采样点数500，采样速率600kHz。
性能估计：
性能估计的系统组成如图所示。

图符的参数设置如表3所示。
表3：性能估计图符参数设置表
编号
库/名称
参 数
25、26
Operator: ReSample
Rate = 600e+3 Hz
30
Sink: Final Value
Input from t28 Output Port 1
32
Operator: Smpl Delay
Delay = 30 samples， Attribute = Passive， Initial Condition = 0 v， Fill Last Register， Output 0 = Delay t33 ， Output 1 = Delay - dT
33
Comm: BER Rate
No. Trials = 3 bits， Threshold = 500e-3 v， Offset = 0 sec， Output 0 = BER ， Output 1 = Cumulative Avg t30 ， Output 2 = Total Errors
图符26前面连接原PN序列。
调制获得仿真波形图如下：

从绝对码和已调波的波形对比中可以发现，绝对码序列中的“1”使已调信号的相位变化π相位；绝对码的“0”使已调信号的相位变化0°相位。
绝对码和2PSK的覆盖图和瀑布图如图所示：

解调获得仿真波形图如下：

2PSK系统输入的PN序列和输出PN序列的覆盖图和瀑布图如图所示：

眼图：
没有噪声情况下的仿真结果，眼图张开度较大，扫迹清晰，如下：

在不同信噪比之下的眼图：

信噪比5dB时的眼图
信噪比20dB时的眼图
信噪比30dB时的眼图

信噪比50dB时的眼图
可以看出随着信噪比的增加，眼图质量越来越好。
误码率曲线
如下图：

5、主要信号的功率谱密度：

由图可见，基带信号的大部分能量落在第一个零点（20kHz）的频率范围之内，即基带带宽为20kHz谱。

由图可见，载频信号的频谱位于40kHz，且频谱较纯。

由图可见，已调信号的频谱为2PSK信号，因为调制信号为双极性不归零脉冲，用双极性不归零码对载波进行相乘的调制，可以达到抑制载波的目的，即已调信号的频谱中，只有载频位置，没有载波分量，频带宽度为40kHz。

6、低通滤波器和带通滤波器的单位冲击相应及幅频特性曲线：

低通滤波器的单位冲激相应
低通滤波器的幅频特性曲线

带通滤波器的单位冲激相应
带通滤波器的幅频特性曲线

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