话音信号的2DPSK调制系统本科毕业论文.doc

河南师范大学本科毕业论文*大学本科毕业论文 学号： 110*话音信号的2DPSK调制系统摘 要现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制技术一直是人们研究的一个重要方向。从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。在二进制数字调制中，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。因为在调制过程中，2PSK调制容易出现反向工作问题，影响2PSK 信号长距离传输。为克服此缺点，并保持2PSK信号的优点，将2PSK体制改进为二进制差分相移键控体制。二进制相移键控的基带信号是由相邻两码元相位的变化来表示的，它与载波相位无直接关系，因此在实际设备中，二进制相移键控得到了广泛的运用。 课程设计介绍了话音信号的2DPSK调制系统，建立相关模型并对信号进行模拟调制和仿真。分析了信号源、差分器、调制和加噪模块的功能，最后用差分相干法和极性比较法对信号进行了调试。经调试后，信号源与抽样判决之后的信号，图形基本一致；不过前者调试后，信号波形有延迟，而后者没有。关键词： 2PSK,2DPSK，调制系统 AbstractModern communication systems require communication distance, large capacity, good transmission quality of communication. As one of the key technologies of modulation technology has always been one of the important research direction to people. From the earliest fulfillment of analog modulation frequency modulation technology, the digital modulation technique is widely used now, makes the information transmission is more effective and reliable. In binary digital modulation, when sinusoidal carrier phase change with discrete binary digital baseband signal, are produced by the binary phase shift keying (2 PSK) signal. Because in the process of modulation, 2 PSK modulation is prone to reverse the work problem, affect the 2 PSK signal long distance transmission. To overcome this drawback, and maintain the advantages of 2 PSK signal will be 2 PSK system improvement for binary differential phase shift keying system. Baseband signal of binary phase shift keying is said by changes in the adjacent two yards yuan phase, it and carrier phase has no direct relation, so in actual equipment, binary phase shift keying has been widely used.Paper introduces the relative phase shift keying signal modulation principle, and establish related model for simulating the signal modulation and simulation. Analyzing the splitters,modulation, and poor signal source, add noise module functions, with differential coherent and polarity comparison, finally has carried on the debugging to signal. After debugging, the signal source and the sampling signal after the verdict, basically the same graphics;But the former after debugging, signal waveform with a delay, while the latter is not. Keywords: 2PSK ，2DPSK，the system of modulation目 录摘 要Abstract前 言1第1章 绪论21.1 2DPSK简述21.2 System view 简述21.3调制系统简述3第2章 2DPSK基本原理52.1 2DPSK信号原理52.2 话音信号的2DPSK调制原理7第3章 建立模型93.1差分和逆差分变换模型9 3.2 带通滤波器和低通滤波器的模型93.3 抽样判决器模型103.4 总模型框图113.4.1 2DPSK模拟调制和积极相干解调法仿真113.4.2 2DPSK模拟调制和差分相干解调法仿真11第4章模块功能134.1信号源 Source library134.2差分器134.3 调制和加噪模块14第5章调试过程及结论155.1差分相干法155.2极性比较法17第6章总结与体会20参考文献21致谢2222前 言本课程设计基于调制系统和数字带通传输系统中的二进制差分相移键控(2DPSK)，由于模拟调制系统的局限性，近年来数字调制系统一直被广泛的运用于人们的日常生活中，可以这么说，数字调制系统和人们的生活已经密不可分。本课程设计的行文思路是:先大致介PSK、2DPSK的工作原理；而后介绍利用 Systemview 软件去完成滤波器设计、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的建立；再然后课程设计介绍了调制系统中的幅度调制(AM）、角度调制(FM和PM），但主要介绍了调相（PM）；接着我们又为话音信号的2DPSK调制系统建立数学模型；最后我们用Systemview对话音信号的2DPSK调制系统进行调试，写总结与体会，写参考文献，写致谢等等。 第1章 绪论1.1 2DPSK简述现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制技术一直是人们研究的一个重要方向。在二进制数字调制中，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。因为在调制过程中，2PSK调制容易出现反向工作问题，影响2PSK 信号长距离传输。为克服此缺点，并保持2PSK信号的优点，将2PSK体制改进为二进制差分相移键控体制。二进制差分相移键控简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的“倒 ”现象发生。由于相对移相调制无“反问工作”问题，因此得到广泛的应用。单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。1.2 Systemview 简述Systemview 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，Systemview 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。利用Systemview，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，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Systemview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。在系统设计和仿真分析方面，Systemview还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。1.3 调制系统简述调制，是将要传送的信息装载到某一高频振荡(载频)信号上去的过程。按照所采用的载波波形区分，调制可分为连续波(正弦波)调制和脉冲调制。连续波调制以单频正弦波为载波，受控参数可以是载波的幅度，频率或相位。因而有调幅(AM)，调频(FM)和调相(PM)三种方式。幅度调制：幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律变化的过程。 角度调制：幅度调制属于线性调制，它通过改变载波的幅度，以实现调制信号频谱的搬移，一个正弦载波有幅度、频率、相位3个参量，因此，不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化中，还可以寄托在载波的频率和相位变化中。这种使高频载波的频率或相位按照调制信号规律的变化而振幅恒定的调制方式，称为频率调制（FM）和相位调制（PM），分别简称为调频和调相。因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。本次的课程设计我们侧重于调相(PM)，所谓调相就是指用基带信号控制载波相位，使载波信号的相位随基带信号的变化规律产生线性变化，而所产生的已调波相应地称为调相波。载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式，称为相位调制，或称调相。调相和调频有密切的关系。调相时，同时有调频伴随发生；调频时，也同时有调相伴随发生，不过两者的变化规律不同。实际使用时很少采用调相制，它主要是用来作为得到调频的一种方法。调相即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，例如数字信号1对应相位180，数字信号0对应相位0。这种调相的方法又叫相移键控PSK，其特点是抗干扰能力强，但信号实现的技术比较复杂。 第2章 2DPSK基本原理2.1 2DPSK信号原理在介绍2DPSK之前我们先介绍2PSK。相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和p分别表示二进制0和1。由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号一般可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘。前边讨论的2PSK信号中，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。由于它利用载波相位的绝对值表示数字信息，所以又称为绝对相移。已经指出，2PSK相干解调时，由于载波恢复中相位有0、p模糊性，导致解调过程出现反向工作现象，恢复出的数字信号1和0倒置，从而使2PSK难以实际利用。基于这个原因我们采用二进制差分相移键控(2DPSK）来弥补2PSK的不足之处。二进制差分相移键控(2DPSK)常简称为相对相移键控，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。现假设用表示本码元初相与前一码元初相之差，并规定：0表示0码，p表示1码(或0表示1码，p表示0码)，则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在接收端只能采用相干解调，它的时域波形图如图2.1所示。图2.1.1 2DPSK信号让我们首先先来看看相对相移键控和绝对相移键控:图2.1.2 绝对调相和相对调相的矢量图在这种绝对移相方式中，发送端是采用某一个相位作为基准，所以在系统接收端也必须采用相同的基准相位。如果基准相位发生变化，则在接收端回复的信号将与发送的数字信息完全相反。所以在实际过程中一般不采用绝对移相方式，而采用相对移相方式。定义DF为本码元初相与前一码元初相之差，假设：DF=0数字信息“0”；DF=p数字信息“1”。0则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息： 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1DPSK信号相位：0 p p 0 p p 0 p 0 0 p或：p 0 0 p 0 0 p 0 p p 0 2DPSK二进制差分移位键控首先一定要规定参考相位或基准相位。 DPSK二进制差分移位键控调制以及差分码的产生如下:图2.1.3 DPSK调制器以及差分码的实现2.2 话音信号的2DPSK信号的调制原理一般来说，2DPSK信号有两种调试方法，即模拟调制法和键控法。2DPSK信号的的模拟调制法框图如图2.2.1所示，其中码变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码。码变换相乘载波s(t)eo(t)图2.2.1 模拟调制法2DPSK信号的的键控调制法框图如图2.2.2所示，其中码变换的过程为将输入的基带信号差分，即变为它的相对码。选相开关作用为当输入为数字信息“0” 时接相位0，当输入数字信息为“1”时接pi。图2.2.2 键控法调制原理图第3章 建立模型3.1 差分和逆差分变换模型差分变换模型的功能是将输入的基带信号变为它的差分码。用到的SystemView2模块有延时器Delay,异或门。由于求差分码的过程就是将基带信号与差分码前一个码元求异或，所以异或门的输出经单位延时后与基带信号分别接到异或门的两个输入端，异或门的输出就是基带信号的差分码。3.2 带通滤波器和低通滤波器的模型 带阻滤波器（bandstop filters，简称BSF）是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带通滤波器的概念相对。其中点阻滤波器（notch filter）是一种特殊的带阻滤波器，它的阻带范围极小，有着很高的Q值（Q Factor）。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器允许从直流到某个截止频率(fCUTOFF) 的信号通过。将通用滤波器二阶传递函数的高通和带通系数均设为零，即得到一个二阶低通滤波器传递公式：对于高于f0的频率，信号按该频率平方的速率下降。在频率f0处，阻尼值使输出信号衰减。您可以级联多个这样的滤波器部分来得到一个更高阶的（更陡峭的转降）滤波器。假定设计要求一个截止频率为10kHz的四阶贝塞尔(Bessel) 低通滤波器。根据参考文献1，每部分的转降频率分别为16.13及18.19 kHz，阻尼值分别为1.775及0.821，并且这两个滤波器分区的高通、带通和低通系数分别为0、0与1。您可以使用这两个带有上述参数的滤波器部分来实现所要求的滤波器。截止频率为输出信号衰减3 dB的频率点。带通滤波器模型的作用是只允许通过（fl，fh）范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平。低通滤波器模型的作用是只允许通过（0，fh）范围内的频率分量，并且将其他范围的频率分量衰减到极低水平。在SystemView中带通滤波器和低通滤波器的模型可以用operator library中的模块模拟。3.3 抽样判决器模型在数字基带信号传输（就是一串数字脉冲如0和1不经过调制直接在信道里面进行传输）的过程中，信号在传输的时候必须要有一定的波形，最容易想到的就是矩形脉冲波形，但是这样的话有一定的问题，那就是其频谱是很宽的，不利于传输，因此，必须要选择其它样式的波形进行传输，即对矩形脉冲进行码型变换和波形变换，变成一种合适在信道中传输的形式，比如正弦波，这样是可以在信道里面进行传输的，这样就要对信号进行“抽样”，得到在不同的时刻的一些离散的值，但是，由于在信号的传输过程中有各种干扰（噪声和码间串扰），不同时刻的值跟原先实际的不一定相同，比如在第一个时刻抽样得到的是0.9（这样就进行所谓的“判决”，可以发现此时的值很接近1，因此，此时的信号的值就当成1，从而得到1，同样在其它的时候得到不同的抽样值根据情况判断此处原来的值到底是0还是1），利用这种方式就可以将原来的基带信号恢复或者再生。这就是所谓的“抽样判决器”。抽样判决器的功能是根据位同步信号和设置的判决电平来还原基带信号。在SystemView中抽样判决器可以用Logic Library中的模块来模拟。它的模型框图如图所示，它的内部结构图如图3.3所示。图 3.3.1 抽样判决器3.4 总模型框图3.4.1 2DPSK模拟调制和积极相干解调法仿真图3.4.1 2DPSK模拟调制和极性相干解调法仿真图3.4.2 2DPSK模拟调制和差分相干解调法仿真图3.4.2 2DPSK模拟调制和差分相干解调法仿真图 第4章 模块功能下面我们以2DPSK键控调制和差分相干解调法仿真为例来说明各个模块的功能和主要参数。4.1 信号源 Source librarySystemView 软件本身提供了很多产生二进制信号的模块，在这次的设计中我们采用的信号源是PN Seq，它的模型图如图 4.1所示，可以设置的参数是Amplitude和Rate。我们设置为Amplitude 1V, Rate 1e+3。图 4.1 信号源4.2 差分器由于2DPSK信号的键控调制法中需要用到相对码，我们需要对信号源出来的基带信号进行差分处理。差分器的框图如图4.2所示。它是由二个模块组成的子系统。其中异或门有两个参数需要设置Gate Delay为0，Threshold为100e-3,True Output为800e-3。图 4.2 差分变换模块4.3 调制和加噪模块该模块的功能是2DPSK的调制和添加高斯白噪声3，其中参数设置有正弦波：幅度（Amplitude）：这里采用默认值1。频率（Frequency）：单位是HZ,在仿真中设置为2000。相位（Phase）：单位是rad，在产生正弦波是设置为0，余弦波时设置为pi。键控开关Switch :键控开关采用SystemView中的Logic模块，其参数设置为Gate Delay为0S,Ctrl Thresh为100e-3V。噪声模块不需要设置参数。其调制框图如下所示： 图 4.3 调制和加噪模块第5章 调试过程及结论5.1 差分相干法2DPSK信号经相关模块调试后的波形图如下：图 5.1.1 信号源波形图信号源为频率为1000HZ的NRZ信号。图 5.1.2 差分变换波形图基带信号变为差分码就是将基带信号与差分码的前一个码元求异或。图 5.1.3 键控法调制框图当输入信号为数字信息“0”时，接相位“0”。输入为数字信息“1”时，接相位“pi”。图 5.1.4 加噪经过带通滤波器的波形图调制过后加入高斯白噪声，连接到带通滤波器，去除调制信号以外的在信道中混入的噪声，再连接到相乘器。此相乘器是一路延时一个码元时间后与另一路信号相乘。作用是去除调制信号中的载波成分。图 5.1.5 经低通滤波器波形图信号经过低通滤波器后，去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号。图 5.1.6 抽样判决波形图信号经过抽样判决，便还原原始信号。比较信号源与抽样判决之后的信号，图形基本一致，不过有点延迟。5.2极性比较法2DPSK信号经相关模块调试后的波形图如下：图 5.2.1 信号源波形图图 5.2.2 键控法调制框图图 5.2.3 过低通波形图图 5.2.4 首次抽样波形图调制信号经过带通滤波器之后，与本地的载波相乘，然后通过低通滤波器，去除信号中的高频成分，得到包含基带信号的低频成分。最后抽样判决，得到基带信号的差分码波形。图 5.2.5 逆差分变换波形图信号通过逆差分变换之后，便得到基带信号。图 5.2.6 2次通过低通滤波器波形图图 5.2.7 最后抽样判决波形图比较图5.2.7和图5.2.1可知，系统搭建正确，还原了原始信号。在仿真中基带信号的频率为2000HZ，即码元传输速率为Rs=0.0005B，则低通滤波器的阻带边频率设置为2000Hz。正弦波和与余弦波的频率设置为fc=2000Hz， 2DPSK信号的频率范围近似为（fc-Rs，fc+Rs），则带通滤波器的通带下边频率设置为1000Hz，通带上边频率设置为3000Hz。设置完各模块参数，检查无错误后启动仿真，用示波器观察各点的波形。比较基带信号波形和输出波形，发现输出波形有一个码元的延时。在调试的过程中发现参数的设置十分重要，波形结果是否正确决定于各个模块参数的设置。尽管最终结果正确，但是对SystemView这个软件还是不熟悉，SystemView是比较重要的仿真软件，希望这次课设过后，能加深对SystemView的理解与使用。 第6章 总结与体会通过这次课程设计学到了很多，首先对通信中的2PSK、2DPSK通信方式有了更加深入的理解，对调制系统的应用也有了自己的认识并且我对调频、调相有了更加深入地认识。感觉实践和理论的学习是相互互补的，这次课程设计不仅使我理解了很多理论知识而且使我感性上认识了这些知识。 通过这次课程设计，我意识到了我对通信电子线路和通信原理这两门功课掌握的都还有一定的不足，还有许多的知识我不了解；有的是一知半解；有的即使原理懂了，但在应用方面却是丝毫不知。所以在今后的学习中，我会更加努力，不仅要学好理论知识，还要把它联系到实践中去，使两者很好的结合起来，互补互助。 在这次课程设计中，还加强了我们的团队合作精神。这在课本知识中是很难学到的，所以这种机会对我们来说是难得的，应当好好珍惜。总的来说，课程设计让我们收获颇多，不仅让我们更深一步理解书本的知识，提高我们分析问题和解决问题的能力，而且让我们体会到团队的重要性。总之通过这次课程设计，我觉得做任何事情只要用心努力，就能将事情很好地完成。 参考文献1 樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理（第5版）.国防工业大学出版社，20012 罗卫兵,孙桦,张捷.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计M.北京:电子工业出版社,20023 杜武林.高频电路原理与分析M.西安:西安电子科技大学出版社,2000.13-154 严国萍，龙占超 通信电子线路 科学出版社 2005.55 樊昌信 曹丽娜 通信原理(第7版) 国防工业出版社 2014.8 致 谢我写本论文的过程中，董作霖董老师对我的选题进行了悉心的指导，在我完成初稿之后，董作霖董老师又在百忙之中仔细阅读，并给予简约而深刻的修改意见。董作霖董老师治学严谨，思维深邃，平易近人，使我学会了很多，在此我深表感谢。如今，大学四年将尽，我们即将离校，快要踏上新的征程，回顾大学四年历程，老师们给予了我们许多的教导和帮助。老师们渊博的知识，带我们领略了通信的光辉殿堂；严谨的治学和为人师表的优良作风，为我们树立了为人师表的典范。在此，我对所有的物理与信息工程学院的老师表示感谢，并祝您们身体健康，工作顺利！