通信仿真平臺設計學士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，[19,20]。 數字通信系統的一般模型 數字基帶信號傳輸系統模型 數字通信系統調制解調原理 二進制幅度鍵控(2ASK)基本原理振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數字信息，而其頻率和初始相位保持不變。在2ASK中，載波的幅度只有兩種變化狀態，分別對應二進制信息0或1。一種常用的也是最簡單的二進制振幅鍵控方式稱為通斷鍵控，其表達式為 ()可見，載波在二進制基帶信號s(t)控制下通斷變化，所以這種鍵控又稱為通斷鍵控。在OOK中，某一符號(“0”或“1”)用沒有電壓來表示。2ASK信號的一般表達式為： () ()式中，為碼元持續時間；為持續時間的基帶脈沖波形。為簡便起見，通常假設是高度為1，寬度等于的矩形脈沖；是第n個符號的電平。若取， ()則相應的2ASK信號就是OOK信號。與AM信號的解調方法一樣。2ASK/OOK信號也有兩種基本的解調方法：非相干解調（包絡解調）和相干解調（同步解調）。與模擬信號的接收系統相比，這里增加了一個“抽樣判決器”方框，這對于提高數字信號的接收性能是必要的[21]。 2ASK/OOK信號接收系統組成方框圖功率譜密度由于2ASK信號是隨機的功率信號，故研究它的頻譜特性時，應該討論它的功率譜密度。一個2ASK信號可以表示成： ()其中，二進制信號s(t)是隨機的單極性矩形脈沖序列。若設s(t)的功率譜密度為，2ASK信號的功率譜密度為，則由式可得： ()可見，2ASK信號的功率譜是基帶信號功率譜密度的線性搬移（屬線性調制）。知道了即可確定。單極性的隨機脈沖序列功率譜的一般表達式為 ()式中：；是單個基帶信號碼元g(t)的頻譜函數。對于全占空矩形脈沖序列，根據矩形波形g(t)的頻譜特點，對于所有的的整數，有，故式()可以簡化為 ()將其代入式()，得 () 當概率時，并考慮到，則2ASK功率譜密度為 ()。 2ASK信號的功率譜密度示意圖從以上分析及圖可以看出：第一，2ASK信號的功率譜由連續譜和離散譜兩部分，組成，連續譜取決于g(t)經線性調制后的雙邊頻譜，而離散譜由載波分量確定。第二，2ASK信號的帶寬是基帶信號帶寬的2倍，若只計譜的主瓣（第一個譜零點位置），則有 ()其中。由此可見，2ASK信號的傳輸帶寬是碼元速率的2倍[22][23]。 二進制頻移鍵控(2FSK)基本原理頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數字信息。在2FSK信號中，載波的頻率隨二進制基帶信號在和兩個頻率點間變化。故其表達式為 ()一個2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加，因此，2FSK信號的時域表達式又可寫成 ()式中：g(t)為單個矩形脈沖；脈寬為。 ()是的反碼，若=1，則=0；若=0，則=1。于是 ()和分別是第n個碼元(1或0)的初始位。在頻移鍵控中，和不攜帶信息，通常可令和為零，因此2FSK信號的表達式可簡化為： () () ()。其解調原理是將2FSK信號分解成上下兩路2ASK信號分別進行解調，然后進行判決。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小，可以不專門設置門限，判決規則應與調試規則相呼應，調制時若規定“1”符號對應載波頻率，則接收時上支路的樣值較大，應判為“1”；反之判為“0”。 2FSK信號解調原理圖功率譜密度根據2ASK信號功率譜表示式，不難寫出這種2FSK信號的功率譜密度的表達式： ()令概率，參照式()，只需將其中的分別替換為和，然后代入式()即可得 ()[24]。 相位不連續2FSK信號的功率譜示意圖由式()：第一，相位不連續2FSK信號的功率譜由連續譜和離散譜組成。其中，連續譜由兩個中心位于和的雙峰疊加而成，離散譜位于兩個載頻和處；第二，連續譜的形狀隨著兩個載頻之差的大小而變化，若，連續譜在處出現單峰；若，出現雙峰；第三，若以功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算2FSK信號的帶寬，則其帶寬近似為 ()其中，為基帶信號的帶寬[25]。 二進制相移鍵控(2PSK)基本原理相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達式為 ()其中，表示第n個符號的絕對相位： ()因此，式()可以改寫為 ()由于表示信號的兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號一般可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦波的相乘。即 ()這里，g(t)是脈寬為的單個矩形脈沖，而的統計特性為 ()即發送二進制符號“0”時(取+1)，取0相位；發送二進制符號“1”時(取1)，取相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應二進制數字信號的調制方式，稱為二進制絕對相移方式。2PSK信號的解調通常采用相干解調法。在相干解調中，如何得到與接收的2PSK信號同頻同相的相干載波是個關鍵問題。 2PSK信號的解調原理框圖功率譜密度比較2ASK信號的比表達式和2PSK信號的表達式可知，兩者的表達式形式完全一樣。區別僅在于基帶信號s(t)不同不同，前者是單極性，后者為雙極性，因此，我們可以直接引用2ASK信號的功率譜密度的公式來表述2PSK信號的功率譜，即 ()應當注意，這里的是雙極性的隨機矩形脈沖序列的功率譜。雙極性的全占空矩形隨機脈沖序列的功率譜密度為 ()將其代入式()，得 ()若等概(P=1/2)，并考慮到矩形脈沖的頻譜，則2PSK信號的功率譜密度為 ()。 2PSK(2DPSK)信號的功率譜密度從以上分析可見，二進制相移監控信號的頻譜特性與2ASK的十分相似，帶寬也是基帶信號帶寬的2倍，區別僅在于當P=1/2時，其譜中無離散譜（即載波分量），此時，2PSK信號實際上相當于抑制噪波的雙邊帶信號。因此，它可以看做是雙極性基帶信號作用下的調幅信號[26][27]。 二進制差分相移鍵控(2DPSK)基本原理 前面討論的2PSK信號中，相位變化是以未調載波的相位作為參考基準的。由于它利用載波相位的絕對值表示數字信息，所以又稱為絕對相移。已經指出，2PSK相干解調時，由于載波恢復中相位有0，π模糊性，導致解調過程中出現“反向工作”現象。恢復出的數字信號“1”和“0”倒置，從而使2PSK難以實際應用。為了克服此缺點，提出了二進制差分相移(2DPSK)鍵控方式。 2DPSK是利用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來傳遞數字信息，所以又稱為相對相移鍵控。假設為當前碼元與前一碼元的載波相位差，可定義一種數字信息與之間的關系為 ()于是可以將一組二進制數字信息與其對應的2DPSK信號的載波相位關系示例如下：二進制數字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 02DPSK信號相位：(0) π 0 0 π π π 0 π π 或 ： (π) 0 π π 0 0 0 π 0 0 數字信息與之間的關系也可定義為由此示例可知，對于相同的基帶數字信息序列，有序列初始碼元的參考相位不同，2DPSK信號的相位，可以不同。也就是說，2DPSK信號的相位并不直接代表基帶信號，而前后碼元相對差才唯一決定信息符號。2DPSK信號的解調方法之一是相干解調加碼反變換法。其解調原理是：對2DPSK信號進行相干解調，恢復出相對碼，再經碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出的二進制數字信息。在解調過程中，由于載波相位模糊性的影響，使得解調出的相對碼也可能是“1”和“0”倒置的現象，但經差分譯碼得到的絕對碼不會發生任何倒置的現象，從而解決了載波相位模糊性帶來的問題。 2DPSK解調原理框圖功率譜密度從前面討論的2DPSK信號的調制過程及其波形可以知道，2DPSK可以與2PSK具有相同形式的表達式。所不同的是2PSK中的基帶信號s(t)對應的是絕對碼序列。而2DPSK中的基帶信號s(t)對應的是碼變換后的相對碼序列。因此，2DPSK信號和2PSK信號的功率譜密度是完全一樣的，信號帶寬為與2ASK相同，也是碼元速率的2倍[28]。4 模擬通信系統仿真平臺總體設計 模擬通信系統仿真平臺的功能本平臺的功能是能實現比較細致的通信的時域波形和頻譜，定性的看出噪聲和通信系統的各個參數對信號的各個時段的時域波形和頻譜的影響，對信號的恢復的影響。軟件能實現在圖形界面上輸入各個參數，然后輸出波形。 系統總體設計圖 模擬通信系統仿真平臺總體設計框圖模擬通信系統仿真平臺GUI界面 模擬通信系統仿真平臺GUI界面如圖所示，該GUI界面的功能區包含五個部分，各模塊相對應的功能如下：調制方式模塊功能：通過按鍵選擇調制方式；參數設置模塊功能：從編輯框輸入采樣頻率（fs），基帶頻率（f），載波頻率（fc），信噪比（snr），調制指數（K）五個參數；基本信號模塊功能：通過按鍵選擇所要顯示的信號；時域或頻域選擇模塊功能：通過按鍵選擇與所選信號對應的時域或頻域波形；畫圖模塊功能：通過單功能按鍵“畫圖”，在坐標軸中畫出波形圖；通過單功能按鍵“放大”，對波形圖進行放大；通過單功能按鍵“清空”，清除坐標軸中圖形[29][30]。 總體設計參數（AM）參數設計要求 AM參數設計采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）任意值任意值雙邊帶調制（DSB）參數設計要求 DSB參數設計采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）任意值任意值單邊帶調制（SSB）參數設計要求 SSB參數設計采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）任意值任意值頻率調制（FM）參數設計要求 FM參數設計采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）調制指數（K）任意值任意值任意值相位調制（PM）參數設計要求 PM參數設計采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）調制指數（K）任意值任意值 模擬通信系統仿真實現 信號調制解調程序流程圖 模擬信號調制解調程序流程圖 普通調幅（AM）信號仿真參數設置如下表 AM仿真具體參數采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）10000 Hz100Hz1000 Hz10dB普通調幅（AM）信號仿真如下基帶信號時域波形 基帶信號時域波形基帶信號頻域波形 基帶信號頻域波形載波信號時域波形 載波信號時域波形調制信號時域波形 AM信號時域波形調制信號頻域波形 AM信號頻域波形加噪信號時域波形 加噪AM信號時域波形解調信號時域波形 AM解調信號時域波形 雙邊帶調幅（DSB）信號仿真參數設置如下表 DSB仿真具體參數采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）1000 Hz10 Hz100 Hz5dB雙邊帶調幅（DSB）信號仿真如下基帶信號時域波形 基帶信號時域波形基帶信號頻域波形 基帶信號頻域波形載波信號時域波形 載波信號時域波形調制信號時域波形 DSB信號時域波形調制信號頻域波形 DSB信號頻域波形加噪信號時域波形 加噪DSB信號時域波形解調信號時域波形 DSB解調信號時域波形 單邊帶調幅（SSB）信號仿真參數設置如下表 SSB仿真具體參數采樣頻率（）基帶頻率（）載波頻率（）信噪比（）2000 Hz1Hz20 Hz5dB單邊帶調幅（SSB）信號仿真如下基帶信號時域波形 基帶信號時域波形基帶信號頻域波形 基帶信號頻域波形載波信號時域波形 載波信號時域波形調制信號時域波形 SSB信號時域波形調制信號頻域波形 SSB信號頻域波形加噪信號時域波形 加噪SSB信號時域波形解調信號時域波形 SSB解調信號時域波形 調頻（FM）信號仿真參數設置如下