2PSK信号的解调电路设计.docx
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2PSK信号的解调电路设计
《锁相技术》
课程结业论文
题目2PSK信号的解调电路设计
院系名称:
信息科学与工程学院
专业班级:
学生姓名:
学号:
授课教师:
年月日
摘要
随着通信技术的迅猛发展,数字调制技术中的PSK调制在通信领域的应用已经步入了一个新的阶段,它不仅在军事通信方面发挥着不可取代的优势,而且广泛渗透到民用通信的各个方面。
本课题是对2PSK调制解调技术的研究与实现,利用SystemView建立系统模型,通过仿真参数的设计以及系统波形的分析,来分析系统的各项性能指标。
2PSK调制解调的关键问题是系统的同步,论文采用相干解调方式对2PSK信号进行解调,并且在最后设计仿真结果的波形中,体会并了解到2PSK调制解调系统的优势。
关键词2PSK调制解调SystemView仿真性能分析
目录
摘要2
1绪论1
1.1课题研究的意义1
1.2课题研究的内容1
2锁相环的工作原理1
2.1锁相环简介1
2.1.1锁相环定义1
2.1.2锁相环的组成部分及分类1
2.1.3锁相环的频率特性3
2.1.4锁相环的优点4
32psk解调的工作原理4
3.1解调的概念4
3.22psk解调的工作原理5
42psk解调在SystemView中的仿真电路及仿真结果6
4.12psk解调在SystemView中的仿真电路7
4.22psk解调在SystemView中仿真结果7
结束语11
参考文献12
1绪论
1.1课题研究的意义
通信的最终目的是远距离传递信息。
虽然基带数字信号可以在传输距离不远的情况下直接传送,但是如果要远距离传输时,特别是在无线或者光纤信道上传输时,则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。
为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输,必须对数字信号进行载波调制。
如同传输模拟信号时一样,传输数字信号时也有三种基本的调制方式:
振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。
它们分别通过控制载波(正弦波)的幅度、频率、和相位来传递数字基带信号。
在上述三种基本的数字调制解调方式中,相移键控(PSK)是应用非常广泛的一种通信调制方式。
它广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入与移动通信及有线电视的上行传输。
尤其PSK传输效率、抗干扰性以及天线尺寸等多种因素综合考虑的最佳选择。
所以我们有必要对其进行分析,加强对PSK调制技术的掌握。
1.2课题研究的内容
本文研究的主要内容,通过SystemView软件,仿真2psk调制与解调的具体过程,加深对2psk调制与解调技术的掌握。
2锁相环的工作原理
2.1锁相环简介
2.1.1锁相环定义
锁相环是一种相位反馈的闭环自动控制系统,环路锁定之后,平均稳态频差等于零,稳态相差为固定值。
锁相环的这一重要特征使其在电视、通信、雷达、遥测遥感、测量仪表,特别是在人造卫星和宇宙飞船等无线电通信中,得到了广泛应用。
2.1.2锁相环的组成部分及分类
许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,利用锁相环路就可以实现这个目的。
一般情形下,这种锁相环的三个组成部分和相应的运作机理是:
(1)鉴相器(PD):
相位比较器件,检测两个输入信号之间的相位误差,输出反映相位误差电压;
(2)环路滤波器(LP):
用来消除误差信号中的高频分量及噪声,提高系统的稳定性;
(3)压控振荡器(VCO);受控于环路滤波器输出电压,即其振荡频率受控;
基本组成框图如图2.1所示:
图2.1锁相环基本组成框图
锁相环有很多种类,可以是数字的也可以是模拟的也可以是混合的,可以用于恢复载波也可以用于恢复基带信号时钟。
下面是锁相环的分类:
(1)按输入信号分:
①恒定输入环路-用于稳频系统;
②随动输入环路-用于跟踪系统。
(2)按环路部件分:
①模拟锁相环路-环路部件采用模拟电路;
②取样锁相环路-将模拟锁相环路中普通鉴相器改为取样保持鉴相器就构成取样锁相环路;
③数字锁相环路-环路部件采用数字电路。
根据环路部件是部分还是全部采用数字电路有部分数字环和全数字环;
④集成锁相环路-环路部件采用集成电。
下面简单介绍一下锁相环数字模型。
PD1
PD1
锁相环的数学模型
图2.2锁相环路的相位模型
按图2.2的环路相位模型,不难导出环路的数学模型:
(2-1)
式(2-1)是锁相环路数学模型的一般形式,也称动态方程,从物理概念上可以逐项理解它的含义;式中pφe(t)显然是环路的瞬时频差
(2-2)
右边第一项pφi(t)称固定角频率,
(2-3)
式中最后一项 AdA0AF(p)sinφe(t)称控制角频差,
AdA0AF(p)sinφe(t)=Δωo(t)=ωo-ωr(2-4)
其表示压控振荡器在uc(t)=AdAF(p)sinφe(t)的作用下,产生振荡角频率ωo偏离ωr的数值。
于是动态方程构成如下关系:
瞬时频差=固有频差-控制频差
因此可以解出稳态相差方程:
](2-5)
锁相环的线性化相位模型
Ad
图2.3锁相环的线性化相位模型
当输入与输出的相位线性化差小于30度是,鉴相器可以线性化。
线性化后的锁相环相位模型如图2.3。
2.1.3锁相环的频率特性
(1)锁相环路的捕捉特性
当环路未加输入信号ui(t)时,VCO上没有控制电压,它的振荡频率为ωr。
若将频率ωi恒定的输入信号加到环路上去,固有频差(起始频差)Δωi=ωi-ωr,因而在接入ui(t)的瞬间,加到鉴相器的两个信号的瞬时相位差
(2-6)
相应地,鉴相器输出的误差电压ud(t)=AdsinΔωit。
显然,ud(t)是频率为Δωi的差拍电压。
下面分三种情况进行讨论:
(1)Δωi(t)较小,即VCO的固有振荡频率ωr与输入信号频率ωi相差较小;
(2)Δωi较大,即ωr与ωi相差较大,使Δωi超出环路滤波器的通频带,但仍小于捕捉带Δωp;
(3)Δωi很大,即ωr与ωi相差很大,使Δωi不但远大于环路滤波器的通频带,而且大于捕捉带Δωp。
(2)锁相环路的跟踪特性
当环路锁定后,如果输入信号频率ωi或VCO振荡频率ωo发生变化,则VCO振荡频率ωo跟踪ωi而变化,维持ωo=ωi的锁定状态,这个过程称为跟踪过程或同步过程。
相应地,能够维持环路锁定所允许的最大固有频差|Δωi|,称为锁相环路的同步带或跟踪带,用ΔωH表示。
2.1.4锁相环的优点
(1)可以实现理想的频率控制。
这是由于环路锁定时,环路输出无剩余稳态频差存在所致。
(2)可以不用谐振线圈而具有较高的选择性。
(3)门限性能好。
锁相环用做调频信号解调器时,其门限性能要比普通鉴相器要改善5db左右。
(4)易于集成化与数字化。
组成环路的基本部件易于采用模拟集成电路,环路实现数字化后,更易于采用数字集成电路。
锁相环的集成化、数字化为减小体积、降低成本、提高可靠性实现多用途提供了有利条件。
32psk解调的工作原理
3.1解调的概念
解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。
在各种信息传输或处理系统中,发送端用所欲传送的消息对载波进行调制,产生携带这一消息的信号。
接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用,这就是解调。
3.22psk解调的工作原理
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.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
e2PSK(t)=g(t-nTs)]cosωct(3-1)
其中,an与2ASK和2FSK时的不同,在2PSK调制中,an应选择双极性,即
(3-2)
(3–3)
若g(t)是脉宽为Ts,高度为1的矩形脉冲时,则有
e2PSK(t)=cosωct,发送概率为P
-cosωct,发送概率为1-P
由式(3-3)可看出,当发送二进制符号1时,已调信号e2PSK(t)取0°相位,发送二进制符号0时,e2PSK(t)取180°相位.若用φn表示第n个符号的绝对相位,则有
φn=0°,发送1符号
180°,发送0符号
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,称为二进制绝对移相方式.二进制移相键控信号的典型时间波形如图3.1所示.
图3.1二进制移相键控信号的时间波形
二进制移相键控信号的调制原理图如图3..2所示.其中图(a)是采用模拟调制的方法产生2PSK信号,图(b)是采用数字键控的方法产生2PSK信号.
(a)模拟调制方法
(b)键控法
图3.22PSK信号的调制原理框图
2PSK信号的解调通常都是采用相干解调,解调器原理图如图3.3所示.在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。
图3.32PSK信号的解调原理框图
2PSK信号相干解调各点时间波形如图3.4所示。
图3.42PSK信号相干解调各点时间波形
42psk解调在SystemView中的仿真电路及仿真结果
4.12psk解调在SystemView中的仿真电路
用SystemView仿真时,采用的是键控法调制产生2psk信号和相干解调恢复基带信号。
在没有噪声的理想情况下进行仿真,如图4.1所示:
图4.12PSK调制解调仿真电路
图中相关器件的说明:
0调制载波余弦信号。
1单刀双掷开关,产生2PSK信号。
2数字基带信号,是伪随机信号,输出双极性非归零码,用来控制键控开关。
3乘法器。
4低通滤波器滤除相干载波与2psk相乘后的交流成分,通过直流成分。
12取负数,用于产生“π”相位余弦信号13科斯特斯环,用于提取同步载波信号。
5抽样判决器,设计门限值为0。
6-10监控分析器件
4.22psk解调在SystemView中仿真结果
系统各器件波形:
图4.2随机双极性不归零码
由图4.2可以看出:
输出码元序列为1100101000。
图4.3键控开关输出波形
由图4.3可以看出:
2PSK已调信号使用相位“0”表示码元“1”,相位“π”表示码元“0”。
图4.4相乘器输出波形
从图4.4中可以看出:
2psk相干解调中已调信号与载波相乘输出的波形中,含有很多高频成分,我们需要用低通滤波器将这些高频成分滤除,得到需要的直流分量。
图4.5低通滤波器输出波形
图4.5中可以看出:
经过低通滤波器后,大部分高频成分已经滤除,这样再进行抽样判决就可以解调出原始基带信号。
图4.6基带信号的恢复波形
图4.6可以看出:
经判决后,输出和基带信号几乎完全相同(有一定的延迟),这样就完全解调出2psk中的基带信号了。
结束语
通过本次《锁相技术》课程设计,我掌握了SystemView软件的基本操作,并对各种模拟传输系统和数字传输系统有了更深刻的了解,对其各个部件的参数和作用有了更系统的认识。
在课程设计过程中出现了很多问题,但在同学和网络的帮助下都一一解决。
比如在设计2psk的过程中,由于我没有把2psk用相位表示码元的规则搞清楚,本应是正确的解调系统,却解调出了2psk反相工作的波形。
通过这次的课程设计,我了解到了做任何事都要有耐心、更是要细心做事。
这次的课程设计让意识到自己的原理知识还是不够好,在今后的学习中我们需要更努力的学习课本的专业知识,才能更好的服务于实践中。
在这次的课程设计中我得到了黄老师、胡老师及同学们的大力帮助,让我能完成这次课程设计。
参考文献
[1]樊昌信等.通信原理.国防工业出版社.2009
[2]王福昌等.锁相技术.华中科技大学出版社2009
[3]戴志平.SystemView数字通信系统仿真设计.北京邮电大学出版社有限公司2011
[4]尹立强.通信原理及SystemView仿真测试.西安电子科技大学出版社.2012
[5]张厥盛等.锁相技术.西安电子科技大学出版社.1994
[6]沈越泓等.通信原理.机械工业出版社.2008
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- PSK 信号 解调 电路设计