2DPSK的调制与解调

设计(论文)题目：2DPSK的调制与解调

姓 名 学 号 班 级 学 院

指导教师

设计（论文）题目 2DPSK的调制与解调 主要研 究内容 依据2DPSK的调制解调原理，设计差分移相键控的调制解调系统，利用软件MATLAB中的Simulink进行系统建模。通过仿真结果，分析系统性能并加以改进。 研究方法 利用Simulink仿真软件进行系统的仿真分析，并对系统进行修改完善。 主要技术指标(或研究目标) 1.深刻理解2DPSK调制解调原理 2.利用MATLAB实现2DPSK调制解调系统 3.分析2DPSK调制解调系统的性能 [1] 樊昌信，张甫翊，徐炳祥等.通信原理[M].第5版.北京：国防主要参考文献 工业出版社，2002. [2] 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. [3] 张会生.现代通信系统原理.[M].北京：高等教育出版社，2005. 2DPSK的调制与解调

目 录

摘要 ................................................................................................................................................. 2 第1章 2DPSK原理介绍 ............................................................................................................ 3 1.1 2DPSK的基本原理： ....................................................................................................... 3 1.2 2DPSK的调制原理： ....................................................................................................... 4 1.3 2DPSK的解调原理： ....................................................................................................... 5 1.3.1 极性比较法： .............................................................................................................. 7 1.3.2 相位比较法： .............................................................................................................. 7 第2章 系统仿真 ......................................................................................................................... 8

2.1.1 2DPSK调制解调系统的总体设计 ............................................................................. 8 2.1.2 具体设计 ...................................................................................................................... 9 第3章 结论 ............................................................................................................................... 14 参考文献 ....................................................................................................................................... 15

- I -

2DPSK的调制与解调

2DPSK调制与解调

摘要

在现代通信技术中，因为基于数字信号的数据传输优于模拟信号的传输，所以数字信号的传输显得越来越重要。虽然近距离时我们可以利用数字基带信号直接传输，但是进行远距离传输时必须将基带信号调制到高频处。为了使数字信号能够在信道中传输，要求信道应具有高通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字信号不能直接在这种带通传输特特性的信道中传输，因此，必须用数字信号对载波进行调制，产生各种已调信号。我们通常采用数字键控的方法来实现数字调制信号，所以又将其称为键控法。当调制信号采用二进制数字信号时，这种调制就被称为二进制数字调制。最常用的二进制数字调制方式有二进制振幅键控、二进制移频键控和二进制移相键控。其中二进制移相键控又包括两种方式：绝对移相键控(2PSK)和相对(差分)移相方式(2DPSK )。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，就产生了二进制移相键控，即所谓的绝对移相键控（2PSK）。虽然绝对移相键控的实现方法较为简单，但是却存在一个缺点，即我们所说的倒“”现象。因此，在实际中一般不采用2PSK 方式，而采用2DPSK方式对数字信号进行调制解调。本文主要讨论关于2DPSK的调制解调。并将其与MATLAB结合进行研究和仿真。

- 2 -

2DPSK的调制与解调

第1章 2DPSK原理介绍

1.1 2DPSK的基本原理：

说到2DPSK，就不得不说一下二进制移相键控（2PSK）。所谓二进制移相键控（2PSK）方式是指受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。即若发送二进制符号0则载波初始相位取0，若发送二进制符号1 则载波初始相位取，如图1所示（假设一个码元用一个周期的正弦波表示）。这种移相通常被称为绝对移相方式，如果采用绝对移相方式，由于发送端是以某一个相位作基准的，因而在接收系统中也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化（0相位变相位或相位变0相位），则恢复的数字信息就会由0变为1或由1变为0，从而造成错误。这种现象常称为2PSK 方式的“倒”现象或“反向工作”现象。为此实际中一般采用一种所谓的差分移相键控（2DPSK）方式。2DPSK方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移表示（定义为本码元初相与前一码元初相之差），设编码结果如图2.1所示。这样就避免了2PSK中的倒现象。产生2DPSK信号时，先将输入的绝对码转换成相对码，然后再用相对码用二进制绝对移相方式对载波进行调相。

2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。即本码元初相与前一码元初相之差。假设前后相邻码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为：

0,,表示数字信息“0”

表示数字信息“1”- 3 -

2DPSK的调制与解调

图2.1 相对移相示例

下面将为大家介绍一下2DPSK的调制与解调原理。

1.2 2DPSK的调制原理：

众所周知2PSK调制是将传输的数字码元“1”用初始相位为180°的正弦波表示，而数字码元“0”用初始相位为0°的正弦波表示。若设at是传输数字码元的绝对码，则2PSK已调信号在任一个码元时间T内的表达式为

stAsinctat,at1或0 （1）

若将传输数字码元的绝对码at先进行差分编码得相对码bt，其差分编译码如下： 差分编码为 btatbtT （2） 差分译码为 atbtbtT （3） 再将相对码bt进行2PSK调制，则所得到的即是2DPSK已调信号，其在任一码元时间T内的表达式为

stAsinctbt,bt1或0 （4）

差分编码移相2DPSK在数字通信系统中是一种重要的调制方式，其抗噪性能和信道频带利用率均优于移幅键控(ASK)和移频键控(FSK)，因而在实际的数据传输系统中得到广泛的应用。2DPSK调制解调系统的原理框图如图2.2所示。

- 4 -

2DPSK的调制与解调

数字信 号输入 数字信 差分编码 噪声 带调相 低相乘 通滤波 抽样判决 差分解码 号输出 + 通滤波 晶振 分频 图2.2 2DPSK调制解调系统原理框图

2DPSK调制原理是指载波的相位受数字信号的控制而改变，通常用相位0°来表示“1”，而用180°来表示“0”。差分移相键控2DPSK信号的参考相位不是未调波的相位，而是相邻的前一位码元的载波相位。2DPSK信号的产生只需要在二相调制前加一套相对码变换电路就可以实现，2DPSK 的调制方框图见图2.3，其中St为载波，Eot为已调信号。

载波 开关 Eo(t)

移相 码变换 S(t)

图2.3 2DPSK的调制方框图

1.3 2DPSK的解调原理：

基于DFT 的2DPSK 解调算法：

实际中接收到的2DPSK 信号在经过带通滤波后，由于码元跳变处的高频分量被过滤掉，滤波后的2DPSK信号波形分为稳定区和过渡区，码元中间部分是稳定区，前、后部分为过渡区。稳定区内的信号基本无损失，波形近似为正弦波，而过渡区内的波形则不是正弦波，并且幅度明显降低。调制信息基本上只存在于码元稳定区。从上述分析出发，可以得到基于DFT的数字解调方案。

具体解调方法：对每个码元稳定区内的采样点按照公式（5）做DFT：

- 5 -

2DPSK的调制与解调

1IN1QNxk1NNkcos2k/n

xk1ksin2k/n （5）

其中，n代表每个载波周期的采样点个数，N代表做DFT时使用的稳定区内的采样点个数(通常取多个载波整周期)。然后，提取出前后码元的相位跳变信息T来进行解调判决：计算arctanQ/I， 并根据Q和I的正负情况确定T的取值范围。把本码元的相位记为b，前一码元的相位记为a，则

Tbad2mod （6） 其中d是进行了位同步点调整时附加的相位。

可见，在每个码元周期只需要计算一次相位值即本码元的相位，然后相减得到跳变相位，就可以依据判决条件恢复原始数据，而不需要像文献中所提到的对每个码元要随着窗函数的移动多次计算谱值，因而大大减轻了计算量，非常适合于软件无线电的数字化实时解调。

当调频信号不包括载波分量时，必须采用相干解调，2DPSK的解调可采用两种方法。其一是极性比较法，然后再用码变换器变为绝对码。另外还有一种实用的方法叫做差分相干解调法，二者的原理框图分别如图2.4，图2.5。

数据 2DPSK 带通 滤波器 乘 法 器 低通 滤波器 抽样 判决器 码反 变换器 输出 本地连接 图2.4 极性比较法解调

- 6 -

2DPSK的调制与解调

数据 2DPSK 带通 滤波器 乘 法 器 低通 滤波器 抽样 判决器 输出 码元延迟 图2.5 差分相干解调法

1.3.1 极性比较法：

信号可以采用相干解调方式(极性比较法)，其原理框图见图2.4。其解调原理是：对2DPSK 信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生180°相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度的问题。 1.3.2 相位比较法：

2DPSK信号也可以采用差分相干解调方式(相位比较法)，其原理框图见图2.5。其解调原理是：直接比较前、后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一种非相干解调方法。

- 7 -

2DPSK的调制与解调

第2章 系统仿真

2.1.1 2DPSK调制解调系统的总体设计

总体设计：

MATLAB提供了通信系统工具箱Communication Blockset。本文采用“自底向上”设计方式，先完成每个模块的底层设计，封装成子系统，再用其搭建通信系统仿真的总体框图。通信系统设计的总体框图如图3.1所示。

图3.1 2DPSK仿真系统总体框图

通信仿真系统子模块设计：

（1）信号产生模块：采用BernoulliBinarator模型产生一组值为0 或 1 的随机二进制数据，作为通信仿真系统的数字基带信号输入。

（2）差分编码模块：选择差分编码器，将信号源产生的数字基带信号进行差分编码。 （3）2DPSK调制模块：对双极性不归零码进行绝对调相，产生信道中传输的2DPSK信号。

（4）信道模块：为模拟井下复杂通信环境对井下短程通信的影响，信道模块加入高斯白噪声（AWGNChannel），即在输入信号中叠加高斯白噪声，为简单起见，假设信号在信道传输中没有时间或相位的延迟。

（5）接收及解调模块：2DPSK信号的解调采用载波相干解调。解调用的相干载波可以用科斯塔斯环等方法直接从接收的信号中恢复，本文为方便起见，直接用与载波同频同相的正弦信号作为载波同步输出的相干载波.解调后的信号经相关接收，抑制与载波无关的噪声及干扰，使其在指定的抽样判决时刻有最大的信噪比。

- 8 -

2DPSK的调制与解调

（6）抽样判决模块：为无失真地恢复输入信号，解调后的基带信号必须要经过抽样判决器的判决。由于本文假设没有传输延迟，其抽样判决的位同步定时脉冲可用一个脉冲源替代。实际的通信系统中，调制信号在信道中的传输存在传输延迟时间，此时可以直接从接收的数字信号中提取位同步定时信号，这种方法在数字通信系统中得到了最广泛的应用。MATLAB系统提供的模型库中没有现成的抽样判决器供选用，笔者利用MATLAB提供的S函数编写了相应的抽样判决函数供使用。

（7）差分解码模块：差分译码器把抽样判决输出的相对码转换成绝对码，需要注意的是，差分编码器和差分解码器的初始状态应该一致。

（8）比较和显示模块：一是输入数字基带信号与解码恢复信号的比较和显示，二是输入基带信号与恢复信号之间误码率的分析与显示。 2.1.2 具体设计

应用Matlab软件中的Simulink进行可视化设计。系统实现的是2DPSK调制解调系统的动态仿真，其结果如图3.2所示。2DPSK调制解调系统的组成：信号源、2DPSK调制解调子系统、输出结果。

图3.2 2DPSK调制解调系统框图

- 9 -

2DPSK的调制与解调

该图为实际的simulink仿真图，即具体的仿真框图

一、调制器

调制器采用数字调制方式。它是由晶体振荡器、分频器、差分编码和调相电路组成。晶体振荡器产生11.0592MHz的方波信号，该信号经9%、%分频电路后分别产生调制器和解调器所需的19.2kHz载波信号2.4kHz时钟信号。显然，此系统的码元速率是2400bit/s。差分移相是利用前后相邻码元信号的相对载波相位变化来传递数字信息。这时码元不是以固定相位基准为参考相位的，而是以前一码元的相位作为参考相位。即：当传送“1”时，后一码元的相位相对前一码元的信号相位变化180°而当传送“0”时，前后码元相位同。差分编码器的作用就是对“数据入端”的数字信号进行差分编码，然后再对差分编码输出的差分信号进行绝对调相，得到二相差分移相信号(2DPSK信号)。 二、解调器

解调器采用相干解调方式。它是由带通滤波器、相乘器、低通滤波器、抽样判决和码变换电路组成。当数字信号在传输过程中，由于信道中的加性随机噪声，使解调端输入的2DPSK信号叠加有白噪声和其他干扰，所以用带通滤波器来滤出干扰和噪声，在其输出端得到频带受限的2DPSK信号。相乘器和低通滤波器一起组成相干解调器。其作用是将带通滤波器输出的信号和本地恢复的相干载波进行比较，再经低通滤波器滤出基带信号。在抽样判决电路中，抽判脉冲对基带信号比较、判决，由于判决后输出的信号为相对码信号，因而需进行码变换——差分解码，经差分解码器便恢复出与“数据输入”相应的数字基带信号。在无噪声情况下，解调恢复出的信号与调制器输入的信号是完全相同的。 三、信号

- 10 -

2DPSK的调制与解调

根据设计要求，选择了3种基本的信号源：规则码全“1”全“0”，“1 ：1”信号和31位的伪随机码。

具体模块设计如下。 1、调制模块

2DPSK调制解调系统的调制过程分为两部分(见图3.3)：差分解码和调相。

图3.3 差分解码和调相

(1)对由信号源产生的数字基带信号an进行差分编码，即利用公式

bnanbn1

式中：bn——传输信道中的差分编码将原有信号由绝对码表示变为用经差分编码处理的相对码表示。设计中，选择了位于Communications Blockset/Modulation/Source Coding/Differential Encoder的差分编码器，它根据当前时刻之前的所有输入信息计算输出信号达到差分编码的作用。

(2)对差分编码后的信号进行调相，即利用输出信号与本地载波相乘的绝对调相。可以选择Modulation子库中的频带相位调制器(PM Modulator Passband)模块。 2、信道模块

信道是通信系统的基本环节之一，信道的传输质量影响着信号的接收和解调。这种影响表现在两个方面：一是产生噪声，二是减弱信号的强度和改变信号的形状。通信系统的设计目标是使接收端能够再现发送端发送的原始数据。因此，在设计通信系统的过程中，信道对传输信号的影响是一个不可或缺的环节。为了使仿真的通信系统与实际更为相似，选择了加性高斯白噪声(AWGN channel)模块。它位于Blockets/Communications Blockset/Channels/AWGN Channel，其作用是在输入信号中自动加入高斯白噪声。 3、解调模块

在本设计中，2DPSK调制解调系统采用相干解调的方式，即输出已调信号与本地载波信号进行极性比较，经过低通滤波器滤出基带信号，再利用抽样判决和差分解码恢复出数字基带信号。因此，这一模块分成四部分：带通、低通、抽样判决和差分解码。2DPSK信号在传输的过程中由于信道中的高斯白噪声，使它不可避免地受到各种噪声的干扰。利用带通滤波器可以有效地滤除噪声，更加有利于后面的解调。解调系统如图3.4所示。

- 11 -

2DPSK的调制与解调

图3.4 2DPSK调制解调系统的解调系统

从DSP Blockset子库中选取模拟带通率滤波器模块，利用公式：

带通频率fsB/2，B2fs

式中：fc——载波频率

B——带宽

fs——信号频率

以31位伪随机码为例，载波频率fc19.2kHz，计算出系统所需带通滤波器的上下边界分别为：6000，250000rad/s。从带通滤波器输出了频带受限的2DPSK信号，与所加正弦载波(即与调相所用载波同频同相的相干载波)相乘，再经过低通滤波器，完成了相干解调。选取相乘模块和低通滤波器模块一起组成相干解调。由解调后经低通滤波器输出的基带信号，以码元定时作为同步信号在示波器屏幕上显示的波形，即基带信号的眼图，如图3.5所示。干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。

图3.5 解调出的基带信号的眼图

- 12 -

2DPSK的调制与解调

从解调器出来的基带信号，会直接经过抽样判决器。抽样是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续信号变成时间上离散信号。经过抽样信号包含原信号的所有信息，它能无失真地恢复出原模拟信号。根据设计要求，抽样时间Ts40min，抽样频率fs1/Ts，抽样值出现是等间隔的，抽样脉冲的幅度随模拟信号的变化而变化。因为模型库中没有现成的抽样判决模块可以选用，笔者编写了一个相应的S函数。对抽样后的信号进行比较、判决，将输入的2DPSK信号还原成相对码。再由差分译码器(anbnbn1)把相对码转换成绝对码。恢复出的信号与信号源输出信号存在一定的单位延时，波形基本一致。以31位伪随机码为例，其部分输出波形如图3.6所示。

其中第一个波形为原始波形，其代表的数码为010011010111100010011；

第二个波形为经过差分移相后的波形，经过差分处理以后，数码变为110111001111101001000；

图3.6 31位伪随机码及其各部分输出波形

经过滤波润滑以后，差分波形被润滑成为调整后的波形； 通过抽样判决，调整后的波形被重新变为方波；

最后再经过一次差分移相键控，就恢复出了原始的基带信号。可以看出，当信号被恢复之后，会产生一定程度的时延，这些时延是伴随着调制解调而出现的，所以不会影响系统的仿真结果。

- 13 -

2DPSK的调制与解调

第3章 结论

在利用Matlab中的Simulink完成的2DPSK调制解调系统仿真设计中，由于信道中引入了适当的高斯白噪声，还有接收端带通滤波器的参数设置问题，观察系统产生的眼图后就会发现码间干扰和噪声的影响，它使解调后的输出波形与信号源产生的波形相比有一定的畸变和时延。为了更好地改善系统的传输性能，在设置每个模块的参数时都须经过严密计算得出确切的值。此外，同步也是该通信系统中一个重要的研究问题。本设计中采用了相干解调的设计方式，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这样才能保证载波同步。解调出的基带信号要经过抽样判决器。抽样判决的时刻应位于每个码元的终止时刻，因此，在接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列，它和码元接收的终止时刻应对齐，还应与系统输入的时钟信号相一致，这样就保证了系统的位同步。解决了以上几点问题后，系统的输出波形得以改善，误码率降低，信息传输的质量更为可靠，基本达到的设计要求。

- 14 -

2DPSK的调制与解调

参考文献

[1] 樊昌信,张甫翊,徐炳祥等.通信原理[M].第5版.北京:国防工业出版社,2002:12~13.

[2] 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,2000:24~25. [3] 张会生.现代通信系统原理[M].北京:高等教育出版社,2005:34~35. [4] 胡庆.电信传输原理[M].北京:电子工业出版社,2004:32~33. [5] 孙学军等.通信原理[M].北京:电子工业出版社,2003:35~36. [6] 曹志刚等.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,2000:12~13. [7] 郭梯云等.移动通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000:27~28. [8] 李宗豪.基本通信原理[M].北京:北京邮电大学出版社,2006:38~39.

[9] 张宇伟,王耀明.基于MATLAB的调制解调系统仿真设计.上海电机学院学报[N].2005:35~36.

[10] 徐明远,邵玉彬.MATLAB仿真在通信与电子工程中应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005:45~46.

[11] 欧阳喜,葛临东.一种利用短时DFT分析实现全数字2DPSK接收机解调的新算法.电讯技术[J].2001:59~62.

[12] 樊昌信,张甫翊，徐丙祥等.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2001:8~11.

- 15 -