武汉理工PSK通信系统课程设计.docx

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武汉理工PSK通信系统课程设计

课程设计任务书

学生姓名：

顾舰灵专业班级电信1102班

指导教师：

工作单位：

信息工程学院

题目：

PSK通信系统的设计

初始条件：

具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。

要求完成的主要任务：

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、完成PSK移频数据传输电路的设计，实现基带信号的PSK传输功能，收发波形一致。

2、完成系统中相关调制、传输以及解调模块电路的设计。

3、载波信号频率：

256KHz、峰值：

5V；基带信号为M序列，峰值为1V的方波。

4、安装和调试整个电路，并测试出结果；

5、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。

时间安排：

二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试

指导教师签名年月日系主任（或责任教师）签名：

年月日

1数字频带传输系统

在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。

然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。

必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。

输入输出

图2.1数字调制系统的基本结构

数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。

但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。

这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。

基本的三种数字调制方式是：

振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK或DPSK）。

本课设重点设计二进制移相键控（2PSK）通信系统。

2PSK调制解调的基本原理

2.1PSK调制原理

相移键控是利用载波的不同相位来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。

在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“0”和“1”。

因此，2PSK信号的时域表达式为

（1）其中，

表示第n个符号的绝对相位：

（2）

因此，式

（2）可以改写为

　　（3）

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（bipolarity）全占空（100%dutyratio）矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即

　　（4）

其中

　　（5）

这里，g（t）是脉宽为

的单个矩形脉冲，而

的统计特性为

　（6）

即发送二进制符号“0”时（

取＋1），

取0相位；发送二进制符号“1”时（

取－1），取π相位。

这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。

二进制移相键控信号的典型时间波形如图2.1所示：

图2.1二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方法有模拟调制和键控法，如图2.2所示。

2.2PSK解调原理

2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如图3.9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2.3PSK信号的解调原理框图

带通滤波器的意义是让有用信号（已调信号）通过，滤除一部分噪声，所以有用信号在

处得到信号为

假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。

所以得到下式

通过低通滤波器后

最后通过抽样判决器恢复出数字信号。

2PSK信号相干解调各点时间波形如图2.4所示。

但是，由于在

信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。

这种现象称为

方式的“倒π”现象或“反相工作”。

这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。

另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。

图2.4PSK信号相干解调各点时间波形

3PSK通信系统模块设计与仿真

3.1m序列发生电路

3.1.1m序列电路设计

四级伪随机码

Q3

Q2

Q1

Q0

1

1

1

1

0

1

1

1

0

0

1

1

0

0

0

1

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0

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0

0

0

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0

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0

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0

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0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

M序列也称作伪随机序列，它的显著特点是：

（a）随机特性；（b）预先可确定性；（c）可重复实现。

本次综合设计要求用D触发器构成四级移位寄存器，形成长度为24-1=15位码长的伪随机码序列，码率约为1000bit/s。

图3.1是4级伪随机序列码发生器电原理图。

图3.1M序列发生器电原理图

从图中可知，这是由4级D触发器和异或门组成的4级反馈移位寄存器。

本电路是利用带有两个反馈抽头的4级反馈移位寄存器，状态转移图见表1，该电路输出的信码序列为：

111101*********。

信号波形如图3.2所示：

图3.2基带信号波形图

3.1.2M序列仿真结果

给m序列电路输入一个时钟信号，观测其输出信号。

图3.3m序列时钟信号

图3.4m序列仿真图

仿真成功，该电路输出的信码序列为：

111101*********。

3.2PSK调制电路

3.2.1PSK调制电路设计

我选择的是采用键控法产生2PSK信号。

主载波，按照要求设定载波为256kHZ,5V。

通过反相器后反相信号与原始信号通过键控芯片控制。

键控开关采用的是4066芯片。

当控制端加高电平时，开关导通，低电平时开关截止。

M序列作为控制信号输入。

其引脚图如下：

图3.5芯片4066引脚图

反相器我用了一个集成运放，适当设置电路的元件参数，即可以成为一个反相器。

图3.6PSK调制电路

3.2.2PSK调制电路仿真

由于载波信号和调制信号的频率差距太大，不方便观察，所以将载波设置为和M序列相同的频率8KZ,观测仿真输出。

图3.7PSK调制仿真

由仿真结果可以看出，调制成功。

发送二进制符号“0”时，

取0相位；发送二进制符号“1”时，取π相位，这是二进制绝对相移调制。

3.3PSK解调电路

3.3.1PSK解调电路设计

我采用相干解调，首先调制器输出信号由鉴相器鉴定相位后由低通滤波器滤掉没用的载波分量，再由抽样判决器及译码器解调输出。

其中鉴相器我采用一个异或门实现，输出相同为0，不同为1，这是逻辑功能，它可以用来检测相位，简单地说就是锁相环中的鉴相器。

将已调信号和载波信号输入74LS86异或门芯片。

低通滤波器部分，为了获得良好的幅频特性，脉冲展宽电路输出端所接的低通滤波器的带外衰减应很快，达40dB/十倍频程。

采用巴特沃斯低通滤波器，其电路如图3.8。

后接一个缓冲放大器，因为原本的输出就足够大，所以设置放大倍数为1倍。

图中所示的低通滤波器为二阶有源低通滤波器。

能提供40dB/十倍频程衰减量，由截止频率公式：

图3.8低通滤波器原理图

检波以后的信号是模拟信号，需要经过抽样判决与判决门限比较，才能还原为数字基带信号。

这次信号的比较基准电压就为“0V”,所以直接采用一个D触发器作为抽样判决器。

图3.9抽样判决器

3.3.2PSK解调器仿真

图3.10鉴相器仿真输出

（为了方便观测，这里的载波信号仍然是用的8KHZ）PSK信号经过鉴相器输出后已经成为的方波信号。

图3.11滤波器仿真输出

经过滤波器，输出信号与调制信号已经很接近了。

图3.12抽样判决仿真输出

可以看到，抽样判决输出信号与调制信号M序列一样，解调成功！

同时可以发现解调信号与m序列有一定的时延，t=126.094us。

4整体电路

通过前面部分的模块电路设计，我设计出了整体的电路。

图4.1整体模块图

图4.2整体电路原理图

这次将载波按照要求设定为256KHZ,。

进行仿真。

可以看出电路正常工作，能够调制和解调，满足课程任务要求。

输出有一定的时延，与传输信号一致。

最后，通过观察仿真波形，以上的两部分系统功能都能很好的实现，可以确定，本PSK通信系统设计成功。

图4.3整体仿真结果

图4.4材料清单

5实物安装与调试

在实物焊接阶段，我们小组成员选择分模块焊接，这样不仅便于检测和找到问题点，而且我们可以同时进行焊接，加快了工程的进度。

各个模块之间设置插点进行连接，实物图如下：

解调模块

图5.1实物安装图

实物连接好之后，我进行实物的检查，其结果如下：

图5.2M序列实物测试图

图5.3滤波器实物测试输出图

6总结体会

这次的通信课程设计，我收获很多。

首先肯定关于PSK调制解调的了解，有了深刻的记忆，其次是实际动手能力的大大提高，团队合作精神也有了提高。

不得不说知识一定要经过实践才印象深刻，理论和实际还是有很多不同的。

这次设计，在不断的发现错误，改正错误中结束，错误让人进步，而经过困难后的成功让人成长，也培养了兴趣。

这次设计中我们基本是采取模块化的思想，把整个设计分成几个小模块，一个个的攻克，查资料，一起讨论，定下初步的设计方案。

然后进行仿真，这过程中肯定是很多问题的，基本每个模块都是更改几次才成功的。

错了就再一起讨论，更改，实在还不行就去向老师请教。

印象最深刻的是低通滤波器的设计，我们整体电路设计是没问题，但是就是不能正常工作，搞得大家都有点泄气了。

最后向别人请教了，才发现我们的电容电阻选取不太合适，通过我们多次的调试，最后终于能正常工作，这小小的成功让我们对后面的工作都充满信心。

最后出问题的是抽样比较器，我们原来设计的是一个比较复杂的电路，我们都觉得电路设计是没有问题的，也多次调试了，可是就是不能正常工作，输出直接就是直流了。

最后我们打算放弃原有的设计，考虑到我们的实际问题，选择了一个异或门。

当看到与M序列一致的输出信号时，我们都高兴惨了，这就是付出的收获吧！

最后就是进行实物的焊接和调试，这个也是一个不断错误不断改正的过程，最后成功的时候我们都为之欢呼，忍不住的开心！

我也明白了做设计要有耐心，成果都不是一蹴而就的，都是在不断的修正错误的过程收获的。

以后的学习一点要结合实际，多动手，锻炼动手能力。

总之，通信原理课程设计让我收获颇丰，同时也让我发现了自身的不足。

希望自己能像做通信课程设计一样，在不断地修正错误中获得成功！

参考文献

[1]祁存荣.电子技术基础数字实验指导书.武汉理工大学出版社.2008.9

[2]樊昌信.通信原理.国防工业出版社.2007.6

[3]李晓峰.通信原理（第1版）.清华大学出版社2008.11

[4]樊昌信.现代通信原理.人民邮电出版社2009.10

[5]曹志刚、钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社2006.4