2DPSK调制解调系统设计 电子信息工程专业

摘 要对于二进制差分移相键控而言，通常情况下，其也被称之为2DPSK。实际上，在当前时期，其在通信领域中，已经获得了大范围的实际应用。对于此类调制方式来说，其具备多样化实际优势，例如：其实际操作相对简单，很容易进行实现。与此同时，2DPSK在进行信息传输时，可以基于前后码元存在的相对相位变化传送数字信息，相比较于2PSK调制，2DPSK能够有效克服相位模糊，即“倒现象”。信息传输往往是通过无线的方式进行的，为了切实保障相关数字信号，可以在无线空间中，实现传输，应该基于射频载波，针对多样化基带数据信号，进行相应的调制，从而使相关信号可以完全匹配信道具备的基本特性，并且利用天线，将这些信号进行发送。故此，在实际通信过程中，调制解调技术的实际作用，是至关重要的。综上所述，本篇论文，针对2DPSK数字通信领域涉及到的相关调制解调理论，进行了更深层次的细致研究，力求提供相对科学的调制方式，实现多样化信息的高速传输。由于MATLAB软件具备相对较强的实际功能，并且在里面集成了大量的通信系统的模块以及命令，故此，本篇论文，将基于MATLAB通信工具箱中存在的相关集成命令及其相应的模块，针对通信领域，进行一系列的细致研究、系统开发以及仿真等诸多内容。基于MATLAB软件，本文详细的对2DPSK调制解调系统进行了设计。首先对于2DPSK调制解调的基本原理进行了详细的介绍，推导了2DPSK调制与解调的数学模型，同时对于MATLAB软件的开发环境进行了简要的介绍，其次在MATLAB的开发环境中，根据2DPSK的调制与解调原理数学模型，搭建了2DPSK的调制与解调的框图，实现了2DPSK信号的产生以及解调，从仿真的误码率曲线图上可知，对于2DPSK而言，相较于其所具备的相干解调具体性能，2DPSK具备的差分相干解调具体性能显得更加突出。这是由于，此类性能，基于抗频漂能力以及抗相位慢抖动能力等诸多方面，均相对优异。关键词：Matlab；2DPSK；调制；解调IABSTRACTBinary differential phase shift keying modulation is relatively short two-phase, denoted by 2DPSK. It is one of the most commonly used modulation in data communications, this approach has the advantage of simple, easy to implement. 2DPSK waveform is different from 2PSK waveform. 2DPSK waveform does not correspond to the same phase of the same number of information symbols, and the relative phase of the before and after symbol determine the only information symbols. In order to make the digital signal transmitted in a communication channel,we must use digital baseband signal to modulate the carriert, which can make the signal match the channel characteristics. Modulation and demodulation technology is an important means to achieve modern communications, modulation and demodulation of digital communications theory,and it can provide an effective way of great significance. Matlab toolbox of communication in the field of communications can be used for research, development, system design and simulation This paper studies the use of Matlab Simulink software to design 2DPSK modem system. First it introduces the basic principles of 2DPSK modulation and demodulation and Matlab Simulink simulation software. Then according to the principle of 2DPSK modulation and demodulation, it builds the simulation model and analysis of simulation results. Finally, in the 2DPSK modulator and 2DPSK demodulator module of Matlab Simulink,it implements the design of 2DPSK modem system. Key words： Matlab；2DPSK；Modulate；Demodulate 目 录摘要IABSTRACTI第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 通信系统的一般模型11.1.2 数字通信系统模型21.2 DPSK研究的现状41.3 选题的目的与意义51.3.1选题的目的51.3.2选题的意义61.4 设计任务与技术要求6第2章 方案的设计和制定72.1方案的设计72.1.1模拟法调制72.1.2键控法调制82.1.3相干解调82.1.4差分相干解调92.2 方案制定10本章小结10第3章 数字频带传输系统113.1 数字通信系统113.2 调制解调技术113.2.1调制解调的概念113.3 2DPSK信号基本原理123.4 误码率133.4.1相干解调误码率133.4.2差分相干解调误码率13本章小结14第4章 2DPSK调制解调器的性能分析154.1 参数设计154.2 仿真设计154.4 遇到的问题与解决方案26本章小结27结论28致谢29参考文献30附录1 译文30附录2 英文参考资料33附录3 源程序代码37 第1章 绪论1.1 课题背景通信按照一般的理解就是信息的传输。从几千年前的烽火戏诸侯、第一根通信电缆的铺设、第一段摩尔斯电码的发出，到如今4G通信的普及以及5G通信的兴起，现代的人民时时刻刻都身处于通信的海洋中。千百年来，在通信的领域中，大家无不追求通信的实时性以及可靠性。现如今，全球范围内都在逐步实现信息化，在此背景下，信息技术及其通信过程，显得至关重要。实际上，信息的本质，是有一定价值的资源，但是，其必须基于广泛传播及其相应的交流共享，才能表现出自身的实际价值。一般情况下，通信在传输相关信息的过程中，还会涉及到计算机技术以及微电子技术等诸多技术，正在和已经向着数字化、智能化、宽带化、综合化、移动与个人化方面飞速发展。目前，通信已经对人们的生活方式、经济发展、政治、军事等方面，产生更加重大和意义深远的影响。目前DPSK调制是一种最接近PSK调制性能的一种调制方式，并且能够有效的克服PSK解调中出现的相位模糊现象，所以这种调制方法广泛应用于数据传输、数字微波以及卫星通信等领域，进一步的研究DPSK调制与解调对于实现通信的实时性以及有效性具有十分重要的意义，在下述内容中，主要针对相关通信模型及其具体调制方法，进行更深层次的细致阐述。1.1.1 通信系统的一般模型对于通信而言，其主要作用，在于完成多样化信息的日常传输工作。在通信系统中，主要将相关信息，基于信源，传递至指定的目的地。实际上，在电通信过程中，首先，需要将多样化消息，转化成相对应的电信号，其次，基于相关发送设备，将相关电信号，传递至信道，最后，系统接收端，将会对信道中的信号波形，进行细致的处理，并传递至信宿。完成这些步骤后，系统会将信息还原。上述具体过程，详见图1-1。图1-1 通信系统具体模型流程图在上述图中，多样化框图涉及到的具体功能大致如下：（1）信源对于信息源而言，其主要作用，在于将多样化消息，转换成原始电信号。基于相关信息种类的多样性，需要将信源大致分为两种。其中，主要包含模拟信源，与此同时，包含数字信源。一般情况下，对于模拟信源而言，其在实际输出过程中，主要输出连续不断的多样化模拟信号，例如：话筒以及摄像机等。然而，对于数字信源而言，其在实际输出过程中，主要输出离散性质的多样化数字信号，例如：电传机以及计算机等。除此之外，通过模拟信源实现送出的相关信号，如果完成数字化处理，则将也能实现送出相关数字信号。（2）发送设备对于发送设备而言，其实际作用，在于生成可以实现信道传输的多样化信号，从而将发送信号具备的相关特性，可以与信道存在的具体特性，进行完美匹配。实际上，对于这些发送信号而言，其必须具备一定抗信道干扰的实际能力，与此同时，需要具备相对较强的实际功率，来支撑远距离的日常传输。故此，对于相关发送设备而言，其涉及到的内容众多，其中，主要包含变换、滤波以及调制等诸多过程。除此之外，在多路传输系统中，存在的多样化发送设备，同时包含多路复用器。（3）信道信道的本质为物理媒介，其主要作用，在于将来源于多样化发送设备的相关信号，传递至相应的接收端。对于无线信道而言，其能够定义为自由空间；与此同时，对于有限信道而言，其能够作为明线、电缆以及光纤而存在。通常情况下，无论是对于有线信道，还是对于无线信道来说，都存在多样化类型的物理媒介。实际上，信道不仅会为相关信号营造良好的通路，也会对其产生一定程度的实际干扰。故此，对于信道而言，其具备的相关特性及其相应的干扰程度，将会对实际通信过程中的质量，造成一系列实际影响。（4）接受设备对于接受设备而言，其主要作用，在于将相关信号进行放大以及反变换。通常情况下，其主要针对已经减损的相关接受信号，进行相应的恢复，从而还原出原始信号。如果基于对路复用信号而言，在其相对应的接受设备中，将会包含解除多路复用，以此来实现相对全面的分路功能。除此之外，接受设备需要尽可能降低在进行实际传输时，多样化噪声及其干扰造成的一系列实际影响。（5）信宿对于信宿而言，其主要作用，在于将多样化信息，传输至指定的目的地，这与信源的实际作用正好相悖。实际上，信宿主要将原始电信号，提出相应的还原，形成相关信息，例如；扬声器。通常情况下，基于信号在信道中的实际传输类型，主要将其细分为两种。其中，主要包含模拟信号，与此同时，包含数字信号。两种信号分别涉及到相对应的系统。在下述内容中，主要针对数字通信系统，进行了更深层次的细致阐述。1.1.2 数字通信系统模型对于数字通信系统而言，其主要基于多样化数字信号，针对相关信息，实现日常传输。其具体流程示意图，详见图1-2。实际上，对于数字通信而言，其蕴含的技术问题呈现出多样性，其中，主要包含信源编码、信道编码、数字调制、加密解密等相关内容。图1-2 数字通信系统具体模型示意图（1）信源编码及其译码对于信源编码而言，其具备两个主要作用。其中，主要包含可以切实提升信息传输过程中的有效性，实际上，就是基于特定的压缩编码技术，尽可能降低码元的实际数量，以此来切实降低码元的实际速率。与此同时，包含实现摸/数彼此之间的转化，事实上，就是在信息源给出多样化模拟信号的情况下，通过信源编码器，将其转化成相对应的数字信号，从而实现多样化模拟信号的日常数字传输。值得一提的是，信源译码的本质，即为信源编码的逆过程。（2）信道编码及其译码对于信道编码而言，其主要作用，在于的针对多样化数字信号，当进行实际传输时，控制其尽可能免受相关噪声的实际影响。在此过程中，为了切实降低实际差错，信道编码器将会基于特定规则，针对实际传输过程中涉及到的信息码元，添设相应的保护成分，从而形成“抗干扰编码”。值得一提的是，信道译码的本质，即为信道编码的逆过程。（3）加密及其解密对于有必要实现保密通信的环境，为了切实保障其在实际传输过程中的信息安全，将通过人为干预的方式，扰乱即将被传输的相关数字序列。这种方式，即为加密。值得一提的是，减密的本质，即为加密的逆过程。（4）数字调制及其解调对于数字调制而言，其主要作用，在于将涉及到数字基带信号的相关频谱，通过相应的搬移，移动至高频位置，从而形成可以在信道中实现传输的多样化带通信号。通常情况下，当前时期比较典型的数字调制方法，主要包含振幅键控，频移键控，及其相应的相对相移键控。（5）同步对于同步而言，其主要作用，在于促进收发两端的相关信号，基于时间角度，保持高度的一致性，以此来切实保障数字通信系统的准确稳定运行。基于同步功能的多样性，可以将其细分为载波同步、群同步以及网同步。本文的重点关注于第4部分即：数字调制与解调，特别是详细研究了相对（差分）相移键控（DPSK）的调制与解调，并且将其与绝对相移键控（PSK）进行了对比。实际上，基于信道中实现传输的相关信号，是否已经通过实际调制的问题，能够将通信系统细分成两种。其中，主要包含基带传输系统，与此同时，包含带通传输系统。对于基带传输系统而言，其主要将没有通过实际调制的相关信号，进行实时传送，例如：有线广播等；然而，对于系统而言，其主要将通过实际调制的相关信号，进行实时传送。在下述内容中，主要针对多样化调制方式及其相应的具体用途，进行相关汇总，如表1所示。表1-1 相关调制方式及其相应的具体用途实际调制方式具体用途连续波序列模拟调制方式常规双边带广播双边带立体广播单边带无线电台残留边带数据传输频率调制卫星通信相位调制中间调制数字调制方式ASK数据传输FSK数据传输PSK，DPSK，QPSK数字微波QAM、MSK空间通信脉冲序列脉冲模拟调制方式脉幅调制遥测脉宽调制中间调制方式脉位调制光纤脉冲数字调制方式脉码调制空间通信增量调制军用数字电话差分脉码调制图像编码其他中速数字电话1.2 DPSK研究的现状现如今，针对社会通信信号调制辨认的相关研究，正在如火如荼的进行，国内外都有相干方面的钻研，而且获得很好的成果。近十年来，计算机领域及其相应的信号处理领域，正在不断蓬勃发展。在当前时期，数字调制传输技术，在通信领域中，发挥着极为重要的实际作用。对于数字调制传输而言，其中应用最为广泛的两种具体方式，即为2PSK和2DPSK。实际上，对于PSK方式而言，其主要基于载波相位，针对多样化信号的实际占和空以及二进制1,0，进行相应的表示。如果在某有线路线中，针对多样化数据，存在相对较高的实际传输速度，则将可能出现4个分歧甚至8个分歧的实际相移。在此情况下，接收机必须具备相对准确且相对恒定的参考相位，针对多样化类型的分类相位，进行相应的辨别。目前，由于某些编码数据，可以跟随相位的改变，而产生相应的变化，故此，这种方式，正在逐渐代替参考相位。然而，对于DPSK方式而言，其主要基于相位的变化，针对多样化信息，进行及时传输。对于二进制差分移相键控而言，通常情况下，可以将其称之为2DPSK。事实上，其并不会操纵载波相位涉及到的绝对数值，以此来传送多样化数字信息，而是选择以先后码元为基础，通过载波相位彼此之间的实际数值，传送相应的数字信息。故此，相较于2PS波形而言，2DPSK波形存在一定的差异性。现如今，对于当代通信领域而言，数字信号涉及到的载波传输，是至关重要的。由于相移键控具备相对较强的抗干扰机能以及相对较高的实际信道频带利用率，在通信领域中，获得了相对广泛的实际应用，科学家们对于数字通讯体系的研究愈发深入。除此之外，对于数字相位调制而言，可以将其细分为两种具体的调制方式。其中，主要包含PSK方式，与此同时，包含DPSK方式。对于DPSK调制方式而言，由于其在高频谱密度及其相应的超长距离传输过程中，存在相对广阔的利用远景，今朝，尝试钻研已经取得了良多成绩。OFC 2004上，G Charlet等人报道了6 Tb/s，并且实际传输距离高达6,120km，具有相对较高实际性能的RZ-DPSK系统。对于此类系统而言，其实际频谱效率超过了0.8b /s/HzoO FC2 003；与此同时，1.X.C ai等学者，曾经报道3.73T b/s，并且实际传输距离高达11,00 0k m，具有相对较高实际性能的RZ-DPS系统。对于此类系统而言，其实际频谱效率超过了0.4 b/s/Hz。一般情况下，以二进制调制为基础的WDM体系，无论选择何种多样化方式，针对非线性效应，进行相应的抵偿，系统具备的实际频谱效率，基于全部偏振目中，都不会超过1 b/s/Hz。如果系统要求实际频谱效率不得高于1 b/s/Hz，则需要进行OOK调制或者2DPSK调制。实际上，对于DPSK调制而言，其本质为相位调制方式，故此，常常会收到多样化非线性相位噪声的实际影响。如果针对DPSK系统，选择相应的光放大器，则其具备的ASE噪声，将会和SPM效应彼此之间，实现相互作用，从而形成Gordon-Mollenaur效应，进而引发多样化非线形相位噪声。除此之外，基于DPSK WDM 体系，通过XPM效应，而造成的多样化非线性相位噪声，将会对系统的实际机能，产生恶劣的一系列影响。针对上述问题，科学家们开展了长期的深入探索。在本篇论文中，本人通过自己的动手实验和理论的分析，加深自己对2DPSK信号的了解，加强自己对2DPSK知识的应用，从中体会本次设计中所带来的乐趣。1.3 选题的目的与意义1.3.1选题的目的在本次课题中，基于多样化信号的调制类型，可以将其细分为两类。其中，主要包含模拟信号，与此同时，包含数字信号。同时，基于多样化信号的调制方式，可以将其细分为模拟调制及其相应的数字调制。实际上，模拟调制方式在早期就被提出，故此，其实际应用范围相对广泛，主要应用于广播以及卫星通信。实际上，数字调制解调器集成电路，可以切实降低实际通信过程中的经济成本，以此来切实降低实际功耗。除此之外，通过运用相对较大的算法，能够切实提升多样化装备的实际可靠性。现如今，数字调制解调方式开始逐渐应用于计算机辅助设计，并且逐步实现自动化，将多样化调制解调方式彼此之间相互融合。故此，由于数字通信及其相应的数字方式正在逐步呈现出多样化，数字调制的重要性被凸现出来，且其种类越来越多。事实上，多样数字调制而言，其涉及到的具体方式，主要包含幅移键控以及频移键控，与此同时，包含相移键控等。在本篇论文中，主要针对二进制差分移相键控，进行更深层次的细致研究。通常情况下，对于数字调制而言，如果对其进行细致分类，则可以大致分为两类，即线性调制及其相应的非线性调制。其中，对于幅移键控来说，应该将其纳入线性调制的范畴，然而，对于频移键控而言，则应该将其纳入非线性调制的范畴。如果基于不异信噪比的条件下，相移键控将会存在相对更低的实际误码率，并且可以针对系统指定的信道频带，进行行之有效的操纵。如果相位较多，则实际传输速度将会越高，然而，由于相邻载波彼此之间的实际相位差相对较小，故此，接收端对于鉴相器提出的实际请求，将会愈发严苛，从而造成误码率逐步攀升。在此情况下，对于二进制数字调制具体方式而言，虽然其有可能占据相对较宽的实际频带，造成频率的实际利用率也相对较低，然而，其利于实现，并且多样化解调装备彼此之间也能实现相互兼容，同时，伴随着相对较强的抗干扰性能及其相应的抗衰落机能。故此，其在诸多数字通信系统中，获得了相对广泛的实际应用。1.3.2选题的意义二进制差分相移键控，说得简单些就是二相相对于调相，或者被简写为2DPSK。其并非通过控制载波相位的绝对数值来进行信息的传输，而是借助于前先后码元与载波之间存在的相位值来完成信息的传输。我们可以通过两种手段来对于2DPSK信号进行解调，其一为相干解调-码变换法，这也被叫作极性比较码变换法，而其二则是差分相干解调。而和2PSK的波形之间存在的区别则为，通常情况下，2DPSK波形的统一相位并非匹配着各不相同的数字标记，但是只有先后码元的相位差方可独将信息标记给确定下来。这就意味着在进行解调2DPSK信号的过程中，事实上并不会受到载波相位参考数据的影响，如果先后码元关于相位之间的联系一直存在的话，那么只要将相位关联给确定出来，就能够精准地对数字信息进行恢复。这样就不会出现2PSK方法里面“倒”的情况。因为我们能够在接收端对于数字抽样信号展开还原，故此，信号具有十分大的传输率。但是对于模拟信号而言，如果在进行传输的过程中存在干扰的话，那么就会给系统造成无法拯救的损害，这也正是出现失帧现象的缘由。和模拟通信比起来，数字通信要优秀太多，因而目前对于数字通信系统进行开发十分有价值。数字通信具备着十分强大的抗干扰性能，并且加密起来十分方便，可以十分简便地和现代技术融合起来，这些优点让它在很多通信方式以及频段里面受到了普遍的使用。要想让数字信号能够在带通信道里面进行输送，就应当借助于数字基带信号来关于载波展开调制，从而让信号具有和信道相一致的特性。1.4 设计任务与技术要求此设计是基于matlab进行二进制差分移相键控调制解调器属性研究。DPSK也被称作是差分移相键控，属于一类十分关键的数字调制手段，因为它十分好用，所以在通信工程里面得到了普遍的使用。2DPSK能够通过数字来进行调制，经常使用的2DPSK解调方式有差分相干解调和相干解调法。经由仿真软件对噪声背景下2DPSK系统进行性能分析。技术要求如下：1、采取Matlab软件成立2DPSK调制解调系统仿真模型；2、对系统加入不同的噪声，给出2DPSK解调系统抗噪声性能仿真结果。8第2章 方案的设计和制定2.1方案的设计本文主要采用相干解调以及差分相干解调两种方式来对2DPSK这种调制方式进行解调，然后对比这两种方式的解调性能，主要采用在不同的信噪比下获得解调的误码率，通过比较误码率曲线来确定解调性能的好坏。在进行解调之前，首先要实现2DPSK的调制，其次验证无噪声条件下相干解调与差分相干解调的正确性，然后通过增加高斯白噪声，进一步验证两种解调方法的有效性，最后通过添加不同的信噪比，得到误码率曲线图，比较误码率曲线，得出性能好坏，必要时可以与2PSK调制的性能进行对比。对于2DPSK调制而言，一般存在两种调制方法，即模拟调制方法以及键控方法，两种方法各有优劣；而对于解调方法，也是两种，即相干解调与差分相关解调，下面首先针对模拟调制与键控调制进行介绍，其次再对两种解调方法进行说明。2.1.1模拟法调制调制的含义为载波调制，即通过调制信号来对于载波参数进行把控。载波可以实现信号的传输，为高频信号。对于对于信息序列而言，如果要实现2DPSK调制，首先需要将信息序列由绝对码转化为相对码，就两个一样的基带数字信号序列来说，因为它们的初始码元的参考相位是不一样的，所以2DPSK的相位同样是不一样的。换句话说就是，基带信号和2DPSK信号相位之间并不存在完全的关联，只有前后码元之间存在的相位差方可对于信号符号进行制约。所以，我们第一步应该把绝对码元序列转化为相对码元序列，然后将相对码中0映射为1而1映射为-1，并用这种方法来调制高频载波的幅度，最终输的信号即为模拟调制方法输出的2DPSK调制的信号。模拟法调制的信号直观，但是对于元器件的要求比较严格，模拟法调制的框图如图2-1所示。图2-1 模拟法调制图2-1中的绝对码an的码型变换方法为：，从而获得差分码bn，其中符号代表二元域中的加，然后利用差分码来进行载波调制，实际上可以等价为绝对相位的2PSK调制，最后输出得到2DPSK信号。2.1.2键控法调制和通过模拟法而完成的2DPSK比起来，借助于键控法会简便许多。依据于图2-1能够发现，首先关于二进制数字基带信号展开差分编码，也就是将绝对码转换为相对码，接下来就是依照相对码来展开绝对调相，这样的话就能够形成二进制差分相移键控信号。键控法调制器的详细原理可以参照图2-2。在这之中码转变的步骤就是对于输进来的基带信号进行差分。选相开关的意义为在输入“0”的时候就接入相位0，在输入“1”的时候就接入相位。图2-2 键控法调制在键控法调制中，码元变换所扮演的角色和图2-1中是一样的。2PSK信号进行信号传输中的优势是误码率性能比较好，但是它在进行载波恢复时容易发生相位模糊的现象，换句话说，恢复出来的波长和所使用的波长存在反相的现象，而这个弊端的存在会对信号的传递产生很大影响，使得恢复的信号和发出信号恰好相反，“0”变成了“1”，而“1”也变成了“0”。为了弥补这个短板，专业学者发明了二进制差分移相键控技术。通过对此上图和图2-1可以明显的发现，两种调制方法的根本都是首先将二进制数字的有关信号编码处理，二进制信息的表达方式由绝对码转换为相对码，之后对信息进行调相处理，进而转换为二进制差分相位键控信号，利用这种方法能够很大程度上弥补由于2PSK信号导致的相位差，而2DPSK所具有的明显优势，使得它被广泛应用于各种信号处理设备中。在以后的论文中，笔者讲更为详细地解释2DPSK调制信号的常用调解方法。2.1.3相干解调信号解调时还可以利用相干解调的方法，这种方法也可以称为极性比较法，它具体的原理可以参考图2-1。对它的原理可以做出如下解释：对初始的2DPSK 信号采用相干解调的处理方法，得到相对码，然后借助码反变换器将信息转变成绝对码，然后得到初始的数字信息。在进行解调时，如果载波相位产生模糊现象，那么得到的相对码将出现错误，但是通过码反变换器处理后，得到的绝对码肯定是准确无误的，这样就可以弥补它的不足。具体原理可以参考图2-3：图2-3 相干解调框图研究上面的相干解调框图可以了解到，2DPSK信号在通过带通滤波器后，去除带外噪声，得到输出信号a，信号a与本地载波b乘积，得到信号c，信号c中存在低频信号以及高频信号，此时通过低通滤波器后，将高频信号去除，得到低频信号d，在定时脉冲的作用下，获得低频信号d在抽样时刻的判决值，通过与设定门限进行判决，从而获得判决信息序列e，将解调信号e进行反转，得到输出的信号f，此时的信号f即为解调出的信号。2.1.4差分相干解调2DPSK信号在进行处理时也能够使用差分相干解调的方法(即相位比较法)，它的具体原理可以参考图2-4。它所利用的原理可以这样解释：通过将转换前后码元的相位差进行比较，对二进制数字信息做出调整。因为在进行解调的过程中进行了码反转换，所以整个过程可以不使用码反变换器，使得整个过程更加简单。因为在进行差分相干解调时对专门的相干载波并没有很高的需求度，所以这种解调方法是非相干的。收到2DPSK信号号经过处理形成一个码元间隔T，之后将T和2DPSK信号相乘。由相乘器对相位结果进行比较。而得到的结果就是解调前与解调后信号的相位差值，然后借助进行低通滤波器对数据进行抽样检测，最终对原来的数字信号完成恢复。在整个处理过程中可以省略码反变换器的应用。图2-4 2DPSK差分相干解调原理框图图2-4的框图与图2-3相比较而言，不存在码反变换器，DPSK信号首先经过带通滤波器，滤出带外噪声，得到信号a，信号a经过延时后得到延时的信号b，然后将信号a与信号b相乘后，得到高频信号c同样通过低通滤波器后，得到低频信号d，最终通过抽样判决阶段，得到判决的信号e.2.2 方案制定首先必须要产生出2DPSK的调制信号，可以采用模拟调制以及键控来生成，其次需要模拟出高斯白噪声信道环境，这个部分可以利用MATLAB中自带的函数awgn(x, db, measured)，其中x为将要加噪声的原始信号，db为设定的信噪比大小，之后的measured表示的是加噪声的方式。差分相干解调这种方式在进行信号解调时过程比较简单，并不需要对原始载波进行恢复，而只需要把DPSK信号准确延迟一定的时间，然后和原始的信号相乘，得到的数据就可以表示解调前和解调后码元相位的差值，然后借助于低通滤波进行抽样检测，然后就完成了整个信息的解调过程，而可以省略差分解码的过程。相干解调法和相干解调码变换法的工作原理可以解释如下:首先对2DPSK信号采取相干解调的处理方法，得到相对码。然后利用码反变换器将信息转换为绝对码，进而得出原始的数字信息。经过对解调方法的说明后，明确了在2DPSK对比上采用相干解调和差分相干解调通过仿真软件对噪声背景下2DPSK系统进行性能分析。本章小结本章探讨了两种DPSK调制与解调的方案，根据所学的通信原理和一些matlab程序思想，对所需的解调技术进行研究，选择了模拟调制法，相干解调和差分相干解调。根据上述所说的方案，最终确定了方框图，由带通滤波器，相乘器，低通滤波器，抽样判决器等构成了解调方案。33第3章 数字频带传输系统3.1 数字通信系统一般情况下，对于数字通信系统模型而言，其主要分为三大部分。其中，主要包含信源以及信道，与此同时，包含信宿。实际上，真实的数字通信系统模型，相对庞大。故此，在本篇论文中，仅仅运用一般情况下的数字通信系统模型，详见图3-1。图3-1 数字通信系统具体模型示意图3.2 调制解调技术对于数字通信体系而言，最为重要的部分，即为调制解调。事实上，调制解调主要针对已调信号，切实保障其具备相对较高的频谱利用率及其相应的抗干扰能力。在下述内容中，将主要针对数字调制解调技术，进行更深层次的细致介绍。3.2.1调制解调的概念调制的基本含义，在于通过调制信号，针对载波涉及到的多样化参数，进行相应的控制或者转变，从而使已调信号，蕴含原有信号中包含的所有信息。对于载波涉及到的多样化参数而言，必须基于相关调制信号中蕴含的特定规律，进行相应的转变。实际上，调制的主要作用，在于将实际传输过程中的信号，可以和信道之间进行匹配，从而切实保障相关信号在实际传输过程中的有效性。值得一提的是，解调的本质，即为调制的逆过程。调制的主要目标，在于将实际传输过程中的多样化信号，转化为可以实现良好信道传输的对应信号，在此过程中，需要将基带信号，转化为实际频率相对更高的实际带通信号。实际上，该带通信号就是所谓的已调信号，而对于基带信号而言，就是所谓的调制信号。通常情况下，调制主要基于高频载波，跟随信号实时幅度的相关变化，针对载波的实际幅度，进行相应的改变。值得一提的是，解调的目标，即为调制的逆过程。在当前时期，最为典型的数字通信系统调制技术，主要包含频移键控、幅度键控、增量调制等诸多技术。 3.3 2DPSK信号基本原理实际上，在传输系统中，若想切实保障信息在实传输过程中的有效性，则需要具备相对较高的实际传输速率以及相对较低的误码率！针对相关信号，进行实际传输的过程中，相较于2ASK信号及其2FSK信号而言，2PSK信号具备相对良好的实际性能，然而，对于2PSK信号而言，其在实际传输的过程中，涉及到的相位，并不能保证其精确性，与此同时，可能导致接收码元“0”和“1”彼此之间倒置，从而形成相应的误码。科学家们为了切实保障2PSK具备的多样化优势，并且规避其误码现象，基于2PSK体系，进行了相对细致的改良，使其成为二进制差分移相键控，具备相对良好的实际性能。对于2DPSK方式而言，其主要通过操纵先后相邻码元的实际相位值，针对多样化数字信息，进行更深层次的细致表示。如果基于，针对本码元初相与上码之间的实际差值，进行相应的表示，并进行如下划定，可以得知：0主要代表0码，主要代表1码。则在此情况下，可以表示出数字信息序列及其相应2DPSK信号彼此之间的实际码元相位关系。例如：2PSK信号主要基于载波的多样化相位，针对指定的数字信号，进行相对直接的表示，故此，在其实际接收端，必须选择相干解调的具体方式。其中，其具体时域波形示意图，详见图3-2。图3-2 2DPSK信号对于上述绝对移相方法而言，在其系统发送端，主要基于某特定相位，故此，在其系统接收端中，需要选择相不异的对应基准相位。在某些情况下，假设基准相位发生了相应的改变，则接收端进行回复的相关信号，将完全相反于已经发送的相关数字信息。故此，一般情况下，论文中会主要选择相对移相方式。3.4 误码率3.4.1相干解调误码率2DPSK解调方法，其本质在于利用相干解调器，针对2DPSK信号，进行相关解调，从而形成相对应的相对码，与此同时，利用码反变换器，将上述相对码，转化为相对应的绝对码。在此情况下，基于抽样判决器，实现输出的多样化数字信号，存在的实际误码率，将会完全相同于相干接收2DPSK信号的实际误码率，具体如下： (3-1)在上述公式中，r代表信噪比。假设r代表大信噪比，则r将会高于1。在此情况下，上述公式，也可以重新整理为如下公式： (3-2)3.4.2差分相干解调误码率对于2DPSK信号而言，其所涉及到的差分相干解调法示意图，详见图2-4，对于此类方法而言，其相较于相干解调具体方法的差异性，在于差分相干解调具体方法涉及到的参考信号，不存在相对恒定的载频及其相位，故此，如果在特定码元间隔中，需要发送“1”，则必须将上个码元，设置为“1”，在此情况下，对于中乘法器而言，其实际输入信号具体如下： (3-4) (3-5)其中y1(t)是无延迟支路的输入信号；y2(t)是有延迟支路的输入信号。两路相乘后，经低通滤波器的输出信号为x(t)=12a+n1c(t)a+n2c(t)+n1s(t) (3-6)x(t)通过抽样形成的具体判决准则如下：如果x(t)的实际抽样值x，已经超过0时，则应该将其定义为“0”码，属于正确判决的类型；如果x(t)的实际抽样值x，低于0时，则应该将其定义为“0”码，属于错误判决的类型。通过相对细致的分析，可以得知，将“1”码错误判决为“0”码，其实际条件概率pe1应该如下： Pe1=12e-r (3-7)基于同等原理，可以得知，将“0”码错误判决为“1”码，其实际条件概率Pe0应该等同于式(3-7)。故此，如果已经发送的“1”码，与已经发送的“0”码之间，存在相同的条件概率，2DPSK差分相干解调法的总误码率为 Pe=12e-r (3-8)本章小结在本章节中，主要针对数字频带传输系统中涉及到的数字通信系统，进行了更深层次的细致介绍，与此同时，针对调制解调涉及到的多样化技术及其基本概念，进行了相对细致的论述。在2DPSK信号中调制解调的基本原理，和相干解调与差分相干解调的框图。又学习了两种解调方式的误码率。第4章 2DPSK调制解调器的性能分析Matlab是一种解释性履行说话，具备壮大的计算、仿真以及画图等多样化功能。实际上，对于MATLAB语言而言，其主要基于数组，组成相应的数据单元。在此数据单元中，主要包含控制流语句，数据结构以及面向工具等诸多语言。通常情况下，MATLAB通信工具箱，主要基于通信领域，开展更深层次的细致研究，其中，主要涉及到理论研究，阐发计划以及仿真式软件包等。在MATLAB通信工具箱，主要包含五大部分。其中，主要包含主开发环境、MATLAB语言及其相应的MATLAB应用程序接口，与此同时，包含MATLAB数学函数库、和图形处理。对于2DPSK调制解调器而言，针对其具体性能的细致分析，是此设计的研究内容，以下是分析2DPSK通信性能的步骤：(1) 通过仿真相干解调和差分相干解调两种解调方式进行对比，并得出系统误码率性能；(2) 对系统加入不同大小的高斯白噪声，给出2DPSK解调系统抗噪声性能仿真结果；4.1 参数设计(1)系统实际抽样频率应该如下：fs=400；(2)数字基带信号的实际频率应该如下：k=2；(3)正弦载波频率应该如下：fc=2；(4)仿真时间范围应该如下：t=0:1/fs:4000/fs；(5)需要产生的码元个数：s=randi(0,1,1,p)；(6)将基带生成时域信号：m=s(ceil(k*t+0.01)4.2 仿真设计（1）相干解调的仿真框图构建按照2DPSK调制解调的框图，对相干解调算法的流程进行设计。首先按照设定的参数进行赋初值，即初始化参数，其次产生待发送的数字基带信号，即0,1二进制数据流，然后将二进制数据流转换为差分码元，这样就从绝对码转化为差分码，再次采用模拟法产生2DPSK调制信号，这样实现了2DPSK信号的产生；在完成2DPSK信号的产生之后，下一步开始解调，采用相干解调的方法，首先设定好带通、低通滤波器的参数值，同时加入高斯白噪声，然后设定判决门限值，实现2DPSK信号的解调。具体的设计流程图如图4-1开始为各参数赋初始值产生数字基带信号并转换成差分码产生正弦载波和2DPSK信号并加入噪声设置带通，低通滤波器和抽样判决器产生解调后信号经过码反变换并产生原始基带信号绘制输出的各点波形结束图4-1 相干解调仿真设计流程图（2）仿真分析首先通过randi(0,1,1,L)函数生成随机发送的信息码元序列，其中L取值为10，得到基带信息序列的波形为，如图4-2所示。图4-2 基带信息序列然后将信息序列进行差分处理，得到差分码元序列，结果如图4-3所示。图4-3 差分信息码元其次，将差分信息码元与载波相乘，得到相应的调制2DPSK带通调制波形，结果如图4-4(a)以及(b)所示。 (a) 载波波形 (b)2DPSK调制波形图4-4 载波以及2DPSK调制波形加入高斯白噪声，设定白噪声的信噪比为3dB，并将白噪声与调制波形相叠加，得带结果如图4-5(a)以及(b)所示。(a)噪声信号 (b)加噪声后的2DPSK信号图4-5 噪声信号以及加噪后的2DPSK信号然后通过带通滤波器，带通滤波器采用的是巴特沃斯滤波器，参数设定为通带范围为fc到2*fc，过渡带为0.25*fc到0.5fc以及2.5fc到2.75fc通带内衰减为0.1dB，阻带内衰减为60dB，首先将带噪声的信号通过滤波器，得带如图4-6的波形。图4-6 通过带通滤波器的波形从图4-6可知，调制的信号通过带通滤波器后，噪声几乎被滤出了，下一步进行相干解调，将图4-6的信号波形与载波相乘，得到图4-7的结果。图4-7 载波与通带信号乘积结果将图4-7的信号通过低通滤波器，进一步得带低通后的信号，低通滤波器选取为巴特沃斯滤波器，滤波器的参数设定为：通带频率为：fc，截止频率为2fc，通带内衰减为0.1dB，阻带中衰减为60dB，得带结果如图4-8所示。图4-8 低通滤波的信号最终通过抽样判决，得到差分后的信息码元，结果如图4-9所示。图4-9 解调后的差分码元通过还原图4-9的结果，得到绝对码，也即是原始发送的基带码元，结果如图4-10所示。图4-10 解调后的码元对比图4-10与图4-2，两者的码元相同，说明相干解调算法流程是正确的。（3）差分相干流程图按照2DPSK调制解调的框图，对差分相干解调算法的流程进行设计。首先按照设定的参数进行赋初值，即初始化参数，其次产生待发送的数字基带信号，即0,1二进制数据流，然后将二进制数据流转换为差分码元，这样就从绝对码转化为差分码，再次采用模拟法产生2DPSK调制信号，这样实现了2DPSK信号的产生；在完成2DPSK信号的产生之后，下一步开始解调，采用差分相干解调的方法，首先设定好带通、低通滤波器的参数值，同时加入高斯白噪声，然后设定判决门限值，以此来促进2DPSK信号实现解调。其中，差分相干流程示意图，详见图4-11。开始为各参数赋初始值将数字基带信号并转换成差分码产生正弦载波和2DPSK信号并加入噪声设置带通，低通滤波器相乘器和抽样判决器产生解调后信号恢复原始基带信号绘制输出的各点波形结束图4-11差分相干解调流程图（4）差分相干解调仿真首先，基于randi(0,1,1,L)函数生成随机发送的信息码元序列，其中L取值为10，得到基带信息序列的波形为，如图4-12所示。图4-12 原始信息序列然后将信息序列进行差分处理，得到差分码元序列，结果如图4-13所示。图4-13 差分码元序列其次，将差分信息码元与载波相乘，得到相应的调制2DPSK带通调制波形，结果如图4-14(a)以及(b)所示。 (a) 载波信号 (b)DPSK调制信号图4-14 载波与调制信号加入高斯白噪声，设定白噪声的信噪比为3dB，并将白噪声与调制波形相叠加，得带结果如图4-15(a)以及(b)所示。 (a)噪声信号 (b)有噪调制信号图4-15 噪声与有噪调制信号然后通过带通滤波器，带通滤波器采用的是巴特沃斯滤波器，参数设定为通带范围为fc到2*fc，过渡带为0.25*fc到0.5fc以及2.5fc到2.75fc通带内衰减为0.1dB，阻带内衰减为60dB，首先将带噪声的信号通过滤波器，得带如图4-16的波形。图4-16 带通信号从图4-16可知，调制的信号通过带通滤波器后，噪声几乎被滤出了，下一步进行相干解调，将图4-16的信号波形与改信号延迟相乘，得到图4-17的结果。图4-17 延迟乘积信号将图4-17的信号通过低通滤波器，进一步得带低通后的信号，低通滤波器选取为巴特沃斯滤波器，滤波器的参数设定为：通带频率为：fc，截止频率为2fc，通带内衰减为0.1dB，阻带中衰减为60dB，得带结果如图4-18所示。图4-18 低通信号最终通过抽样判决，得到信息码元，结果如图4-9所示，此时需要将解调信号反向即可得到原始信息序列。(a)解调后的信息 (b)原始信息序列图4-19 解调序列与原始序列对比对比图4-19与图4-12，两者的码元相同，这代表差分相干解调算法的具体计算流程，是完全正确的。(5) 对于误码率而言，其主要针对数字通信系统性能涉及到的多样化指标，进行细致衡量。如果在信道中，存在高斯白噪声干扰的情况，则对于调制系统来说，其实际误码率，将直接受到解调器在输入过程中实际信噪比的影响。然而，误码率的具体表达方式，主要跟随具体解调方式的变化，而产生相应的改变。基于2DPSK调制方式的情况下，不论是相干解调具体方式，还是差分相干解调具体方式，其误码率的大小也是不相同的，图4-20为两种解调方式的误码率Pe与信噪比R的关系曲线。图4-20误码率与信噪比的关系曲线由误码率曲线图也可知，当进行差分解调的过程中，对于2DPSK系统而言，其实际误码率，将会跟随实际信噪比的逐步攀升，而以特定的指数规律不断降低。实际上，通过差分相干解调中涉及到的相对调相，不仅可以免除相干载波的帮助，而且在抗频漂能力以及抗相位慢抖动能力等诸多方面，相较于相干解调涉及到的绝对调相，具备相对更强的实际性能。4.4 遇到的问题与解决方案本篇论文，针对2DPSK调制解调系统，进行相应的仿真设计过程中。由于信道中存在一定的高斯白噪声，与此同时，伴随低通滤波器相关程序的实际编写问题，故此，只需要细致观察系统生成的眼图，就能得知码间干扰及其多样化噪声对系统产生的实际影响，这是由于，其在完成解调时，其实际输出波形，相较于通过信号源生成的波形，存在一定的时间延迟或者畸变。具体解决方案如下：（1）若想切实提升系统的实际传输性能，则当重新编写相关程序的过程中，必须经过仔细的检查从而得到正确的程序。（2）细心与耐心钻研每一个问题，有针对性多多查阅资料，实在有困难及时与老师进行沟通。本章小结本章主要论述了2DPSK的设计与仿真，主要运行相干解调与差分相干解调的仿真图形，运行仿真并对其结果进行分析，对比了不同解调方式的误码率曲线图。而且也列举了在仿真时所遇到的困难并给出了解决方案。结论通过一学期的毕业设计，本人已经可以通过系统的方法，深入领会相关理论知识，并逐步扩充了自身的知识储备。在本次设计中，主要基于理论知识，开展实践设计，旨在实际设计过程中，能够发现一系列问题，并独立找出可以解决这些实际问题的具体方案。与此同时，基于实际设计过程，还能针对自身的知识储备，进行相应的检验，并对其进行巩固，查漏补缺，锻炼自己运用知识的能力。在进行毕业设计的这个学期中，我通过MATLAB这个软件进行软件仿真，已经全面提升了自身的在实践中的动手能力及其独立思考的能力，使我更加了解自身所处通信领域的实质。在传统的学习模式中，我们通常只会注重于理论知识，而忽略了将其与实践之间相融合，在此情况下，即使存在极为优秀的设计，也只能纸上谈兵。在本次设计开始之初，由于时间以及自身知识储备等多样化因素，我根本无从下手，最终，通过一系列比对，决定基于MATLAB，针对2DPSK调制解调，进行更深层次的细致设计。在设计过程中，我明白如果相关信号，将会通过低通滤波器，则是为了滤去高频分量，滤去载波成分，所以在低通滤波器的截至频率的设置较为关键。除此之外，在此次设计中，主要基于理论结构，构建出相对简单的系统，其主要目的，在于切实掌握数字基带传输过程中的基本原理及其具体过程，例如：信道中存在的高斯白噪声等。如果改变多样化参数，得出的波形也会发生相应的改变，然而，通过仿真而得出的波形，与上述改变相同，只是在具体解调方式上，存在一定的差异性。相较于相干解调具体方式而言，差分相干解调具体方式显得相对简单，并且可以切实解决2DPSK存在的倒现象。通过输入多样化信号，能够获得与之相对应的解调信号。事实上，在此次设计过程中，