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2GHz无线信号的DPSK信号调制与发射机设计

发布时间:2019-11-29 18:41

  摘 要

  差分相移键控(Differential Phase Shift Keying,DPSK) 因其有极高的灵敏度和极低的误码率等特性,是近年来在无线传输系统中应用非常广泛的调制码型。

  本次课题设计主要任务是设计一种基于2GHz载波频率的DPSK信号调制与发射机仿真模型。主要内容包括:研究DPSK调制通信系统的工作原理、DPSK调制与PSK调制的不同之处、无线发射机的仿真模型搭建,包括基本放大电路的设计、震荡电路的设计、调频电路的设计等。

  根据研究结果表明,DPSK调制在实际生活中可以得到很好的应用,调频发射机比调幅发射机更能满足我们的要求。

  关键词:DPSK调制,无线发射机,参数设置,电路仿真,传输性能

  前言

  作为数字调制的重要调制方式之一,DPSK调制方式的特点是效率高、差错少,因此它在当今通信社会有着越来越来广泛地应用[1]。但他的设计研究过程比较复杂,因而在不影响系统性能的前提下,如何简单设计一个DPSK调制模型,对系统进行DPSK调制的相关研究就显得非常重要。

  课题步骤主要分为:资料收集学习理论知识及当前研究现状分析、DPSK信号调制研究、系统仿真调试与实验结果分析、完善课题设计等几个阶段[2]。

  本文的结构安排如下:

  第一章介绍了2GHz的DPSK信号调制与发射机设计的背景目的,还有国内外的一些研究现状,并且了概括了本文研究的主要内容。

  第二章介绍了2GHz的DPSK信号调制的基本原理和DPSK基于MATLAB的仿真,并对DPSK系统的仿真结果进行分析。

  第三章介绍了PSK系统的基本原理,并把PSK与DPSK系统进行了对比,区别两种数字系统的不同。

  第四章介绍了调频发射机的组成,并基于MULTISIM软件对调频发射机进行了设计与仿真,得出仿真结果、分析仿真结果[3]。

  第五章进行了课题总结,表达了本人对本课题研究的不足之处及感想感悟。

  第一章 绪 论

  1.1 研究课题背景

  差分相移键控(Differential Phase Shift Keying),简称DPSK,是数字调制方式中一种很重要且十分实用的调制手段,在无线传输系统中得到广泛运用[4]。就是某一从零频率或者很低的频率的信号对载波信号进行调制,得到可以在信道上传播的信号,从而能在带通信道中传输所需要的数字信号。调制解调技术在现代通信中起着举足轻重的作用,所以对解调调制技术的研究与分析,有着深刻的意义。

  与其他数字调制方式的区别在于其波形的不同,其他数字调制的波形与信号的正电平和负电平对应着二进制数字的“0”或“1”,而DPSK的波形则不是一一对应的关系,他是通过正电平和负电平相对不同确定其唯一波形。这表示调制解调DPSK信号时,不需要被载波信号的取值所束缚,只要明确相对电平的取值,就可以正确调制解调出数字信号[5]。

  现在我们最常用的发射机有两种:调幅发射机和调频发射机。对比与调幅发射机,调频发射机完善更能发射机的性能。抗干扰能力极强,覆盖范围大,以及容量可以无限扩大等都是调频发射机的优点。不仅如此,调频发射机还有很广泛的运用,在教育,安全,广播等方向正在快速发展和不断使用中。本次设计主要是通过基本放大电路、震荡电路、调频电路等设计一个调频发射机。

  1.2 研究目的与现状

  1.2.1 研究目的和意义

  DPSK信号在传输时有着极高的灵敏度和极低的误码率,是数字调制方式中一种很重要且常用的调制码型,在无线传输系统中得到广泛运用。与幅移键控(Amplitude Shift Keying),简称ASK信号及频移键控(Frequency Shift Keying),简称FSK信号相比较DPSK信号有极低的误码率,同时,与PSK信号相对比又少了其在传输信号时候所产生的不确定性,不会发生“倒π”现象,基于以上优点,在数字调制方式中通常采用DPSK调制即差分相移键控[6]。

  1.2.1研究现状

  数字调制有很多种方法,每种方法都有它的优势与缺点,在不同的信道情况下,采用不同的数字调制,其系统性能和信道复杂度都会大有不同。在性能和复杂度之间取得良好的折中,通过改进传统的算法,使复杂度的大致不变,却使得性能很大改进,需要开展研究[7]。

  关于研究DPSK调制方式的优点,我们通常利用DPSK调制与二进制相移键控(Phase Shift Keying),简称PSK调制,相对比,将这两种不同的数字调制方式结合起来,进行区别[8]。

  目前我们针对DPSK调制的研究,国外许多研究人员使用了不同的方法,常用的研究方法有模拟调制法和键控法。不同的方法都有各自的优缺点,但在不同的应用场合我们可以选择最佳的研究方式,通过比较选择更优的方案。

  1.3 课题研究的主要内容

  本次课题设计主要任务是设计一种基于2GHz载波频率的DPSK信号调制与发射机设计。主要任务包括:熟悉和掌握DPSK信号调制的基本原理以及DPSK通信系统的工作原理,进行了DPSK无线调制系统的搭建;基本放大电路的设计、震荡电路的设计、调频电路的设计组合成调频发射机,根据系统的参数设计要求并结合仿真电路的参数设置,进行无线发射机的设计。2GHz无线信号的DPSK信号调制与发射机设计的研究内容如下图1-1所示

  第二章 DPSK系统的基本原理

  2.1 DPSK系统的基本模型

  差分相移键控是采用信号前后相对电平的不同来构建的一种数字调制方式。DPSK表达方式就是通过前后相邻的高低电平的相对相位值去表示数字信号的一种方式[9]。

  例如,当二进制信号为10110时,2DPSK的波形的表达方式可以如下图2-1。

  如上图所示,2PSK以横坐标值为1作为中心对称轴,2DPSK以横坐标值为-1作为中心对称轴。从图中我们可以清晰的看出,2PSK的信息代码为0-101010-1 0-1010-101010-1,2DPSK的信息代码为010-1010-1010-10-101010-1,得出上图符合DPSK调制的原理。

  为了满足课程设计的要求,本次课题研究设计了差分相移键控即DPSK系统的调制解调原理框图,在完成框图设计的前提下,利用MATLAB软件对DPSK系统的调制解调系统进行仿真,进行仿真结果与理论结果进行对比,得出仿真实验与理论值的差别,是否存在失真或实验错误。参考对象是仿真的输入输出波形,并设计不同的参数,进行不同结果的对比。

  2.2 DPSK系统的调制解调

  2.2.1 DPSK信号的调制原理:

  调制:通俗的讲就是利用数字处理的方式把基带信号变成能在合适的信道中传输的的带通信号。

  目前模拟调制法调制和键控法调制是DPSK最常用的两种调制方式。如图2-2所示是DPSK信号的的模拟调制法的过程流程图,分为码变换、相乘和载波三部分。其中码变换的作用是把信号从单极性信号转化为双极性信号。

  如图2-3所示是DPSK信号的键控法的调制过程流程图。键控法的原理是,首先把基带信号进行差分变化,再通过反相器和载波信号在选项开关处进行转化,变为已调信号。其中差分变化的过程是将基带信号转化为其相对码信号,选项开关是将数字信号进行对接,当数字信号为“0”时对接为0,当数字信号为“1”时对接为π,最后把信号变成能在合适的信道中传输的带通信号

  2.2.2 DPSK信号的解调原理:

  解调:调制的反向过程。一种把带通信号变成数字基带信号的过程。

  极性比较法解调和差分相干解调法解调是我们最常见的解调DPSK信号的方法。

  极性比较法解调的过程是,首先DPSK信号被带通滤波器滤波,目的是为了去除信道中的无用干扰噪声。其次是被带通滤波器滤波过后的信号与本地载波相乘,作用是去除原信号的载波部分。接下来信号再经过低通滤波器,其目的是为了去除原信号的高频部分。最后把信号放入抽样判决其进行判决,目的是为了得到信号的差分码,再把差分码信号通过逆差分器,就得了原始的信号。极性比较法解调的流程框图如图2-4所示。

  差分相干解调的过程是,首先DPSK信号被带通滤波器滤波,目的是为了去除信道中的无用干扰噪声。然后被带通滤波器滤波过后的信号与本地载波信号相乘。接下来信号再经过低通滤波器,其目的是为了去除原信号的高频部分。最后把信号放入抽样判决其进行判决,目的是为了得到信号的差分码,再把差分码信号通过逆差分器,就得了原始的信号。差分相干解调的流程框图如图2-5所示

  2.2.3 DPSK信号的调制解调模型:

  DPSK调制与解调原理如图2-6。其过程有差分编码、带通滤波、抽样判决等如下图所示

  2.3 DPSK调制解调MATLAB仿真图

  DPSK信号被带通滤波器滤波,目的是为了去除信道中的无用干扰噪声。然后被带通滤波器滤波过后的信号与本地载波信号相乘。接下来信号再经过低通滤波器,其目的是为了去除原信号的高频部分。最后把信号放入抽样判决其进行判决,目的是为了得到信号的差分码,再把差分码信号通过逆差分器,就得了原始的信号。以下为DPSK调制解调的MATLAB仿真图[10],含有原始信号图、调制后的信号图、相乘后的波形图、低通滤波后的波形图以及逆码变换后的波形图。

  第三章 DPSK系统与PSK系统的区别

  3.1 PSK系统的基本模型

  PSK是目前世界上相移键控中最容易实现的一种形式,它通过两个相位相差为180度的载波来传输我们所需的数字信号,同时二进制相移键控 (Binary Phase Shift Keying),简称BPSK[11],是他的另一种称号。因为他是通过载波信号的相位差来直接表示数字信号的调制方式,所以称为二进制绝对移相方式。载波信号的相位的变化被数字基带信号所控制的一种形式叫数字相位调制。常用的PSK调制方法有直接调相法和相位选择法。其中通过载波信号和基带信号直接相乘的原理叫做直接调相法。利用振荡器电路和反相器电路的组合实现调制的方法叫做相位选择法。

  数字键控法的原理框图如图3-1,这是一种通过载波信号和基带信号直接相乘的调制方式。基带信号与载波信号相乘的目的是为了进行相位的变化,再通过开关电路形成所需的PSK调制信号[12]。

  例如,用Φ来表示初始电平与后一电平的差值,并且定义为:Φ=0表示低电平,即用“0”表示,Φ=π表示高电平,即用“1”表示。所以通过前后电平的不同的相对关系,我们可以得出PSK的波形的表达方式,如下图3-2所示,我们可以清晰的看到PSK信号与原始信号的波形[13]。

  以上为绝对移相变化也就是PSK信号调制,他要求发送端的相位接受端相位所采用的基准相同,这样才能得到说所需信号,如果不同的话,则得到的信号与系带信号完全相反,也就是常说的会发生相位模糊现象。为了避免这种现象,我们常采用相对移相方式来代替绝对移相方式。

  假设绝对码数值为11100100,得到的PSK信号的波形图如图3-3所示:

  图3-3 PSK信号调制波形

  如上图所示,载波以横坐标值为1作为中心对称轴,2PSK以横坐标值为-1作为中心对称轴。从图中我们可以清晰的看出,载波的信息代码为010-1的重复波形图,2DPSK的波形图为当绝对码数值为1时,信息代码为010-1010-1,当绝对码数值为0时,信息代码为0-1010-101。

  PSK信号只能使用相干解调,因为发生相位变化的载波信息,当PSK信号在发送“0”或“1”时,所以其不能使用非相干解调模式。他要求发送端的相位接受端相位所采用的基准相同,这样才能得到说所需信号,如果不同的话,则得到的信号与系带信号完全相反,也就是常说的会发生相位模糊现象。假设PSK信号采用非相干解调,也就是包络检波解调,则不能区分相同的频率和相同的幅度信号[14]。

  3.2 DPSK系统与PSK系统的区别

  绝对相移键控(PSK)信号调制过程中会有“倒π现象”。我们实验时,假设PSK调制信号与载波信号所参考的初相位相同,但由于其在解调过程中可能出现“反向工作”现象,也就是相位发生模糊,使解调出来的信号与原始信号的方向完全相反,得到的信号不是我们所需要的信号,为了克服这一问题,差分相移键控(DPSK)就被提出来了。通过DPSK信号调制解决的PSK信号调制所存在的“倒π”现象或“反相工作”现象[15]。

  下图3.2.1为PSK调制信号与DPSK信号调制的MATLAB仿真对比图。

  第四章 调频发射机

  4.1发射机的基本介绍

  发射机(a transmitter circuit)电路的目的是通过某信号对载波信号进行调制,进而转变成能在天线上传输的有一定带宽的有用信号。发射机是我们日常生活中一种很常用的电子器件,我们能在各行各业种遇到它,例如广播、警报等行业。常用的发射机种类有调频发射机、调幅发射机、调相发射机、编码调制发射机。

  在设计发射机的过程中,有纯硬件实现和软硬件结合两种方式可供选择,由于软硬件结合的方式要用到编程,比直接硬件设计要复杂不少,且软件能实现发射机功能,简单硬件发射机也能实现,因而本设计考虑用简单硬件来实现发射机的设计[16]。

  本课题设计的目标是无线发射机,因而在满足频率的条件下,要求电路尽量不要复杂,且稳定性好,可靠性高。

  4.2 调频发射机

  4.2.1 调频发射机的基本原理

  对比与调幅发射机,调频发射机更能完善发射机的性能。抗干扰能力极强,覆盖范围大,以及容量可以无限扩大等都是调频发射机的优点。本次设计主要是通过放大电路和震荡电路等设计一个调频发射机,最后利用Multisim软件对设计的电路进行仿真以及分析。

  调频发射机的组成可以分为:基本放大电路、LC震荡电路、调频电路以及总体放大电路。所以整体电路的组成框图可以如下图所示:  1、基本放大电路:

  调频发射机基本放大电路如图4-2所示。Q1为型号2SC1815的三级放大管,三个电阻的大小可以控制电路的稳定,1、2号电阻提供静态偏置效果,3号电阻的大小可以设置输入信号的大小,提供的信号要求有效且失真小,设计成线性放大效果

  调频发射机基本放大电路仿真结果如下图4-3所示,由上图仿真图可以看出,通道1信号的大小为7.071mV,通道2信号的大小为986.018mV,两个通道的信号失真小,频率稳定,信号清晰可见,因而符合我们放大电路的设计要求。根据仿真结果,下面的波形图为原始信号信号图,上面的波形图为放大后的信号图,由图可以直观地看出信号是有明显的放大

  2、LC震荡电路:

  LC震荡电路仿真图如图4-4所示:LC震荡电路又称为谐振电路,含有电容电感等元器件,在没有输入信号的前提下,自发的产生正弦波信号[17]。

  LC震荡电路的仿真结果如图4-5所示,由上图仿真结果可知,在无外界输入信号的条件下,震荡电路自发的产生了大小为1.732的正弦波信号,且信号稳定,失真小。

  3、调频电路:

  调频发射机调频电路仿真图如图4-6所示:

  调频发射机调频电路仿真结果如图4-7所示:下图中有的两个波形,上面的波形是需要我们调频波形,他是不规则的三角波,而下面的波形为我们调频之后的波形图,他是规则的周期性的正弦波,失真小且符合我们调频电路的设计要求。

  4、总体放大电路:

  调频发射机的总体设计电路图如图4-8所示:

  5、结果分析

  基本完成调频发射机的设计。但还存在一定的缺陷和不足之处。电路所得到的正弦波并不是完美的正弦波,有似三角波,存在一定的失真。 通过这次课题设计,让不仅我知道了无线调频发射机的基本组成和工作原理,了解了发射机的基本工作过程。在这次试验中不仅锻炼了我的动手能力和动脑能力,提高了我对问题的探讨能力、分析能力以及解决问题的能力还有实践能力,达到了我们设计的基本要求和设计能力。基本完成调频发射机的设计。但还存在一定的缺陷和不足之处。电路所得到的正弦波并不是完美的正弦波,有似三角波[18],存在一定的失真。失真的原因可能是由于各级电路之间的干扰,也有可能是没有选择最完美的元器件的大小。实验过程中不停的数据及电路的改动,让我的实验越来越完美,这也验证了真理的检验是由实践完成的。

  第五章 总结与展望

  5.1 课题总结

  刚知道设计题目的时候,看不懂题目,无从下手,可能是由于自己专业知识能力不够,对于题目的理解把握不了,在查阅了一翻资料之后,最终决定分两部分来完成:DPSK调制部分和发射机部分。在下这个决定之前,我设计题目的思路是调制部分和发射机部分结合在一起完成,但思考了很久,考虑到自己的专业知识以及时间的关系,分别用两部分来完成是一种更好的选择。

  此次设计是基于MATLAB的DPSK调制与基于MULTISIM的发射机的设计,所以这两个软件的学习与使用也是本次试验成功与否的重要因素[19],所以学会MATLAB软件和MULTISIM软件的使用也是十分重要的。通过此次试验,加强了我的动脑思考及动手操作能力,以及专业知识和专业技能的增长。若以后工作生活中能用到的话,能对以后的工作生活有一定的正面影响。本次课题设计主要任务包括:熟悉和掌握DPSK信号调制的基本原理以及DPSK通信系统的工作原理,进行了DPSK无线调制系统的搭建;基本放大电路的设计、震荡电路的设计、调频电路的设计组合成调频发射机,根据系统的参数设计要求并结合仿真电路的参数设置,进行无线发射机的设计。

  通过这次课题设计,让不仅我知道了无线调频发射机的基本组成和工作原理,了解了发射机的基本工作过程。在这次试验中不仅锻炼了我的动手能力和动脑能力,提高了我对问题的探讨能力、分析能力以及解决问题的能力还有实践能力,达到了我们设计的基本要求和设计能力。基本完成调频发射机的设计。但还存在一定的缺陷和不足之处。电路所得到的正弦波并不是完美的正弦波,有似三角波,存在一定的失真。失真的原因可能是由于各级电路之间的干扰,也有可能是没有选择最完美的元器件的大小。实验过程中不停的数据及电路的改动,让我的实验越来越完美,这也验证了真理的检验是由实践完成的。

  总之,我在这次课题设计中收益颇多,不仅加强了专业知识,提高了我对问题的探讨能力、分析能力以及解决问题的能力,而且让我明白了知道导师指导的重要性。

  5.2 课题展望

  在科技发展越来越快的今天,我们对无线通信技术以及通信设备的要求越来越高,DPSK调制解调技术与发射机设计技术在本领域也将越来越重要。而调幅发射机与调频发射机的发展也越来越快也值得我们去挑战设计以及开发它。

  总的来说,DPSK调制解调技术与发射机设计技术的发展将会越来越往好的方面发展,而对DPSK调制解调技术与发射机设计技术具有很好的研究价值,需要我们认真努力去探索和研究[20]。

毕业论文:http://www.3lunwen.com/jy/tyjy/5307.html

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