《通信原理》课程设计2DPSK调制系统.doc

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1、通信原理课程设计 题目名称：2DPSK调制系统 指导老师： 姓 名： 学 号：_ _时 间：_2007年12月20日任务设计书1、设计要求设计一个2DPSK调制电路，实现移相键控； 2、电路要求1、载波频率为5MHZ；2、利用TKCS-A型通信系统原理实验装置；3、利用YB4340C示波器观察波形；4、M序列发生器的码长M=31。3、实验要求 1、了解M序列的性能，掌握其实现方法及其作用； 2、了解2DPSK系统的组成验证和调制原理； 3、掌握集成电路压控振荡器在系统中的应用；4、掌握2DPSK系统主要性能指标的测试方法。4、参考电路 画出电路原理图，2DPSK调制系统一、二进制相对调相(二进

2、制差分调相2DPSK)1.一般原理与实现方法 二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。假设相对载波相位值用相位偏移表示，并规定数字信息序列与之间的关系为 进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指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

3、息“1”则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下所示:二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信号相位： 0 0 0 0 0 0 或 0 0 0 0 0 数字信息与之间的关系也可以定义为 = 0, 表示数字信息“1” , 表示数字信息“0”2DPSK信号的实现方法可以采用：首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。2DPSK信号调制器原理图如图1.1 所示 图1.1 2DPSK信号调制器原理图 图1.2 2PSK与2DPSK波形对比则按照该规定可画

4、出2DPSK信号的波形如图1所示。由于初始参考相位有两种可能，因此2DPSK信号的波形可以有两种（另一种相位完全相反，图中未画出）。为便于比较，图中还给出了2PSK信号的波形。由图1.2可以看出： （1）与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才能唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。由于相对移相调制无“反问工作”问题，因此得到广泛的应用。 （2）单从波形上看，2DPSK与2PSK是

5、无法分辩的，比如图1.2中2DPSK也可以是另一符号序列（见图中下部的序列，称为相对码，而将原符号序列称为绝对码）经绝对移相而形成的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。这里的相对码，即差分码，其是按相邻符号不变表示原数字信息“0”，相邻符号改变表示原数字信息“1”的规律由绝对码变换而来的。 绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为 （1） （2） 这里,表示模二和。使用模二加

6、法器和延迟器（延迟一个码元宽度）可以实现上述转换，如图1.3（a）、（b）所示。其中，图（a）是把绝对码变成相对码的方法，称其为差分编码器；图（b）是把相对码变为绝对码的方法，称其为差分译码器。 （a） （b） 图1.3绝对码与相对码的互相转换 由以上讨论可知，相对相移本质上就是对由绝对码转换而来的差分码的数字信号序列的绝对相移。那么，2DPSK信号的表达式与2PSK的形式应完全相同，所不同的只是此时式中的s(t)信号表示的是差分码数字序列。即 （3） 这里 （4） 与的关系由式（1）确定。 实现相对调相的最常用方法正是基于上述讨论而建立的。首先对数字信号进行差分编码，即由绝对码表示变为相对码

7、（差分码）表示，然后再进行2PSK调制（绝对调相）。2DPSK调制器可用前述的模拟法如图1.4（a），也可用键控法如图1.4（b）。 (a) (b)图1.4 2DPSK调制2.2DPSK差分信号产生和解调2DPSK信号可以采用相干解调方式(极性比较法)， 解调器原理图和解调过程各点时间波形如图1.5和图1.6 所示。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

8、题。 图1.5 解调器原理图 图1.6各点的波形3.2PSK与2DPSK信号有相同的功率谱由式 可知， 2PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则2PSK信号的功率谱为 P2PSK(f)=一般情况下二进制移相键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱所组成，其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相类似，带宽也是基带信号带宽的两倍。当二进制基带信号的“1”符号和“0”符号出现概率相等时，则不存在离散谱。2PSK信号的功率谱密度如图 2PSK(2DPSK)信号的功率谱密度二、M序列 1. M序列: M序列是最长线性反馈移存器序列的简称，是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列

9、。具有较强的抗干扰能力和较低的截获概率，而且长的M序列更容易在一定的强噪声中被提取，这样就能够充分保证数据的正常通信。 通常产生伪随机序列的电路为反馈移存器。一般说来，一个n级反馈移位寄存器可能产生的最大周期等于（）.现在我们引入M序列的本原多项式的概念。若一个n次多项式f(x)满足以下条件（1）f(x)为既约的;（2）f(x)可整除（），;（3）f(x)除不尽（）,qm,则f(x)为本原多项式 m序列通过线形反馈移位寄存器产生如图: 图2.1 反馈移位寄存器 设n级移位寄存器的初始状态:a-1 ,a-2,a-3,a-4,a-n经过一次移位后，状态变为a0，a1，a-n+1，经过n次移位以后状

10、态变为a-n-1，a-n-2，a1，a0。本次课程设计产生周期为31的M序列根据周期P=2n-1可以得之n=5,取x5+x2+1为本源多项式。2.M序列的产生 通过上述知识的回顾与研究我们根据本次课程设计的要求进行电路设计,经过分析本次课程设计,我们可以将本次调制器分为三个功能部分进行功能的实现。依次分为（1）M序列发生器；（2）BPSK的实现；（3）DPSK的实现。下面将结合本次课程设计分三步进行原理分析， （1）M序列发生器：主要利用的集成芯片为74LS164移位寄存器，74LS04反相器，74LS86异或，74LS30与非门。利用晶振产生10MHz的载波，接移位寄存器74LS164的CP

11、端使74LS164在时钟脉冲的作用下正常的工作依次实现2脚-3脚-4脚-5脚-6脚-10脚的移位，为实现M序列的产生。应该避免全0状态的产生所以数据输入的1脚和2脚应该能自动状态的跳转，避开全0状态。 本次设计产生周期31的M序列根据周期P=2n-1可以得之n=5,取x5+x2+1始状态: 10 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1

12、 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 M序列的产生由上可见经过循环以后码序列的状态返回1 0 0 0 03. M序列电路载波电路和M序列产生电路 (图1-5)3.BPSK和DPSK的实现 BPSK的实现：载波通过触发器1，实现正相端和反相端的2路输出，由m序列进行载波的随机选择.从而实现BPSK.DPSK的实现：我们在BPSK

13、实现的基础上加入上图（图1-4）的触发器实现差分码的输出。实现（2）和（3）我们主要用到的芯片为74LS74集成D触发器,74LS190分频器和74LS153.数据选择器.三、 压控振荡器调节可变电阻或可变电容可以改变波形发生电路的振荡频率，一般是通过人的手来调节的。而在自动控制等场合往往要求能自动地调节振荡频率。常见的情况是给出一个控制电压（例如计算机通过接口电路输出的控制电压），要求波形发生电路的振荡频率与控制电压成正比。这种电路称为压控振荡器，又称为VCO或u-f转换电路。利用集成运放可以构成精度高、线性好的压控振荡器。下面介绍这种电路的构成和工作原理，并求出振荡频率与输入电压的函数关系

14、。1.电路的构成及工作原理利用集成运放构成压控振荡器呢，由于积分电路输出电压变化的速率与输入电压的大小成正比，如果积分电容充电使输出电压达到一定程度后，设法使它迅速放电，然后输入电压再给它充电，如此周而复始，产生振荡，其振荡频率与输入电压成正比。即压控振荡器。图图3.1就是实现上述意图的压控振荡器(它的输入电压Ui0)。图3.1所示电路中A1是积分电路，A2是同相输入滞回比较器，它起开关作用。当它的输出电压u01=+UZ时，二极管D截止，输入电压（Ui0），经电阻R1向电容C充电，输出电压uo逐渐下降，当u0下降到零再继续下降使滞回比较器A2同相输入端电位略低于零，uO1由+UZ跳变为UZ，二

15、极管D由截止变导通，电容C放电，由于放电回路的等效电阻比R1小得多，因此放电很快，uO迅速上升，使A2的u+很快上升到大于零，uO1很快从UZ跳回到+UZ，二极管又截止，输入电压经R1再向电容充电。如此周而复始，产生振荡。在通信系统，压控振荡器起主要作用就是本振信号的产生。+2.振荡频率与输入电压的函数关系可见振荡频率与输入电压成正比。上述电路实际上就是一个方波、锯齿波发生电路，只不过这里是通过改变输入电压Ui的大小来改变输出波形频率，从而将电压参量转换成频率参量。压控振荡器的用途较广。为了使用方便，一些厂家将压控振荡器做成模块，有的压控振荡器模块输出信号的频率与输入电压幅值的非线性误差小于0

16、.02%，但振荡频率较低，一般在100Kz以下。图3.1压控振荡器实验电路四、调试1.设计步骤 根据电路图进行实际电路板的设计： 第一步根据电路图在电路板上进行总体排版,将芯片一次插上电路板。可以先焊住一个脚这样防止松动，又可以防止全部焊接以后不能将芯片随意改变位置，有利于布局。第二步进行导线和芯片引脚的连接。全部电路线连接完毕以后，经过检验确实没有导线的连接错误，以后我们开始正式的焊接。焊接主要要注意导线是否焊住，应该全力防止出现焊接点上出现虚焊的现象。这样可以减少电路复查过程中的工作量。第三步检查电路特别是不要有导线和芯片脚之间的漏焊。第四步经过检查电路没有问题可以进行调试。 原理部分已经

17、说明本系统电路是分为3个部分，所以具体实现的过程中我们先进行M序列产生电路的调试，通过示波器观察调试，一直到M序列产生没有错误以后，我们进行第二，第三步骤电路的设计。 第二步和第三步骤电路的调试主要看载波经过74LS190分频后的载波输出,和最后的DPSK的输出.因为实验仪器的精度问题我们在做这些工作的时候一定要注意细心。 通过以上理论上的设计，进行下一步实际的调试，在调试过程中我主要出现了一下几个典型的问题。2.调试过程中出现的问题：载波线路输出端正弦波形时有时无。 解决的方法：由于这个电路的原理是正确的。首先从理论上排除了电路的问题，经过检查电路图确实是没有问题，通过示波器检查发现74LS

18、04连接晶振的引脚，表笔按住的时候有载波，不按住又没有。初步判断是接触不良。经过仔细查看确实发现芯片的底座有问题，这个问题出现在芯片上芯片和底座接触不良。解决方法：更换底座，问题随之解决。在74LS164的输出端没有M序列的产生： 解决方法：在载波完全正常的情况下，发现74LS164的输出端没有m序列的输出，示波器得表笔接输出端是呈现直接重复的波形。不是要求的m序列。这个部分线路相对于载波产生电路是比较复杂，首先我还是先检查纸上的电路图，经检查发现导线连接线路是正确的。然后我集中的重点就是74LS164，了解一个芯片应该从原理上进行掌握。经过分析确定问题出现在74LS164得输出高位上。本次课

19、程设计的要求m序列的n=5，而74LS164是一个8位的移位寄存器。一开始我将芯片输出的高3位连接在一起，认为这样才能产生5位的移位寄存。后来经过分析可以得知这个是错误的，高3位连接在一起移位后会出现逻辑电路上的混乱。将11，12，13脚和10脚不连接以后，经示波器分析屏幕上出现清晰的m序列输出，问题得以解决。DPSK最后信号输出不明显：出现这个问题的原因是多方面的，系统电路本身的问题，由于用到的芯片的数量增多，线路出现不稳定的几率也是提高的，.第二个10Mhz的载波经过10分频以后示波器上载波波形和M序列波形已经没有第一步单M序列产生电路时候出现的波形那么清晰了,也就是说示波器本身。示波器的

20、调节，2DPSK的输出波形应该是出现相位的翻转的。因此我们在调节的时候要小心仔细，这样才能调出2DPSK的输出波形。 出现线路的错误连接和漏接： 解决的方法只有仔细对线路进行复查，主要原因是电路的连接，漏接主要是在芯片的电源线和地线的部分出现漏接。 由此通过理论上问题的分析和实际的调试电路功能，排除上述问题后电路要求的功能得以实现。五、思想体会 在这次课程设计我学到了很多，首先对通信中的2DPSK通信方式有了更加深入的理解，对M序列的应用也有了自己的认识。感觉实践和理论的学习是相互互补的，通信原理的课程学习让我懂得了理论知识，课程设计使我感性上认识了这些知识。 通过这次课程设计，我意识到了我对

21、这门课掌握还有一定的不足，还有许多的知识我不了解；有的是一知半解；有的即使原理懂了，但在应用方面却是丝毫不知。所以在今后的学习中，我会更加努力，不仅要学好理论知识，还要把它应用到实践中去，使两者很好的结合起来，互补互助。 在这次课程设计中，同时加强了我们的团队合作精神与动手能力。通过对电路的连接与应用，对调制电路的硬件有了一个较为详细的认识。这在课本知识中是很难学到的，所以这种机会对我们来说是难得的，应当好好珍惜。 总之通过这次课程设计我觉得做任何事情都要努力和付出，只有付出才能有收获的。在这次课程设计中，对我以后的学习和将要面临工作都有一个很好的指导作用。 参考文献：【1】 樊昌信等编著.通信原理5版. 北京：国防工业出版社，2001【2】 曹志刚等.现代通信原理. 北京：清华大学出版社，1922【3】 陶亚雄. 现代通信原理2版. 北京：电子工业出版社，2006.8【4】 张辉，曹丽娜. 现代通信原理与技术. 西安：西安电子科技大学出版社，2002【5】 苗长云等编著.现代通信原理及应用. 北京：电子工业出版社，2005