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1. DPSK信号的调制原理2. Costas环解调DPSK信号3. DPSK调制解调的MATLAB仿真3.1 源码3.2 仿真结果
数字相位调制又叫相位键控(Phase Shift Keying,PSK),是一种十分重要的基本数字调制技术,是一种用载波相位表示输入信号的调制技术、或者说PSK是根据数字基带信号的电平使载波相位在不同的数值之间切换的一种相位调制方法。
1. DPSK信号的调制原理
DPSK(Differential Phase Shift Keying)是为了克服PSK系统相位模糊问题而产生的一种调制手段。由于PSK系统是用载波的绝对相位来判断调制数据的,在信号传输过程及解调过程中,容易出现相位翻转,在解调端无法准确判断原始数据。DPSK是根据前后数据之间的相位差来判断数据信息的,即使在接收解调端发生相位翻转,由于数据之间的相位差不会发生改变,因此可以有效解决相位翻转带来的问题。与PSK相比,DPSK只需在发送端将原始数据绝对码转换成相对码,在解调端再将相对码转换成绝对码即可,其差分编/解码原理与MSK调制解调中编解码原理相同。 设输入到调制器的二进制比特流为
{
b
n
}
,
n
⊆
(
−
∞
,
∞
)
\left \{ b_{n} \right \},n\subseteq (-\infty ,\infty )
{bn},n⊆(−∞,∞),BPSK的输出信号形式为
s
(
t
)
=
{
A
c
o
s
(
ω
c
t
+
φ
)
,
b
n
=
0
−
A
c
o
s
(
ω
c
t
+
φ
)
,
b
n
=
1
n
T
b
⩽
t
⩽
(
n
+
1
)
T
b
s(t)=\left\{\begin{matrix} Acos(\omega _{c}t+\varphi ), & b_{n}=0\\ -Acos(\omega _{c}t+\varphi ), & b_{n}=1 \end{matrix}\right. nT_{b}\leqslant t\leqslant (n+1)T_{b}
s(t)={Acos(ωct+φ),−Acos(ωct+φ),bn=0bn=1nTb⩽t⩽(n+1)Tb 可以看出,可以将输入信号看成幅度为
±
1
\pm 1
±1的方波信号,调制过程即为原始信号与载波信号直接相乘的结果。下图为DPSK的调制过程波形图,图中的波形假定每个码元周期为载波周期的整数倍,其中clk为原始数据时钟,s为绝对码,ds为相对码,ms为已调信号。 科斯塔斯环(Costas)又叫作同相正交环。首先被提出用于恢复载波信号,在工程上应用最为广泛的一种抑制载波跟踪环路。 Costas环的组成原理如下图所示,它是由输入信号分别乘以同相和正交两路载波信号而得名。输入信号分为上、下支路,分别乘以同相和正交载波,并通过低通滤波后再相乘,完成鉴相功能,最后经环路滤波器输出控制本地振荡器的误差电压。 条件:基带信号符号速率 R b = 1 M b p s R_{b}=1Mbps Rb=1Mbps;成形滤波器的滚将因子 α = 0.8 \alpha =0.8 α=0.8;载波信号频率fc=2MHz,采样频率fs=8Rb. 根据前面的分析,首先产生随机的原始数据,然后对其进行差分编码(绝对码转换成相对码),并对其进行插值。设计好成形滤波器后,对插值后的相对码进行成形滤波,滤波输出的数据与载波相乘,即产生所需的DPSK已调信号。相干解调DPSK信号,只需将相干载波与DPSK已调信号相乘,并通过低通滤波即可。接收端的低通滤波器特性对解调性能有直接影响,低通滤波器的通带显然为基带信号的带宽,且必须确保滤除相邻A/D镜像频率成分和数字下变频引入的倍频分量。 相邻A/D镜像频率的最小间隔为: Δ f a d = m i n [ 2 f L − k f s , ( k + 1 ) f s − 2 f H ] \Delta f_{ad}=min[2f_{L}-kf_{s},(k+1)f_{s}-2f_{H}] Δfad=min[2fL−kfs,(k+1)fs−2fH] 式中, f L f_{L} fL为中频信号的下边缘频率 ( f L = f c − ( 1 + α ) R b / 2 = 1.1 M H z ) (f_{L}=f_{c}-(1+\alpha )R_{b}/2=1.1MHz) (fL=fc−(1+α)Rb/2=1.1MHz), f L f_{L} fL为中频信号的上边缘频率 ( f H = f c + ( 1 + α ) R b / 2 = 2.9 M H z ) (f_{H}=f_{c}+(1+\alpha )R_{b}/2=2.9MHz) (fH=fc+(1+α)Rb/2=2.9MHz),fs为采样频率,k为整数,容易求得 Δ f a d = 2.2 M H z \Delta f_{ad}=2.2MHz Δfad=2.2MHz。 数字下变频引入倍频分量的最低频率为 f c d d c = m i n [ − 2 f 0 + ( m + 1 ) f s , 2 f 0 − m f s ] − B f / 2 f_{cddc}=min[-2f_{0}+(m+1)f_{s},2f_{0}-mf_{s}]-B_{f}/2 fcddc=min[−2f0+(m+1)fs,2f0−mfs]−Bf/2 式中, f 0 f_{0} f0为中频采样后的载波频率, B f B_{f} Bf为中频信号处理带宽,m为整数,容易求出 f c d d c = 3.1 M H z f_{cddc}=3.1MHz fcddc=3.1MHz。 根据过渡带选择原则,可知低通滤波器的截止频率为 f c = m i n [ f c d d c , B f / 2 + Δ f a d ] f_{c}=min[f_{cddc},B_{f}/2+\Delta f_{ad}] fc=min[fcddc,Bf/2+Δfad] 3.1 源码 ps=1*10^6; %码速率为1MHz a=0.8; %成形滤波器系数为0.8 B=(1+a)*ps; %中频信号处理带宽 Fs=8*10^6; %采样速率为8MHz fc=2*10^6; %载波频率为2MHz N=10000; %仿真数据的长度 t=0:1/Fs:(N*Fs/ps-1)/Fs;%产生长度为N,频率为fs的时间序列 s=randint(N,1,2); %产生随机数据作为原始数据, %并将绝对码变换为相对码 ds=ones(1,N); for i=2:N if s(i)==1 ds(i)=-ds(i-1); else ds(i)=ds(i-1); end end %对相对码数据以Fs频率采样 Ads=upsample(ds,Fs/ps); %设计平方升余弦滤波器 n_T=[-2 2]; rate=Fs/ps; T=1; Shape_b = rcosfir(a,n_T,rate,T);%figure(4);freqz(Shape_b) %对采样后的数据进行升余弦滤波; rcos_Ads=filter(Shape_b,1,Ads); %产生载频信号 f0=sin(2*pi*fc*t); %产生DPSK已调信号 dpsk=rcos_Ads.*f0; %与相干载波相乘,实现相干解调 demod_mult=dpsk.*f0; %设计接收端低通滤波器 fc=[ps 3.1*10^6]; %过渡带 mag=[1 0]; %窗函数的理想滤波器幅度 dev=[0.01 0.01]; %纹波 [n,wn,beta,ftype]=kaiserord(fc,mag,dev,Fs) %获取凯塞窗参数 fpm=[0 fc(1)*2/Fs fc(2)*2/Fs 1]; %firpm函数的频段向量 magpm=[1 1 0 0]; %firpm函数的幅值向量 rec_lpf=firpm(n,fpm,magpm); %firpm函数返回的最优滤波器系数 %对乘法运算后的数据进行低通滤波,输出解调后的基带信号 demod_lpf=filter(rec_lpf,1,demod_mult); figure(1) %绘制成形滤波后信号频谱、DPSK信号频谱、DPSK信号时域波形 m_rcos_Ads=20*log10(abs(fft(rcos_Ads,1024)));m_rcos_Ads=m_rcos_Ads-max(m_rcos_Ads); m_dpsk=20*log10(abs(fft(dpsk,1024)));m_dpsk=m_dpsk-max(m_dpsk); %设置幅频响应的横坐标单位为MHz x_f=[0:(Fs/length(m_dpsk)):Fs/2];x_f=x_f/10^6; %只显示正频率部分的幅频响应 mrcos_Ads=m_rcos_Ads(1:length(x_f)); mdpsk=m_dpsk(1:length(x_f)); %设置时域波表的横坐标单位为us Len=100;%设置时域波形显示的点数 x_t=1:Len;%产生长度为Len的时间序列 x_t=x_t/Fs*10^6; %显示所需的频谱及时域波形 subplot(311); plot(x_f,mrcos_Ads); legend('成形滤波后信号频谱'); xlabel('频率(MHz)');ylabel('幅度(dB)');grid on; subplot(312); plot(x_f,mdpsk); legend('DPSK已调信号频谱'); xlabel('频率(MHz)');ylabel('幅度(dB)');grid on; 3.2 仿真结果
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