Анализ методов построения цифровых демодуляторов PSK

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Цифровая обработка сигналов в инфокоммуникационных системах»

Тема: «Разработка и исследование цифрового демодулятора сигнала DQPSK».

 

 

Выполнил: ст. гр. М02-281-1

Туйматов Е.Н.

Проверил: к.т.н., доцент

              Марков М.М.

 

 

Ижевск  2014 г.

 

 

Оглавление

 

Список сокращений. 3

Введение. 4

Техническое задание. 5

2. Анализ технического задания. Определение основных параметров сигнала. 7

3. Анализ методов построения цифровых демодуляторов PSK.. 9

4. Выбор разрядности АЦП.. 16

5. Разработка имитационной модели источника сигнала. 17

6. Разработка структурной схемы цифрового демодулятора DQPSK и задание основных его параметров. 19

7. Исследование вероятности ошибки приёма бита от отношения сигнал/шум. 25

Заключение. 27

Приложение 1. 28

Приложение 2. 29

Список литературы.. 31

 

 

 

 

Список сокращений

 

АБГШ аддитивный белый гауссов шум

АКФ автокорреляционная функция

АМн амплитудная манипуляция

АРУ автоматическая регулировка усиления

АФУ антенно-фидерное устройство

АЦП аналого-цифровой преобразователь

АЧХ амплитудно-частотная характеристика

БПФ быстрое преобразование Фурье

ДИКМ дифференциальная импульсно-кодовая манипуляция

ИХ импульсная характеристика

МСИ межсимвольная интерференция

ОСШ отношение сигнал/шум

ПЛИС программируемая логическая интегральная схема

ФАПЧ фазовая автоподстройка частоты

ФМ (FM) фазовая модуляция

ФМн (PM) фазовая манипуляция

ЦАП цифро-аналоговый преобразователь

ЦОС цифровая обработка сигналов

ЦСП цифровой сигнальный процессор

Введение

  Цифровые системы связи являются основой современных систем связи и подвижных систем связи (систем мобильной связи), теоретическому и практическому изучению которых и посвящена данная курсовая работа.

Цель работы - получение необходимых навыков практического расчета устройства, обобществление полученных теоретических навыков и формализация методов выбора отдельных компонентов электрических схем. В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа компонентов, входящих в состав устройства, анализ характеристик полученного устройства. 

  Для разработки данного устройства следует произвести предварительный расчёт и оценить количество и тип основных элементов. После этого следует разработать структурную схему имитационной модели демодулятора.

  Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам.

Техническое задание

 

Тема проекта:

Разработка и исследование цифрового демодулятора сигнала DQPSK

 

1. Цель курсовой работы:

Изучение применения алгоритмов цифровой обработки сигналов при разработке инфокоммуникационных систем.

2. Технические требования:

Разработать и исследовать цифровой демодулятор сигнала DQPSK.

Основные параметры принимаемого сигнала:

1. Нестабильность частоты – 10^-6 от частоты сигнала.

2. Промежуточная частота приема - 12 кГц.

3. Точность установки частоты ±10 Гц.

4. Тип модуляции- DQPSK

5. Битовая скорость - 4800 Бод.

6. Диапазон изменения входного сигнала 60 дБ.

7. Минимальное отношение сигнал/шум 10 дБ.

8. Максимальная амплитуда входного сигнала 0,1В.

9. Тип канала АБГШ.

3. Перечень вопросов, подлежащих разработке:

· Анализ технического задания. Определение основных параметров сигнала и требований к демодулятору.

· Анализ методов построения цифровых демодуляторов сигналов ФМн.

· Разработка имитационной модели источника сигнала.

· Разработка структурной схемы цифрового демодулятора.

· Расчет частоты дискретизации, выбор разрядности АЦП, расчет основных устройств, входящих в демодулятор.

· Исследование вероятности ошибки приема бита от отношения сигнал\шум.

· Анализ результатов исследования.

    4. Перечень графического материала проекта:

· Структурная схема имитационной модели демодулятора.

· Результаты исследования.

 

 

 

 

 

2. Анализ технического задания. Определение основных параметров сигнала

 

В настоящее время разработано несколько вариантов двухпозиционной (бинарной) и многопозиционной фазовой манипуляции (фазовая телеграфия). В радиосистемах передачи информации наиболее часто применяются двоичная, четырех позиционная и восьми позиционная фазовая манипуляция (ФМн).

Важным параметром на выходе модулятора является число значений модулируемого параметра (m) выходного сигнала. Это число называется позиционностью сигнала или способа модуляции. Так, m -позиционная фазовая модуляция означает, что каждый элемент сигнала на выходе модулятора имеет одну из m выбранных начальных фаз. Если все m вариантов сигнала равновероятны, то производительность модулятора как источника информации на входе непрерывного канала связи прямо пропорционально двоичному логарифму числа m:  . Эту величину называют кратностью модуляции: она показывает, сколько двоичных единиц информации содержится в каждом элементе сигнала при данном способе модуляции или во сколько раз (крат) увеличится информационная емкость данной системы по сравнению с двухпозиционной (однократной) системой при той же длительности элементарного сигнала. Наиболее часто позиционность выбирают так, чтобы она равнялась целой степени числа два, тогда кратность N – целое число.

Например, N ­ – кратная фазовая манипуляция означает, что в каждом элементарном сигнале на выходе модулятора содержится   N  бит информации, а фаза сигнала на входе непрерывного канал имеет  допустимых значений. Если длительность элементарного сигнала в модуляторе равна T, то скорость формирования элементов (скорость модуляции) составляет   элементов. Количество кодовых символов в единицу времени B показывает скорость формирования информации на выходе модулятора. При равновероятных сигналах

 [бит/с].  (2.1)

В зависимости от числа уровней модулирующего сигнала различают двухуровневую и многоуровневую манипуляции.

Ширина спектра ФМн- m радиосигнала, определяемая длительностью радиоимпульса (T) зависит от скорости передачи информации (B) и числа уровней манипуляции (N): (2.2)

В случае многоуровневой манипуляции (m >2) длительность T сигнала оказывается равной , что приводит к соответствующему сокращению в полосы занимаемых частот при передаче одного и того же объема данных.

Учитывая спектральную (частотную) эффективность, требуемая полоса частот будет рассчитываться по следующей формуле:

Bw = R/ns (2.3)

где R - скорость передачи

Bw – требуемая полоса частот, включая защитные полосы

ns= 0,8 – базовая спектральная эффективность для ФМн-сигнала

Bw = 4800/(0,8∙3) = 2000 Гц.

Таким образом, полоса пропускания сигнала составляет 2 кГц.

Выберем частоту дискретизации. Частота несущей Fнес= 12 кГц. Учитывая полосу пропускания, максимальная частота Fmax=12+2=14 кГц

Исходя из этого найдём частоту дискретизации

         (2.4)

FД≥2*14≥28 кГц

Таким образом, 28 кГц – это минимальная частота дискретизации, необходимая для цифровой обработки сигнала. Но необходимо учесть, что ширина сигнала существенна, выберем коэффициент запаса по частоте дискретизации равный α=1,2, тогда частота дискретизации F_Д=33.6 кГц. Для правильной работы схемы необходимо, чтобы частота дискретизации была кратна символьной скорости, так как частота дискретизации в 21  раз больше символьной скорости, то оставим ее неизменной.

 

 

Выбор разрядности АЦП

В соответствии с техническим заданием, диапазон изменения входного сигнала равен 60 дБ.

В АЦП происходит квантование сигнала, сигнал округляется до ближайшего уровня, следовательно, чем больше будет уровней квантования, тем меньше будет шум квантования (ошибка, связанная с разницей между исходным и квантованным сигналом). Необходимо выбрать оптимальную разрядность АЦП.

Минимальное отношение сигнал/шум на выходе АЦП составляет 10 дБ.

R_p = 60 + 10 = 70 дБ

q _АЦП = R_p /6,02 = 11,62

Разрядность АЦП примем равной 12.

 

Заключение

 

В ходе данной курсовой работы были изучены различные виды, модуляции и демодуляции, что позволяет глубже понять основные компромиссы при проектировании цифровых систем связи. На основании рассмотренных теоретических данных можно сделать вывод, что модуляция DPSK менее эффективна, чем PSK, поскольку в первом случае вследствие корреляции между сигналами ошибки могут распространяться на соседние времена передачи символов. PSK и DPSK отличаются тем, что в первом случае принятый сигнал сравнивается с идеальным опорным, а во втором — два зашумлённых сигнала, поэтому модуляция DPSK даёт вдвое больший шум, чем PSK. Преимущество DPSK — в меньшей сложности схемы, не требующей синхронизации по фазе.

В практической части работы разработан и исследован цифровой демодулятор сигнала DQPSK.  Моделирование демодулятора проводилось в программном пакете «Simulink».  Программа даёт возможность наблюдать сигнал на всех этапах обработки и оценивать степень его искажения, вычислять вероятность битовой ошибки.

При отсутствии помех демодулятор принимал ошибочно только первые 2 посылки, остальные посылки были приняты верно, что доказывает адекватность построенной модели.

Исследование демодулятора показало, что символьная ошибка уменьшается с ростом увеличением отношения сигнал/шум, что соответствует теории.

Приложение 1

Приложение 1

Приложение 2

 

 

Список литературы

 

1. Б. Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. − М.: Издательский дом “Вильямс”, 2003. – 1104 c.

2. Дж. Прокис. Цифровая связь.: Пер с англ. / Под ред. Д.Д.Кловского. − М.: “Радио и связь”, 2000. – 800 с.: ил.

3. Радиотехнические системы передачи информации. / Под ред. В.В.Калмыкова − М.: “Радио и связь”, 1990. – 304 c.

4. К. Феер. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра.: Пер. с англ. / Под ред. В.И.Журавлева. − М.: “Радио и связь”, 2000. – 520 с.: ил.

5. В. Столлингс. Беспроводные линии связи и сети.: Пер. с англ. − М.:

Издательский дом “Вильямс”, 2003. − 640 c.

6. У. Кестер. Проектирование систем цифровой и смешанной обработки сигналов / Пер. с англ. − М.: Издательский дом “Техносфера ”, 2010. – 328 c.

7. А. Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов /СПб.: Питер, 2002 – 608 с.

8. Ричард Лайнос. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. – М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. – 656 с.

9. В. П. Дьяконов. MATLAB 6.5 SP1/7+Simulink 5/6. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала». – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 800 с.

10. В. П. Дьяконов. MATLAB R2007/2008/2009 для радиоинженеров. – М.: ДМК Пресс, 2010. – 976 с.

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Цифровая обработка сигналов в инфокоммуникационных системах»

Тема: «Разработка и исследование цифрового демодулятора сигнала DQPSK».

 

 

Выполнил: ст. гр. М02-281-1

Туйматов Е.Н.

Проверил: к.т.н., доцент

              Марков М.М.

 

 

Ижевск  2014 г.

 

 

Оглавление

 

Список сокращений. 3

Введение. 4

Техническое задание. 5

2. Анализ технического задания. Определение основных параметров сигнала. 7

3. Анализ методов построения цифровых демодуляторов PSK.. 9

4. Выбор разрядности АЦП.. 16

5. Разработка имитационной модели источника сигнала. 17

6. Разработка структурной схемы цифрового демодулятора DQPSK и задание основных его параметров. 19

7. Исследование вероятности ошибки приёма бита от отношения сигнал/шум. 25

Заключение. 27

Приложение 1. 28

Приложение 2. 29

Список литературы.. 31

 

 

 

 

Список сокращений

 

АБГШ аддитивный белый гауссов шум

АКФ автокорреляционная функция

АМн амплитудная манипуляция

АРУ автоматическая регулировка усиления

АФУ антенно-фидерное устройство

АЦП аналого-цифровой преобразователь

АЧХ амплитудно-частотная характеристика

БПФ быстрое преобразование Фурье

ДИКМ дифференциальная импульсно-кодовая манипуляция

ИХ импульсная характеристика

МСИ межсимвольная интерференция

ОСШ отношение сигнал/шум

ПЛИС программируемая логическая интегральная схема

ФАПЧ фазовая автоподстройка частоты

ФМ (FM) фазовая модуляция

ФМн (PM) фазовая манипуляция

ЦАП цифро-аналоговый преобразователь

ЦОС цифровая обработка сигналов

ЦСП цифровой сигнальный процессор

Введение

  Цифровые системы связи являются основой современных систем связи и подвижных систем связи (систем мобильной связи), теоретическому и практическому изучению которых и посвящена данная курсовая работа.

Цель работы - получение необходимых навыков практического расчета устройства, обобществление полученных теоретических навыков и формализация методов выбора отдельных компонентов электрических схем. В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа компонентов, входящих в состав устройства, анализ характеристик полученного устройства. 

  Для разработки данного устройства следует произвести предварительный расчёт и оценить количество и тип основных элементов. После этого следует разработать структурную схему имитационной модели демодулятора.

  Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам.

Техническое задание

 

Тема проекта:

Разработка и исследование цифрового демодулятора сигнала DQPSK

 

1. Цель курсовой работы:

Изучение применения алгоритмов цифровой обработки сигналов при разработке инфокоммуникационных систем.

2. Технические требования:

Разработать и исследовать цифровой демодулятор сигнала DQPSK.

Основные параметры принимаемого сигнала:

1. Нестабильность частоты – 10^-6 от частоты сигнала.

2. Промежуточная частота приема - 12 кГц.

3. Точность установки частоты ±10 Гц.

4. Тип модуляции- DQPSK

5. Битовая скорость - 4800 Бод.

6. Диапазон изменения входного сигнала 60 дБ.

7. Минимальное отношение сигнал/шум 10 дБ.

8. Максимальная амплитуда входного сигнала 0,1В.

9. Тип канала АБГШ.

3. Перечень вопросов, подлежащих разработке:

· Анализ технического задания. Определение основных параметров сигнала и требований к демодулятору.

· Анализ методов построения цифровых демодуляторов сигналов ФМн.

· Разработка имитационной модели источника сигнала.

· Разработка структурной схемы цифрового демодулятора.

· Расчет частоты дискретизации, выбор разрядности АЦП, расчет основных устройств, входящих в демодулятор.

· Исследование вероятности ошибки приема бита от отношения сигнал\шум.

· Анализ результатов исследования.

    4. Перечень графического материала проекта:

· Структурная схема имитационной модели демодулятора.

· Результаты исследования.

 

 

 

 

 

2. Анализ технического задания. Определение основных параметров сигнала

 

В настоящее время разработано несколько вариантов двухпозиционной (бинарной) и многопозиционной фазовой манипуляции (фазовая телеграфия). В радиосистемах передачи информации наиболее часто применяются двоичная, четырех позиционная и восьми позиционная фазовая манипуляция (ФМн).

Важным параметром на выходе модулятора является число значений модулируемого параметра (m) выходного сигнала. Это число называется позиционностью сигнала или способа модуляции. Так, m -позиционная фазовая модуляция означает, что каждый элемент сигнала на выходе модулятора имеет одну из m выбранных начальных фаз. Если все m вариантов сигнала равновероятны, то производительность модулятора как источника информации на входе непрерывного канала связи прямо пропорционально двоичному логарифму числа m:  . Эту величину называют кратностью модуляции: она показывает, сколько двоичных единиц информации содержится в каждом элементе сигнала при данном способе модуляции или во сколько раз (крат) увеличится информационная емкость данной системы по сравнению с двухпозиционной (однократной) системой при той же длительности элементарного сигнала. Наиболее часто позиционность выбирают так, чтобы она равнялась целой степени числа два, тогда кратность N – целое число.

Например, N ­ – кратная фазовая манипуляция означает, что в каждом элементарном сигнале на выходе модулятора содержится   N  бит информации, а фаза сигнала на входе непрерывного канал имеет  допустимых значений. Если длительность элементарного сигнала в модуляторе равна T, то скорость формирования элементов (скорость модуляции) составляет   элементов. Количество кодовых символов в единицу времени B показывает скорость формирования информации на выходе модулятора. При равновероятных сигналах

 [бит/с].  (2.1)

В зависимости от числа уровней модулирующего сигнала различают двухуровневую и многоуровневую манипуляции.

Ширина спектра ФМн- m радиосигнала, определяемая длительностью радиоимпульса (T) зависит от скорости передачи информации (B) и числа уровней манипуляции (N): (2.2)

В случае многоуровневой манипуляции (m >2) длительность T сигнала оказывается равной , что приводит к соответствующему сокращению в полосы занимаемых частот при передаче одного и того же объема данных.

Учитывая спектральную (частотную) эффективность, требуемая полоса частот будет рассчитываться по следующей формуле:

Bw = R/ns (2.3)

где R - скорость передачи

Bw – требуемая полоса частот, включая защитные полосы

ns= 0,8 – базовая спектральная эффективность для ФМн-сигнала

Bw = 4800/(0,8∙3) = 2000 Гц.

Таким образом, полоса пропускания сигнала составляет 2 кГц.

Выберем частоту дискретизации. Частота несущей Fнес= 12 кГц. Учитывая полосу пропускания, максимальная частота Fmax=12+2=14 кГц

Исходя из этого найдём частоту дискретизации

         (2.4)

FД≥2*14≥28 кГц

Таким образом, 28 кГц – это минимальная частота дискретизации, необходимая для цифровой обработки сигнала. Но необходимо учесть, что ширина сигнала существенна, выберем коэффициент запаса по частоте дискретизации равный α=1,2, тогда частота дискретизации F_Д=33.6 кГц. Для правильной работы схемы необходимо, чтобы частота дискретизации была кратна символьной скорости, так как частота дискретизации в 21  раз больше символьной скорости, то оставим ее неизменной.

 

 

Анализ методов построения цифровых демодуляторов PSK

 

Если для детектирования сигналов приёмник использует информацию о фазовой несущей, процесс называется когерентным детектированием (coherent detection); если подобная информация не используется, процесс именуется некогерентным детектированием (noncoherent detection). Вообще, в цифровой связи термины "демодуляция" (demodulation) и "детектирование" (detection) часто используются как синонимы, хотя демодуляция делает акцент на восстановлении сигнала, а детектирование — на принятии решения относительно символьного значения принятого сигнала. При идеальном когерентном детектировании приемник содержит прототипы каждого возможного сигнала. Эти сигналы-прототипы дублируют алфавит переданных сигналов по всем параметрам, даже по радиочастотной фазе. В этом случае говорят, что приемник автоматически подстраивается под фазу входного сигнала. В процессе демодуляции приемник перемножает и интегрирует входной сигнал с каждым прототипом (определяет корреляцию).

Некогерентная демодуляция относится к системам, использующим демодуляторы, спроектированные для работы без знания абсолютной величины фазы входного сигнала; следовательно, определение фазы в этом случае не требуется. Таким образом, преимуществом некогерентных систем перед когерентными является простота, а недостатком — большая вероятность ошибки ().[1]

Существуют две реализации модуляторов сигнала. Одна реализована на использовании корреляторов, вторая на применении согласованных фильтров. Оптимальный детектор, который следует за демодулятором проектируется так, чтобы минимизировать среднюю вероятность ошибки.

 

Рис 1 Демодулятор по корреляционной схеме

Данный демодулятор разлагает принимаемый сигнал и шум в линейную взвешенную сумму ортонормированных базисных функций. Считается, что N базисных функций покрывают пространство сигналов так, что каждый из возможных переданных сигналов может быть представлен как взвешенная линейная комбинация этих функций. Для шума функции не покрывают всё его пространство. Однако, компоненты шума, которые попадают вне пространства сигналов, не влияют на детектирование сигнала.

Вместо набора из N корреляторов для генерирования выходных величин можно применить набор из N линейных фильтров такая схема приведена на Рис. 2. Вторая схема обладает свойством, которое состоит в следующем: если сигнал до демодулятора подвергается воздействию АБГШ, то фильтр, согласованный с данным сигналом максимизирует на выходе отношение сигнал/шум (ОСШ).

 

Рис 2 Демодулятор на основе согласованных фильтров