Перейти к содержанию
Поиск
    

BPSK матлаб модулятор демодулятор

Ответить

acvarif    0

acvarif
Опубликовано (изменено) · Жалоба

Сворганил BPSK приемо-передатчик с петлей Костаса на базе VCO.

Основной код петли заимствовал на просторах сети. 

%% Петля Костаса на базе VCO

%% Модуляция
clear;

% Битовая картика профиля pacman
image = [ 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1;
         1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1;
         1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1;
         0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1;
         0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1;
         1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1;
         1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1;
         1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1 ];

% Начальный символ приема
sync_symbol = [ 1 ];
% Битовый поток с начальным символом
bit_stream = [ sync_symbol ];

% Генерация битового потока из матрицы профиля pacman
for j = 1:8
 bit_stream = [bit_stream image(j,:)];
end

%bit_stream = (rand(1, 6) > 0.5);
%bit_stream = [1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0];
bit_stream = [1 1 0 1 0];
N = length(bit_stream);
fprintf('bit_stream %d\n', bit_stream);

% Частота семплирования 288 кГц
fs = 288000;
% Несущая частота относительно частоты выборок 36 кГц
f = 0.125;
% Частота доплера 300 Гц
fdop = f/1200;
% Символьная частота 100 Гц
fsim = 100;
% Количество выборок на период несущей 8
ns = 1/f;
% Количество выборок необх. для одного символа (360*8 периодов нес. f)
% Символьная скорость 100 Гц
tsymbol = fs*f*ns/fsim;
fprintf('tsymbol %d\n', tsymbol);
% Счетчик выборок в 0
t = 0;
% Количество символов переданных с нулевой фазой
nDummySymbols = 4;
% Общее количество выборок 
%ttotal = N*tsymbol + nDummySymbols * tsymbol + tsymbol*3;
ttotal = N*tsymbol + nDummySymbols * tsymbol;
fprintf('ttotal %d\n', ttotal);
% Создать пустой сигнал
BPSK_signal = zeros(ttotal,1);

% Символы с нулевой фазой
for i = 1:nDummySymbols
 for j = 1:tsymbol
   BPSK_signal(t+1) = cos( 2*pi*(f+fdop)*t );
   BPSK_signal_nomod(t+1) = cos(2*pi*(f+fdop)*t);
   t = t + 1;
 end 
end

fprintf('t %d\n', t);

% BPSK сигнал 
for i = 1:length(bit_stream)
 phase = pi * bit_stream(i);
 for j = 1:tsymbol
   BPSK_signal(t+1) = cos(2*pi*(f+fdop)*t + phase);
   BPSK_signal_mod(t+1) = cos(2*pi*(f+fdop)*t + phase);
   BPSK_signal_nomod(t+1) = 0;
   t = t + 1;
 end 
end

fprintf('length BPSK_signal %d\n', length(BPSK_signal));
fprintf('t %d\n', t);

%% AWGN (аддитивный белый гауссов шум) канал передачи данных
% отношение сигнал/шум в децибелах
SNR = 20;
% мощность сигнала в децибелах
SIGPOWER = 10;
% смесь мод.сигнала с шумом
BPSK_signal = awgn( BPSK_signal, SNR, SIGPOWER);

%% Демодуляция

% полученная картинка в 0
rec_image = zeros(8,8);

% Координаты картинки
x = 1;
y = 1;

% начальный шаг в 0
t = 0;

% Все матрицы в 0
carrier_inph = zeros(ttotal,1);
mixer_inph = zeros(ttotal,1);
demod_thr_inph = zeros(ttotal,1);

% Фильтр демодулятора
b = fir1(100, 0.1);
% Память состояния демодулятора
stateLowpassInph = zeros(numel(B)-1,1);

% переменные для PLL осциллятора
% cosine output
c = 1;
% delayed cosine by one timestep
c_delay = 0;
% sine output
s = 0;
% delayed sine by one timestep
s_delay = 0;

% Данные из VCO для целей отладки
sine = zeros(ttotal,1);
cosine =zeros(ttotal,1); 
vco = zeros(ttotal,1); 

% PLL loop фильтр
bPLL = fir1(40, 0.1);
% and the state memory
zfPLLa = zeros(numel(bPLL)-1,1);
zfPLLc = zeros(numel(bPLL)-1,1);
zfPLLs = zeros(numel(bPLL)-1,1);

% Обратный отсчет. При нулевом значении отбирается символ.
% Начальный обратный отсчет учитывает задержку
% fir lowpass и пропускает начальный символ
sampleMoment = tsymbol/2+tsymbol;

% Это время необходимое PLL для стабилизации на несущей
nPLLsettle = (nDummySymbols/2) * tsymbol;

% Игнорировать данные, пока не получен символ "1"
ignoreData = 1;

% VCO шаг
VCOgain = 0.005;

% VCO, которое управляет частотой. при v = 0 он точно равен f.
v = 0;

% Основной цикл
for step = 1:ttotal

 % Получить значение BPSK_signal
 sample = BPSK_signal(step);

 % PLL - "voltage" управляемый осциллятор с +/- v входом
 % w0 частота VCO
 w0 = 2*pi*(f+v*VCOgain);
 % Cохранить предыдущее состояние
 c_delay = c;
 s_delay = s;
 % Подсчет нового состояния
 c = c_delay * cos(w0) - s_delay * sin(w0);
 s = s_delay * cos(w0) + c_delay * sin(w0);
 % Cохраним все в удобных векторах для графики
 sine(step) = s;
 cosine(step) = c;
 vco(step) = v;
 % конец VCO

 % Сохраняем sine/cosine. Обратите внимание, что инфазная волна
 % теперь является синусоидальной волной, потому что PLL с мультипликацией
 % в качестве фазового детектора имеет сдвиг фазы на 90 градусов между
 % входом и выходом
 carrier_inph(step) = c;

 % Это решает, находимся ли мы в режиме синхронизации PLL или режима замораживания
 % Примечание: это должно быть заменено блокировкой PLL в реальном приеме,
 % потому что мы не знаем, когда передача фактически
 % начинается. Здесь мы просто предполагаем, что она начинается с самого начала

 % PLL in action: изменение частоты через v
 % Фазовый детектор
 pc = sample*c;
 ps = sample*-s;

 % filtering out the 2f term
 % Фильтрация pc 
 [vc,zfPLLc] = filter(bPLL,1,pc,zfPLLc);

 % filtering out the 2f term
 % Фильтрация ps  
 [vs,zfPLLs] = filter(bPLL,1,ps,zfPLLs);

 [v,zfPLLa] = filter(bPLL,1,vc*vs,zfPLLa);

 % we sneak here a -1 in because this is ambigous
 % шаг на -1
 mixer_inph(step) = -sample*carrier_inph(step);

 [lp_demod_inph(step),stateLowpassInph] = filter(b,1,mixer_inph(step),stateLowpassInph);

 demod_thr_inph(step) = lp_demod_inph(step);

 if (ignoreData)
   % Ждем стартового символа 1
   if ( lp_demod_inph(step) > 0.25 )
     % got it!
     % Стартовый символ прошел
     ignoreData = 0;
   end
 else
   % Ожидание середины символа для выборки демодулятора
   sampleMoment = sampleMoment - 1;
   if (sampleMoment == 0)
     sampleMoment = tsymbol;
     if ( demod_thr_inph(step) > 0.2 )
       lsb = 1;
     else
       lsb = 0;
     end

     fprintf('lsb %d\n', lsb); 

     % debug samples: add small spikes
     % отладка: добавка небольших пиков
     lp_demod_inph(step) = lp_demod_inph(step) + 0.1;

     % Сохранить результат в картинку
     if (((x<9) && (y<9)) && (ignoreData == 0))
       rec_image(y,x) = lsb;
       x = x + 1;
       if (x > 8)
         x = 1;
         y = y + 1;
       end % if (x > 8)
     end % x>9 && y>9
   end % sampleMoment == 0
 end % ignore data
 % Следующий шаг в выборке
 t = t + 1;
end

%% Графика 

% Немодулированный сигнал
figure;
plot(BPSK_signal_nomod, 'b-', 'LineWidth', 2);
hold on;
grid on;
title('Немодулированный сигнал');

% Модулированный сигнал
figure;
plot(BPSK_signal_mod, 'b-', 'LineWidth', 2);
hold on;
grid on;
title('Модулированный сигнал');

% Полный BPSK_signal
figure;
plot(BPSK_signal, 'b-', 'LineWidth', 2);
hold on;
grid on;
title('BPSK сигнал');

% Демодулированный сигнал
figure;
subplot(2,1,1);
plot(lp_demod_inph,'LineWidth',2);
xlabel('Samples');
ylabel('Amplitude');
title('demod / lowpass filtered');
grid on;

% Картинка
subplot(2,1,2);
imshow(rec_image);

% Напряжение VCO
figure;
subplot(1,1,1);
plot(vco);

 

Работает при соотнощении сигнал-шум 20 на 10 децибел, доплере 30 Гц при несущей в 36 кГц и символьной скорости 100 Гц

Напрягает то, что при соотношении сигнал шум 1 приемник перестает работать. Все разваливается, даже при нулевом доплере.

Все так и должно быть или нет?

Получается что для нормальной работы BPSK приемника необходим хороший приемный усилитель с узкой полосой (определяется удвоенной символьной скоростью) и коэффициентом усиления достаточным, чтобы при минимально возможном сигнале на его входе он мог обеспечить необходимый уровень сигнала на входе BPSK приемника.

Но с другой стороны при максимально возможном уровне сигнала на входе приемного усилителя он не должен входить в ограничение выхода.

Не представляю как решается такая задачка.

Изменено пользователем Acvarif

Поделиться сообщением

Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

acvarif    0

acvarif
Опубликовано (изменено) · Жалоба

Ниже код BPSK модулятор-демодулятор с петлей Костаса на базе VCO для акустического модема.

Просьба покритиковать. На базе данного кода предполагается писать код для ПЛИС либо микроконтроллера, только с использованием NCO.

Характеристики:

- Символьная скорость 100 бит в сек

- Несущая частота 36 000 Гц

- 8 выборок на период несущей

- Устойчиво работает при соотношении сигнал-шум 1

- Максимальный Доплер 60 Гц (в воде ~ 2.5 м/сек)

Есть сомнения в необходимости входного полосового фильтра поскольку наверняка некоторую селективность будет иметь аналоговый приемный тракт.

%% Петля Костаса на базе VCO

%% Модуляция
clear;

% Битовая картика профиля pacman
% image = [ 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1;
%           1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1;
%           1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1;
%           0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1;
%           0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1;
%           1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1;
%           1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1;
%           1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1 ];

image = [ 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0;
         0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1;
         1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0;
         0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1;
         1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1;
         0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0;
         1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1;
         0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 ];

% Начальный символ приема
sync_symbol = [ 1 ];
% Битовый поток с начальным символом
bit_stream = [ sync_symbol ];

% Генерация битового потока из матрицы профиля pacman
for j = 1:8
 bit_stream = [bit_stream image(j,:)];
end

%bit_stream = (rand(1, 20) > 0.5);
%bit_stream = [1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0];
%bit_stream = [1 1 0 1 0 1 0 1 0];
N = length(bit_stream);
fprintf('bit_stream %d\n', bit_stream);

% Частота семплирования 288 кГц (8 выборок на период)
fs = 288000;
% Несущая частота относительно частоты выборок 36 кГц
f = 0.125;
% Частота доплера 60 Гц (~2.5 м.сек)
fdop = f/600;

% % Частота семплирования 144 кГц (4 выборки на период)
% fs = 144000;
% % Несущая частота относительно частоты выборок 36 кГц
% f = 0.25;
% % Частота доплера 60 Гц (~2.5 м/сек)
% fdop = -f/600;

% Частота среза НЧ фильтра в демодуляторе
fc = 100; 
% Частота Найквиста
fn = fs/2;    
% Порядок НЧ фильтра демодулятора
lowpfiltord = 50; 
% Порядок loop фильтра демодулятора
loopfiltord = 50;

% Амплитуда
A = 1.0;
% Символьная скорость 100 Гц
fsim = 100;
% Количество выборок на период несущей 
ns = 1/f;
% Количество выборок необх. для одного символа (360*8 периодов нес. f)
% при символьной скорости fsim
tsymbol = fs*f*ns/fsim;
fprintf('tsymbol %d\n', tsymbol);
% Счетчик выборок в 0
t = 0;
% Количество символов переданных с нулевой фазой (пилот)
nDummySymbols = 4;
% Общее количество выборок 
%ttotal = N*tsymbol + nDummySymbols * tsymbol + tsymbol*3;
ttotal = N*tsymbol + nDummySymbols * tsymbol;
fprintf('ttotal %d\n', ttotal);
% Создать пустой BPSK сигнал
BPSK_signal_t = zeros(ttotal,1);

% Пилот сигнал
for i = 1:nDummySymbols
 for j = 1:tsymbol
   BPSK_signal_t(t+1) = A*sin( 2*pi*(f+fdop)*t );
   BPSK_signal_nomod(t+1) = A*sin(2*pi*(f+fdop)*t);
   t = t + 1;
 end 
end

fprintf('t %d\n', t);

% BPSK сигнал 
for i = 1:length(bit_stream)
 phase = pi * bit_stream(i);
 for j = 1:tsymbol
   BPSK_signal_t(t+1) = A*sin(2*pi*(f+fdop)*t + phase);
   BPSK_signal_mod(t+1) = A*sin(2*pi*(f+fdop)*t + phase);
   BPSK_signal_nomod(t+1) = 0;
   t = t + 1;
 end 
end

fprintf('length BPSK_signal %d\n', length(BPSK_signal_t));
fprintf('t %d\n', t);

%% AWGN (аддитивный белый гауссов шум) + полосовая фильтрация

% отношение сигнал/шум в децибелах
SNR = 9;
% мощность сигнала в децибелах
SIGPOWER = 12;
% смесь мод.сигнала с шумом
BPSK_signal_awgn = awgn( BPSK_signal_t, SNR, SIGPOWER );

% Порядок полосового фильтра
bandpfiltord = 50;
% нижняя частота полосового фильтра 35КГц
W1=35e3/(0.5*fs);
% верхняя частота полосового фильтра 37КГц
W2=37e3/(0.5*fs);
% расчет окна Ханна
k=hann(bandpfiltord+1);
% расчет коэффициентов входного полосового фильтра
bp=fir1(bandpfiltord, [W1 W2], k);
% Память состояния фильтра
stateBandpassBpsk = zeros(numel(bp)-1,1);
% Полосовая фильтрация BPSK сигнала + AWGN шум
[bPSK_signal_awgn_filtr,stateBandpassBpsk] = filter(bp,1,BPSK_signal_awgn,stateBandpassBpsk);
% BPSK_signal_awgn_filtr = filter(bp, 1, BPSK_signal_awgn);

% BPSK_signal
%BPSK_signal = BPSK_signal_awgn;
BPSK_signal = BPSK_signal_awgn_filtr;


%% Демодуляция

% полученная картинка в 0
rec_image = zeros(8,8);

% Координаты картинки
x = 1;
y = 1;

% начальный шаг в 0
t = 0;

% Все матрицы в 0
carrier_inph = zeros(ttotal,1);
mixer_inph = zeros(ttotal,1);
demod_thr_inph = zeros(ttotal,1);

%расчет окна Кайзера
kb=kaiser(lowpfiltord+1);
% Коэффициенты НЧ фильтра демодулятора порядок lowpfiltord
b = fir1(lowpfiltord, fc/fn, kb);
% Память состояния для НЧ фильтра демодул.
stateLowpassInph = zeros(numel(B)-1,1);

% переменные для PLL осциллятора
% cosine output
c = 1;
% delayed cosine by one timestep
c_delay = 0;
% sine output
s = 0;
% delayed sine by one timestep
s_delay = 0;

% Данные из VCO для целей отладки
sine = zeros(ttotal,1);
cosine =zeros(ttotal,1); 
vco = zeros(ttotal,1); 

%расчет окна Ханна
kp=hann(loopfiltord+1);
% Коэффициенты PLL loop фильтра
bPLL = fir1(loopfiltord, fc/fn, kp);
% Обнулить память
zfPLLa = zeros(numel(bPLL)-1,1);
zfPLLc = zeros(numel(bPLL)-1,1);
zfPLLs = zeros(numel(bPLL)-1,1);

% Обратный отсчет. При нулевом значении отбирается символ.
% Начальный обратный отсчет учитывает задержку
% fir lowpass и пропускает начальный символ
sampleMoment = tsymbol/2+tsymbol;

% Это время необходимое PLL для стабилизации на несущей
nPLLsettle = (nDummySymbols/2) * tsymbol;

% Игнорировать данные, пока не получен символ "1" (синхробит)
ignoreData = 1;

% VCO шаг
VCOgain = 0.005;

% VCO, которое управляет частотой. при v = 0 он точно равен f.
v = 0;

% Основной цикл
for step = 1:ttotal

 % Полосовая фильтрация BPSK сигнала + AWGN шум
 % [bPSK_signal(step),stateBandpassBpsk] = filter(bp,1,BPSK_signal_awgn(step),stateBandpassBpsk);

 % Получить значение BPSK_signal в sample
 sample = BPSK_signal(step);

 % PLL - управляемый осциллятор с +/- v входом
 % w0 частота VCO
 w0 = 2*pi*(f+v*VCOgain);
 % Cохранить предыдущее состояние
 c_delay = c;
 s_delay = s;
 % Подсчет нового состояния
 c = c_delay * cos(w0) - s_delay * sin(w0);
 s = s_delay * cos(w0) + c_delay * sin(w0);
 % Cохраним все в удобных векторах для графики
 sine(step) = s;
 cosine(step) = c;
 vco(step) = v;
 % конец VCO

 % Сохраняем sine/cosine. Обратите внимание, что инфазная волна
 % теперь является синусоидальной волной, потому что PLL с мультипликацией
 % в качестве фазового детектора имеет сдвиг фазы на 90 градусов между
 % входом и выходом
 carrier_inph(step) = c;

 % Это решает, находимся ли мы в режиме синхронизации PLL или режиме замораживания
 % Примечание: это должно быть заменено блокировкой PLL в реальном приеме,
 % потому что мы не знаем, когда передача фактически
 % начинается. Здесь мы просто предполагаем, что она начинается с самого начала

 % PLL изменение частоты через v
 % Фазовый детектор
 pc = sample*c;
 ps = sample*-s;

 % Фильтрация pc 
 [vc,zfPLLc] = filter(bPLL,1,pc,zfPLLc);

 % Фильтрация ps  
 [vs,zfPLLs] = filter(bPLL,1,ps,zfPLLs);

 [v,zfPLLa] = filter(bPLL,1,vc*vs,zfPLLa);

 % шаг на -1
 mixer_inph(step) = sample*carrier_inph(step);

 [lp_demod_inph(step),stateLowpassInph] = filter(b,1,mixer_inph(step),stateLowpassInph);

 demod_thr_inph(step) = lp_demod_inph(step);

 if (ignoreData)
   % Ждем стартового символа 1
   if ( lp_demod_inph(step) > 0.25 )
     % Стартовый символ прошел
     ignoreData = 0;
   end
 else
   % Ожидание середины символа для выборки демодулятора
   sampleMoment = sampleMoment - 1;
   if (sampleMoment == 0)
     sampleMoment = tsymbol;
     if ( demod_thr_inph(step) > 0.1 )
       lsb = 1;
     else
       lsb = 0;
     end

     fprintf('lsb %d\n', lsb); 

     % отладка: добавка небольших пиков
     lp_demod_inph(step) = lp_demod_inph(step) + 0.1;

     % Сохранить результат в картинку 8:8
     if (((x<9) && (y<9)) && (ignoreData == 0))
       rec_image(y,x) = lsb;
       x = x + 1;
       if (x > 8)
         x = 1;
         y = y + 1;
       end % if (x > 8)
     end % x>9 && y>9
   end % sampleMoment == 0
 end % ignoreData 
 % Следующий шаг в выборке
 t = t + 1;
end

%% Графика 

% % Немодулированный сигнал
% figure;
% subplot(2,1,1);
% plot(BPSK_signal_nomod, 'b-', 'LineWidth', 2);
% hold on;
% grid on;
% title('Немодулированный сигнал (пилот)');
% 
% % Модулированный сигнал
% %figure;
% subplot(2,1,2);
% plot(BPSK_signal_mod, 'r-', 'LineWidth', 2);
% hold on;
% grid on;
% title('Модулированный сигнал (данные)');

% Полный BPSK_signal
figure;
subplot(2,1,1);
plot(BPSK_signal_awgn, 'b-', 'LineWidth', 2);
xlabel('Выборки');
hold on;
grid on;
title('Полный BPSK сигнал + шум AWGN');

subplot(2,1,2);
plot(BPSK_signal, 'r-', 'LineWidth', 2);
xlabel('Выборки');
hold on;
grid on;
title('Полный BPSK сигнал + шум AWGN + Фильтр');

% Демодулированный сигнал
figure;
subplot(2,1,1);
plot(lp_demod_inph,'LineWidth',2);
xlabel('Выборки');
ylabel('Амплитуда');
title('Демодулированный сигнал / НЧ фильтрация');
grid on;

% Картинка
subplot(2,1,2);
imshow(rec_image);
title('Битовая картинка 8:8 квадратиков 1-белый, 0-черный кв. ' );

% Напряжение VCO
% figure
% plot(vco);
% title('Напряжение VCO');
% 
% % Фильтр демодулятора
% figure
% % АЧХ НЧ фильтра
% [h,f]=freqz(b,1);
% % Параметры являются соответственно частотой и амплитудой
% plot(f*fs/(2*pi),20*log10(abs(h)))
% xlabel('частота/Hz');ylabel('амплитуда/dB');title('АЧХ НЧ фильтра демодулятора');
% 
% % Фильтр полосовой на 36 кГц
% figure
% [h,fp]=freqz(bp,1);%amplitude-frequency characteristic graph
% plot(fp*fs/(2*pi),20*log10(abs(h)))%parameters are respectively frequency and amplitude
% xlabel('частота/Hz');ylabel('амплитуда/dB');title('АЧХ полосового фильтра');

Изменено пользователем Acvarif

Поделиться сообщением

Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Присоединяйтесь к обсуждению

Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.

Гость
Ответить в этой теме...

×   Вставлено с форматированием.   Вставить как обычный текст

  Разрешено использовать не более 75 эмодзи.

×   Ваша ссылка была автоматически встроена.   Отображать как обычную ссылку

×   Ваш предыдущий контент был восстановлен.   Очистить редактор

×   Вы не можете вставлять изображения напрямую. Загружайте или вставляйте изображения по ссылке.

×
×
×
  • Создать...