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.
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(
-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');
BPSK матлаб модулятор демодулятор
Apr 12 2018, 10:44
