摘 要 曾经有研究人员对脉冲电磁波激励对称偶极子天线，经由其辐射的物理过程做了一些研究与分析，使我们了解到对于偶极子天线而言，馈电点和两个端点产生辐射，突然出现在空间中的时变电场（位移电流）是产生辐射的基本原因。在此基础上，天线导体可以影响辐射能量的多少，而调制解调器所采取的调制解调方式将直接决定射频通信链路的信号传输质量。 我们的基本思路是：将以某一线天线（偶极子天线）为例进行数值模拟，给出不同时刻的时域波形图，为理解和优化线天线的时域辐射特性提供理论参考。基于此，本文将首先运用MATLAB软件进行二进制相移键控的调制和解调过程仿真，然后将以线天线为基本辐射单元，同时采用BPSK调制的电磁波作为激励源，使用FEKO软件，通过观察以天线相位中心为参考点时位于空间不同方向角上不同远场点输出的时域波形，考察应用在通信领域射频前端信号辐射的物理过程，探究线天线的时域辐射特性，以期对天线的优化设计提供参考。本文完成了BPSK的调制过程和解调过程的编码，绘制了频谱。同时研究结果表明，以正弦波作为载波的BPSK调制信号，通过线天线辐射的信号，在远场区，辐射场的分布呈现方向性。 关键词：BPSK调制和解调；时域分析；数值模拟；线天线

Abstract

Some researchers have done some research and analysis on the physical process of radiating symmetric dipole antenna by pulsed electromagnetic wave, so that we know that for the dipole antenna, the feed point and the two end points generate radiation, and the fundamental reason for radiation is that the time-varying electric field (displacement current) suddenly appears in the space. On this basis, the antenna conductor can affect the amount of radiant energy, and the modulation and demodulation method adopted by the modem will directly determine the signal transmission quality of the radio communication link. Our basic idea is: We will use a wire antenna (dipole antenna) as an example to carry out numerical simulation, and give time domain waveforms at different moments, providing a theoretical reference for understanding and optimizing the time-domain radiation characteristics of the wire antenna.Based on this, this article will first use the MATLAB software for binary phase shift keying modulation and demodulation process simulation, and then use the line antenna as the basic radiating element, while using BPSK modulated electromagnetic wave as the excitation source, using commercial electromagnetic simulation software FEKO, By observing the time-domain waveforms output from different far field points in different spatial directions when using the antenna phase center as a reference point, the physical process of RF front-end signal radiation applied in the communication field is investigated to investigate the time-domain radiation characteristics of the line antenna and provide a reference to optimize the design of antenna.This article has completed the BPSK modulation process and the demodulation process encoding, drawing the spectrum. At the same time, the research results show that the BPSK modulated signal with sine wave as the carrier and the signal radiated by the line antenna have directionality in the distribution of the radiation field in the far field region. Keywords: BPSK modulation and demodulation; Time domain analysis;Numerical simulation; Wire antenna

目 录

第1章 绪 论 1 1.1研究背景 1 1.2国内外发展现状 2 1.3本文研究内容 3 第2章 基本原理 4 2.1 BPSK调制原理 4 2.1.1 BPSK调制基本原理 4 2.1.2 相乘法调制 5 2.1.3 相位选择法调制 5 2.2 BPSK解调原理 6 2.3天线辐射基本原理 7 2.3.1 天线 7 2.3.2 偶极天线及其辐射场 8 第3章 BPSK调制与解调仿真 14 3.1仿真工具介绍 14 3.2 BPSK调制及解调的仿真 14 3.2.1 相位选择法调制及相干解调 14 3.2.2 相乘法调制 19 第4章 天线仿真及时域分析 21 4.1仿真软件介绍 21 4.2天线仿真 21 4.3天线仿真结果及分析 26 第5章 总结与展望 32 5.1总结 32 5.2展望 32 参考文献 34 致 谢 36

第1章 绪 论

1.1研究背景

通信技术一般可以分为模拟通信技术与数字通信技术。当今世界通信技术的主要研究及应用领域是数字通信技术。生活及生产中对于通信速度与质量的不断追求促进了无线数字通信的迅猛发展。通信系统中的调制解调如何选择及其对天线辐射的影响如何，射频天线如何获得最大增益都是我们关心的内容。 调制是利用基带信号控制载波信号一些参量的变化从而负载信息的过程。根据不同的量的特性可以将调制分为调幅、调频和调相。经过调制的信号经由天线发射出去，在接收端天线得到接收。接收到的信号需要解调，就是在收到的调制信号中通过一些方法得到原信号的过程。调制解调器对于无线数字通信系统而言意义重大，它所采取的调制解调方式将直接决定射频通信链路的信号传输质量。利用相位变化进行调制的二进制相移键控（BPSK）是一种比较容易实现的基本调制方式，它的解调方式一般采取相干解调，相对稳定且误码率较低。Harada H，Prasad R在《Simulation and software radio for mobile communications》一书中，给我们介绍了BPSK信号的传输机制还有相应的编程算法^[1]，我们可以进行验证仿真。国内的通信著作中也有很多关于BPSK调制的描述^[2]-[6]，我们可以进行一一对比。现在，MATLAB、HFSS、Advanced Dedigner System（ADS）、Ansoft Designer（AD）等软件都可以进行BPSK通信系统各个子模块算法的实现，得到较好的仿真结果。Tang Y，Lv X他们利用MATLAB进行了BPSK和BDPSK调制信号的仿真模拟^[7]，然后给出BPSK与BDPSK的误码率的比较；Peng W，Liu X等人通过Ansoft Designer实现了对BPSK的调制与解调的模拟仿真^[8]；还有一些学者，如Sorace R研究了在航天器上存在静电干扰情形下的BPSK信号的误码率问题^[9]；2011年，Zhao Z，Shen Y，Bai Y等人在IMCCC会议上使用Costas环实现了BPSK解调中的同步载波的设计与研究^[10]；Zorzi F，Mucchi L，Ronga L S等人研究了噪声环调制下的非相干解调方式模型，通过一系列方法使得信号只能在一个终端处解调，从而使信息安全得到保证^[11]。另一方面，硬件上，Popescu S O，Gontean A S等人使用FPGA实现了BPSK信号的调制^[12]。在通信系统中，天线是一个重要的转换器，它实现了能量传输形式的转变，天线的性能指标对通信质量的影响是巨大的。 Gehan A.J. Amaratunga和Dhiraj Sinha1等研究员经过详细的观察和分析得出任何形式的对称的谐振器都可以通过明显的破缺变成一个辐射天线的结论^[13]，并给出了原理解释，我们对于天线模型的建立可以从中获得启发。我们设计和研究的方法可以在Balanis C A所精心撰写的关于天线如何分析与设计的著作中得到答案^[14]。除此之外，我还涉猎了其他调制方法，比如频移键控^[15]，还了解了相干解调的相关知识^[16]，从而对无线通信有了一个全面的认识。 基于此，本课题计划研究BPSK调制电磁波经由射频前端天线辐射到空间的物理过程，将以线天线为基本辐射单元，同时采用BPSK调制的电磁波作为激励源进行仿真，通过观察以天线相位中心为参考点时位于空间不同方向角上不同远场点输出的时域波形，考察应用在通信领域射频前端信号辐射的物理过程，探究线天线的时域辐射特性，以期对天线的优化设计提供参考。

1.2国内外发展现状

学者们相继做了许多关于BPSK信号的研究，最主要的目的是为了实现通信系统中信号的有效传输。其中一个问题是通信过程中的信噪比的估计问题，我们如何采取有效措施减少噪声，增大信噪比。西安空间无线电技术研究所的教授们曾在2008年研究了AWGN（加性高斯白噪声）信道下有关BPSK信号的信噪比估计问题，对如何提高信噪比有一些说明；还要解决的另一个问题是如何提高频带利用率，人们为提高BPSK信号的利用率，相继开发出DBPSK等信号，这方面研究还在进行着。 在王均宏学者对脉冲电磁波通过偶极天线辐射的物理过程及其数值模拟的研究过程中，我们了解了王先生对于天线辐射根本原理的理解及验证。对偶极子天线而言，馈电点和两个端点产生辐射，产生辐射的根本原因在于空间中突然出现的时变电场（位移电流），有无天线导体只能影响其向空间中辐射能量的多少，不能阻止其辐射。没有电磁场的作用，电荷无法产生加速 ，不能维持运动 ，更不能把能量重新交给电磁场，产生新的辐射源。因此，电磁场的作用对脉冲电磁渡的产生是决定性的。另外，常所说的偶极天线的三点辐射，只是天线为直线时的一种现象，当天线有加载或发生弯曲时，将不只是三点产生辐射，尤其是弯曲的情况，弯曲的地方均可产生辐射，只是弯曲半径太大时辐射不明显而已^{[17] [18]}。我们了解了天线辐射的根本原因后，设计优良性能的天线时，可以不用经过复杂的运算，从而大大方便了天线的设计。孙乃华教授关于直线振子的研究使我们对如何进行时域分析有了大体的框架^[19]。 现代科学研究中，计算机技术扮演者重要的角色。利用计算机高速度、低成本的显著特点，尤其是其对于数值计算的巨大优势，我们使用计算机构建系统模型进行仿真模拟，一方面能够打破实验室条件的制约，可以尽可能方便地实现研究者的构想，另一方面可以对真实实验提供前期参考。近些年来，一大批功能强劲的电磁场仿真软件应运而生。如HFSS、CST、FEKO等电磁仿真软件大大弥补了人工计算的不足。FEKO软件在最新版本中，增加了时域求解器模块，可以为研究者们提供一些常用时域波形。在BPSK信号作为馈源的前提下，我们将利用时域求解器，研究天线辐射的时域特性，通过给出不同时刻的场分布图以期为实现线天线进一步优化提供理论参考。

1.3本文研究内容

本次毕业设计计划研究BPSK调制电磁波经由射频前端天线辐射到空间的物理过程。我们将首先利用MATLAB软件进行二进制相移键控的调制和解调过程仿真，然后进行线天线的仿真分析，采用BPSK调制的电磁波作为激励源，通过观察以天线相位中心为参考点时位于空间不同方向角上不同远场点输出的时域波形，考察应用在通信领域射频前端信号辐射的物理过程，探究线天线的时域辐射特性，以期对天线的优化设计提供参考。设计的重点可分为两部分：一是实现BPSK调制电磁波；二是实现对天线辐射的物理过程的数值模拟以及进一步的远场分析。 第1章首先阐述了该课题的研究背景以及国内外发展现状，对本课题有个整体的把握，便于接下来开展工作。第2章主要介绍了需要用到的一些基本原理，包括BPSK调制与解调原理、天线辐射的基本原理，从而有一个理论的指导性基础。第3章介绍了BPSK调制与解调所使用的仿真工具以及仿真过程，加强了对MATLAB的理解运用^{[20] [21]}。第4章主要介绍了天线仿真软件以及如何对偶极子天线进行仿真模拟，利用FEKO软件对偶极子天线辐射过程进行了时域分析，得出BPSK调制信号通过线天线辐射的时域特性。第5章是对本次毕业设计的总结与反思，还对设计方向提出了一些展望。

第2章 基本原理

2.1 BPSK调制原理

2.1.1 BPSK调制基本原理

BPSK是Binary Phase Shift Keying的英文缩写，是一种重要的移相键控方式。基带二进制信号控制载波的相位变化，从而产生携带信息的BPSK调制信号。在BPSK调制过程中，基带信号是二进制信号，载波的相位由它控制，即0代表初相位为0，1代表初相位为π。换句话说，基带信号输出为0时，调制波与载波同相位，基带信号输出为1时，调制波与载波反相位。式（2.1）是BPSK调制信号的时域表达式： (2.1) 其中， (2.2) 这样我们能够把BPSK调制信号的时域表达式改写成如下形式： (2.3) 其中，的取值是0或1。 BPSK信号的另一种表示方法如下所示： (2.4) 即表示为双极性脉冲数列和载波的乘积。这里要选用双极性脉冲数列，其表达式如下： (2.5) 这里，表示双极性数字序列，以一定的概率取值1或-1，是脉宽为，幅度为1的矩形脉冲信号，其取值如下： (2.6) 由以上公式可知，BPSK调制的方法一般可以分为相位选择法调制和相乘法调制两种。

2.1.2 相乘法调制

图2.1为相乘法调制的原理图。输入的二进制信号首先进行码型转换，把单极性码（输入为0或1）转换为双极性不归零码（输出为1或-1），得到的双极性不归零码再和载波相乘，输出端得到的就是经BPSK调制的信号。 d(t) 双极性不归零码 图2.1 BPSK相乘法调制

2.1.3 相位选择法调制

图2.2为相位选择法调制原理图。相位选择法利用基带信号直接控制载波信号的相位，需要用到振荡器和反相器电路，由此得到的输出信号就是经BPSK调制的信号。 d(t) 图2.2 BPSK相位选择法调制

2.2 BPSK解调原理

BPSK调制信号是通过相位传递基带信息的，因而幅度检波的包络检波法不适用于BPSK解调，故采取相干解调的方式对BPSK信号进行解调。相干解调又叫做同步检波，其难点在于如何获得和接收信号同频同相的相干载波。下图是相干解调原理图。 图2.3 BPSK相干解调原理图 图2.3显示了BPSK调制信号的生成过程。进行积分采样判决后得到的输出信号即为BPSK解调信号。如果接收端收到的调制信号与同步载波同相，那么两者的乘积为正值，积分采样后得到一个正数，为了使解调信号与基带信号保持一致，大于零时判决为0，然后输出0；如果接收端收到的调制信号与同步载波反相，那么两者的乘积为负值，积分采样后得到一个负数，此时判决器输出为1。这样就将基带信号从载波中解调出来了。 图2.4是BPSK相干解调中间过程的波形图，这是理想状态下的各节点输出波形。可以看出相乘器输出波形是如何得到的，而低通滤波器的作用是滤去高频信号，形成包络线信号，抽样判决器使输出信号变成数字信号。需要我们注意的是BPSK解调过程中可能出现的“倒π现象”。可以通过改进调制方式加以避免此现象，如使用差分移相键控等。 T_s