SystemView通信系统仿真..pdf
1引言 随着信息的飞速发展 ,在当今社会 ,通信已经成为整个社会的高级“ 神经中枢 ” 。 通信技术也变得越来越重要,以致其在社会的生产和生活中起着越来与重要的作 用。同时 ,培养新世纪的技术人才也显得格外重要。 通信原理理论课程的学习使我们对通信系统有了初步的了解。实现信息传递所 需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例,通 信系统的组成 ,如图 1-1所示。 图 1-1 通信系统的组成 通信系统是由信源、发送设备、信道、接收设备、信宿组成。一般发送端要有 调制器 ,接收端要有解调器 ,这就用到了调制与解调技术。调制可分为模拟调制和数 字调制。模拟调制常用的方法有AM 调制、 DSB 调制、 SSB调制;数字调制常用的 方法有 2ASK 调制、 2FSK调制、 2PSK 调制及 2DPSK 调制等。经过调制不仅可以 进行频谱搬移 ,把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上,从而将调制信号转换成适 合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号,而且它对系统的传输有效性和传输 的可靠性有着很大的影响。调制方式往往决定着一个通信系统的性能。 本次课程设计主要对常见的模拟和数字调制解调、抽样定理、增量调制系统和 数字基带传输系统进行设计与仿真分析。通过Systemview仿真软件 ,可以实现这些 通信系统的设计与仿真 ,并进一步对其进行性能分析,巩固通信原理所学过的知识。 随着通信技术的发展日新月异,通信系统也日趋复杂。因此,在通信系统的设计 研发过程中 ,通信系统的软件仿真已成为必不可少的一部分。为了使复杂的设计过 程更加便捷高效 ,使得分析与设计所需的时间和费用降低,美国 Elanix 公司推出了基 于 PC机 Windows 平台的 SystemView 动态系统仿真软件。这款软件很好的解决了 通信系统设计过程的效率较低的问题。为了更好的掌握SystemView 动态仿真软件 , 加深对理论知识的理解 ,学校专门安排了一周的通信原理课程设计,目的在于 : 1.学习 SystemView仿真软件的基本使用方法 ; 2.利用 SystemView建立简单调制解调系统的仿真模型; 3.利用计算机对系统进行分析,能够更直观的了解其系统的工作流程; 4.通过系统仿真加深对通信课程理论的理解。 2软件 SystemView的介绍 2.1Systemview简介 SystemView是一个信号级的系统仿真软件,主要用于电路与通信系统的设计、 仿真、能满足从信号处理、滤波器设计,到复杂的通信系统等要求。SystemView 借 助大家熟悉的 Windows 窗口环境 ,以模块化和交互式的界面,为用户提供一个嵌入式 的分析引擎。 SystemView由两个窗口组成 ,分别是系统设计窗口的分析窗口。系统设计窗口, 包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计工作区。所有系统 的设计、搭建等基本操作,都是在设计窗口内完成。分析窗口包括标题栏、菜单 栏、工具条、流动条、活动图形窗口和提示信息栏。提示信息栏显示分析窗口的状 态信息、坐标信息和指示分析的进度;活动图形窗口显示输出的各种图形,如波形 等。分析窗口是用户观察SystemView数据输出的基本工具 ,在窗口界面中 ,有多种 选项可以增强显示的灵活性和系统的用途等功能。在分析窗口最为重要的是接收计 算器,利用这个工具我们可以获得输出的各种数据和频域参数,并对其进行分析、处 理、比较 ,或进一步的组合运算。例如信号的频谱图就可以很方便的在此窗口观察 到。 SystemView仿真系统具有许多的优点 : 1.利用 System View,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统,各种多速 率系统 ,因此,它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统 设计时 ,只需从 System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置,完成图 标间的连线 ,然后运行仿真操作 ,最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的 仿真分析结果。 2.SystemView的库资源十分丰富 ,包括含若干图标的基本库 (Main Library 及专 业库(Optional Library, 基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器,各种函 数运算器等 ;专业库有通讯 (Communication、逻辑 (Logic、数字信号处理 (DSP、射频 /模拟(RF/Analog 等; 3.System View能自动执行系统连接检查,给出连接错误信息或尚悬空的待连接 端信息 ,通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。这个特点对用户系统的诊 断是十分有效的。 4.System View的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式,按要求 设计多种滤波器 ,并可自动完成滤波器各指标如幅频特性 (波特图、传递函数、根 轨迹图等之间的转换。 5.在系统设计和仿真分析方面,System View还提供了一个真实而灵活的窗口 用以检查、分析系统波形。在窗口内,可以通过鼠标方便地控制内部数据的图 形放大、缩小、滚动等。另外,分析窗中还带有一个功能强大的“ 接收计算器 ”,可以 完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。 6.System View还具有与外部文件的接口,可直接获得并处理输入 /输出数据。提 供了与编程语言 VC+或仿真工具 Matlab 的接口 ,可以很方便的调用其函数。还具 备与硬件设计的接口 :与 Xilinx 公司的软件 Core Generator配套,可以将 System View 系统中的部分器件生成下载FPGA 芯片所需的数据文件 ;另外,System View 还有与 DSP芯片设计的接口 ,可以将其 DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的 C语言源 代码。 2.2SystemView窗口 用户在进行系统设计时 ,只需从 System View配置的图标库中调出有关图标并 进行参数设置 ,完成图标间的连线 ,然后运行仿真操作 ,最终以时域波形、眼图、功率 谱等形式给出系统的仿真分析结果。 SystemView的窗口由标题栏、菜单栏、工具栏、滚动条、提示信息栏图符 库、设计窗工作区等组成,其运行主界面如图2-1。 图 2-1System View的运行主界面 (t m (t s m ( t c cos 乘法器 ( t h 3模拟调制解调系统 我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。一般通信系统模型中的 发送设备和接收设备分别为调制器、解调器所代替。模拟调制系统可分为线性调制 和非线性调制 ,本次课程设计研究线性调制系统中常用的AM 、DSB 、SSB 调制与 解调系统的设计与仿真分析。 线性调制的一般原理 : 载波: cos(0?+=t A t s c 调制信号 : cos(0?+=t t Am t s c m 式中(t m 基带信号。 线性调制器的一般模型如图3-1。 图 3-1 线性调制系统的一般模型 在该模型中 ,适当选择带通滤波器的冲击响应(t h ,便可以得到各种线性调制信 号。 线性解调器的一般模型如图3-2。 图 3-2 线性解调系统的一般模型 式中(t s m 已调信号 ,(t n 信道加性高斯白噪声。 3.1AM 调制与解调系统 3.1.1AM 调制与解调系统 标准调幅就是常规双边带调制,简称调幅 (AM 。假设调制信号 (t m 的平均值为 0, 将其叠加一个直流分量0A 后载波相乘 ,且假设(t h 也是理想带通滤波器的冲激( t m ( t s m ( t n 解调器带通滤波器加法器 响应,如果满足 0A 比(t m 最大值还要大时 ,即可形成调幅信号。其时域表达式 为 (00cos cos cos AM c c c S A m t t A t m t t ? =+=+? ? ? ? 式中:0A 为外加的直流分量 ;(t m 可以是确知信号 ,也可以是随 机信号。 设计的 AM 调制模型如图 3-3( t m ( t S AM 0A t c cos 图 3-3AM 调制模型本电路采用了相干解调的方法进行解调,其组成方框 图如图 3-4 乘法器低通滤波器 ( t s m ( t m ( t s 图 3-4 相干解调法组成框图 3.1.2AM 调制解调系统仿真设计 根据 AM 信号的调制与解调原理 ,用 SystemView 仿真的电路图如图3-5所示: 图 3-5AM 调制系统的仿真图 加法器乘法器 系统参数如下 : 基带信号频率为 500Hz,电平为 4V。 载波频率为 4000Hz,电平为 1V。 模拟低通滤波器的频率为1000Hz。 在此设计的通信系统中 ,信道内加入高斯白噪声。 3.1.3AM 调制解调系统仿真结果与分析 由以上设计的 AM 调制解调系统进行仿真后 ,得到的基带信号、载波信号、已 调信号与解调信号的形如图3-6 所示: 分析后得到的基带信号频谱、载波信号频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱 如图 3-7 所示: 图 3-6AM 调制系统仿真波形 图 3-7 频谱比较图 由以上输出结果可看出 ,AM 调制为线性调制 ,在波形上 ,已调信号的包络幅值随 基带信号变化而呈正比例变化;在频谱结构包括基带分量和载频分量,并且基带信号 频谱结构是在频域内的简单的线性搬移。用相干解调法解调出来的信号与基带信号 基本一致 ,实现了无失真传输。 3.2DSB 的调制解调 3.2.1DSB 的调制解调原理 在图 3-3 中如果输入的基带信号没有直流分量,且(t h 是理想带通滤波器 ,则得到 的输出信号便是无载波分量的双边带信号,或称双边带抑制载波 (DSB-SC 信号,简称 DSB 信号,其时域表示式为 ( 0cos ?+=t A t s c m 可见,DSB 信号不能进行包络检波 ,需采用相干解调 ,DSB 信 号的频谱与 AM 信号的完全相同 ,仍由上下对称的两个边带组成。故DSB 信号是不 带载波的双边带信号 ,它的带宽与 AM 信号相同 ,也为基带信号带宽的两倍。设计的 DSB 调制 及解调模型如图 3-8: ( t m (t S DSB (t S DSB ( t m 0(t n i t c cos (t n t c cos 图 3-8DSB 调制与解调模型 3.2.2DSB 调制解调仿真设计 根据以上原理用 SystemView 仿真的电路图如图3-9 所示: 图 3-9DSB 调制解调的仿真图 系统相关参数 : 基带信号频率 =500Hz ,电平=4V 。 载波频率 =4000Hz ,模拟低通滤波器的频率为800Hz 。 在此设计的通信系统中 ,信道内加入的是高斯白噪声,幅值为 1V 。 3.2.3DSB 调制解调仿真结果及分析 由以上设计的 DSB 调制解调系统进行仿真后的波形如图3-10 所示: 乘法器信道 BPF 乘法器低通滤波器 基带信号频谱、载波频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱图如下3-11 所示: 图 3-11DSB调制过程中的各信号的频谱比较图 由以上所得波形与频谱分析可得: DSB 调制为线性调制 ,由图 3-10 可以看出 ,在波形上 ,DSB 调制信号有明显的包 络,且存在反相点 ,占用频带宽度比较宽 ,为基带信号的 2倍;由图 3-11可以看出 ,在频 谱上,DSB 信号不存在载波分量 ,即没有离散谱 ,只有上下边带两部分 ,调制效率为 100%,即全部功率都用于信息传输,从而实现发送功率的提高。用相干解调法解调出 的信号与基带信号基本一致,只是在时域上有一定的延时,但也实现了无失真传输。 3.3SSB 的调制解调 3.3.1SSB 的调制解调原理 双边带已调信号包含有两个边带,即上、下边带。由于这两个边带包含的信息 相同,因此,从信息传输的角度来看 ,只传输一个边带就够了 ,所谓单边带调制 ,就是只 产生一个边带的调制方式。 已知 DSB 信号为 ; (2 /cos cos t A t w t m t s m c m c DSB +=?=保留上边带 ,波形为 : 2 /sin sin cos cos (2/cos(m c m m c m m c m USB t A t A t A s -=+=保留 下边带 ,波形为: 2 /sin sin cos cos (2/cos(t t A t t A A s m c m m c m m c m LSB +=+=上两 式中第一项与调制信号和载波信号的乘积成正比,成为同相分量 ;第二项的乘积则是 调制信号和载波信号分别相移/2 后相乘的结果 ,称为正交分量。由此可以引出 SSB 的一种形成方法即移相法。其原理图如3-19所示。 图 3-12SSB 调制原理图 SSB 调制信号只能用相干解调方法。原理和AM 的线性解调原理一样。参见 原理图 3-2 相干解调原理。 3.3.2SSB调制解调仿真设计 根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图3-13。 图 3-13SSB调制系统仿真图 系统的相关参数 : 基带信号频率为 500Hz,电平为 4V。 载波频率为 4000Hz,电平为 1V。 模拟低通滤波器的频率为800Hz。 3.2.3SSB调制解调仿真结果及分析 如仿真图 3-14 所示的基带信号时域波形: 图 3-14基带信号的波形 经调制后的 SSB波形及解调得到的上、下边带波形如图3-15 所示: 仿真后得到的 SSB信号及边带信号及基带信号的频谱如图3-16、3-17 所示: 图 3-16SSB调制系统频域仿真波形 图 3-17基带信号频域仿真波形 由以上所得波形与频谱分析可得:SSB调制是线性调制 ,由图 3-15及 3-16 可以 看出,在波形上 ,已调信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化;在频谱结构上 , 上、下边带的频谱均是基带信号频谱搬移所得。SSB调制信号与 DSB 调制信号的 波形及频谱基本一致 ,与 DSB 相比较 ,SSB信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而 形成的 ,只包含了一个边带的信号 ,节省了带宽资源 ,调制效率仍是 100%,带宽利用率 高。与理论相符 .解调信号与原信号基本相同,实现无失真传输。 3.4三种幅度调制系统的比较 假设所有系统在接收机输入端具有相等输入信号功率(t s i,加性噪声都是均值 n的高斯白噪声 ,基带信号 (t m 为正弦波 ,带宽均为 m f。为 0、双边功率谱密度 为 2/ 1.抗噪声性能 由以上各调制波形及解调波形可以看出,DSB 调制系统抗噪声性能最好。最差 的是 AM 调制系统。 2.频带利用率 SSB的带宽最窄 ,和基带信号的带宽一致 ,即其频带利用率最高 ,而 AM 和 DSB 调制系统的带宽都是基带信号带宽的2 倍。 3.特点与应用 AM 调制的优点是设备简单 ;缺点是功率利用率低 ,抗干扰能力差。 AM 制式主 要用在中波和短波的调幅广播中。 DSB 调制的优点是功率利用率高,且带宽与 AM 相同,但接受要求同步解调 ,设备 较复杂。应用较少 ,一般只用于点对点的专用通信。 SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高,抗干扰能力优于 AM, 而带 宽只有 AM 的一半 ;缺点是发送和接受设备都很复杂。鉴于这些特点,SSB常用于频 分多路复用系统中。 4数字调制解调系统 数字基带信号是指消息代码的电波形,它采用不同的电平或脉冲来表示相应的 消息代码。来自数据终端的原始数据信号,如计算机输出的二进制序列,电传机输出 的代码 ,或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM 码组等等都是数字信号。这些 信号往往包含丰富的低频分量,甚至直流分量 ,称之为数字基带信号。在某些有线信 道中,特别是传输距离不太远的情况下,数字基带信号可以直接传输,称之为数字基带 传输。通信的根本任务是远距离传递信息,准确地传输数字信息是数字通信的一个 重要环节。因此掌握数字信号的基带传输原理是十分重要的。通过SystemView 提 供的份额仿真环境对数字基带传输中的某些问题加以仿真、分析,能帮助我们进一 步加深对这些抽样待年的理解,并增加感性认识。 4.1数字基带信号传输的条件 4.1.1基带传输系统的组成 基带传输系统的组成框图如图所示。它主要由码波形变换器、发送滤波器、信 道、接收滤波器和抽样判决器等5 个功能电路组成。 基带传输系统的输入信号是由终端设备编码器产生的脉冲序列,为了使这种脉 冲序列适合于信道的传输,一般要经过码型变换器 ,码型变换器把二进制脉冲序列变 为双极性码 (AMI 码或 HDB3 码,有时还要进行波形变换 ,使信号在基带传输系统内 减小码间干扰。当信号经过信道时,由于信道特性不理想及噪声的干扰,使信号受到 干扰而变形。在接收端为了减小噪声的影响,首先使信号进入接收滤波器,然后再经 过均衡器 ,校正由于信道特性 (包括接收滤波器在内不理想而产生的波形失真或码间 串扰。最后在取样定时脉冲到来时,进行判决以恢复基带数字码脉冲。 4.1.2数字基带信号传输码型的要求 有利于提高系统的频带利用率;基带信号应不含直流分量,同时低频分量要尽量 少,因为由于变压器的接入 ,使信道具有低频截止特性;考虑到码型频谱中高频基带信 号 X(t 图 4-1 基带传输系统模型 噪声(t 抽样判决传输信道接收滤波器发送 滤波器输出 分量的影响 ,电缆中线对间由于电磁辐射而引起的串话随频率升高而加剧,会限 制信号的传输距离或传输容量;基带信号应具有足够大的定时信号供提取;基带信号 的传输码型应具有误码检测能力;码型变换设备简单 ,容易实现。 4.1.3常用的基带传输码型 常见的传输码型有NRZ 码、RZ 码、AMI 码、HDB3 码及 CMI 码,其中最适合 基带传输的码型是HDB3 码。另外 ,AMI 码也是 CCITT 建议采用的基带传输码型 , 但其缺点是当长连 “0“过多时对定时信号提取不利。CMI 码一般作为四次群的接口 码型。 4.2数字信号传输的基本准则 -奈奎斯特第一准则 如何才能保证信号在传输时不出现或少出现码间干扰,这是关系到信号可靠传 输的一个关键问题。奈奎斯特对此进行了研究,提出了不出现码间干扰的条件:当码 元间隔 T 的数字信号在某一理想低通信道中传输时,若信号的传输速率位 (fc 为理想 低通截止频率 2fc R =b ,各码元的间隔 1/2fc T =,则此时在码元响应最大值处将不产 生码间干扰 ,且信道的频带利用率达到极限,为。上述条件是传输数 字信号的一个重要准则 ,通常称为奈奎斯特第一准则。即传输数字信号所要求 的信道带宽应是该信号传输速率的一半 1/2T Rb/2fc BW =。当满足这一条件时 ,其它码元的拖尾振幅在对应于某一码 元响应的最大值处刚好为零。 实际传输中 ,不可能有绝对理想的基带传输系统,这样一来 ,不得不降低频带利用 率,采用具有奇对称滚降特性的低通滤波器作为传输网络。根据推导得出结论:只要 滚降低通的幅频特性以点C(fc,1/2 呈奇对称滚降 ,则可满足无码间干扰的条件(此时 仍需满足传输速率 =2fc 。滚降系数 :fc/fc -fa(fc a += 用滚降低通作为传输网络时,实 际占用的频带展宽了 ,则传输效率有所下降 ,当 100%a =时,传输效率即频带利用率只 有 1(b/sHz ,比理想低通小了一半。 4.3二进制振幅键控 (2ASK 系统 4.3.12ASK 调制解调系统 图 4-22ASK 调制器原理框图 Hz *2(b/s (a 模拟调制法 (相乘器法 开关电路 (t(b 通-断键控 (O O K ,O n -O ff K eyin g 二进制不 在幅移键控中 ,载波幅度是随着调制信号而变化的。一种是最简单的形式是载 波在二进制调制信号1 或 0 控制下通或断 ,这种二进制幅度键控方式称为通断键控 (OOK 。二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的,也是最简单的。这种方法最 初用于电报系统 ,但由于它在抗噪声的能力上较差,故在数字通信中用的不多。但二 进制振幅键控常作为研究其他数字调制方式的基础。 二进制振幅键控信号的基本解调方法有两种:相干解调和非相干解调 ,即包络检 波和同步检测。非相干解调系统设备简单,但信噪比小市 ,相干解调系统的性能优于 相干解调系统。 2ASK 解调器原理框图 : 图 4-32ASK 解调器原理框图 本次课程设计采用2ASK 模拟调制法与相干解调法实现2ASK 系统调制解 调。 4.3.22ASK 调制解调系统仿真设计 根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图4-4: 图 4-42ASK 的调制解调仿真图 系统的相关参数 : 基带信号频率为 50Hz ,电平为 4V 。载波频率为 50Hz,电平为 1V 。模拟带通 e 2A S K (t B P F 全波整流器 L P F 抽样判决器 输出 a b c d 定时脉冲 (a 非相干解调 (包络检波法 e 2A S K (t B P F 相乘器 L P F 抽样判决器定时脉冲 输出 C o s c t (b 相干解调 (同步检测法 滤波器的频率为 1100Hz ,模拟低通滤波器的频率为50Hz 。 4.3.32ASK 调制解调仿真结果及分析 仿真波形如图 4-5 所示: 图 4-52ASK 系统仿真波形 由以上所得波形分析可得 : 如图所示调制信号的图形与解调后信号的图形基本一致,只是有点延时 ,如果加 入高斯白噪声 ,经过相干解调与滤波器后实现无失真传输。 4.4二进制频移键控 (2FSK 系统 4.4.12FSK 调制解调系统 在二进制数字调制中 ,若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1 和 f2 两个频率 点间变化 ,则产生二进制移频键控信号(2FSK 信号。 二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。 若二进制基带信号的1 符号对应于载波频率f1,0 符号对应于载波频率f2,则二进制 移频键控信号的时域表达式为: ( 212co s co s s s F S K n n n n t g t n t g t n t e a w a w T T ? ? ? ? =-+-? ? ? ? ? ? ? ? 其中 2FSK 信号的解调 相干解调 : 图 4-62FSK 解调器原理框图 二进制 FSK 的调制器可以采用调频电路实现,也可以用键控法实现。解调器有 相干解调和非相干解调 ,以下仿真的方法实现其过程。本次课程设计采用调频电路 与相干解调电路实现2FSK 调制解调系统。 4.4.22FSK 调制与解调系统的仿真与波形 根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图4-7: 图 4-72FSK 的调制解调仿真图 系统的相关参数 : 基带信号频率为 50Hz ,电平为 4V 。载波信号 1的频率为 100Hz ,载波信号 2 的 频率为 300Hz 。12号带通滤波器的频率为1Hz 到 150Hz ,13号带通滤波器的频 0,1,n p p b ? =? ? 发送概率为 1-发送概率为 0,1,1n p p a ? =? -? 发送概率为发送概率为e 2S K (t B P F 1 1 L P F 抽样判决器 输出 抽样脉冲 B P F 2 2 L P F 相乘器相乘器 c o s 1t c o s 2t (b 率为 220Hz 到 380Hz,16号和 17号低通滤波器的频率都为50Hz。 4.4.32FSK调制解调仿真结果及分析 根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图4-8 与 4-9: 图 4-82FSK 调制系统仿真波形 1 图 4-92FSK 调制系统仿真波形 2 由以上所得波形分析可得 : 如图所示调制信号的图形与解调后信号的图形基本一致,只是有点延时 ,如果加 入高斯白噪声 ,经过相干解调与滤波器后得到的解调信号与基带信号也基本一致,实 现无失真传输。 4.5二进制相移键控 (2PSK 系统 4.5.12PSK 调制解调系统 2PSK 信号的产生 (数字键控法 图 4-102PSK 调制器原理框图 实验原理 二进制相移键控中 ,载波的振幅和频率都是不变的,只有载波的相位随基带脉冲 的变化而取相应的离散值。通常用相位0° 和 180° 来分别表示 1或 0这种 PSK 波形 在抗噪声性能方面比ASK 和 FSK 都好,而且频带利用率也高 ,所以在中高速数传中 得到广泛的应用。 这种以载波的不同相位去直接表示相应的数字信息的相位键控通常被称为绝对 移相方式。 调制部分 :将信号源产生的双极性不归零信号直接同正弦载波相乘便可以得到 2PSK 调制信号。 2PSK 信号解调 : 图 4-112PSK 解调器原理框图 4.5.22PSK 调制解调系统仿真设计 根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图4-12: (b 图 4-122PSK的调制解调仿真图 系统的相关参数 : 基带信号频率为 50Hz,电平为 4V。载波信号频率为100Hz,电平为 1V。8号带 通滤波器的频率为 ,1Hz 到 100Hz,9号低通滤波器的频率为100Hz。 4.5.32PSK调制解调仿真结果及分析 根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图4-13: 图 4-132PSK调制系统仿真波形 由以上所得波形分析可得 : 调制信号与解调信号波形整体一致,但是每段的起点处存在一定的波动误差,造 成的主要原因是调制系统的误差。仿真结果准确。只是有点延时,加入高斯白噪声 后,经过相干解调与滤波器后得到的解调信号与基带信号也基本一致,实现无失真传 输。 4.6三种数字键控调制系统的比较 2ASK 调制模拟调制法用乘法器来实现,解调为相干解调信号经过带通滤波器, 相乘器 ,低通滤波器 ,抽样判决器 ,然后输出。 2FSK是使得载波频率在二进制基带信号f1 和 f2 两个频率点间变化 ,可以看成 是两个不同载波频率的2ASK 信号的叠加。此处是通过调频电路法来实现的。解调 是通过两个带通滤波器与相乘器相乘,在经过低通滤波器 ,然后抽样判决输出。 2PSK是利用载波相位变化来传递数字信息,而振幅和频率保持不变 ,用绝对相 移方式即以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号,此处通过模拟调制的方 法调制。解调则是让信号经过带通滤波器,然后相乘器与载波相乘 ,最后是带通滤波 器和抽样判决输出。 对同一调制方式 ,采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码 率。若采用相同的解调方式,在误码率相同的情况下 ,所需要的信噪比 2ASK 比 2FSK 高 3DB,2FSK 比 2PSK高 3DB,由此,在抗加性高斯白噪声方面 ,相干 2PSK 性能 最好,2FSK 次之,2ASK 最差。 对调制和调制方式的选择要作全面考虑,如果抗噪声性能是最主要的,则应考虑 相干 2PSK,而 2ASK 最不可取 ;如果要求较高的频带利用率,则应选择相干 2PSK、 2ASK,而 2FSK最不可取 ;如果要求较高的功率利用率,则应选择相干 2PSK、2ASK 最不可取 ;若传输信道是随参信道 ,则 2FSK具有更好的适应能力。目前用得最多的 数字调制方式是非相干2FSK。相干 2DPSK主要用于高速数据传输 ,而非相干 2FSK 则用于中、低速数据传输中,特别是在衰落信道中传输数据时,它证明了自己的广泛 的应用。 5抽样定理与增量调制系统 5.1抽样定理 抽样定理是模拟信号数字化的理论基础,它告诉我们 :如果对某一带宽的有限时 间连续信号 (模拟信号进行抽样 ,且抽样率达到一定数值时,根据这些抽样值可以在接 收端准确地恢复原信号 ,也就是说 ,要传输模拟信号不一定传输模拟信号本身,只需要 传输按抽样定理得到的抽样值就可以了。根据要进行抽样的信号形式的不同,抽样 定理可分为低通信号的抽样定理和带通信号的抽样定理。本次课程设计主要介绍低 通信号的抽样定理。 低通信号的抽样定理 :由均匀抽样定理可知 ,对一个带限在 (H 0f ,内的时间连续 信号(t m ,如果以 (H f 2/1 的时间间隔对其进行等间隔抽样,则(t m 将被所得到的抽样 值完全确定。即抽样速率大于等于信号带宽的两倍就可保证不会产生信号的混迭。 (H f 2/1 是抽样的最大间隔 ,也称为奈奎斯特间隔。 5.1.1信号的采样与恢复仿真原理 如图 4-1 所示,是低通信号采样与恢复的原理图。 图 5-1 信号的采样与恢复原理图 信号源信号处理器抽样定理 低通滤波器恢复信号 相乘器 5.1.2信号的采样与恢复仿真电路 根据图 4-1 所示的原理图 ,对应的 SystemView 如图 4-2所示: 图 5-2 验证抽样定理的仿真图 系统的相关参数 : 调制信号幅值为 4V,原始信号频率为 500Hz。 抽样信号幅值为 1V,抽样频率为 5000Hz。 5.1.3信号的采样与恢复仿真波形 根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图5-3: 图 5-3 验证抽样定理的仿真波形图 由以上所得波形分析可得 : 理论上 ,理想的抽样频率为2倍的奈奎斯特带宽时 ,及采样频率大于奈奎斯特频 率,所恢复信号与原信号基本一致。本系统的采样频率远远大于基带信号的频率,所 以经抽样后的图形与理论值相符,经恢复后的波形与原波形大致一样,有稍微的延时 , 几乎符合理论值。 实际工程应用中 ,带限信号绝不会严格限带,且实际滤波器特性并不理想,通常抽 样频率为最高频率的57倍以避免失真。 5.2增量调制系统 增量调制是一种特殊的脉码调制,增量调制简称 M 或增量脉码调制方式 (DM, 是一种把信号上一采样的样值作为预测值的单纯预测编码方式。它不是对信号本身 进行采样、量化和编码 ,而是对信号相隔一定重复周期的瞬时值的增量进行采样、 量化和编码。现在已有多种增量调制方法,其中最简单的一种 ,是在每一采样瞬 间当增量值超过某一规定值时发正脉冲,小于规定值时发负脉冲。这样每个码组只 有一个脉冲 ,故为二进制一位编码 ,每个码组不是表示信号的幅度,而是表示幅度的增 量。 5.2.1增量调制原理 假设一个模拟信号 (t x 可以用一时间间隔为t ?,幅度差为 的阶梯波形 ('t x 去逼近它 ,如图 6-1所示。只要足够小 ,即抽样频率足够高 ,且足 够小,则('t x 可以当近似于 (t x 。在这里把称作量化阶 ,s T t =?称为抽样间隔。 图 5-5 增量调制原理图 译码有两种情况 ,一种是收到 “1”码上升一个量化阶 (跳变,收到“0”码下降一个量 化阶(跳变,这样就可以把二进制代码经过译码变成('t x 这样的阶梯波。另一种是收 到“1”码后产生一个正斜变电压,在 时间内上升一个量化阶 ,收到 一个“0”码产生一个负的斜变电压,在时间内均匀下降一个量化阶。这样,二 进制码经过译码后变为如 (0t x 这样的锯齿波。考虑电路上实现的简易程度,一 般都采用后一种方法。这种方法可用一个简单RC 积分电路把二进制码变为 (0t x 波 形。 译码器的输出再经过低通滤波器滤去高频量化噪声后恢复原信号,只要抽样频 率足够高 ,量化阶距大小适当 ,接收端恢复信号与原信号非常接近,量化噪声很小。 当信号频率过高 ,或者说信号斜率陡变时 ,会出现本地译码器信号跟不上信号变 化的现象 ,称为“ 过载” 。 其原理图如图 5-4 所示。 图 5-6 增量调制原理电路 5.2.2增量调制仿真模型 根据增量调制的原理 ,可通过 SystemView设计出如下电路图 : 图 5-7 增量调制的仿真图 系统的相关参数 :调制信号幅值为 4V,原始信号频率为 500Hz。低通滤波器的频 率为 500Hz。当比较器输入信号幅值大于或等于反馈信号时输出1V,否则输出 - 1V。 5.2.3增量调制的仿真结果及分析 增量调制信号波形如图5-8 所示: 图 5-8 增量调制电路波形 由以上所得波形分析我们可以得出: 增量调制要求的抽样频率达到几十kb/s以上,且在接收端阶梯电压如果通过一 个理想的低通滤波器平滑后,就可以得到十分接近编码器原输入的模拟信号。系统 仿真所得基带信号与解调信号波形基本相同。 增量调制系统的缺点是当增量调制器的输入信号斜率超过阶梯波的最大可能斜 率值时 ,将发生过载量化噪声。所以,为了避免发生过载量化噪声,必须使量化台阶和 抽样频率的乘积足够大 ,使信号的斜率不会超过这个值。 6总结 通过此次课程设计 ,从初识到应用 SystemView仿真软件获益匪浅 ,与此同时 也使我对通信原理系统的组成以及不同的通信系统有不同的应用有了更深刻的 了 解。通过这次的通信原理课设,加深了我对通信原理理论知识的理解,不单单是 从 课本上去记忆 ,而是通过实践来验证结论的正确性,并锻炼了实践动手能力。从 理 论到实践 ,学到很多很多的的东西 ,同时不仅巩固了以前所学过的知识,而且学到 了很多在书本上所没有学到过的知识。 通过结合课本上的原理 ,利用仿真软件 ,使得结论都一一从 SystemView 仿真 出来的相应通信系统中得到印证。例如: 1.从传输带宽的角度讲 ,AM 调制和 DSB调制是信号带宽的2 倍,而 SSB调 制仅是 AM 调制和 DSB 调制系统带宽的一半 ,有效地节省了带宽 ;从信噪比改善 的角度讲 ,DSB 调制系统优于 SSB调制系统优于 AM 调制系统 ;从设备复杂性的 角度讲 ,AM 调制系统最复杂 ,SSB调制系统最简单。 2.如果抗噪声性能是最主要的,则应考虑相干 2PSK,而 2ASK 最不可取 ;如 果要求较高的频带利用率 ,则应选择相干 2PSK、2ASK,而 2FSK 最不可取 ;如果 要求较高的功率利用率 ,则应选择相干 2PSK、2ASK 最不可取 ;若传输信道是随 参 信道,则 2FSK具有更好的适应能力。 3.利用 SystemView仿真连续信号的采样与恢复系统,使得抽象的抽样定理变 得直观具体 ,更加便于我们理解模拟信号转换为数字信号及其恢复的过程。通 过改 f。变抽样频率 ,可以验证不产生信号混迭的条件,即抽样频率虚大于或等于2 倍 的 H 同样的 ,利用 SystemView仿真增量调制解调电路 ,也验证了相关结论。特别是 在 设计双 FM 电路时遇到的困难很多 ,经过多方面的查找资料 ,更离不开老师的帮 助 才完成。 在设计的过程中遇到问题 ,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程 中发现了自己的不足之处 ,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢 固。 我会在以后的学习中充实自己,争取把知识掌握牢固 ,并灵活运用。 总之,经过这一个星期的课程设计,我对通信原理的基础知识有了更深刻的了 解,理论结合实际的实习机会使我受益匪浅。另外,非常感谢学校和老师能给予 我 们这样一个难得实习机会 ,还要感谢老师和同学在实习过程中给予我的细心的 帮 助,使得我能够顺利完成此次课程设计。 参考文献 1樊昌信 ,曹丽娜 .通信原理 M. 国防工业出版社 ,2001 2周炯槃 .通信原理 (合订本 M. 北京邮电大学出版社 ,2005 3卫兵.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计M. 西安电子科技大学 出版社 ,2001 4青松.数字通信系统的SystemView仿真与分析 M. 北京航空航天大学出版 社,2001 5陈萍.现代通信实验系统的计算机仿真M. 国防工业出版社 ,2004 6罗伟雄 ,韩力,原东昌 .通信原理与电路 M. 北京理工大学出版社 ,2006 目录 1引言 (1 2软件 SystemView的介绍 (2 2.1Systemview简介 (2 2.2SystemView窗口 (3 3模拟调制解调系统 (4 3.1AM 调制与解调系统 (4 3.1.1AM 调制与解调系统 (4 3.1.2AM 调制解调系统仿真设计 (5 3.1.3AM 调制解调系统仿真结果与分析 (
