systemview通信系统仿真

-.z1引言在当今信息社会，通信已经成为整个社会的高级“神经中枢〞，通信技术变得越来越重要，没有通信的人类社会将是不堪设想的。通信按传统的理解就是信息的传递与交换。一般来说，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调制及SSB调制等。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展频谱搬移，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展设计与仿真分析，并进一步设计和仿真AM超外差收音机以熟练SystemView软件的运用。通信技术在日新月异的开展，通信系统也日趋复杂多样。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局部。目前，电子设计自动化EDA(ElectronicDesignAutomatic)已成为通信系统设计的主潮流。为了使复杂的设计过程更加便捷高效，使分析与设计所需的时间和费用降低，美国Elani*公司推出的基于PC机Windows平台的SystemView动态系统仿真软件。这是一款比较流行的，优秀的仿真软件，目前大多数通信系统的仿真都是用这款软件。因此，本次课程设计亦采用SystemView软件进展通信系统的设计与仿真分析，以加深对通信原理这门课程理论的理解和提高对理论知识的实际应用能力。2模拟调制解调系统的设计与仿真模拟调制系统可分为线性调制和非线性调制，本课程设计只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。2.1线性调制的一般原理线性调制〔幅度调制〕是正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。设正弦载波为：则，幅度调制信号〔已调信号〕一般可表示成：式中——基带调制信号。×线性调制器的一般模型如图1所示，它有一个相乘器和一个冲击响应为的带通滤波器组成。×图1线性调制系统的一般模型在该模型中，适中选择带通滤波器的冲击响应，便可以得到各种线性调制信号，如AM信号、DSB信号、SSB信号等。2.2AM调制解调系统AM调制解调原理1.调制原理如果输入基带信号含直流分量，则它可以表示为与之和，其中，是的直流分量，是表示消息变化的交流分量，且假设也是理想带通滤波器的冲激响应，如果满足，则信号为调幅〔AM〕信号，其时域表示形式为：其对应的频域表示式为：式中。2.解调原理通常AM信号可以用相干解调〔同步检测〕和非相干解调〔包络检波〕两种方法进展解调。由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，可得由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项别离，无失真的恢复出原始的调制信号：×低通滤波器×低通滤波器图2相干解调原理框图AM调制解调系统仿真设计根据以上AM信号的调制与解调原理，用systemview仿真的电路图如图3所示。图3AM调制与解调系统的仿真设计图3AM调制与解调系统的仿真设计具体设计参数为：基带信号：幅值2V，频率500Hz载波信号：幅值2V，频率4000HzAM调制解调系统仿真结果与分析由以上设计的AM调制解调系统进展仿真后的波形如图4、图5、图6所示。图4已调信号与载波信号图4已调信号与载波信号图5调制信号与解调后的信号图5调制信号与解调后的信号图6已调信号的频谱图6已调信号的频谱2.3DSB调制解调系统DSB调制解调原理〔1〕调制原理在图1中，如果输入的基带信号没有直流分量，且是理想的带通滤波器，则该基带信号与载波相乘就得到双边带信号〔DSB信号〕，或称双边带抑制载波信号。其表达式为〔2〕解调原理DSB信号只能用相干解调的方法进展解调，DSB信号的解调模型与AM信号相干解调时完全一样，其组成方框图如图2。此时，乘法器输出为：经低通滤波器滤除高次项，得即无失真地恢复出了基带信号。根据以上DSB信号的调制与解调原理，用systemview仿真的电路图如图7所示。根据以上原理，参数设置为：基带信号幅值：1V；基带信号频率：10Hz载波信号幅值：1V；载波频率：100Hz；低通滤波器的截止频率为120HZ；系统所设时钟为3000Hz。SystemView仿真图如图7所示：图7DSB仿真图DSB调制解调仿真波形及分析1.经过仿真调试后通过分析窗口可以观察基带信号，载波，调制所得的DSB波形及其频谱图，以及经相干解调后恢复仿真波形。〔1〕基带信号的波形如图8所示：图8基带信号波形〔2〕载波的波形如图9所示：图9载波波形〔3〕经调制后的DSB波形及频谱图如图10和图11所示：图10经调制后的波形图11经调制后的DSB频谱图〔4〕经过相干解调后恢复出来的信号如图12所示：图12经解调后恢复的波形2.仿真结果分析DSB调制为线性调制的一种，由图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12可以看出，在频谱上，DSB信号不存在载波分量，即没有离散谱，只有上下边带两局部，调制效率为100%，即全部功率都用于信息传输。由于DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因此采用相干解调，低通滤波器的截止频率为120Hz，经相干解调后，与原信号波形一致，稍微存在一些延时。2.4SSB调制解调系统 SSB调制解调原理1.调制原理；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一样，从信息传输的角度来考虑，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。故易知在DSB调制后加适当截止频率的高通或低通滤波器便可产生相应SSB信号。通过低通滤波器后产生的下边带SSB信号，表达式为：通过高通滤波器后产生的上边带SSB信号，表达式为：原理图如图13所示。××高〔低〕通滤波器基带信号载波信号带通滤波器已调波图13SSB调制系统原理图但是由于滤波器的截止特性不理想，这里采用移相法来设计。设调制信号的单频信号，载波为，则调制后的双边带时域波形为保存上边带，波形为保存下边带，波形为上两式中的第一项与调制信号和载波信号的乘积成正比，称为同相分量；而第二项的乘积则是调制信号与载波信号分别移相90°后相乘的结果，称为正交分量。因此移相法的原理图如图14所示。图14SSB移相法原理图2.解调原理SSB调制信号只能用相干解调方法解调。解调原理和AM的线性解调原理一样，解调原理图如图2-2所示。SSB调制解调系统仿真设计根据以上SSB信号的调制与解调原理，用systemview仿真的电路图如图2-12所示。图15图15SSB调制解调系统仿真设计具体设计参数为：基带信号：幅值2V，频率500Hz；载波信号：幅值2V，频率4000HzSSB调制解调仿真波形及分析1.经过仿真调试后通过分析窗口可以观察基带信号，载波，调制所得的DSB波形及其频谱图，以及经相干解调后恢复仿真波形。〔1〕输入信号的波形如图16所示：图16输入信号波形图〔2〕经调制后的SSB波形如图17,18所示：图17SSB上边带波形图图18SSB下边带波形图〔3〕频谱图如图19,20所示：图19SSB上边带频谱图图20SSB下边带频谱图〔4〕经相干解调后的波形如图21,22所示：图21SSB上边带解调后波形图图22SSB下边带解调后波形图2.仿真结果分析SSB调制信号与DSB调制信号的波形及频谱根本一致，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。由于SSB信号的包络也不再与调制信号的变化规律一致，因此采用相干解调，经相干解调后的波形与原输入波形一致，有稍微的延时。3频带系统(2ASK)3.1设计原理振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0〞或“1〞。3.2系统框图及仿真分析单极性不归零码幅度2V，频率50Hz图232ASK的调幅法生成原理图232ASK的调幅法生成原理2ASK信号的波形图242ASK信号的波形图242ASK信号的波形分析：2ASK信号的功率谱是由连续谱和离散谱两局部组成;连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。2ASK信号的带宽是基带信号带宽的二倍。4数字频带系统(2FSK)4.1设计原理频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，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，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。采用键控法产生2FSK信号。2FSK信号的常用解调方法是非相干解调和相干解调。其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进展解调，然后进展判决。这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限。判决规则应与调制规则相照应，调制时假设规定“1〞符号对应载波频率f1，则在接收时上支路的样值较大，应判为“1〞，反之则判为“0〞。4.2系统框图及仿真分析键控法，记录2FSK信号的波形和功率谱密度；单极性不归零码Rate=50Hz，Amp=2V，Offset=2V；载波IAmp=2V，Frep=100Hz，Phase=0°；载波IIAmp=2V，Frep=300Hz，Phase=90°图252FSK基带信号、载波信号和调制信号图252FSK基带信号、载波信号和调制信号5信号的采样与恢复1.经过仿真调试后通过分析窗口可以观察输入信号，采样信号，及经解调后恢复的波形。〔1〕原始基带信号的波形和采样信号的波形如图30，31所示：图30原始基带信号波形图31采样信号波形〔2〕经抽样后的信号如图32所示：图32经抽样后的信号〔3〕经解调恢复后的信号如图33所示：图33信号的采样与恢复仿真图2.仿真结果分析理论上，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根本一致。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。6增量调制原理增量调制是一种特殊的脉码调制，增量调制简称ΔM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展采样、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展采样、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*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。增量调制是预测编码中最简单的一种。它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进展量化，而且只对这个差值的符号进展编码，而不对差值的大小编码。因此量化只限于正和负两个电平，只用一比特传输一个样值。如果差值是正的，就发“1”码，假设差值为负就发“0”码。因此数码“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。同样，在接收端，每收到一个“1”码，译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量阶。每收到一个“0”码就下降一个量阶。当收到连“1”码时，表示信号连续增长，当收到连“0”码时，表示信号连续下降。译码器的输出再经过低通滤波器滤去高频量化噪声，从而恢复原信号，只要抽样频率足够高，量化阶距大小适当，收端恢复的信号与原信号非常接近，量化噪声可以很小。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〞。在给定量化间隔〔也称量阶〕σ的情况下，能跟踪最大斜率为：设输入信号为了不发生过载临界的过载振幅增量调制原理模型如图34所示：图34图34增量调制模型6.1增量调制原理及仿真图相关参数为：基带信号为2V，10Hz的三角波；抽样频率为10Hz。对应的SystemView仿真系统电路图如图35所示：图图35增量调制仿真电路6.2仿真电路波形及分析1.经过仿真调试后通过分析窗口可以观察输入信号，调制波形以及经解调后恢复波形。〔1〕输入的三角波波形如图36所示：图36输入的三角波波形〔2〕经判决后的波形如图37所示：图37经判决后的波形〔3〕编码时经积分器后的波形如图38所示：图38经积分器后的波形〔4〕经过译码后恢复的波形如图39所示：图39经过译码后恢复的波形2.增量调制结果分析由图36和39可看出增量后的信号量化台阶比较明显，由于没有参加噪声，失真度不是很大，经解调后信号根本与原始信号一致，由于积分器的参数设置，阶梯电压经过低通滤波器平滑后，就得到与编码器原输入信号一样的模拟信号，但本系统只恢复出来了一局部波形，大致于原波形一样，误差较小。7总结经过一周的通信原理的仿真实习，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，同时不仅稳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。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，更离不开教师的帮助才完成。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缺乏之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够结实。我会在以后的学习中充实自己,争取把知识掌握结实,并灵活运用。总之，经过这一个星期的仿真实习，我对通信原理的根底知识有了更深刻的了解，要感谢学校和教师能给予我们这样一个难得实习时机，还要感谢教师和同学在实习过程中给予我的细心的帮助。参考文献[1]樊昌信等编著.通信原理.国防工业,2001[2]周炯槃等编著.通信原理(合订本).邮电大学,2005[3]卫兵.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计.安电子科技大学,2001[4]青松…等著.数字通信系统的SystemView仿真与分析.航空航天大学,2001附录SystemView简介SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台，从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真直到一般的系统数学模型建立等各个领域。SystemView在友好而且功能齐全的窗口环境下为用户提供了一个精细的嵌入式分析工具。它是由美国ELANI*公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、与调整参数，方便地参加注释。1SystemView的根本特点SystemView是美国ELANI*公司于1995年开场推出的软件工具，它为用户提供了一个完整的动态系统设计、仿真与分析的可视化软件环境，能进展模拟、数字、数模混合系统、线性和非线性系统的分析设计，可对线性系统进展拉氏变换和Z变换分析。SystemView根本属于一个系统级工具平台，可进展包括数字信号处理〔DSP〕系统、模拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真分析，并配置了大量图符块〔Token〕库，用户很容易构造出所需要的仿真系统，只要调出有关图符块并设置好参数，完成图符块间的连线后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真分析结果。利用SystemView，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。用户在进展系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进展参数设置，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的库资源十分丰富，包括含假设干图标的根本库〔MainLibrary〕及专业库(OptionalLibrary)，根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〔munication〕、逻辑〔Logic〕、数字信号处理〔DSP〕、射频/模拟〔RF/Analog〕等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线、无绳、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进展各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路〔混合器、放大器、RLC电路、运放电路等〕进展理论分析和失真分析。SystemView能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或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。SystemView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〔伯特图〕、传递函数、根轨迹图等之间的转换。2SystemView视窗进入SystemView后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件〔File〕、编辑〔Edit〕、参数优选〔Preferences〕、视窗观察〔View〕、便笺〔NotePads〕、连接〔Connetions〕、编译器〔piler〕、系统〔System〕、图符块〔Tokens〕、工具〔Tools〕和帮助〔Help〕共11项功能菜单。如以下图1所示。图1SystemView的主界面系统视窗左侧竖排为图符库选择区。图符块〔Token〕是构造系统的根本单元模块，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅是代表*一数学模型的图形标志〔图符块〕，图符块的传递特性由该图符块所具有的仿真数学模型决定。创立一个仿真系统的根本操作是，按照需要调出相应的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来。这样一来，用户进展的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题，使用十分方便。进入系统后，在图符库选择区排列着8个图符选择按钮创立系统的首要工作就是按照系统设计方案从图符库中调用图符块，作为仿真系统的根本单元模块。可用鼠标左键双击图符库选择区内的选择按钮。1SystemView快捷功能按钮在主菜单栏下，SystemView为用户提供了16个常用快捷功能按钮，按钮功能如下：去除系统删图符块