通信原理课程设计报告.doc

目录目录1绪论2一systemview仿真软件介绍3二2ask系统的设计51.工作原理52.设计方案73.系统仿真与分析73.1 实验电路73.2 参数设置73.3 运行时间设置83.4仿真结果和分析9三2fsk系统的设计111.工作原理112.方案123.系统仿真与分析133.1 实验电路133.2 参数设置133.3 运行时间设置143.4仿真结果和分析14四2psk系统的设计161. 工作原理162. 设计方案173. 系统仿真与分析183.1 实验电路图183.2 参数设置183.3 运行时间设置183.4仿真结果和分析19五2dpsk系统的设计211. 工作原理212. 设计方案223. 系统仿真与分析223.1 实验电路图223.2 参数设置233.3 运行时间设置233.4 仿真结果和分析23六小结25七致 谢26八参考文献27绪论数字通信系统, 按调制方式可以分为基带传输和带通传输。数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率（如06m）低频段，因而在很多实际的通信（如无线信道）中就不能直接进行传输，需要借助载波调制进行频谱搬移，将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传输，这种传输方式，称为数字信号的频带传输或调制传输、载波传输。所谓调制，是用基带信号对载波波形的某参量进行控制，使该参量随基带信号的规律变化从而携带消息。对数字信号进行调制可以便于信号的传输；实现信道复用；改变信号占据的带宽；改善系统的性能。和模拟调制不同的是，由于数字基带信号具有离散取值的特点，所以调制后的载波参量只有有限的几个数值，因而数字调制在实现的过程中常采用键控的方法，就像用数字信息去控制开关一样，从几个不同参量的独立振荡源中选参量，由此产生的三种基本调制方式分别称为振幅键控（ask,amplitude-shift keying）、移频键控（fsk,frequency-shift keying）和移相键控(psk,phase-shift keying )或差分移相键控（dpsk,differentphase-shift keying）。在数字调制中，数字基带信号可以是二进制的，也可以是多进制的，对应的就有二进制数字调制和多进制数字调制两种不同的数字调制，最简单的情况即是以二进制数字基带信号作为调制信号的二进制数字调制，本次课程设计主要针对就是最常用的二进制数字调制方式即二进制振幅键控、移频键控和移相键控三进行系统仿真分析，通过学习systemview仿真软件，对对三种系统进行仿真，熟悉2ask、2fsk、2psk和2dpsk的原理。关键字：数字通信系统、振幅键控、移频键控、移相键控、差分移相键控一systemview仿真软件介绍systemview 是美国elanix 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. 利用systemview ,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统,它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真.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，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。systemview以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。使用systemview你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。图1-1：systemview仿真软件操作窗口systemview仿真系统的特点：1. 能仿真大量的应用系统：能在dsp、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、dsp和射频模拟功能模块。2. 快速方便的动态系统设计与仿真：使用用户熟悉的windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），systemview可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、dsp滤波器，并输入输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（metasystem）。 3. 在报告中方便地加入systemview的结论：systemview通过notes（注解）很容易在屏幕上描述系统；生成的systemview系统和输出的波形图可以很方便地使用复制（copy）和粘贴（paste）命令插入微软word等文字处理。4. 提供基于组织结构图方式的设计：通过利用systemview中的图符和metasystem（子系统）对象的无限制分层结构功能，systemview能很容易地建立复杂的系统。5. 多速率系统和并行系统：systemview允许合并多种数据采样率输入的系统，以简化fir 滤波器的执行。这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的通信系统的设计与仿真，有利于提高整个系统的仿真速度，而在局部又不会降低仿真的精度。同时还可降低对计算机硬件配置的要求。6. 完备的滤波器和线性系统设计：systemview包含一个功能强大的、很容易使用的图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境，还包含大量的fir/iir滤波类型和fft类型，并提供易于用dsp实现滤波器或线性系统的参数。7. 先进的信号分析和数据块处理：systemview提供的分析窗口是一个能够提供系统波形详细检查的交互式可视环境。分析窗口还提供一个能对仿真生成数据进行先进的块处理操作的接收计算器8. 可扩展性：systemview允许用户插入自己用c/c+编写的用户代码库，插入的用户库自动集成到systemview中，如同系统内建的库一样使用。9. 完善的自我诊断功能：systemview能自动执行系统连接检查，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。二2ask系统的设计1. 工作原理振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始化相位保持不变。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“。一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通-断键控（ook）。2ask信号时间波形e(t)随二进制基带信号是s(t)的通断的变化，如下图g(t)、s(t)、e(t)如下图：图2-1：2ask信号时间波形（1）2ask信号的调制方法通常有两种，如下图：图2-2：2ask/ook信号调制器原理框图2ask/ook信号的产生方法通常有两种：模拟调制法(相乘器法)和键控法。图(a)就是一般的模拟幅度调制的方法，用乘法器实现；图(b)是一种数字键控法，其中的开关电路受s(t)控制。（2）2ask信号的解调方法通常有两种，如下图：图2-3：2ask/ook信号的接收系统组成方框图2ask/ook信号有两种基本的解调方法：非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)。（3）e(t)的功率谱密度为：单极性随机脉冲序列功率谱密度的一般表达式为： 得e（t）的功率谱为： 图2-4：2ask信号的功率谱密度示意图由上可知，2ask频谱由连续谱和离散谱两部分组成,连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，离散谱由载波分量决定。2ask信号的频谱只是将基带信号的频谱沿频率轴平移了一个fc,而基带信号的频谱结构并不改变。基带信号带宽为fs,2ask信号带宽为2fs。频带利用率仅为直接传输基带信号的1/2。2. 设计方案本次2ask系统设计中2ask信号的产生采用模拟相乘法，而2ask信号的解调采用相干解调(同步检测法)。如下所示：图2-5：2ask信号的产生图2-6：2ask信号的解调3. 系统仿真与分析3.1 实验电路本实验采用的是模拟相乘法产生2ask信号及相干解调进行2ask信号解调，其电路图如下所示，本实验系统中没有加入噪声。图2-7：2ask系统仿真电路3.2 参数设置token0：基带信号（pn码序列，频率：50hz，电平=1level,偏移=1v）；token2、token5：乘法器；token3、token6：载波(正弦波发生器，频率：1000hz)token 9：比较器。operator库logic组compare项（select comparison：ab,true output=1v,false output=0v, token 8做为a输入，token 11为b输入）.token 11：比较电平。source库aperiodic组step fct项（amplitude=0.2v）；tokcn1、token4、token 7、token 9、token 12：分析窗。token8：模拟低通滤波器（频率：250hz）。选择operator库中filter/systems组的linear sys filters 项，在参数设置中选择analog。在打开的文本框中，将滤波器类型没定为butterworth，no.of poles设为3，lowcuttoff设为225hz。通过滤波器设计窗口右端的analog按钮，可以进入该类型滤波器的设计窗口。图2-8：模拟滤波器设计窗口从图中可以看到共有5种类型的滤波器可供选择,即bessel(贝赛尔)、butterworth(巴特沃斯)、chebyshev(切贝雪夫)、elliptic(椭圆)和linear phase(线性相移)滤波器。对每种滤波器，可选择低通、高通、带通、带阻等 4种通带结构，还需给出该滤波器的极点个数、相应的带内波动等参数。参数给定后，系统就会自动计算系数并给出其冲击响应等特性曲线。需要注意的是，由于模拟滤波器的参数设置与系统的采样率等时间参数有关，因此在进入模拟滤波器设计窗口前，系统会要求用户设定系统时间。当用户指定的通带截止频率小于系统采样率的1%时，系统会给出提示。3.3 运行时间设置采样点数=8000，采样频率=20000hz。3.4 仿真结果和分析图2-9：整体仿真图1) token0：基带信号（pn序列，频率=50hz，电平=1level，偏移=1v）。token1观察窗观察到的波形为一个单极性的基带信号，如图3-7所示 图2-10：token1观察窗观察到的基带信号波形2) token0基带信号和token3载波信号通过相乘器token2进行相乘后即可通过token4观察窗观察到2ask调制后的波形，如图3-8所示：图2-11：token4观察窗观察到的2ask调制信号波形3) 通过token7观察窗观察到波形通过低通滤波器后高频信号部分被滤除，如图下所示图2-12：token7观察窗观察到的低通滤波后的波形4) 通过token12观察窗观察到低通滤波后的波形经过由比较电平和比较器组成的抽样判决器后得到的2ask解调信号波形，如图下所示，是一个和基带信号完全相同的单极性码波形。图2-13：token12观察窗观察到的2ask解调信号波形三2fsk系统的设计1. 工作原理fsk是在数字信号调制中使用较典型的一种调制方式,其利用载波的频率变化来传递数字信息0 或1. 由于其实现起来较容易、抗噪声与抗衰减的性能较好,因此,在中低速数据传输(传输速率在1 200 bit/ s 以下) 中得到了广泛的应用.在二进制fsk中载波频率随着调制信号1或0而变,1 对应于载波频率f1,0对应于载波频率f2 。2fsk信号时间波形如下图：图3-1：2fsk信号时间波形（1）2fsk信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟高频电路来实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元t期间输出f或f两个载波之一，如下图所示：图3-2：键控法产生2fsk信号的原理框图（2）2fsk信号的常用解调方法是采用如下图所示非相干解调(包络检波)和相干解调。其解调原理是2fsk信号分解为上下两路2ask信号分别进行解调，然后进行判决。图3-3：2fsk信号解调原理图（3）2fsk信号功率谱密度如下所示：图3-4：2fsk信号的功率谱密度示意图由上可知，2fsk频谱由连续谱和离散谱两部分组成。连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱则出现在两个载频上。若两个载频之差较小，如小于fs,则连续谱出现单峰；若载频之差逐步增大，则连续谱将出现双峰。非线性调制。ccitt推荐在话音频带内低于1200bit/s数据率时采用fsk方式，衰落信道中也广泛使用。2. 方案本次2fsk系统设计中2fsk信号的产生采用键控法产生，而2fsk信号的解调采用相干解调。如下所示：图3-5：2fsk信号的产生图3-6：2fsk信号的解调3. 系统仿真与分析3.1 实验电路本实验采用键控法产生2fsk信号及采用的是相干解调法解调2fsk，其电路图如下图所示：图3-7： 2fsk系统仿真电路3.2 参数设置token0：基带信号（pn码序列，频率=50hz，电平=1level,偏移=0v)。token1、token3：半波整流器（门限=ov）。token2、token9、 token11、token16：乘法器token5、token15：载波(正弦发生器频率1=1oohz）。token6、token20：反相器token11、token17；载波（正弦波发生器，频率2=200hz）。token12、token21：加法器。token18、tokenl9：模拟低通滤器（频率=60hz，极点个数=7）.token23：比较器。operator库logic组compare项（select comparison：ab,true output=1v,false output=0v, token 21做为a输入，token 24作为b输入）.token24：比较电平。source库aperiodic组step fct项（amplitude=1.1v）；token3、token13、token22、token25：观察窗3.3 运行时间设置采样点数=6000，采样频率=20000hz3.4 仿真结果和分析图3-8：整体仿真图1) token0：基带信号（pn码序列，频率=50hz，电平=1level,偏移=0v)。基带信号为双极性码，如图下所示: 图3-9：token3观察窗观察到的基带信号波形2) token13观察窗观察到2fsk调制波形，由图可看出波形中包含了频率分别为f1，f2的两种波形，如图下所示：图3-10：2fsk调制信号波形3) token22观察窗观察到的是低通滤波后的波形和反向波形相加后的波形，如图下所示，将该信号经过抽样判决后即可得到解调信号图3-11：低通滤波后的波形和反向波形相加后的波形4) token25观察窗观察到的是2fsk解调信号波形，其形状和输入的基带信号相同，如图下所示： 图3-12：2fsk解调信号波形四2psk系统的设计1. 工作原理2psk,二进制移相键控方式，是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式。就是根据数字基带信号的两个电平(或符号)使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。两个载波相位通常相差180度，此时称为反向键控(psk),也称为绝对相移方式。（1）2psk信号的产生2psk的产生：模拟法和数字键控法，就模拟调制法而言，与产生2ask信号的方法比较，只是对s(t)要求不同，因此2psk信号可以看作是双极性基带信号作用下的dsb调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号s(t)控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时s(t)为单极性nrz或双极性nrz脉冲序列信号均可。 2psk信号与2ask信号的时域表达式在形式上是完全相同的，所不同的只是两者基带信号s(t)的构成，一个由双极性nrz码组成，另一个由单极性nrz码组成。因此，求2psk信号的功率谱密度时，也可采用与求2ask信号功率谱密度相同的方法。（2）2psk信号的功率谱2psk信号的功率谱密度及其功率谱示意图如下: 图4-1：2psk信号功率谱密度分析2psk信号的功率谱：（1）当双极性基带信号以相等的概率（p=1/2）出现时，2psk信号的功率谱仅由连续谱组成。而一般情况下，2psk信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于基带信号经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定（2）2psk的连续谱部分与2ask信号的连续谱基本相同因此，2psk信号的带宽、频带利用率也与2ask信号的相同其中，数字基带信号带宽。这就表明，在数字调制中，2psk的频谱特性与2ask相似。相位调制和频率调制一样，本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。这样一来，数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。（3）2psk的解调系统2psk信号属于dsb信号,它的解调,不再能采用包络检测的方法,只能进行相干解调。2psk相干解调系统框图及个测试行波形如下：图4-2：2psk相干解调系统框图及个测试点波形利用costas环对2psk信号进行解调2psk 调制和costas环解调系统组成如下图所示：图4-3：2psk 调制和costas环解调系统组成2. 设计方案本次2psk系统设计中2psk信号的产生采用键控法产生，而2psk信号的解调采用相干解调。如下所示：图4-4：2psk信号的产生图4-5：2psk信号的解调3. 系统仿真与分析3.1 实验电路图本实验采用键控法产生2psk信号及采用的是相干解调法解调2psk，其电路图如下图所示： 图4-6：2psk系统仿真电路3.2 参数设置token0：基带信号（pn码序列，频率：50hz，电平=1level,偏移=0v）。token1、token8：乘法器token11：高斯白噪声。token5：加法器。token2、token7：载波(余弦波发生器，频率：1000hz)token 12：比较器。operator库logic组compare项（select comparison：ab,true output=2v,false output=0v, token 9做为a输入，token 13作为b输入）.token 13：比较电平。source库aperiodic组step fct项（amplitude=0v）；token9：模拟低通滤波器（频率：225hz）。选择operator库中filter/systems组的linear sys filters 项，在参数设置中选择analog。在打开的文本框中，将滤波器类型没定为butterworth，no.of poles设为7，lowcuttoff设为225hz。tokcn3、token4、token 10 、token 14：分析窗。3.3 运行时间设置采样点数=10000，采样频率=20000hz。3.4 仿真结果和分析图4-7：整体仿真图1) token3：基带信号（pn序列，频率=50hz，电平=1level，偏移=0v）。token3观察窗观察到的波形为一个双极性二进制的基带信号，如图下图所示图4-8：基带信号2) token4观察窗观察到2psk调制波形，由图可看出波形中包含了两种相反的频率，如图下所示(放大后的图)：图4-9：2psk调制波形3) token10观察窗观察到的是解调输入信号经过低通滤波器滤波后的波形，如图所示： 图4-10：低通滤波器滤波后的波形4) token13观察窗观察到的是2psk解调信号波形，其形状和输入的基带信号相同，仅是产生了一些延时，如图5-10所示： 图4-11：2psk解调信号波形五2dpsk系统的设计1. 工作原理在2psk系统中，由于本地参考载波有0、模糊度，因而解调得到的数字信号可能极性完全相反，从而造成1和0倒置。这对于数字传输来说当然是不能允许的。克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的办法是在调制器输入的数字基带信号中采用差分编码， 即相对调相（2dpsk），也叫二进制差分相移键控。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对相位变化传送数字信息。 2dpsk方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。即用前后两个码元之间相差来表示码元的值“0”和“1”。例如，假设相差值“”表示符号“1”，相差为“0”表示符号“0”。可以看出2dpsk的波形与2psk的不同，他们的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位差才表示信息符号。这说明，解调2dpsk信号是并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则只要鉴别这个相差关系就可正确恢复数字信息，这就避免了2psk中的倒现象发生。实现相对调相的最常用方法是：首先对数字基带信号进行差分编码，即由绝对码表示变为相对码（差分码）表示，然后再进行绝对调相。原理方框图如下： pn码发生器差 分编码器2psk系 统差 分译码器a(n)a(n)图5-1：相对调相原理方框图因为二进制绝对码与相对码之间符合模2加的关系，即有 bn=an bn-1 an=bn bn-1因此二进制差分编码器和解码器组成如图所示，其中：an为二进制绝对码序列，bn为差分编码序列，d触发器用于将序列延迟一个码元间隔。如下图所示：qckdan发送码时钟bn-1bndqck位同步时钟bnbn-1an(a) 发送差分编码器(b) 接收差分解码器图5-2：发送接收编码器2. 设计方案本次2dpsk系统设计中2dpsk信号的产生是先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码(差分码)，然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。而2dpsk信号的解调方法采用是相干解调(极性比较法)加码反变换法。如下所示：图5-3：2dpsk信号的产生图5-4：2dpsk信号的解调3. 系统仿真与分析3.1 实验电路图如下图所示，此电路为相干解调电路图5-5：2dpsk相干解调系统电路3.2 参数设置token0：基带信号（pn码序列，频率=100hz，电平=2level,偏移=0v)。token2、token14：逻辑异或（operator库/logic组/xor项，threshold=1，true output=1v,false output=-1v）.token3、token6：乘法器token5、token7、token12：载波(余弦发生器频率=1o0ohz）。token8、tokenl6：模拟低通滤器（频率=60hz，极点个数=7）.token17：比较器。operator库logic组compare项（select comparison：ab,true output=1v,false output=0v, token 18做为a输入，token 16作为b输入）.token11：比较器。operator库logic组compare项（select comparison：ab,true output=1v,false output=0v, token 12做为a输入，token 10作为b输入）.token18：比较电平。source库aperiodic组step fct项（amplitude=0v）；token4 、token13：数字采样延时块。token1、token9、token15、token19：观察窗3.3 运行时间设置 运行时间=0.5s采样频率=10000hz3.4 仿真结果和分析1) token1：基带信号（pn序列，频率=100hz，电子=2level，偏移=1v）。token1观察窗观察到的波形为一个双极性二进制的基带信号，如图所示图5-6：基带信号2) token9观察窗观