通信原理课程设计-基于Systemview的通信系统的仿真.doc

目录绪论2第1章 systemview软件介绍3第2章 二进制振幅键控 2ask42.1 2ask调制原理42.2 2ask调制42.3 2ask解调原理52.4 2ask解调62.5 仿真结果分析8第3章 二进制频移键控 2fsk93.1 2fsk调制原理93.2 2fsk调制93.3 2fsk解调原理123.4 2fsk解调123.5 仿真结果分析16第4章 二进制移相键控 2psk174.1 2psk调制原理174.2 2psk调制174.3 2psk解调原理194.4 2psk解调194.5 仿真结果分析：22第5章 二进制差分移相键控 2dpsk235.1 2dpsk调制原理235.2 2dpsk调制245.3 2dpsk解调原理255.4 2dpsk解调265.5 仿真结果分析29第6章 总结30参考文献31谢辞32基于systemview的通信系统的仿真绪论 数字信号的传输方式可以分为基带传输和带通传输。为了使信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特性相匹配。在这个过程中就要用到数字调制。在通信系统中，利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，来实现数字调制，这种方法通常称为键控法，主要对载波的振幅，频率，和相位进行键控。键控主要分为：振幅键控，频移键控，相移键控三种基本的数字调制方式。本次课设目的是学习以上三种数字调制方式，在掌握了理论知识后，利用软件systemview实现对2ask、2fsk、2psk、2dpsk的仿真。通过本次课设达到掌握系统各功能模块的基本工作原理和电路设计的基本思路和方法的目的。关键字：数字信号 键控法 仿真第1章 systemview软件介绍 systemview是美国elanix公司于1995年开始推出的软件工具，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，能进行模拟、数字、数模混合系统、线性和非线性系统的分析设计，可对线性系统进行拉氏变换和z变换分析。 systemview基本属于一个系统级工具平台，可进行包括数字信号处理（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。此次课程，学会熟练掌握systemview的用法，在该软件的配合下完成各个系统的结构图，还有调试结果图。systemview对系统的分析主要分为两大块，调制系统的分析和解调系统的分析。由于调制是解调的基础，没有调制就不可能有解调，为了表现解调系统往往需要很高的采样频率来减少滤波带来的解调失真，所以调制的已调信号通过波形模块观察起来不是很清楚，为了更好的弄清楚调制是怎么样的一个过程，在这里，我们把调制单独列出来，用较低的频率实现它，就能从单个周期上观察调制系统的运作模式，更深刻地表现调制系统的调制过程。systemview是一个用于现代科学与科学系统设计及仿真打动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统打设计与仿真，到一般打系统数字模型建立等各个领域，systemview在友好而功能齐全打窗口环境下，为用户提供啦一个精密的嵌入式分析工具。图1 systemview界面第2章 二进制振幅键控 2ask2.1 2ask调制原理图2-1 2ask调制器原理框图 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。2.2 2ask调制系统相关参数：基带信号：amplitu=0.5，offset=0.5，rate=20hz；模块2：amplitu=1，frequent=50；图2-3 2ask调制设计图图2-4 输入的调制信号图2-5 已调信号2.3 2ask解调原理 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2-2 2ask解调器原理框图2.4 2ask解调系统相关参数：基带信号：amplitu=0.5，offset=0.5，rate=10hz；模块0：amplitu=1，frequent=300；模块1：amplitu=1，frequent=300；模块8：frequent=50，poles=3；图2-6 2ask解调设计图图2-7 原始码形图2-8 调制图图2-9 模块4结果图2-10 模块11图2-11 最后解调图2.5 仿真结果分析如图所示调制信号2-7的图形与解调后的信号2-11图形基本一致，可见解调效果不错。但是图2-10有一些尖锐的地方，而且波形没有原始波形那么方正。其原因是由于低通滤波器的频率设置。设置频率高了尖锐波形就会增多，设置频率低了，则波形就会平滑很多，没有原始波形的那种方正。因此，设置低通的频率要考虑最终的结果好坏，要使两者处于一种比较好的平衡，使得解调波形最接近原始波形。要解决这个问题可以在低通滤波器后面加一个抽样判决器，这样效果会好很多。这个从最后的解调波形就可以看出来。第3章 二进制频移键控 2fsk3.1 2fsk调制原理原理：2fsk原理框图：图3-1 原理框图采用键控法产生的二进制频移键控信号，即利用矩形脉冲序列控制的开关电力对两个不同的独立频率源进行选通。频移键控fsk是用数字基带信号去调制载波的频率。因为数字信号的电平是离散的，所以载波频率的变化也是离散的。在课设中，二进制基带信号是用正负电平表示的，载波频率随着调制信号为1或-1而变化，其中1对应于载波频率f1，-1对应于载波频率f2.3.2 2fsk调制系统相关参数：基带信号：amplitu=0.5，offset=0.5，rate=10hz；模块8：threshold=0.5，ture=1,false=0；模块1：amplitu=1，frequent=50hz；模块2：amplitu=1，frequent=10hz；图3-2 2fsk调制设计图图3-3 模块3结果图3-4 模块4结果图3-5 模块5结果图3-6 模块6结果图3-7 最后调制结果3.3 2fsk解调原理2fsk信号的常用解调方法是采用如图3-8和图3-9的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信号分别进行解调，然后进行判断。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呼应，调制是若判定“1”符号对应载波频率f1，则接收是上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。以下是两种解调方式的框图：（1） 非相干解调：图3-8 （2） 相干解调：图3-93.4 2fsk解调以下是软件仿真的实现波形图：相关系统参数：基带信号：amplitu=1，offset=0，rate=50hz；模块8：threshold=0.5，ture=1,false=-1；模块1：amplitu=1，frequent=500hz；模块2：amplitu=1，frequent=1000hz；模块14：amplitu=1，frequent=500hz；模块15：amplitu=1，frequent=1000hz；模块16：frequent=225，poles=7；模块17：frequent=225，poles=7；模块18：threshold=0.4，ture=1,false=-1；图3-10 2fsk解调设计图图3-11 初始码形图3-12 码形变换波形图3-13 2fsk波形图3-14 经低通滤波器后的波形图3-15经低通滤波器后的波形图3-16 模块20图3-17 最终解调结果3.5 仿真结果分析如图3-11、3-17分别为系统的输入和输出，输入为调制信号，输出为解调信号。从图片对比下，可以看出两信号基本一致。这说明，2fsk的解调完成的不错。从图3-16看，解调波形还略有些起伏，且存在一些尖锐的地方。这些问题基本上无法避免，因为存在干扰。这是在低通滤波器的最高频率调到225hz情况下得到的结果，相当于基带频率的50hz来说，这个频率已经很高了。如果把低通频率调低可以减少尖锐脉冲，但单元信号就不能较完整地还原。经过相加器合成后，波形就已经与原始波形比较一致了。在这个基础上加一个抽样判决器，就可以很好的还原原始信号。解调出的信号见图3-17。第4章 二进制移相键控 2psk4.1 2psk调制原理 相位键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2psk中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2psk信号的时域表达式为。发送二进制符号“0”时，取0相位；发送二进制符号“1”时，取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。2psk的产生方法（数字键控法）的原理图如图4-1：图4-14.2 2psk调制系统的相关参数：基带信号：amplitu=2，offset=0，rate=10hz；模块1：amplitu=2，frequent=20hz；图4-2 2psk的调制设计图图4-3 模块0的波形图4-4 2psk的调制波形4.3 2psk解调原理2psk信号的解调通常采用相干解调法，解调器原理框图如图4-5所示。在相干解调中，需要注意的是如何得到与接收的2psk信号同频同相的相干载波是一个很关键的问题。如果解决不好这个问题，就会出现“倒”现象，即“0”和“1”互换。图4-54.4 2psk解调以下是软件仿真部分：系统的相关参数：基带信号：amplitu=1，offset=0，rate=10hz；模块8：amplitu=2，frequent=500hz；模块2：amplitu=2，frequent=500hz；模块9：frequent=50，poles=3；图4-6 2psk解调设计图4-7 模块2波形图图4-8 模块3波形图图4-9 模块11的波形图图4-10 模块10图4-11 最终解调波形4.5 仿真结果分析：图4-7和图4-11分别为原始波形和最后的解调波形。从波形图上看，两者大致一样。从图4-10存在一些比较尖锐的地方。这是因为低通滤波器的最高频率的设置稍微有点儿偏高。仿真时，几代频率设置的是10hz,因此最后要滤出基带信号，需要把低通滤波器的频率设置在10hz左右。但考虑到系统的一些原因，如果设置的低通在10hz左右的话，波形失真比较大。因此把载波信号的频率调高一点，把低通的频率也相应调高，这样就可以比较完整的滤出基带信号，但不好的地方，就是会出现这样的尖锐信号。经过一个抽样判决器之后，就得到一个很好的波形。第5章 二进制差分移相键控 2dpsk5.1 2dpsk调制原理前一个章节讲述了绝对调相2psk的仿真系统，但在2psk系统中，由于本地参考载波有0，180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，也称为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递数字信息。2dpsk信号的产生方法为：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。2dpsk信号调制器原理框图如图5-1和5-2所示。图5-1图5-25.2 2dpsk调制以下是软件仿真实现：系统的相关参数：基带信号：amplitu=2，offset=0，rate=10hz；模块5：threshold=1，ture output=1,false output=-1；模块9：delay=105；模块8：amplitu=20，frequent=20；图5-3 2dpsk调制设计图图5-4 绝对码图5-5 相对码图5-6 2dpsk已调波形5.3 2dpsk解调原理2dpsk信号的解调有两种方法：差分相干解调（相位比较法）和相干解调（极性比较法）加码反变换法。用差分相干解调是不需要专门的相干载波，只需要收到的2dpsk信号延时一个码元间隔ts，然后与2dpsk信号相乘。相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波器后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信号，故解调器中不需要码反变换器；本次课设中用到的解调方法是另一种，相干解调。其解调原理是：对2dpsk信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换变换为绝对码，从而恢复发送的二进制数字信息。其原理框图如图5-7所示。图5-75.4 2dpsk解调以下是软件仿真实现：系统的相关参数：基带信号：amplitu=2，offset=0，rate=10hz；模块5：threshold=1，ture output=1,false output=-1；模块9：delay=100；模块8：amplitu=2，frequent=300hz；模块12：amplitu=2，frequent=300hz；模块13：frequent=50，poles=3；模块15：sample rate=100；模块16：gain=5；模块17：ture output=2,false output=0；模块18：amplitu=2，frequent=300hz；模块19：delay=100；模块20：threshold=1，ture output=2,false output=-2；图5-8 2dpsk解调图图5-9 原始码形图5-10 异或结果图5-11 模块10结果图5-12 模块14结果图5-13 模块23结果图5-14 模块24结果图5-15 模块22结果图5-16 最后的解调波形5.5 仿真结果分析如图5-9和5-15所示，分别是原始波形和解调波形。波形上看，两者波形相似。只是在波形前面存在一些误判。其原因可能是因为延时模块还有低通滤波器的频率没有调好。从图5-10（即把绝对码变成相对码）看出，因为延时的作用，波形存在一些瞬时脉冲。在设置参数时，修改延时参数，可以缩短这些尖脉冲的脉宽，但很难去除。这可能跟系统本身存在延时有关。因为延时的原因，造成相对码的波形就存在瞬时脉冲。这使得后来的几个波形都带上了瞬时脉冲信号。经过低通滤波器时，为了比较完整的还原出原始波形，所以把低通频率设置较高。但这样，就使得瞬时脉冲无法滤去。经过最后的码反变换模块，最后得到的解调波形也就存在一些高频信号。解决方法可以，在已调信号上面加一个低通。但考虑到已调信号和原始信号差别不大，加一个低通会使系统变得麻烦。第6章 总结本次课设目的是学习振幅键控，频移键控，相移键控这三种数字调制方式，在掌握了理论知识后，利用软件systemview实现对2ask、2fsk、2psk、2dpsk的仿真。通过本次课设达到掌握系统各功能模块的基本工作原理和电路设计的基本思路和方法的目的。对以上四种数字调制，其软件仿真设计可以总结如下：1、2ask调制模拟调制法用乘法器来实现，解调为非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。2、 fsk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。此处是通过键控法来实现的。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。3、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。4、2dpsk是避免0和180相位模糊性产生的调制系统。通过相对相移键控实现0干扰。相干解调器原理为信号相对变换，经过带通滤波器相乘器低通滤波器，抽样判决器，码反变换器。 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，