通信原理课程设计基于systemview的通信系统的仿真

目 录第1章 前 言 1第2章 SystemView的基本介绍 2 第3章 二进制振幅键控 2ASK 43.1 2ASK调制系统 43.2 2ASK调制解调系统 63.3 2ASK系统仿真结果分析 9第四章 二进制频移键控 2FSK 104.1 2FSK调制系统 104.2 2FSK调制解调系统 124.3 2FSK仿真结果分析 17第5章 二进制移相键控 2PSK 185.1 2PSK调制系统 185.2 2PSK调制解调系统 195.3 2PSK仿真结果分析 23第6章 二进制差分移相键控 2DPSK 246.1 2DPSK实验原理 246.2 2DPSK仿真结果分析 29第7章 实验总结 30第8章 参考文献 30第9章 心得体会 32第1章 前言 我们这次课设的目的就是要对调制解调的通信系统进行仿真研究。 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。本次课程设计的目的是在学习以上三种调制的基础上，通过Systemview仿真软件，实现对AM,2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK等数字调制系统的仿真，同时对以上系统有深入的了解。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。第2章 SystemView的基本介绍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。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（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11项功能菜单。如下图（1）所示。图1 系统视窗左侧竖排为图符库选择区。图符块（Token）是构造系统的基本单元模块，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某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。创建一个仿真系统的基本操作是，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，用户进行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个图符选择按钮创建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，作为仿真系统的基本单元模块。可用鼠标左键双击图符库选择区内的选择按钮。 当需要对系统中各测试点或某一图符块输出进行观察时，通常应放置一个信宿（Sink）图符块，一般将其设置为“Analysis”属性。Analysis块相当于示波器或频谱仪等仪器的作用，它是最常使用的分析型图符块之一。 在SystemView系统窗中完成系统创建输入操作（包括调出图符块、设置参数、连线等）后，首先应对输入系统的仿真运行参数进行设置，因为计算机只能采用数值计算方式，起始点和终止点究竟为何值？究竟需要计算多少个离散样值？这些信息必须告知计算机。假如被分析的信号是时间的函数，则从起始时间到终止时间的样值数目就与系统的采样率或者采样时间间隔有关。实际上，各类系统或电路仿真工具几乎都有这一关键的操作步骤，SystemView也不例外。如果这类参数设置不合理，仿真运行后的结果往往不能令人满意，甚至根本得不到预期的结果。有时，在创建仿真系统前就需要设置系统定时参数。 时域波形是最为常用的系统仿真分析结果表达形式。进入分析窗后，单击“工具栏”内的绘制新图按钮（按钮1），可直接顺序显示出放置信宿图符块的时域波形，对于码间干扰和噪声同时存在的数字传输系统，给出系统传输性能的定量分析是非常繁杂的事请，而利用“观察眼图”这种实验手段可以非常方便地估计系统传输性能。实际观察眼图的具体实验方法是：用示波器接在系统接收滤波器输出端，调整示波器水平扫描周期Ts，使扫描周期与码元周期Tc同步（即TsnTc，n为正整数），此时示波器显示的波形就是眼图。由于传输码序列的随机性和示波器荧光屏的余辉作用，使若干个码元波形相互重叠，波形酷似一个个“眼睛”，故称为“眼图”。“眼睛”挣得越大，表明判决的误码率越低，反之，误码率上升。SystemView具有“眼图”这种重要的分析功能。 当需要观察信号功率谱时，可在分析窗下单击信宿计算器图标按钮，出现“SystemView信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮spectrum，完成功率谱的观察。第3章 二进制振幅键控 2ASK3.1调制系统： 实验原理：2ASK的实现图2：2ASK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。 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3系统的相关参数：基带信号amplitu=0.5，offset=-0.5，rate=10。图4输入的调制信号：图5已调信号：图63.2调制解调系统：系统相关参数： 基带信号频率=50HZ，电平=2，偏移=1，载波频率=1000HZ模拟低通频率=225HZ,极点数为3.系统运行时间为0.3S，采样频率=20000HZ。图7模块3为原始信号：图8模块8为解调后信号：图9模块4为已调信号：图10功率谱图：Sink3输入信号图11Sink8输出信号：图122ASK系统调制解调图对比：图13图143.3系统仿真结果分析:如图所示调制信号Sink3的图形与解调后的信号Sink8图形基本一致，在每段的起始因为信号不稳定，所以出现了微小的波动。这与滤波器滤波误差也相关。相干解调需要插入相干载波，而非相干解调不需要载波，因此包络检波时设备较简单。对于2ASK系统，大信噪比条件下使用包络检波，而小信噪比条件下使用相干解调。第四章 二进制频移键控 2FSK4. 1调制系统：实验原理：数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图：图15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。在实验中，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.系统相关参数：基带信号：AMPLITUDE=0.5，offset=-0.5，rate=10HZ，反相器：THRESHOLD=0.5，载波频率=10HZ。图16基带信号：图17经反相器后的信号：图18已调信号一部分：图13已调信号另一部分：图14已调信号：图154.2调制解调系统： 2FSK信号的解调非相干解调：图162FSK信号的解调相干解调：图17系统基本参数：基带信号频率=50HZ，电平=2，偏移=0，半波整流器门限为0，sink8、sink14频率=500HZ，sink9、sink15频率=1000HZ。模拟低通滤波器频率=225HZ，极点个数为7，运行时间=0.3S，采样频率=10000HZ。图16模块7为原始信号：图17模块19为解调后的信号图18模块11为调制后的信号图19功率谱图:Sink7输入信号：图20Sink19输出信号：图212FSK系统调制解调图对比：图22图234.3仿真结果分析：如图sink7、sink19分别为系统的输入和输出，输入为调制信号，输出为解调后信号，两信号基本一致，但解调信号每段的起始点有波动，主要是滤波器滤波误差造成的，这无碍仿真结果的准确性。由于载波频率相当大，已调信号的波形观察不是很清楚，这就不如低频处理清楚，直观。相干解调需要插入两个相干载波，而非相干解调不需要载波，因此包络检波时设备较简单。对于2FSK系统，大信噪比条件下使用包络检波，而小信噪比条件下使用相干解调。第5章 二进制移相键控 2PSK5.1调制系统：2PSK信号的产生（数字键控法）图24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。系统相关参数： 基带信号频率=10HZ，载波频率=10HZ。将双极性不归零信号同载波相乘得到2PSK信号。图25信源：（发送0的概率幅度为1，发送1的概率幅度为-1）图26已调信号：图275.2调制解调系统： 2PSK信号解调：图28系统基本参数：基带信号频率=30HZ，电平=2，偏移=0，载波频率=600HZ，模拟低通滤波器频率=225，极点个数为3。图29模块1为调制信号：图30模块10为解调后的调制信号图31模块2为已调信号图32功率谱图：Sink1输入信号：图33Sink10输出信号：图342PSK系统调制解调图对比：图35图365.3仿真结果分析：Sink1、sink10分别为调制信号、解调信号。它们波形整体一致，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。同样已调信号不是很清楚，因为载波频率太高的缘故。相干解调错一位，码变换错两位；相干解调错连续两位，码变换也错两位；相干解调错连续n位，码变换也错两位。第6章 二进制差分移相键控 2DPSK6、1实验原理 前一个实验讲述了绝对调相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：图372DPSK信号解调：图38系统基本参数：基带信号频率=100HZ，电平=2，偏移=0，逻辑异或threshold=1，tureoutput=1，FALSEoutput=-1，延迟块delay=100，selectoutput为1。载波频率=1000HZ，模拟低通滤波器频率=225HZ，极点个数为3，保持器gain=1，比较器ab，运行时间=0.5S，采样频率=10000HZ。图38模块5为调制信号：图39模块6为：相对码图40模块9为滤波后信号图41模块16为解调后的信号图42功率谱图：Sink5输入信号：图43Sink16输出信号：图442DPSK系统调制解调图对比：图45图466.2系统仿真结果分析：Sink5、sink16分别为调制解调信号，两个图像完全一致，说明该调制解调系统的准确。Sink9为滤波后的信号，存在一定的波动误差，而sink6为转换后的相对码波形。相干解调错一位，码变换错两位；相干解调错连续两位，码变换也错两位；相干解调错连续n位，码变换也错两位。第7章 实验总结 此次课程设计的主要是实现：2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK四个通信调制解调系统的仿真： 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。 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。 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。 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，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和2DPSK，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、2DPSK、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、2DPSK、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相干2DPSK和非相干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。第8章 参考文献1 樊昌信，曹丽娜编著，通信原理，国防工业出版社，2006。2 李东生.SystemView系统设计及仿真入门与应用 电子工业出版社3 杨翠蛾.高频电子线路实验与课程设计SystemView部分