基于system_view的pcm+2dpsk_仿真及系统抗噪声性能测试实验报告.doc

西安电子科技大学通信系统实验报告基于systemview的2dpsk+pcm传输仿真指导教师：姓名学号班级日期：2015年7月一、系统仿真目的1、了解 pcm+2dpk通信系统的原理和信息传输方案2、掌握通信系统的设计方法与参数选择原则3、 掌握由图符模块建立子系统并构成通信系统的设计方法4、 熟悉通信系统的systemview仿真测试环境系统仿真内容简介5、 测试实验所搭建2dpsk传输系统抗噪声性能，并与理论曲线作对比6、 观测不同信噪比条件下关键信号眼图变化情况，进一步了解眼图的作用与含义7、 了解信号在系统传输过程中各阶段频率分量的变化，加深对限号调制解调在频域的认知二、实验内容1、用三个频率和幅度分别为400hz，2v、500hz，2v、700hz，0.5v的正弦信号作为系统的输入，经过pcm编码系统转换为数字信号，再经并串转换转换为基带信号2、以基带信号作为2dpsk系统输入信号，码速率rb16kbit/s。采用键控法实现2dpsk的调制，采用非相干解调法实现2dpsk的解调，分别观察系统各点波形。3、将2dpsk系统输出信号进行串并变换，再经pcm解码系统还原为系统初始输入的模拟信号，并观察信号时域和频域的变化。4、使用仿真软件systemview，从systemview配置的图标库中调出相关合适的图符并进行合适的参数设置，并连好图符间的连线，完成对pcm编码、2dpsk键控调制、非相干解调、pcm解码仿真电路设计，并完成仿真操作。5、观察各点波形：包括时域波形、眼图、部分信号瀑布图、2dpsk系统抗噪声性能曲线等，以及记录主要信号点的功率谱密度。6、分析实验所得图形数据，判断系统传输的正确性。7、搭建抗噪声性能测试原理图，测试在不同信噪比环境下，系统误码率的大小，并以此绘制出误码率随信噪比变化的数据曲线，即2dpsk系统的抗噪声性能，绘制该曲线，并与理论曲线进行对比。三、原理简介1、pcm编码译码原理（1）编码原理编码过程分三步：抽样：需要满足低通采样定理，采样频率8khz。量化：均匀量化时小信号量化误差大，因此采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，而在大信号时分层疏、量化间隔大。实现方法：实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x先进行压扩处理，再把压扩得到的信号y进行均匀量化。压扩器就是一个非线性变换电路，弱信号被扩大，强信号被压缩。压缩器的入出关系表示为y=f(x)。常用压扩器大多采用对数式压缩，广泛采用的两种对数压扩特性是律压扩和a律压扩。效果：改善了小信号时的量化信噪比。a律压扩特性的13段折线逼近方法：对x轴不均匀分成8段，分段的方法是每次以二分之一对分；对y轴在01范围内均匀分成8段，每段间隔均为1/8。然后把x，y各对应段的交点连接起来构成8段直线。其中第1、2段斜率相同(均为16)，因此可视为一条直线段，故实际上只有7根斜率不同的折线。以上分析的是第一象限，对于双极性语音信号，在第三象限也有对称的一组折线，也是7根，但其中靠近零点的1、2段斜率与正方向的第1、2段斜率相同，又可以合并为一根，因此，正、负双向共有13段折线。13段折线在第一象限的压扩特性如下图所示：编码：采用8位折叠二进制码，对应有m=28=256个量化级。这需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级。（2）译码原理解压扩：采用一个与13段折线压扩特性相反的解压扩器来恢复x，即x=f-1(y)。d/a变换，pcm码变换成模拟信号，即恢复到发送端模拟信号刚完成采样时的信号。低通滤波:保留原始模拟信号频率。（3）pcm编码、解码功能框图如下：2、2dpsk系统调制解调原理（1）2dpsk信号原理2dpsk方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为dj，可定义一种数字信息与dj之间的关系为则一组二进制数字信息与其对应的2dpsk信号的载波相位关系如下表所示：二进制数字信息1101001102dpsk信号相位（0）000或（）000000数字信号与dj之间的关系也可定义为：调制过程信号变换示例波形如下：（2）本实验调制原理本实验调制采用模拟调制法，2dpsk信号的的模拟调制法框图如图所示码变换相乘载波s(t)eo(t)其中码变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码，然后以此码直接与载波相乘。码变换原理图如下：qdckan发送码时钟dn-1dn（3）解调原理本实验采用非相干解调法，即极性比较法和码变换法。它的原理是2dpsk信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再与本地载波相乘，去掉调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决的到基带信号的差分码，再经过逆差分器，就得到了基带信号。它的原理框图如图所示。信号变换示例波形如下逆差分器原理如下：四、系统组成框图、子系统组成框图及图符块参数设置1、总图(系统采样频率400e+3hz)2图块对模拟信号进行a律压缩，输入输出正负5v,4图块为模数转换模块，输出八位并行码，4图块采样频率为2000hz，码速的八分之一，22为一八选一mux，在23,24,25信号控制下由高位到低位顺序依次将并行信号串行输出。adc与mux按顺序接，23/24/25频率分别为adc采样的1/2/4倍，占空比1:1，低频率接高位（s2）.输出即为pn码。16延迟一个码子宽度，1/16000s，39为异或门，输出双极性不归零码字。与44块80000hz的载波相乘进行调制，生成2dpsk信号。44为噪声，高斯噪声，density on1 ohm，20e-6w/hz（关于此值下有详解），45选择db power增益（取值下有详解）。12带通滤波器，最低频率60k，最高频率100khz，滤除噪声。50为载波提取，设置comm : costas，vco fre=80e+3，vco pahse=0 deg，mod gain=1hz/v，loop fltr=1+1/s+1/s2。调制信号与载波相乘后，经低通滤波器，截止频率16khz，滤除高频分量，得到基带信号轮廓，经28,41采样保持后得到不规则的双极性不归零码字，见下图中的下图，29为缓冲器，门限为0，大于0输出1，小于零输出-1，得到下图中的上图，图像变规则了。11模块延迟1个码宽，与异或门结合形成码反变换器，输出单极性不归零绝对pn码字。信号到27块延迟7个码宽后，输出到18,时分解复用器，8位，保持8个码字宽度（参数设置见表格），后送入dac模块，门限500e-3，八位，输出范围正负5伏，将并行数据转换为串行数据，再经解压缩块还原成模拟信号，再经低通滤波保留原始模拟信号频率分量。得到原始模拟信号。2、模拟信号发生模块、各图块参数表格编号库/名称参数token14source: sinusoidamp:2vfreq:400hzphase:0degtoken0source: sinusoidamp:2vfreq:500hzphase:0degtoken15source: sinusoidamp:0.5vfreq:700hzphase:0degtoken1addernonetoken6sink : analysisnone3、模数转换模块、各图块参数表格编号库/名称参数token2comm : compandera-lawmax-input : +/-5vtoken7sink : analysistoken21source : pluse trainamp:1vfreq:2000hzpulsew:250e-6 secoffect:0vphase:0degtoken4logic : adcgate delay:0 secthreshold:500e-3vtrue output:1vfalse output:0vno.bits:8min input:-5vmax input:5vrise time:0 sec4、并串转换模块、个图块参数表格编号库/名称参数token22logic : mux-d-8gate delay:0 secthreshold:500e-3vtrue output:1vfalse output:0vrise time:0 secfall time:0 secenable:nonetoken23source : pluse trainamp:1vfreq:2000hzpilsew:250e-6 secoffset=0vphase=0degtoken24amp:1vfreq:4000hzpilsew:250e-6 secoffset=0vphase=0degtoken25amp:1vfreq:8000hzpilsew:250e-6 secoffset=0vphase=0degtoken48sink : analysisnone5、差分变换模块、各图块参数表格编号库/名称参数token16operator : delaydelay=62.5e-6secnon-interpolatingtoken39logic : xorgate delay:0 secthreshold=500e-3true output=1vfalse output=-1vrise time=0 secfall tome=0 sec连接16图块的1端口token19sink : analysisnone6、载波调制及加噪声模块、各图块参数表格编号库/名称参数token20sink : analysisnonetoken10multipiernonetoken43addernonetoken45operator : gaingain units=db powergain=x(不同测试条件增益值设置不同，不需要加噪声时可与加法器断开连接，需要时设置多少见抗噪声性能测试部分原理token13source : sinusoidamp=1vfreq=800000hzphase=0degtoken44source : gauss noiseconstant parameter=density in 1 0hmdensity(w/hz)=20e-6（为何设置此值见抗噪声性能测试部分原理maxrate=400e+3mean=0v7、解调模块、格图块参数表格编号库/名称参数token37sink : analysisnonetoken33sink : analysisnonetoken38sink : analysisnonetoken17sink : analysisnonetoken12operator : linear syschebyshev bandpass iir3 poleslow fc=600000hzhig fc=100000hzquant bits=nonetoken34multipiernonetoken36operator : linear sysbutterworth lowpass iir3 polesfc=16000hzquant bits=nonetoken28operator : samplerinterpolatingrate=16000hzaperture=0 sectoken41operator : holdlast valuegain=1out rate=400e+3token29logic : buffergate delay:0 secthreshold=0vtrue output=1vfalse output=-1vrise time=0 secfall time=0 sectoken50comm : costas（载波提取）vco fre=80e+3vco pahse=0 degmod gain=1hz/vloop fltr=1+1/s+1/s2token51sink : analysisnone8、 差分码反变换模块、各图块参数9、串行信号转并行信号模块、各图块参数表格编号库/名称参数token31sink : analysisnonetoken30logic : xortrue output=1vfalse output=0v连11图块的0端口delaytoken11operator : delaydelay=62.5e-6non-interpolating编号库/名称参数token27operator : smpl delaydelay=175 samplesattribute=phasetoken18comm : td demuxno.output=8time per output=500e-6sec连27图块1端口delay-dt10、数模转换及元模拟波还原模块、各图块参数编号库/名称参数token9sink : analysisnonetoken42operator : linear syschebyshev loepass iir3 polesfc=800hzquant bits=nonetoken3com : decompanda-lawmax output:+/-5vtoken5logic : dactows complementgate delay=0 secthreshold=500e-3no.bits=8min output=-5vmax output=5v五、各点波形：包括时域波形、眼图、覆盖图（800采样点）1、输入模拟信号波形2、输入模拟信号a律压缩3、绝对码波形4、输入差分码波形5、2dpsk已调信号波6、带通滤波器输出波形7、提取载波波形8、乘法器输出9、低通滤波器输出10、抽样保持输出相对码11、码反变换2dpsk系统输出基带信号13、2dpsk系统输入输出瀑布图14、模拟信号输入输出瀑布图12、低通输出波形眼图（1）无噪声眼图，噪声增益模块与加法器断开（2）低噪声眼图（信噪比20db）测试条件，gain连接加法器，噪声设置gauss noise，constant parameter=density in 1 ohm,density=20e-6w/hz增益模块设置，gain units=db power;gain=-20（3）高噪声眼图（信噪比为0db）测试条件，gain连接加法器噪声设置gauss noise，constant parameter=density in 1 ohm,density=20e-6w/hz增益模块设置，gain units=db power;gain=0六、主要信号的功率谱密度（16384采样点）1、原始模拟信号功频谱2、绝对码功率谱3、载波功率谱4、2dpsk功率谱5、带通滤波器输出功率谱6、乘法器输出信号功率谱7、低通滤波器输出功率谱8、输出pn序列基带谱七、滤波器的幅频特性曲线1、带通滤波器冲击响应2、带通滤波器幅频特性曲线3、低通滤波器冲击响应4、低通滤波器幅频特性曲线八、系统抗噪声性能测试（131072采样点）1、分析：关于噪声设置和信噪比关系关于信噪比，【snr】即信号功率与噪声功率的比值，snr=ps/pn【ps和pn分别是信号和噪声的有效瓦特为单位的功率】，因为是瓦特比瓦特，这样算的信噪比没有任何单位，仅仅是个双方功率的形象比值。但是由于在实际使用中s与n的比值太大，故常取其分贝数【db】，分贝与无单位信噪比的关系为 : db=10lg（s/n），这个分贝数【单位是db】便是以db为单位的信噪比。在system view 中抗噪声性能曲线中横坐标信噪比就是以db为单位的，所以，在计算时要以db为单位的信噪比为主。db为单位信噪比计算方法如下：当信噪比功率是有效功率，瓦特或毫瓦为单位时，snr=10*lg(ps/pn)（db）【ps和pn分别是信号和噪声的有效瓦特为单位的功率】；当信号和噪声的功率用dbm表示的时候，snr=x-y （db）【信号功率=xdbm，噪声功率=ydbm】；信噪比k db，即信号有效功率是噪声有效功率的10（k/10）倍；信噪比为1db，则信号有效功率是噪声有效功率的100.1=1.2589倍【不是1倍】；信噪比为0db，则信号有效功率是噪声有效功率的100=1倍；当信号有效功率和噪声有效功率相等的时候，信噪比是0db，而不是1db！信噪比80db，也就是说，信号有效功率是噪声有效功率的108倍。不管用什么单位表示，功率相等时，信噪比是1，或者0db【！单位不同，数值不同，数值因单位变】；信噪比是1，不管用什么单位表示，功率当然相等了；但是信噪比是1db的时候，二者功率关系如何？还得看具体情况，用db表示功率时，信号功率比噪声功率大1db、用瓦特表示功率时，信号功率是噪声功率的10（1/10）倍。用一个dbm 减另外一个dbm时，得到的结果是db。如：30dbm - 0dbm = 30db。dbm减dbm实际上是两个功率相除，将以瓦特为单位的两个功率相除，相除的商以10为底取对数，再乘以10，就是db啦！抗噪声性能曲线，其实是系统误码率随着信噪比变化的一个曲线，横坐标为系统信噪比，纵坐标为系统误码率，既然是曲线，那纵横坐标自然有取值范围，横坐标就取0db10db吧，一般都是在这个范围内观察的。纵坐标是对应横坐标的信噪比，系统算出来的与特定信噪比对应的误码率，不管它。既然测试信噪比初始值为0db，那怎么保证曲线的零点表示的信噪比是0db呢？了解了关于信噪比的部分，可知，信噪比0db，意味着信号和噪声的功率是相等的，对于噪声模块，设置参数：gauss noise，constant parameter=density in 1 ohm, density=？w/hz。density应该设为多少呢？对于2dpsk系统，噪声是加在2dpsk已调信号上面的，所以，要保信号和噪声功率相等，就得知道已调信号的功率！这是重中之重（这个到底怎么求，不知道system view是否有现成的方法，不知道，难找，所以，用个山寨方法吧（不保证严谨或正误！），对已调信号求功率谱密度：运行系统后打开分析窗口，点击左下角的【根号下a】图标spectrumpower spectrum（db in 1 ohm）右边选择已调信号的图窗号ok上图得已调信号功率谱密度曲线（单位dbm/hz），纵坐标不是恒定值，在一个范围变化（看图0dbm-40dbm）。可以大胆的取个平均值，对于上面的功率谱密度曲线，本人取得平均值-17dbm（说实话，取这个值也是有点投机，因为取其他附近值（如-18dbm，-20dbm等等），所得曲线不完美！就这样。这个均值肯定是有严谨算法的，但怎奈不会！况且到底能不能拿功率谱密度均值来衡量，也是个未知数，仅凭个人观点而做。）好吧，现在只是得到已信号功率谱密度-17dbm/hz，只当它是正确的。那么，信噪比为0db时，噪声功率也是-17dbm/hz了，再看噪声模块设置框，density的单位是w/hz，有点坑啊，那现在要把得到的那个-17dbm/hz转换成？w/hz。【注：dbm 定义的是 miliwatt ：0 dbm=10lg1 mw；x（mw）=10*lgx（dbm）；y（dbm）=10（y/10）(mw)；】根据这个，换算一下，-17dbm/hz大概是20e-6w/hz（若不放心，可对这个噪声求一次功率谱密度，看看它的功率谱密度图像纵坐标和已调信号功率谱密度曲线纵坐标是否接近，如接近，大概就是这样了）。把这个值设定好，点击ok。从此以后，谈起功率，不再提w或mw，只论dbm，此时此刻，信号功率谱密度-17dbm/hz，噪声功率谱密度-17dbm/hz.与噪声模块相连的还有一个增益模块，增益模块设置，gain units=db power;gain=0（关于gain的值，这里有话要说，gain的单位是db，那么假设gain值设为x db（设置框里面没有单位，只填数字），噪声功率谱密度为y dbm/hz，那么，噪声经过这个增益模块后，他的功率谱密度就成了(y+x)）dbm/hz.举例：噪声功率谱密度-17dbm/hz,信号功率谱密度-17dbm/hz【此时，根据关于信噪比里面的讲述，可得信噪比为snr=-17dbm/hz-(-17dbm/hz)=0db】,当增益设设为-4db，那么噪声经过增益模块后，其功率谱密度就是-21dbm。此时信噪比snr=-17dbm/hz-(-21dbm/hz)=3db.好了，搞清这些东西后，回到2dpsk系统，测试抗噪声性能曲线，也即误码率随信噪比变化曲线。基本流程如下2、 构建测试系统3、 根据实际情况设置图块参数编号库/名称参数83基带信号发生子系统none02dpsk传输系统none96operator：resamplerate：16e+3hz（这个值跟码速相同）max rate：16e+3hz86operator : smpl delaydelay=1sample=62.5e-6secattribute=passiveinitial condition=0vfill last registerout put 0=delay t90 t95out put 1=delay dtmax rate(port 0)=16e+3hz95sink: analysismax input rate =16e+#97operator：resamplerate：16e+3hzmax rate：16e+3hz98sink: analysismax input rate =16e+#90comm: ber rateno.trials=1bitsthreshold=500e-3offset=3bitsout put 0=beroutput 1=cumulative avg t88out put 2=total errorsmax rate(port1)=16e+3hz88sink : final valuemax input rate=16e+3hz99sink : cndtnl stopaction=go to next loopmemory=retain allsamplesthreshold=200max input rate=16e+3hz96、97模块，是对输入、输出信号以码速为频率进行重（chong）采样，将其max rate变为码速，16e+3hz这样，一个sample就对应一个码字宽度，方便delay的设置。重采样后，基带信号不再是矩形，正常。delay模块：具体delay多少时间，有关资料给出了将输入信号和输出信号求相关来确定最大相关处sample数的方法，但实际用时发现有问题，也可能是本系统搭建有误，不过这个值也可由其他方法得到，在96、97模块设置好的基础上，关掉噪声，运行系统，放大输入输出信号图像，可以看出输出信号比输入信号延迟了多少个sample，也即滞后了多少个码子宽度，将延迟码子数填到delay里面面，本系统经观测延迟1个码子宽度，即delay=1sample（注意，延迟类型选择不是时间，而是sample数）。不加延迟（延迟0sample）输入输出信号时域对比图输入输出没对齐，输出落后输入大概1个码宽延迟1个sample后输入输出信号时域对比输入输出已对齐关于90模块：comm: ber rate。功能，将输入此图块的两路信号（2dpsk系统的输入输出信号）逐个对比，若码字一样，则判正确，码字不一样，则判误，所以，两路信号一定要对齐，否则它没法比，对不齐或对错位，比下来的根本就不是你要的结果，这个图块有三个输出口，0口输出实时误码情况，1口输出平均误码率，2口输出平均误码数量）no.trials=1bits/就这样设，才能让ber图块的max rate等于16e+3hz，意思是比较频率16e+3hz，跟码速16e+3hz一样，一个码字对比一次。threshold=500e-3/就这样设，没理由offset=3bits/你看上图波形，开始的几个码宽没有任何信息，这个参数就是让对比动作退后几个码宽，跳过空白无用码字，本系统设置跳过3个点，offset=3bitsout put 0=ber；output 1=cumulative avg t88；out put 2=total errors；max rate(port1)=16e+3hzber图块设置详情：88图块连接90的1端口，显示误码率99图块统计误码总数，接这个图块，资料说是为了在低误码率处减少采样点，高误码率处增加采样点，没大看懂，就设个几百左右吧，本系统设置200，此值设置太大时系统运行慢的要死，99图块设置详情见下图：4、 连接噪声，设置增益模块为全局变量，并设置递减或递增方式函数方法：system view菜单toolsglobal parameter links增益模块gain变化函数设置