课程设计（论文）报告-基于Systemview的通信系统的仿真.doc

目 录绪 论1第一章 systemview简介21.1 systemview简介21.2 系统仿真的步骤3第二章 2ask系统设计52.1 基本原理52.1.1 2ask信号的调制52.1.2 2ask信号的解调62.2 2ask仿真及结果分析62.2.1 2ask的调制与解调设计62.2.2 2ask仿真结果及分析8第三章 2fsk系统设计93.1 基本原理93.1.1 2fsk信号的调制93.1.2 2fsk信号的解调93.2 2fsk仿真及结果分析113.2.1 2fsk的调制和解调设计113.2.2 2fsk仿真结果及分析13第四章 2psk系统设计154.1 基本原理154.1.1 2psk信号的调制154.1.2 2psk信号的解调154.2 2fsk仿真及结果分析154.2.1 2psk的调制与解调设计154.2.2 2psk仿真结果及分析17第五章 2dpsk系统设计185.1 基本原理185.1.1 2dpsk信号的调制185.1.2 2dpsk信号的解调195.2 2dpsk相干解调205.2.1 2dpsk相干解调205.2.2 2dpsk仿真结果及分析215.3 2dpsk差分相干解调225.3.1 2dpsk差分相干解调225.3.2 2dpsk仿真结果及分析23第六章 小结24参考文献25致 谢26基于systemview的通信系统的仿真绪 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(psk,phase-shift keying )或差分移相键（dpsk,differentphase-shift keying）。数字调制系统的基本结构如图：图1 数字调制系统基本结构图在数字调制中，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。第一章 systemview简介1.1 systemview简介 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，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、访问与调整参数，方便地加入注释。利用system view，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。用户在进行系统设计时，只需从system view配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，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，包括含若干图标的基本库（main library）及专业库(optional library)，基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（communication）、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，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行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）进行理论分析和失真分析。system view能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚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。 system view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。 在系统设计和仿真分析方面，system view还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。 1.2 系统仿真的步骤(1)建立系统的数学模型 根据系统的基本工作原理，确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分的关系，画出系统框图。(2)从各种功能库中选取、拖动可视化图符，组建系统在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接受器图符库中选取满足需要的功能模块，将其图符拖到设计窗口，按设计的系统框图组建系统。(3)设置、调整参数，实现系统模拟参数设置包括运行系统参数设置(系统模拟时间，采样速率等)和功能模块运行参数(正弦信号源的频率、幅度、初相，低通滤波器的截止频率、通带增益、阻带衰减等)。(4)设置观察窗口， 分析模拟数据和波形 在系统的关键点处设置观察窗口，用于检查、监测模拟系统的运行情况，以便及时调整参数，分析结果。启动systemview后就会出现如图1. 1所示的系统设计窗口。它包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计窗工作区。其中设计窗口工作区是用于设置、连接各种图符以创建系统，进行系统仿真等操作；提示栏用于显示系统仿真的状态信息、功能快捷键的功能信息提示和图符的参数显示；滚动条用于移动观察当前的工作区域。当鼠标器位于功能图符上时，则该图符的具体参数就会自动弹出显示。图1.1 系统设计窗口systemview提供了9个基本的图符库和6个扩展的图符库。使用这些图符时只需用鼠标器拖动放入设计工作区即可，也可直接在该图符图标上双击鼠标器。在设计工作区内双击图符，则可以定义该图符的具体功能和参数。下面简单介绍一下这些图符的作用。如下图1.2图1.2 图符库分析窗口是用户观察systemview数据输出的基本工具。有多种选项可以增强显示的灵活性和用途。这些功能可以通过单击分析窗工具条上的快捷按钮或通过下拉菜单来激活。在系统设计窗口中单击分析窗口按钮，即可访问分析窗口。在分析窗口中单击系统按钮即可返回系统设计窗口。分析窗口包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、活动图形窗口和提示信息区。同设计窗口一样，滚动条包括用于左右滚动的水平滚动条和用于上下滚动的垂直滚动条；提示信息区显示分析窗口的状态信息、坐标信息和分析的进度指示；活动图形窗显示输出的各种图形，如波形图、功率谱、眼图等。27第二章 2ask系统设计2.1 基本原理幅移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”。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），其表达式为： （2-1）典型波形如图2.1所示：图2.1 2ask波形图2.1.1 2ask信号的调制2as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，相应的调制器如图3.2。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。乘法器s(t)e2ask(t)二进制不归零信号 cos wct开关电路e2ask(t)s（t） （a）模拟相乘法 (b)数字键控法图2.2 2ask调制解调器原理框图2.1.2 2ask信号的解调2ask/ook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），相应的接收系统方框图如图：带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器输出定时脉冲（a）非相干解调（包络检波）带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器输出定时脉 冲(b)相干解调图2.3 2ask信号的接受系统组成框图2.2 2ask仿真及结果分析2.2.1 2ask的调制与解调设计1、2ask的总体设计方案图2.4 总体设计图2、参数设置token0:基带信号（pn码序列，频率=2hz，幅度=1v，补偿值为1）如图2-5token1、token4：载波（正弦波发生器，频率=10hz）如图2-6token2、token10：乘法器token8、token9：模拟低通滤波器。如图2.7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，将滤波器类型设定为butterworth，no.of pole设定为3，low cuttoff设为5hz。token26、token29：采样器token32、token33：保持器token27、token31：比较器.如图2.8选择operator库中中filter/systems组的sample/hold中token28、token30：信号源里的阶跃响应token16、token18、token22、token23：system view运行时间设定：运行时间=1.27s，采样频率=100hz 图2.5 输入序列 图2.6 载波 图2.7 低通滤波器 图2.8 比较基准电平2.2.2 2ask仿真结果及分析图2.9 2ask的调制与解调设计方案的仿真结果分析：图中输入的序列为010110，在2ask模拟法调制中，1用两个载波表示，0用低电平表示。仿真结果和理论设定相一致。sink22显示的是非相干解调的结果。对比波形图可知，两者十分接近，只是存在一个时延的问题。sink23显示的是相干解调的结果。同样，和原输入序列相比较，两者基本上是一样的。只是有一点点的时延。从以上分析的结果可知，理论仿真是十分成功的。第三章 2fsk系统设计3.1 基本原理3.1.1 2fsk信号的调制频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息，而其振幅保持不变。在2fsk中，载波的频率随二进制基带信号在和两个频率点之间变化。其表达式为： （4-1）： 图3.1 2fsk信号时间波形由图可见，2fsk信号的波形（a）可以分解为波形（b）和波形（c）,也就是说，一个2fsk信号可以看成是两个不同载频的2ask信号的叠加。因此，2fsk信号的时域表达式也可写成：e2fskt=nangt-ntscos1+n+nangt-ntscos(2+n)式中：g(t) 为单个矩形脉冲，宽度等于ts 是的反码。 3.1.2 2fsk信号的解调2fsk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，相应的调制器如图4.2。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。振荡器1选通开关相加器反相器振荡器2选通开关基带信号 （b）数字键控法图3.2 2fsk调制框图 2fsk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），相应的接收系统方框图如图：带通滤波器包络检波器抽样判决器输出定时脉冲带通滤波器包络检波器cos （a）非相干解调（包络检波）带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器cos输出定时脉 冲带通滤波器相乘器cos低通 滤波器（b）相干解调（同步检测）图3.3 2fsk信号的接收系统组成方框图下图为2fsk信号非相干解调过程的时间波形：图3.4 2fsk信号非相干解调过程的时间波形3.2 2fsk仿真及结果分析3.2.1 2fsk的调制和解调设计1、2fsk的总体设计方案图3.5 2fsk系统的设计总体方案图2、参数设置token0：基带信号（pn码序列，频率=2hz,幅度=1v，补偿值为0v）token4：选择开关。（在扩展图库logic中的mixed signal）token2、token9：载波1(正弦信号发生器，频率=16hz)token3、token10：载波2（正弦信号发生器，频率=4hz）token29、token11：带通滤波器，最低频率为14hz，最高频率为16hz。图4.5token30、token12：带通滤波器，最低频率为2hz，最高频率为6hz。图4.6token7、token8：乘法器。token28、token31、token43：半波整流器。token26、token27：全波整流器。token32、token33、token13、token14：低通滤波器。截止频率为2.3hz。图3.8token34、token35、token15、token17：采样器token36、token37、token16、token18、token47：保持器token38、token52、token48：比较器。a=b输出1，否则输出-1。图3.9token42：微分器。token49：反相器。token5、token6、token25、token39、token51：system view。token53、token55：阶跃响应，电平为0vtoken50：阶跃响应，电平为0.075v. 图3.6 带通滤波器1 图3.7 带通滤波器2 图3.8 低通滤波器 图3.9 比较器3.2.2 2fsk仿真结果及分析图3.10 2fsk相干解调的仿真波形图输入一个随机信号序列pn，频率为2hz。经2fsk键控调制，得到2fsk调制信号。然后通过带通滤波器把高低频部分分离出来，均进行模拟相乘、整流、低通滤波、抽样判决。对得到的两个信号序列进行比较判断，根据比较的结果得到最后的2fsk解调信号。图3.11 2fsk非相干解调的仿真波形图随机输入一个数字信号序列，进行2fsk键控调制，得到2fsk调制信号。这是第一步，第二步就是进行2fsk调制信号进行解调。解调的方法是采用非相干解调。首先是同相干解调一样把调制信号的高低电平部分进行分离，分别进行2ask信号的解调。将最终的解调结果进行比较，也就是抽样判决部分。如果高电平部分的抽样值大于低电平部分的抽样值，则判为1，否则判为-1。图3.12 2fsk过零检测的仿真波形图上图给出的是过零检测方案实现2fsk解调的过程的仿真波形图。它的整体过程是：限幅、微分、整流、脉冲展宽、低通、抽样判决。图3.13 总体设计方案仿真结果图图3.13是2fsk的总体设计方案图。图中给出了，输入随机序列的调制波形图、费相干解调、相干解调的和过零检测的波形仿真结果。从图中我们可以清楚地看到，输入随机序列中的1用8个载波表示，0用2个载波标志。在解调过程中，我采用了三种解调方法，分别是相干解调、非相干解调、和过零检测。冲仿真结果来看，效果都还是蛮理想的。（别开时间的延迟不说） 第四章 2psk系统设计4.1 基本原理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。4.1.1 2psk信号的调制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。 4.1.2 2psk信号的解调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4.1 2psk相干解调系统框图及各个测试点波形4.2 2fsk仿真及结果分析4.2.1 2psk的调制与解调设计1、2psk总体设计方案图4.2 2psk调制与解调设计方案图2、参数设置token0：基带信号pn码序列（频率=2hz，幅度=1v，补偿值为0v）token9：选择开关token5、token16：载波（正弦信号发生器，频率=10hz）token14：带通滤波器。图4.3token18：低通滤波器。图4.4token15：乘法器token19：采样器token20：保持器token21：比较器token22：阶跃响应信号，幅度为0token7：反相器token11、token13、token23：system view 图4.3带通滤波器 图4.4 低通滤波器4.2.2 2psk仿真结果及分析图4.5 2psk调制与解调设计方案仿真结果图分析：图4.5反映的是2psk调制与解调设计方案的仿真结果图。从图中可以清楚地看到2psk的调制规律，0表示与前面的波形相差0，1表示与前面的波形相差。实验仿真结果是正确的。接下来是2psk的解调过程，先通过一个带通滤波器选择出一个有效频段，然后用相干解调法，将其与本地载波进行相乘，低通滤波，得到一个曲线信号。最后是进行抽样判决，解调出2psk信号。图4.6 总体仿真结果图分析：上图给出的是2psk的总体仿真结果图，图中不包含中间解调过程，只有输入、调制、解调三部分。根据2psk的调制原理可得调制是对的。解调出来的结果和原输入序列也是一样的。证明调制和解调都是正确无误的。第五章 2dpsk系统设计5.1 基本原理2dpsk方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。现假设用表示本码元初相与前一码元初相之差，并规定：0表示0码，表示1码。则数字信息序列与2dpsk信号的码元相位关系可举例表示如2psk信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在接收端只能采用相干解调，它的时域波形图如图1所示。图5.1 2dpsk信号在这种绝对移相方式中，发送端是采用某一个相位作为基准，所以在系统接收端也必须采用相同的基准相位。如果基准相位发生变化，则在接收端回复的信号将与发送的数字信息完全相反。所以在实际过程中一般不采用绝对移相方式，而采用相对移相方式。定义df为本码元初相与前一码元初相之差，假设：df=0数字信息“0”；df=p数字信息“1”。0则数字信息序列与2dpsk信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息： 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1dpsk信号相位：0 p p 0 p p 0 p 0 0 p或：p 0 0 p 0 0 p 0 p p 05.1.1 2dpsk信号的调制 一般来说，2dpsk信号有两种调试方法，即模拟调制法和键控法。2dpsk信号的的模拟调制法框图如图2所示，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。码变换相乘载波s(t)eo(t)图5.2 模拟调制法2dpsk信号的的键控调制法框图如图3所示，其中码变换的过程为将输入的基带信号差分，即变为它的相对码。选相开关作用为当输入为数字信息“0” 时接相位0，当输入数字信息为“1”时接。图5.3 键控法调制原理图5.1.2 2dpsk信号的解调1、2dpsk信号相干解调法它的原理是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，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，就得到了基带信号。它的原理框图如图5.4所示。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器本地载波2dpsk码反变换器图5. 4 相干解调原理图2、2dpsk信号解调的差分相干解调法差分相干解调的原理是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，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，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，抽样判决器的输出即为原基带信号。它的原理框图如图5.5所示。相乘器低通滤波器抽样判决器2dpsk带通滤波器延迟ts图 5.5 差分相干解调原理图5.2 2dpsk相干解调5.2.1 2dpsk相干解调1、2dpsk总体设计方案图5.6 2dpsk调制与相干解调总体设计方案图2、参数设置token0：基带信号（pn码序列，频率=2hz，幅度为1v）token14、token23：异或门。在operator库中的logic项token3、token22：延时单元。如图5.7token10：选择开关token8：反相器token15：乘法器token17：低通滤波器token18：采样器token19：保持器token20：阶跃响应。如图5.8token21：比较器。如图5.9token6、token16：载波（正弦信号发生器，频率为10hz）token11、token13、token35：system view 图5.7 设置延时单元 图5.8 设置比较电平图5.9 设置比较器5.2.2 2dpsk仿真结果及分析图5.10 2dpsk相干解调的仿真图分析：输入随机序列信号，先转化成相对码，然进行2psk信号调制，得到2dpsk信号。接下来一部分内容是2dpsk的解调，先进行模拟相乘、低通滤波、抽样判决，判决结果是相对码。然后进行差分译码，得到2dpsk的基带信号。5.3 2dpsk差分相干解调5.3.1 2dpsk差分相干解调1、2dpsk的总体设计方案图5.11 2dpsk差分相干解调2、参数设置token0：基带信号（pn码序列，频率为50hz，幅度为1v）token1：异或门token4：延时单元token18：选择开关token17：反相器token3：载波（正弦信号发生器，频率为50hz，幅度为1v）token6：延时单元token5：乘法器token7：低通滤波器token15：比较器token16：阶跃信号，幅度为0v。token9、token14：system view5.3.2 2dpsk仿真结果及分析图5.12 2dpsk的差分相干解调仿真波形分析：对已经调制好的2dpsk信号，用差分相干进行解调。将调制信号延时一个码元，延时后的信号和已调信号相乘。低通滤波、抽样判决。图5.13 2dpsk的相干解调和差分相干解调的总体仿真波形 第六章 小结为期一周的课程设计结束了，让我对systemview软件有了一定的了解，更加深了自己对2ask、2fsk、2psk、2dpsk的理解。在做课程设计的过程中出现了很多问题，但通过自己对systemview软件的学习以及老师的指导，进而被一一解决。在课程设计的过程中，我遇到了许多问题。一开始的问题就是对软件不熟悉。经过借阅参考书，和从网上百度资料，认真阅读并做一些例子，我对软件的熟悉程度得到了很大的提高。在具体做2ask的过程中，我一开始是按照