调制解调通信说明书.doc

目 录1引 言12 SystemView软件简介22.1系统简介22.2 设计窗口32.3 分析窗口33模拟调制系统设计原理与结果分析53.1 AM调制解调系统的设计与分析53.1.1 设计原理53.1.2 AM调制解调仿真电路63.1.3仿真结果及分析63.2 DSB调制解调系统的设计与分析83.2.1 设计原理83.2.2 DSB调制解调仿真电路93.2.3仿真结果及分析93.3 SSB调制解调系统的设计与分析113.3.1 设计原理113.3.2 SSB调制解调仿真电路113.3.3仿真结果及分析124数字调制解调系统的设计与分析144.1二进制振幅键控（2ASK）144.1.1 2ASK调制解调原理144.1.2 2ASK调制解调仿真电路144.1.3仿真结果及分析154.2 二进制移频键控（2FSK）164.2.1 2FSK调制解调原理164.2.2 2FSK调制解调仿真电路174.2.3仿真结果及分析184.3二进制相频键控（2PSK）184.3.1 2PSK调制解调原理184.3.2 2PSK调制解调仿真电路194.3.3仿真结果及分析205抽样定理与增量调制的仿真与分析215.1抽样定理215.1.1信号的采样与恢复仿真原理215.1.2信号的采样与恢复仿真电路215.1.3仿真结果及分析225.2增量调制235.2.1 增量调制原理图245.2.2增量调制仿真电路245.2.3仿真结果及分析246 总 结26参考文献271引 言通信系统是由信源、发送设备、信道、接收设备、信宿组成。一般发送端要有调制器，接收端要有解调器，这就用到了调制技术，调制可分为模拟调制和数字调制。模拟调制常用的方法有AM调制、DSB调制、SSB调制、FM调制；数字调制常用的方法有2ASK调制、2FSK调制、2PSK调制。经过调制不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响。调制方式往往决定着一个通信系统的性能。随着通信技术的发展日新月异，通信系统也日趋复杂。因此，在通信系统的设计研发过程中，通信系统的软件仿真已成为必不可少的一部分。目前，电子设计自动化EDA(Electronic Design Automatic)已成为通信系统设计的主潮流。为了使复杂的设计过程更加便捷高效，使得分析与设计所需的时间和费用降低。美国Elanix公司推出的基于PC机Windows平台的SystemView动态系统仿真软件，是一个比较流行的，优秀的仿真软件。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、能满足从信号处理、滤波器设计，到复杂的通信系统等要求。SystemView借助大家熟悉的Windows窗口环境，以模块化和交互式的界面，为用户提供一个嵌入式的分析引擎。SystemView仿真系统的主要特点有：能仿真大量的应用系统；能快速方便地进行动态系统设计与仿真；在本文中可以方便地加入SystemView的结果；完备的滤波和线性设计；先进的信号分析和数据处理；完善的自我诊断功能等。SystemView由两个窗口组成，分别是系统设计窗口的分析窗口。系统设计窗口，包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计工作区。所有系统的设计、搭建等基本操作，都是在设计窗口内完成。分析窗口包括标题栏、菜单栏、工具条、流动条、活动图形窗口和提示信息栏。提示信息栏显示分析窗口的状态信息、坐标信息和指示分析的进度；活动图形窗口显示输出的各种图形，如波形等。分析窗口是用户观察SystemView数据输出的基本工具，在窗口界面中，有多种选项可以增强显示的灵活性和系统的用途等功能。在分析窗口最为重要的是接收计算器，利用这个工具我们可以获得输出的各种数据和频域参数，并对其进行分析、处理、比较，或进一步的组合运算。例如信号的频谱图就可以很方便的在此窗口观察到。2 SystemView软件简介2.1系统简介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SystemView，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SystemView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。SystemView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。SystemView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，SystemView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。SystemView还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与Xilinx公司的软件Core Generator配套，可以将SystemView系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，SystemView还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。2.2 设计窗口介绍所有系统的设计、搭建等基本操作，都是在设计窗口内完成的。在设计窗口中间的大片区域都是设计区域，也就是供用户搭建各种系统的地方。如图2-1所示，在设计窗口的最上端一行是下拉式命令菜单行，通过调用这些菜单可以执行SystemView的各项功能；设计窗口中菜单行的下面，紧邻在设计区域上端一行是工具栏，它包含了在系统设计、仿真中可能用到的各种操作按钮；在工具栏的最右端是提示信息；紧邻在设计区域左端是各中器件图标库；设计域的底部有一个消息显示区，用来显示系统仿真状态信息。图2-1 SystemView 设计窗口图2-1 设计窗口在设计窗口内，只须点击鼠标及进行必要的参数输入，就可以通过设置图标、连接图标等操作完成一个完整系统的基本搭建工作，创建各种连续域或离散域的系统。并可极其方便地给系统加入要求的注释。2.3 分析窗口介绍分析窗口时观察用户运行结果数据的基本载体。利用它可以观察某一系统运行的结果及对该结果进行的各种分析，与设计窗相似，在分析窗的最顶端时下拉式命令菜单和工具栏。可通过单击按钮或下拉式菜单中的命令使用这些选项功能。每次系统重新运行后，分析窗中保存的仍是上次运行的结果。如果要观察新的结果，需要用工具栏最左端蓝色的刷新按钮，加载新的数据以绘制当前运行结果的波形。通过工具栏中的两个黄色按钮可以将波形显示状态在仅显示连线、仅显示离散点或显示点和连线状态之间实现切换。利用分析窗工具栏上的三个绿色按钮，可以选择多个窗口的不同排列方式，如层叠、水平排列、垂直排列等。利用工具栏上的两个对数坐标，可以很方便地分别将横、纵坐标从原来的线性坐标变为对数坐标。对数坐标按钮旁边是统计数据按钮。利用它，可以给出当前所有打开窗口图形数据的统计数据，如均值、方差、最大最小值等。在分析窗的左下角显示了系统资源的利用程度。红色表示已利用部分，绿色表示尚未利用部分。该百分比显示了所有的系统资源（包括物理内存和虚拟内存）中SystemView可用的部分。该百分比至少应保持在10%以上，否则系统运行会不正常。系统资源过低时，SystemView会给出警告，并禁止打开分析窗中的图形窗口。如果发生这样的现象，应尽可能地关闭窗口及其它应用程序以释放系统资源。分析窗还提供了强有力的图形动画工具，可以动态显示系统运行过程中信号的变化，并可以按用户要求设置手动控制、动画速度、运动轨迹、图形颜色等。通过分析窗口“Edit”菜单中的各项，可以将当前的图形以位图形式复制到剪贴板，以供其它系统处理。通过“File”菜单中的输出功能，可以将某窗口中的图形或数据按指定格式和类型输出到其它文件中。3模拟调制AM、 DSB、SSB调制解调模拟调制系统可分为线性调制和非线性调制，而本次课程设计研究的是线性调制系统的设计与仿真。在线性调制系统中，常用的方法有AM调制，DSB调制，以及SSB调制。线性调制的一般原理如下：载波：调制信号：注：式中为基带信号。线性调制器的一般模型如图3-1：m(t)h(t)Sm(t)图3-1线性调制（滤波法）一般模型在该模型中，适当选择带通滤波器的冲击响应，便可以得到各种线性调制信号。3.1 AM调制解调系统的设计与分析3.1.1 设计原理如果输入基带信号带直流分量，则它可以表示为与之和。其中，是的直流分量，是表示消息变化的交流分量，且假设是理想带通滤波器的冲激响应。若满足，则信号为调幅（AM）信号，其时域表示形式为：AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。本电路采用了相干解调的方法进行解调，其组成方框图如图3-2： 图3-2 相干解调法组成框图低通滤波器将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号。3.1.2 AM调制解调仿真电路根据以上原理用systemview软件设计的电路图如图3-3所示。图3-3 AM调制解调仿真电路设计参数为：基带信号幅值：2V基带信号频率：500Hz载波频率：4000Hz高斯白噪声幅值：0.03V3.1.3仿真结果及分析系统仿真波形如图3-4：图3-4 AM调制解调仿真波形由以上仿真结果可以看出，已调信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化；在频谱结构上，它完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移，且存在离散谱。用相干解调法解调出来的信号与基带信号基本一致，实现了无失真传输。3.2 DSB调制解调系统的设计与分析3.2.1 设计原理在图2中如果输入的基带信号没有直流分量，且是理想带通滤波器，则得到的输出信号便是无载波分量的双边带信号，或称双边带抑制载波（DSB-SC）信号，简称DSB信号，其时域表示式为：DSB信号只能用相干解调的方法进行解调，DSB信号的解调模型与AM信号相干解调时完全相同。此时，乘法器输出为：经低通滤波器滤除高次项，得3.2.2 DSB调制解调仿真电路根据以上原理用systemview仿真出来的电路图如图3-5。图3-5 DSB调制解调仿真电路主要设计参数为：基带信号幅值：2V基带信号频率：500Hz载波频率：4000Hz信道内加入的高斯白噪声幅值为0.03V。3.2.3仿真结果及分析系统仿真波形如图3-6：图3-6系统仿真波形 DSB调制为线性调制的一种，由仿真波形可以看出，DSB调制信号与AM调制信号基本一致；在频谱上，DSB信号没有离散谱。DSB调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。缺点是占用频带宽度比较宽，为基带信号的2倍。3.3 SSB调制解调系统的设计与分析3.3.1 设计原理双边带已调信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。所谓单边带调制，就是只产生一个边带的调制方式。利用图3-1所示的调制器一般模型，同样可以产生单边带信号。若加高通滤波器，能产生上边带信号；若加低通滤波器，则产生下边带信号。下边带SSB信号时域表达式为：上边带SSB信号时域表达式为：那么，SSB调制器的模型可以改为图3-7：h(t)图3-7 SSB调制器的模型低（高）通滤波SSB信号的解调也不能采用简单的包络检波，需用相干解调原理。此时，乘法器输出：经低通滤波后的解调输出为：3.3.2 SSB调制解调仿真电路根据以上原理用systemview仿真出来的电路图如图3-8所示：图3-8 SSB调制解调仿真电路主要设计参数为：基带信号幅值：2V基带信号频率：500Hz载波频率：4000Hz信道内加入的高斯白噪声幅值：0.02V3.3.3仿真结果及分析系统仿真波形如图3-9所示。图中由上到下依次为基带信号，上边带调制信号，下边带调制信号，上边带解调信号，下边带解调信号，上边带频谱，下边带频谱。 图3-9系统仿真波形SSB调制为线性调制的一种，由仿真结果可以看出，SSB调制信号与DSB调制信号的波形及频谱基本一致，与DSB相比较，SSB信号只包含了一个边带的信号，节省了带宽资源。本例只给出了上边带波形，下边带波形同上边带。4数字调制解调系统的设计与分析数字调制也称键控信号有三种基本的调制方式：2ASK，2FSK，2PSK可看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。4.1二进制振幅键控（2ASK）4.1.1 2ASK调制解调原理振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号变化的数字调制方式。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。 2ASK信号的时间波形随二进制基带信号通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。 图4-1给出了2ASK信号的两种产生方法：（a）是采用模拟幅度调制的方法实现， 图(b)是采用数字键控的方法实现。图4-1 二进制振幅键控信号的产生(a) 模拟幅度调制法 (b)数字键控法二进制不归零信号S(t)乘法器S(t)(a)(b)2ASK信号的解调采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)，其相应原理方框图如图4-2 所示。图4-2 2ASK信号的解调原理图(a)非相干解调 (b)相干解调带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器输出带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器输出定时脉冲(a)(b)4.1.2 2ASK调制解调仿真电路图4-3 2ASK调制解调仿真电路根据以上原理用systemview仿真出来的电路图如图4-3所示。本例采用模拟幅度调制法生成2ASK信号，用相干解调法进行解调。主要设计参数为：基带信号幅值：2V基带信号频率：50Hz载波频率：50Hz4.1.3仿真结果及分析系统仿真波形如图4-4。图中由上到下依次为基带信号、解调信号、2ASK信号。图4-4 2ASK调制解调仿真结果由仿真结果可以看出，2ASK信号调制方式简单但抗噪性能较差，不适于通信系统中的传播，但与其它调制方式联系的比较紧密，可以作为学习其他调制方式的基础。4.2 二进制移频键控（2FSK）4.2.1 2FSK调制解调原理在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在和两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。2FSK信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。 若二进制基带信号的1符号对应于载波频率，0符号对应于载波频率，则2FSK信号的时域表达式为：其中2FSK信号的产生可以采用模拟调频电路来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。 数字键控法实现二进制频移键控信号的原理图如图4-5所示：基带信号振荡器1 反相器振荡器2 选通开关选通开关相加器图4-5 2FSK原理图 图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制，在一个码元周 期输出 或 两个载波之一。 2FSK信号的解调采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图4-6 所示。 其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号，分别进行解调，通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号。图 4-6 二进制移频键控信号解调器原理图(a) 非相干解调; (b) 相干解调带通滤波器包络检波器抽样判决器输出带通滤波器包络检波器带通滤波器包络检波器抽样判决器输出带通滤波器包络检波器相乘器相乘器定时脉冲定时脉冲(a)(b) 4.2.2 2FSK调制解调仿真电路系统仿真电路如图4-6所示，图中由上到下分别为2FSK调制电路，2FSK非相干解调电路，2FSK相干解调电路。图4-7 2FSK调制解调仿真电路主要设计参数为：基带信号幅值：2V基带信号频率：50Hz载波频率：100Hz、300Hz信道中加入的高斯白噪声幅值为：0.02V4.2.3仿真结果及分析系统仿真波形如图4-8所示。图中由上到下分别为2FSK信号、解调信号、基带信号，为比较解调信号与基带信号，实验中对基带信号采用了延时0.011秒输出。图4-8 2FSK信号、解调信号、基带信号仿真波形由仿真波形可以看出2FSK实现起来较容易，抗噪声和抗衰减性能都较好，适合于中低速数据传输的广泛应用。通常数据在低于1200bps时使用2FSK方式传输。在衰落信道传输数据时，它也被广泛应用。4.3二进制相频键控（2PSK）4.3.1 2PSK调制解调原理在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号载波的0和180分别表示二进制数字基带信号的1和0。 二进制移相键控信号的时域表达式为： 其中当发送二进制符号1时，已调信号取相位0，发送二进制符号0时，取180相位。这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对移相方式。2PSK信号的调制原理图如图4-9所示。图(a)是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图(b)是采用数字键控的方法产生2PSK信号。图4-9 2PSK信号的调制原理图(a)模拟调制法 (b)数字键控法码型变换乘法器s(t)双极性不归零移相(a)s(t)开关电路(b)2PSK信号的解调通常都是采用相干解调， 在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。2PSK信号的相干解调原理框图如图4-10所示：图4-10 2PSK信号的相干解调原理框图带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器输出定时脉冲由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒”现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。4.3.2 2PSK调制解调仿真电路根据以上原理用systemview仿真出来的电路图如图4-11所示。本例采用键控法生成2PSK信号，采用相干法进行解调。图4-11 2PSK调制解调仿真电路主要设计参数为：基带信号幅值：2V基带信号频率：50Hz载波频率：100Hz带通滤波器：Lowcutoff=50Hz；Hicutoff=100Hz4.3.3仿真结果及分析系统仿真波形如图4-12所示。图中由上到下分别为输入信号、未判决信号、调制信号，解调信号以及输入信号和调制信号比较图。为便于比较，实验中对基带信号与2PSK信号均采用了延时0.013秒输出。图4-12 2PSK解调信号、基带信号、2PSK信号仿真波形由仿真结果可以看出，2PSK信号可以较准确的恢复，但存在倒相工作现象，传输不准确，因此在实际工作中较少应用。5抽样定理与增量调制的仿真与分析5.1抽样定理抽样定理是模拟信号数字化的理论基础，它告诉我们：如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号，也就是说，要传输模拟信号不一定传输模拟信号本身，只需要传输按抽样定理得到的抽样值就可以了。根据要进行抽样的信号形式的不同，抽样定理可分为低通信号的抽样定理和带通信号的抽样定理。本次课程设计主要介绍低通信号的抽样定理。均匀抽样定理指出：对一个带限在（，）内的时间连续信号，如果以的时间间隔对其进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。即抽样速率大于等于信号带宽的两倍就可保证不会产生信号的混迭， 是抽样的最大间隔，也称为奈奎斯特间隔。5.1.1信号的采样与恢复仿真原理如图5-1所示，是低通信号采样与恢复的原理图。信号源信号处理器抽样定理低通滤波器恢复信号图5-1 信号的采样与恢复原理图5.1.2信号的采样与恢复仿真电路systemview仿真系统电路图如图5-2所示。主要设计参数为：输入信号幅值：2V频率：500Hz抽样脉冲频率：2kHz。图5-2 系统仿真电路图图5-2信号的采样与恢复仿真电路5.1.3仿真结果及分析系统仿真结果如图5-3所示。途中由上到下依次为输入信号，随机序列，抽样波形以及恢复波形。图5-3系统仿真结果由仿真结果可以看出，当采样频率小于奈奎斯特频率时，在接收端恢复的信号失真比较大，这是因为产生了信号混迭；当采样频率大于或等于奈奎斯特频率时，恢复信号与原信号基本一致。理论上，理想的抽样频率为2倍的奈奎斯特带宽，但实际工程应用中，带限信号绝不会严格限带，且实际滤波器特性并不理想，通常抽样频率为2.55倍的信号频率以避免失真。5.2增量调制增量调制简称M或增量脉码调制方式（DM）,是一种把信号上一采样的样值作为预测值的单纯预测编码方式。增量调制是预测编码中最简单的一种。它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。因此量化只限于正和负两个电平，只用一比特传输一个样值。如果差值是正的，就发“1”码，若差值为负就发“0”码。因此数码“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。同样，在接收端，每收到一个“1”码，译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量阶。每收到一个“0”码就下降一个量阶。当收到连“1”码时，表示信号连续增长，当收到连“0”码时，表示信号连续下降。译码器的输出再经过低通滤波器滤去高频量化噪声，从而恢复原信号，只要抽样频率足够高，量化阶距大小适当，收端恢复的信号与原信号非常接近，量化噪声可以很小。当信号频率过高，或者说信号斜率陡变时，会出现本地译码器信号跟不上信号变化的现象，称为“过载”。在给定量化间隔（也称量阶）的情况下，能跟踪最大斜率为：5.2.1 增量调制原理图图5-4为增量调制原理框图。输入抽样预测滤波量化预测输出编码传输+-图5-4 增量调制原理图5.2.2增量调制仿真电路根据图5-4所示的原理图，对应的systemview仿真系统电路图如图5-5所示。图5-5增量调制仿真电路主要设计参数为：输入信号幅值：2V频率：500Hz量化间隔：0.03V。5.2.3仿真结果及分析系统仿真结果如图5-6所示。图中分别为输出信号、增量调制信号、输出信号、输出及输入波形的对比图。图5-6输出、输入信号判决器输出信号仿真波形由仿真结果可以看出，增量调制的电路简单，抗信道误码性能较好，通过调整量阶可得到理想的恢复信号，最大程度的减小失真。增量调制技术还可应用于图像信号的数字化处理。总 结经过这一周的课程设计，我对SystemView软件在通信系统中的仿真应用有了一定的了解，并能独立完成一些简单的设计，由