通信系统system view仿真.doc

目录绪论2SystemView及其操作简介31.1 SystemView的基本特点31.2 SystemView系统视窗31.3 系统定时（System Time）51.4 分析窗介绍6数字带通传输系统仿真72.1 2ASK调制系统72.2 2FSK调制系统132.3 2PSK调制系统192.4 2DPSK调制系统2216QAM调制系统分析273.1 16QAM系统基本原理273.2 16QAM产生的方法273.3 16QAM信号的解调方法283.4 16QAM的信号空间293.5 16QAM调制系统仿真设计30小结33附录34谢辞34参考文献34绪论通信发展简史 19世纪可是发展电通信以来，通信技术的发展迅速，特别是在本世纪50年代以后，其发展可谓日新月异。通信发展简史如下。1938年，莫尔斯发明的有线电报；1864年，马克斯韦尔提出电磁辐射方程；1876年，辈尔发明了电话；1896年，马可尼发明了无线电报；1906年，发明了真空管；1918年，调幅无线电广播开播；1925年，开始采用三路明线载波电话、多路通信；1936年，调频无线电广播开播；1937年，发明脉冲编码调制原理；1938年，电视广播开播了；1940-1945年，二次打战刺激了雷达和微波通信系统的发展；1948年，发明晶体管，shannon提出了信息论，通信统计理论开始建立；1950年，时分多路通信应用于电话；1956年，敷设了越洋电缆；1957年，发射第一颗人造卫星；1958年，发射第一颗通信卫星；1960年，发明激光；1961年，发明集成电路；1962年，发射第一颗同步通信卫星，脉冲编码调制进入实用阶段；1960-1970年，彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输的理论和技术得到了迅速的发展力畜县高速数字电子计算机；1970-1980年，大规模继承电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理器等迅速发展；1980年以后，超大规模集成电路、长波长光纤通信系统广泛应用；综合业务数字网崛起。虽然在各国通信网中，模拟通信依然存在，但无疑数字通信是目前和今后通信技术的发展方向。SystemView及其操作简介美国ELANIX公司于1995年开始推出SystemView软件工具，最早的1.8版为16bit教学版，自1.9版开始升为32bit专业版，目前已推出了3.0版。SystemView是在Windows95/98环境下运行的用于系统仿真分析的软件工具，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。1.1 SystemView的基本特点 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。SystemView的库资源十分丰富，主要包括：含若干图符库的主库（Main Library）、通信库（munications Library）、信号处理库（DSP Library）、逻辑库（Logic Library）、射频/模拟库（RF Analog Library）和用户代码库（User Code Library）。1.2 SystemView系统视窗1.2.1 主菜单功能进入SystemView后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，如图1-2-1所示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（piler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11项功能菜单。与最初的SystemView1.8相比，SystemView3.0的操作界面和对话框布局有所改变。执行菜单命令操作较简单，例如，用户需要清除系统时，可单击“File”菜单，出现一个下拉菜单，单击其中的“Newsystem”工具条即可。为说明问题简单起见，将上述操作命令记作：FileNewsystem。1.2.2 快捷功能按钮 在主菜单栏下，SystemView为用户提供了16个常用快捷功能按钮，按钮功能如下： 1.2.3 图符库选择按钮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，即：在上述8个按钮中，除双击“加法器”和“乘法器”图符按钮可直接使用外，双击其它按钮后会出现相应的对话框，应进一步设置图符块的操作参数。单击图符库选择区最上边的主库开关按钮 main ，将出现选择库开关按钮 Option下的用户库（User）、通信库（m）、DSP库（DSP）、逻辑库（Logic）、射频模拟库（RF/Analog）和数学库（Matlab）选择按钮，可分别双击选择调用。1.3 系统定时（System Time）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。当在系统窗下完成设计输入操作后，首先单击“系统定时”快捷功能按钮，此时将出现系统定时设置（System Time Specification）对话框，如图1-4-1所示。用户需要设置几个参数框内的参数，包括以下几条：图1-4-11.4 分析窗介绍设置好系统定时参数后，单击“系统运行”快捷功能按钮 ，计算机开始运算各个数学模型间的函数关系，生成曲线待显示调用。此后，单击“分析窗口”快捷功能按钮 ，进入分析视窗（SystemView Analysis）进行操作。分析视窗的主要功能是显示系统窗中信宿（主要是Analysis块）处的给类分析波形、功率谱、眼图、信号星座图等信息，每个信宿对应一个活动波形窗口，各以多种排列方式同时或单独显示，也可将若干个波形合成在同一个窗口中显示，以便进行结果对比。 数字带通传输系统仿真数字信号的传输方式分为基带传输(baseband transmission)和带通传输(bandpass transmission)。为了使数字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。通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。数字调制技术有两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制；通过开关键控载波，通常称为键控法。基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控。 振幅键控 频移键控 相移键控数字调制可分为二进制调制和多进制调制。本次设计主要为二进制调制系统(2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK)。2.1 2ASK调制系统2.1.1 基本原理“通-断键控(OOK)”信号表达式2.1.2 2ASK信号产生方法模拟调制法（相乘器法） 键控法2.1.3 2ASK信号解调方法非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法) 2.1.4 2ASK调制系统仿真设计 调幅法 对应基带信号与已调信号波形 通断键控法对应基带信号与已调信号波形2ASK调制系统（相干，非相干）对应基带信号与已调信号波形（非相干）对应基带信号与已调信号波形（相干）图符块参数参数设置：Token0: 双极性二进制基带码源（PN码），参数：Amp=1v；Offset=1v；Rate=10Hz；No.of Level=2；Token1: 乘法器；Token2: 正弦载波信号源，参数：Amp=1V；F=20Hz；Phase=0；Token5: 半波整流；Token6: 模拟低通滤波器，参数：Butterworth_Lowpass IIR；No.of Poles=3；LoCuttoff=5Hz；Token7: 模拟低通滤波器，参数：Butterworth_Lowpass IIR；No.of Poles=3；LoCuttoff=5Hz；Token8：乘法器；Token9：正弦载波信号源，参数：Amp=1V；F=20Hz；Phase=0；Token10，11：抽样判决器；Token12，13，15：信宿接收分析器（Sink12,Sink13,Sink15）；Token14：延时。注：后文中将不再详细给出设置参数，只给出基本参数。2.1.5 2ASK调制系统分析2ASK已调信号的功率谱密度图2ASK信号的功率谱密度示意图 从上图可以看出： 2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。 2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有式中 fs = 1/Ts即，2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。2.2 2FSK调制系统2.2.1 基本原理在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为2.2.2 2FSK信号的产生方法采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。2.2.3 2FSK信号解调方法 非相干解调相干解调其他解调方法：比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等,在此就不一一举出了。2.2.4 2FSK调制系统仿真设计 调频、键控法参数设置：Token0: 双极性二进制基带码源（PN码），参数：Amp=1v；Offset=1v；Rate=10Hz；No.of Level=2；Token3: 正弦载波信号源，参数：Amp=1V；F=20Hz；Phase=0；Token4: 正弦载波信号源，参数：Amp=1V；F=40Hz；Phase=0；Token5: 单刀双掷开关 分别对应调频、键控法已调信号波形注意：调频、键控法各自的相位是否连续 非相干解调2FSK调制系统对应已调信号，基带信号，解调后信号波形 相干解调2FSK调制系统对应解调后信号，已调信号，基带信号波形2.2.5 2FSK调制系统分析功率谱密度对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，它可以表示为其中，s1(t)和s2(t)为两路二进制基带信号。据2ASK信号功率谱密度的表示式，写出这种2FSK信号的功率谱密度的表示式：令概率P = ，只需将2ASK信号频谱中的fc分别替换为f1和f2，然后代入上式，即可得到下式：其曲线如下：由上图可以看出：相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若| f1 f2 | fs ，则出现双峰；若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽近似为其中，fs = 1/Ts为基带信号的带宽。图中的fc为两个载频的中心频率。2.3 2PSK调制系统2.3.1 基本原理在2PSK中，通常用初始相位0和p分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为式中，jn表示第n个符号的绝对相位：上式可以写为:即发送二进制符号“0”时，e2PSK(t)取0相位；发送二进制符号“1”时， e2PSK(t)取p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。2.3.2 2PSK信号的产生方法模拟调制法 键控法2.3.3 2PSK信号解调方法2.3.4 2PSK调制系统仿真设计2PSK调制系统对应各个测试点波形2.3.5 2PSK调制系统分析功率谱密度波形图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。但是，由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK 方式的“倒”现象或“反相工作”。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。2PSK信号的功率谱密度为: (等概率发送)功率谱密度可见，二进制相移键控信号的频谱特性与2ASK的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。区别仅在于当P=1/2时，其谱中无离散谱（即载波分量），此时2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。2.4 2DPSK调制系统2.4.1 基本原理2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。假设Dj为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息Dj之间的关系为于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系示例如下：相应的2DPSK信号的波形如下：对于相同的基带信号，由于初始相位不同，2DPSK信号的相位可以不同。即2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元的相对相位才决定信息。2DPSK信号的矢量图： A方式 B方式在B方式中，当前码元的相位相对于前一码元的相位改变p/2。因此，在相邻码元之间必定有相位突跳。在接收端检测此相位突跳就能确定每个码元的起止时刻。2.4.2 2DPSK信号的产生方法差分码可取传号差分码或空号差分码。其中，传号差分码的编码规则为:式中，为模2加，bn-1为bn的前一码元，最初的bn-1可任意设定。 上式的逆过程称为差分译码（码反变换），即2.4.3 2DPSK信号解调方法相干解调(极性比较法)原理：先对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。差分相干解调(相位比较法）此方法解调时不需要专门的相干载波，只需由收到的2DPSK信号延时一个码元间隔，然后与2DPSK信号本身相乘。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，经低通滤波后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不需要码反变换器。2.4.4 2DPSK调制系统仿真设计2DPSK调制系统 对应各个测试点波形2.4.5 2DPSK调制系统分析功率谱密度 2DPSK可以与2PSK具有相同形式的表达式。所不同的是2PSK中的基带信号s(t)对应的是绝对码序列；而2DPSK中的基带信号s(t)对应的是码变换后的相对码序列。因此，2DPSK信号和2PSK信号的功率谱密度是完全一样的。信号带宽为与2ASK的相同，也是码元速率的两倍。本次2DPSK仿真电路采用相干解调系统，详见上文。对于差分相干解调(相位比较法）在此不再详细绘出其仿真电路图。两种方式各有优缺点，而本电路经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。16QAM调制系统分析双边带正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation）是将两个独立的基带信号（或将一路高速信号分成二路）对两个相互正交的同频率载波进行对称双边带调制后，合成起来就得到正交双边带调制信号。3.1 16QAM系统基本原理由于信道资源越来越紧张，许多数据传输场合二进制数字调制已无法满足需要。为了在有限信道带宽中高速率地传输数据，可以采用多进制（M进制，M2）调制方式，MPSK则是经常使用的调制方式，由于MPSK的信号点分布在圆周上，没有最充分地利用信号平面，随着M值的增大，信号最小距离急剧减小，影响了信号的抗干扰能力。MQAM称为多进制正交幅度调制，它是一种信号幅度与相位结合的数字调制方式，信号点不是限制在圆周上，而是均匀地分布在信号平面上，是一种最小信号距离最大化原则的典型运用，从而使得在同样M值和信号功率条件下，具有比MPSK更高的抗干扰能力。16QAM信号的调制解调系统如图3-3-1所示。16QAM的每个信号点都可视为同相与正交两个分量的矢量合，与同相和正交载波相乘的信号为两个4电平基带信号，分别由输入的二进制序列转换而成。16QAM信号表达式3.2 16QAM产生的方法正交调幅法利用两路正交的四电平振幅键控信号叠加形成复合相移法利用两路独立的四相移相键控信号叠加形成。3.3 16QAM信号的解调方法在16QAM信号的解调器中，“低通滤波器”后边接“取样判决器”可以大大提高解调输出的正确性，因为低通滤波器输出的是包含信道畸变和噪声影响的模拟量，信号取值具有很大模糊性，此时信号星座图中的信号点是发散的，这一点将在接下来的仿真分析结果中充分体现出来。取样判决器的作用就是最大限度地消除各种不利因素，使信号星座图更加趋于理想16QAM的信号星座图。3.4 16QAM的信号空间(a) 方型QAM星座图 (b) 星型QAM星座图3.5 16QAM调制系统仿真设计16QAM调制系统设置参数： Token0、4：PN Seq，Amp=3v，Offset=0v，Rate=50Hz，Level=4，Phase=0；Token7：Gauss Noise，Std Dev=0.5v，Mean=0v；Token11、12：Butterworth Lowpass IIR，3 Poles，Fc=100Hz；Token13、14：Gain，Gain Unit=Linear，Gain=2。 Token15、16：Sampler，Rate=50Hz； Token19、20：Quantizer，Bits=4，Max Input=4v，Signal Integer Output；Token21处测试点波形Token22处测试点波形Token23处测试点波形Token24，25处测试点波形Token26处测试点波形Token27处测试点波形功率谱密度（已调信号）眼图可仿真出信号星座图或相位路径转移图，利用SystemView观察信号眼图或相位转换图，仍然是利用信宿计算器的对话框。仍以观察16QAM发送信号为例，其信号星座图和相位转换图与同相支路码信号（I信号）和正交支路码信号（Q信号）有关。在分析窗下单击信宿计算器按钮，在出现的对话框中，首先单击 Style 按钮，在“Select one window from each list:”栏内选中系统输入的I信号（w0:）后，单击 Scatter Plot 按钮，再在“Versus”栏内选中系统输入的Q信号（w1:），最后单击按钮 OK 结束设置操作，出现信号星座图显示活动窗口。设置参数，观察信号星座图或相位路径转移图（在此不再详细给出）。小结课设的过程是艰辛的，但是收获是巨大的。我再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识。本次课程设计共分三大部分：SystemView及其操作简介,数字带通传输系统仿真,16QAM调制系统分析。第一部分简单介绍了SystemView的基本用法，这是必不可少的。通过这次课设对这门通信仿真软件有了一定的了解。第二部分系统阐述了数字带通传输系统的基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控。本次