systemview对通信系统的仿真.doc

通信原理课程设计1 前言通信按照传统的理解就是信息的传输，信息的传输离不开它的传输工具，通信系统应运而生，我们此次课题的目的就是要对调制解调的通信系统进行仿真研究。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。模拟调制常用的方法有AM调制、DSB调制、SSB调制；数字调制常用的方法有BFSK调制等。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 模拟调制系统的设计与分析模拟调制系统可分为线性调制和非线性调制，本课程设计只研究线性调制系统的设计与仿真。线性调制系统中，常用的方法有AM调制，DSB调制，SSB调制。线性调制的一般原理：载波：调制信号：式中基带信号。线性调制器的一般模型如图3-1乘法器图2-1线性调制系统的一般模型 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。线性解调器的一般模型如图3-2 带通滤波器加法器解调器图2-2线性解调系统的一般模型其中已调信号，信道加性高斯白噪声2.1 AM调制2.1.1 AM调制解调原理标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅(AM)。假设调制信号的平均值为0，将其叠加一个直流分量后载波相乘(图3-3)，即可形成调幅信号。其时域表达式为式中：为外加的直流分量；可以是确知信号，也可以是随机信号。设计的AM调制模型如图3-3加法器乘法器 乘法器低通滤波器 图2-3 AM调制模型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2-4图2-4 AM调制系统的仿真图2.1.2 AM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2-5图2-5相干解调法组成框图具体参数：调制信号幅值：1V调制信号频率：10HZ 载波频率：450HZ信道高斯白噪声，幅值为1V。2.1.3 AM调制解调仿真仿真波形仿真后的波形如图2-6图2-6 AM调制系统仿真波形其中基带信号频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱如下图2-7所示 图2-7频谱比较图2.1.4 AM调制系统仿真结果分析AM调制为线性调制的一种，由图2-6可以看出，在波形上，已调信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化；由图2-7可以看出，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。用相干解调法解调出来的信号与基带信号有一定差别，说明AM调制系统的抗噪能力较差。2.2 DSB调制2.2.1 DSB调制解调原理在图2-3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，其时域表示式为设计的DSB调制及解调模型如图3-8低通滤波器乘法器BPF信道乘法器 图3-8 DSB调制与解调模型2.2.2 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2-9图2-9 DSB调制系统的仿真图具体参数为：基带信号幅值：1V，基带信号频率：300，载波频率：1000。在此设计的通信系统中，信道内加入的是高斯白噪声，幅值为1V。2.2.3 DSB调制解调仿真波形仿真后的波形如图2-10图2-10 DSB调制仿真后波形其中基带信号频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱图如下2-11所示图2-11 DSB调制过程中的各信号的频谱比较图2.2.4 DSB调制解调仿真结果分析DSB调制为线性调制的一种，由图2-10可以看出，在波形上，已调信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化；由图2-11可以看出，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。且由频普图可看出没有载波分量，从而实现发送功率的提高。用相干解调法解调出的信号与基带信号基本一致，比AM调制波形要好，只是在时域上有一定的延时，但也实现了无失真传输。2.3 SSB调制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。2.3.1 SSB调制解调原理利用图2-8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。下边带时域表达式为上边带SSB信号时域表达式为：2.3.2 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2-12图2-12 SSB调制系统仿真图2.3.3 SSB调制解调仿真波形如仿真图2-13所示的时域波形及频谱波形图2-13(a)SSB调制系统时域仿真波形图2-13(b)SSB调制系统频域仿真波形2.3.4 SSB调制解调仿真结果分析SSB线性调制的一种，由图3-13可以看出，在波形上，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，功率谱密度主要集中在50HZ,与理论相符.解调信号与原信号基本相同,实现无失真传输。2.4 三种幅度调制系统的比较假设所有系统在接收机输入端具有相等的输入信号功率，且加性噪声都是均值为0、双边功率谱密度为的高斯白噪声，基带信号的带宽均为。假设为正弦波信号。1.抗噪声性能由以上各调制波形及解调波形可以看出，DSB调制系统抗噪声性能最好。最差的是AM调制系统。2.频带利用率SSB的带宽最窄，和基带信号的带宽一致，即其频带利用率最高，而AM和DSB调制系统的带宽都是基带信号带宽的2倍。3.特点与应用AM调制的优点是设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。AM制式主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB调制的优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但接受要求同步解调，设备较复杂。应用较少，一般只用于点对点的专用通信。SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接受设备都很复杂。鉴于这些特点，SSB长用于频分多路复用系统中。3 数字调制系统的设计与分析数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。然而，实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。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，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。数字调制技术有两种方法：(1)利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；(2)利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法。对载波的幅度进行键控得到振幅键控信号；对载波的频率进行键控得到频移键控信号；对载波的相位进行键控得到相移键控信号。 3.1抽样定理的仿真与分析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。3.1.1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。3.1.2信号的采样与恢复仿真原理如图3-1所示，是低通信号采样与恢复的原理图。图3-1信号的采样与恢复原理图信号源信号处理器抽样定理低通滤波器恢复信号相乘器3.1.3信号的采样与恢复仿真电路根据图4-1所示的原理图，对应的SystemView如图3-2所示：图3-2验证抽样定理的仿真图3.1.4信号的采样与恢复仿真波形图3-3原始信号、恢复信号与抽样信号波形3.1.5信号的采样与恢复仿真电路结果分析由实验结果可以观察到，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57倍的以避免失真。3.2增量调制的设计与分析增量调制是可以看成PCM的一个特例 ，但是在PCM 中，信号的代码表示模拟信号的抽样值，而且为了减小量化噪声，一般需要较长的代码和较复杂的编译设备。而增量调制是将模拟信号变换成仅由一位二进制码组成的数字调制序列，并且在接受端也只需要一个线性网络，便可复制出原模拟信号。另方面，可以从DPCM系统的角度看待增量调制，即当DPCM系统的量化电平取为2和预测器时一个延迟为T的延迟时，该DPCM系统被称为增量调制系统。3.2.1（M 或 DM）增量调制原理1.M的译码问题接收端只要收到一个“1”码就是输出上升一个值，每收到一个“0“码就下降一个值，连续收到“1”码（或“0”码）就是输出一直上升或下降，这样就可以近似的复制出阶梯波形。这种功能的译码器可以由一个积分器来完成，积分器遇到一个“1”就上升一个E，并让E等于，遇到“0”码所示的-E脉冲就下降一个E.2.M的编码原理一个简单的M编码器由相减器，抽样判决器，发端译码器及抽样脉冲产生器组成。抽样判决器将在抽样脉冲到来时刻对输入信号的变化做出判决，并输出脉冲。这种编码器的工作过程如下：将模拟信号与发端译码器输出阶梯波形进行比较，即先进行相减，然后在抽样脉冲作用下将相减结果进行抽样判决。如果在给定时刻有则判决器输出为“1”码。如果则发“0”码。从上述讨论可以看出，M信号是按台阶来量化的，因而同样存在量化噪声问题。M系统中的量化噪声有两种形式：一种称为过载量化噪声，另一种为一般量化噪声。设抽样时间间隔，则一个台阶上最大斜率K为它被称为译码器最大跟踪斜率，当译码器实际斜率超过这个最大跟踪斜率时，则将造成过载噪声。3.2.2增量调制仿真电路增量调制的仿真电路如图3-4所示图3-4增量调制电路图增量调制电路波形图3-5增量调制电路波形3.2.3增量调制结果分析由仿真结果，我们可以得出，增量调制要求的抽样频率达到几十kb/s以上，且在接收端阶梯电压如果通过一个理想的低通滤波器平滑后，就可以得到十分接近编码器原输入的模拟信号。但它的缺点是当增量调制器的输入信号斜率超过阶梯波的最大可能斜率值时，将发生过载量化噪声。所以，为了避免发生过载量化噪声量化台阶和抽样频率的乘积足够大，使信号的斜率不会超过这个值。3.3 2ASK调制3.3.1 2ASK调制原理2ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息，其频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度变化只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。2ASK常用的产生方法通常有两种：模拟调制法和键控法。本次仿真用模拟调制法。3.3.2 2ASK的仿真电路2ASK的仿真电路如图3-6所示：图3-6 2ASK的仿真电路3.3.3 2ASK的仿真波形仿真后的波形如图4-7所示：图3-7 2ASK调制的仿真波形图3.3.4 2ASK调制系统仿真结果分析由图3-7可以看出，当为“1”信号时，输出正弦波，当为“0”信号时，输出低电平。用相干解调和非相干解调都能较好地解调出原始波形。但是由于信号的幅值易受外界噪声的干扰，若加入噪声后，就不能完整地解调出原始波形来。因而2ASK的抗噪性能较差。3.4 2FSK调制3.4.1 2FSK调制原理2FSK调制是利用载波的频率变化来传递数字信息在2FSK中载波的频率随二进制几代信号在f1和f2两个频率点间变化。2FSK信号的产生方法主要有两种：一种可以采用模拟调制电路来实现；另一种可以采用键控法来实现。本次仿真用的是键控法。3.4.2 2FSK的仿真电路2FSK的仿真电路图如图3-8所示：图3-8 2FSK的仿真电路图 3.4.3 2FSK的仿真波形仿真后的波形如图3-9所示图3-9 2FSK的仿真波形图3.4.4 2FSK调制系统仿真结果分析根据图4-9，2FSK调制通过不同的频率值来代替基带信号中的“0”“1”信息，噪声只是改变了信号幅值，对信号的频率改变较小，因而解调信号与原始信号差别不大，2FSK的抗噪性能较好。3.5 2PSK调制3.5.1 2PSK调制原理2PSK调制是将二进制基带信号的“0”“1”信息通过控制载波的相位变化来传输的。载波的正相和倒相分别代表基带信号的“1”和“0”。3.5.2 2PSK的仿真电路图3-10 2PSK的仿真电路图3.5.3 2PSK的仿真波形2PSK的仿真波形如图3-11所示：图3-11 2PSK的仿真波形图3.5.4 2PSK调制系统仿真结果分析根据图3-11，2PSK较好地解调出原始信号，说明2PSK的抗噪性能较好。但是如果输入长“0”或长“1”后，信号的相位不好判断，容易发生错误，因而一般都使用相对相位键控。4 结论AM调制、DSB调制、SSB调制是常用的模拟调制方式，从传输带宽的角度讲，AM调制和DSB调制是信号带宽的2倍，而SSB调制仅是AM调制和DSB调制系统带宽的一半，有效地节省了带宽；从信噪比改善的角度讲，DSB调制系统优于SSB调制系统优于AM调制系统；从设备复杂性的角度讲，SSB调制系统最复杂，AM调制系统最简单。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BFSK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BFSK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BFSK。相干2DPSK主要用于高速数据传输，而非相干BFSK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。 通过着一周通信原理课程设计，利用仿真软件对所学知识进行仿真，通过在仿真过程中解决问题使我对所学知识进一步了解，并且可以熟练应用SystemView软件,总之这短短一周的课程设计使我们受益匪浅.参考文献1 陈星,刘斌编写. SystemView通信原理实验指导,北京航空航天大学电子工程系内部讲义,19972 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,哈尔滨工程大学出版社4 陈萍.现代通信实验系统的计算机仿真,国防工业出版社5 罗伟雄,韩力,原东昌编著. 通信原理与电路,北京理工大学出版社6 李哲英主编. SystemView动态系统分析与设计软件学习版中文手册,内部资料,19977 李哲英主编.SystemView动态系统分析与设计软件学习版中文手册,内部资料,1997附录System View简介System View是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台，从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真直到一般的系统数学模型建立等各个领域。System View在友好而且功能齐全的窗口环境下为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。它是由美国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。1 System View的基本特点System View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。System View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。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。System View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。 2 System View视窗进入System View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 System View的主界面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，