PCM+2PSK系统systemview仿真.docx

PCM和2PSK系统设计综合实验1、 实验目的（1） 利用PCM、2PSK技术构建一个通信系统，深入理解系统的工作原理、电路组成和信息传输特点；（2） 熟悉上述通信系统的设计方法与参数选择原则；（3） 掌握在SYSTEMVIEW环境中使用参数化图符模块构建通信系统模型的设计仿真方法；（4） 熟悉系统中各信号时域波形特点； （5） 熟悉系统中各信号频域的功率谱特点。2、 实验内容（1） 通过不少于三个频率正弦信号叠加而成的模拟信号作为系统真实输入信号；（2） 采用PCM 编码方法实现模数转换，模拟输入信号转换形成数字信号；（3） 通过2PSK调制；（4） 叠加上高斯白噪声，通过信道实现数字频带传输；（5）通过相干解调完成2PSK解调；（6）通过PCM解码恢复初始模拟信号； 从时域观测各信号点波形； 获得接收端信号眼图；从频域观察各信号功率谱；绘制误码率曲线。3、 实验原理（一）PCM调制解调原理PCM(脉冲编码调制)：在发送端将低频模拟信号根据ITU-T提出G.711建议中的规则变换为数字脉冲码；在接收端从收到的数字脉冲码中恢复出低频模拟信号。图1 PCM系统原理图1、 PCM编码实际上是一个数模转换过程。包括如下三个过程：（1）抽样：将模拟信号转换为时间离散的样本脉冲序列。需要满足低通采样定理，采样频率8kHz。（2）量化：将离散时间连续幅度的抽样信号转换成为离散时间离散幅度的数字信号。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。效果：改善了小信号时的量化信噪比 。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。A律压扩特性：x压缩器归一化输入电压 ；y压缩器归一化输出电压 ；A压缩器参数 （A=87.6）；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。（3）编码：用一定位数的脉冲码表示量化采样值。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、 PCM译码（1）译码：将数字PCM码变换成模拟信号，并去除编码过程中的变换，恢复采样后信号。包括以下两个动作，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。（2）低通：从采样后信号恢复采样前信号形态。通带要满足低通采样定理的要求。（3）放大：恢复原模拟信号电平。（二）2PSK调制解调原理2PSK即二进制相移键控，用输入信号控制载波的相位随之变化，一般情况下，用载波的”0”表示二进制基带信号的“0”， ”180”表示二进制基带信号的“1”，也可反过来。输入信号的形式一般为s (t ) =an g (t - nTs ) ，an以概率P取“1”,以1-P取“0”， g （t）一般是脉宽为TS，高为1的方波（也可取三角波等）。 1、2PSK调制2PSK调制可采用模拟调制和数字键控两种方式，调制原理如下：e2 PSK (t ) = s (t ) cos wct若输入不是双极性不归零波形，可以通过码型变化将其转换为双极性不归零波形。当输入为“1”时，已调载波相位为0；当输入为“0”时，已调载波相位为180。 2、2PSK解调2PSK解调一般采用相干解调法。当恢复载波相位差180时，输出波形刚好与输入的波形相反，称之为180相位模糊，可以通过采用2DPSK来解决这个问题。4、 系统模块及图符模块参数设置（一）PCM：信源（子系统12）三个正弦波发生器，叠加后作为模拟信号的输入；7、8、9：sin，幅度为1，频率分别为50、100、150Hz，相位为0；11：Meta Out，从10输入，从3和20输出；图2 信源模块编码信号经过低通滤波器（图符20）完成信号频带过滤，由于PCM量化采用非均匀量化，还要使用瞬时压缩器实现A律压缩后再进行均匀量化，A/D转换器（图符13）完成采样及量化，由于A/D转换器的输出是并行数据，必须通过数据选择器（图符15）完成并/串转换成串行数据，输出PCM编码信号。（1）低通滤波器20：为实现信号的语音频率特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。为实现信号在 300Hz3400Hz的语音频带内，在这里采用了一个阶数为3阶的切比雪夫滤波器，其具有在通带内等波纹、阻带内单调的特性。 （2）瞬时压缩器21：使用了我国现采用A律压缩，注意在译码时扩张器也应采用A律解压。对比压缩前后时域信号，明显看到对数压缩时小信号明显放大，而大信号被压缩，从而提高了小信号的信噪比，这样可以使用较少位数的量化满足语音传输的需要。（3）A/D 转换器13：完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散，通常认为语音的频带在300Hz3400Hz，根据低通采样定理，采样频率应大于信号最高频率两倍以上，在这里A/D的采样频率为8Hz即可满足，均匀量化电平数为256级量化，编码用8bit表示，其中第一位为极性表示，这样产生了64kbit/s的语音压缩编码。 （4）数据选择器：图符15为带使能端的8路数据选择器，与74151功能相同，在这里完成A/D转换后的数据的并/串转换，图符16、17、18为选择控制端，在这里控制轮流输出并行数据为串行数据。通过数据选择器还可以实现码速转换功能。 图3 编码模块 图4 译码模块译码（1）D/A转换器(图符0)：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而达到译码最基本的要求，也就是最起码要有步骤。 （2）瞬时扩张器（图符6）：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用 A 律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。 （3）低通滤波器（图符2）：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。图5 PCM编码与译码仿真框图符号名称参数设置12子系统7SinusoidAmp = 1 v ， Freq = 1e+3 Hz ， Phase = 0 deg，Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine8SinusoidAmp = 1 v，Freq = 1.5e+3 Hz， Phase = 0 deg， Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine9SinusoidAmp = 1 v，Freq = 500 Hz， Phase = 0 deg， Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine10AdderInputs from 7 8 9，Outputs to 1111Meta OutInput from10 Output to 3 203 4 5 14 19Analysis13Logic: ADCTwos Complement，Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 v， True Output = 1 v，False Output = 0 v，No. Bits = 8 ，Min Input = -2.5 v，Max Input = 2.5 v，Rise Time = 0 sec，Analog = t21 Output 0， Clock = t1 Output 00Logic: DACTwos Complement，Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 No. Bits = 8 ，Min Output = -2.5 v，Max Output = 2.5 v，D-0 = t13 Output 0，D-1 = t13 Output 1，D-2 = t13 Output 2， D-3 = t13 Output 3，D-4 = t13 Output 42 20Operator:Linear Sys Butterworth Lowpass IIR3 Poles， Fc = 1.8e+3 Hz，Quant Bits = NoneInit Cndtn = Transient，DSP Mode Disabled1 18Source: Pulse TrainAmp = 1 v，Freq = 10e+3 HzPulseW = 20.e-6 sec，Offset = 0 v，Phase = 0 deg21Comm: DeCompandA-Law，Max Input = 2.56Comm: CompanderA-Law，Max Input = 2.516Source: Pulse TrainAmp = 1 v，Freq = 30e+3 Hz，PulseW = 20.e-6 secOffset = 0 v，Phase = 0 deg17Source: Pulse TrainAmp = 1 v，Freq = 20e+3 Hz，PulseW = 20.e-6 secOffset = 0 v，Phase = 0 deg15Logic: Mux-D-8Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500.e-3 vTrue Output = 1 v，False Output = 0（二）2PSK调制解调：图6 2psk仿真框图设置系统运行时间：2秒；采样频率20000Hz。循环运算次数：No of Loops=5。Token87：信号源发生器PN码序列Token 101、102：采样器（频率=50赫兹）Token104：数字延迟器（延迟=1Sample）Token18，23：信号源发生器载波，正弦信号（频率=1000赫兹，幅度=1V，相位=0）Token24：高斯白噪声（功率密度）Token103：放大器Token22：模拟低通滤波器截止频率：225Hz，3阶IIR；Token38：误码率图标（Trails=1）Token43：终值显示符一些特殊元件的选取方法：a 误码率图标38在SystemView软件中，使用“通信库”中的BER元件来求误码率。BER元件的选取步骤为：在系统设计窗中拖出通信库图标后双击该图标，弹出如图所示对话框进行选择。参数设置，No.Trails=1bit。图7 BER图标对话框b 终值显示符43在设计窗中拖出信号接收器图标（Sink），双击，弹出对话框：选择Numeric 项，再选其中的Final Value按钮，单击OK确认。图8 观察窗库c 放大器103在创建的系统中，必须使与2PSK信号叠加的高斯噪声强度自动可变，才能得到随SNR改变的BER分析曲线，可在高斯噪声源与加法器之间插入一个增益随每次循环改变的“Gain”图标，首先将其增益参数设置为Gain=-30dB。图9 放大器参数设置对话框执行“TokensGlobal parameter Links”命令，出现“Global Token parameter Links”对话框，在“Select System Token”栏内选“Operator(Gain)”项，在“Define Algebraic Relationship F(Gi,Vi)”栏内输入“Gain”图标的循环增益变化式： -3*cl-15，其中cl是系统当前的循环次数，该参数可通过“Vi: System Variables Reference List”选项框选择，表示每次循环高斯噪声功率减小3dB，5次循环后“Gain”图标的增益变成-30dB，最后，单击OK按钮关闭此对话框，返回系统窗。注意：为了使系统的终值显示器显示的是误码率的统计平均值，在把BER图标同终值显示器连接起来时应选择BER图符的输出为“Cumulative Average（统计平均值）”。图10 全局参数设置对话框运行系统图11 接收计算器窗口随着每次循环