基于SystemView数字通信系统的实现

摘 要随着通信技术的发展日新月异，通信系统也日趋复杂。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。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。关键词：软件仿真 滤波 频谱图ABSTRACTWiththerapid developmentofcommunication technology, communication systemsarebecoming increasingly complex. At present, theelectronicdesign automationEDA(Electronic DesignAutomatic)has becomethe main trend ofthecommunication system design.ElanixcompanylaunchedthePC-basedWindows platformtheSystemViewdynamicsystem simulation software, isapopular, goodsimulation software. 。 SystemViewisa signal-levelsystemsimulation software,mainly used inthecircuitand communication systemdesign, simulation,andable to meetfromthesignal processing, filter design,to complexcommunication systemrequirements Themain featuresoftheSystemViewsimulation system:a large number ofsimulationapplications;to quickly and easilydesign and simulationofdynamicsystemsIn this article,you can easilyjointheresultsofthe SystemView Completefiltering andlineardesign;advancedsignal analysisanddata processing;perfectself-diagnosisfunction. SystemViewbythetwo-windowsystem designwindowanalysiswindow. System designwindow, includingtitle bar,menu bar, toolbars, scroll bars,hint bar,icons,librariesand designworkspace.Key words: softwaresimulationfilterfrequency spectrum目 录第一章 绪 论1第二章 SystemView的基本介绍3第三章 二进制振幅键控 2ASK73.1 调制系统73.2 调制解调系统93.3 系统仿真结果分析12第四章 二进制频移键控 2FSK134.1 二进制频移键控（2FSK）的调制134.1.1 2FSK的调制原理134.1.2 2FSK的模拟相乘调制的仿真设计144.1.3 2FSK的键控调制的仿真设计154.2 二进制频移键控（2FSK）的解调164.2.1 2FSK的解调原理164.2.2 2FSK的相干解调的仿真设计174.2.3 2FSK的过零检测解调的仿真设计194.2.4 2FSK的非相干解调的仿真设计21第五章 二进制移相键控 2PSK235.1 二进制差分相移键控（2DPSK）的调制235.1.1 2DPSK的调制原理235.1.2 2DPSK的调制的仿真设计245.2二进制差分相移键控（2DPSK）的解调255.2.1 2DPSK的解调原理255.2.2 2DPSK的解调的仿真设计26第六章 二进制差分移相键控 2DPSK296、1原理296.2 系统仿真结果分析34第七章 自我总结35致 谢37参考文献39第一章 绪 论我们这次毕设的目的就是要对调制解调的通信系统进行仿真研究。数字信号的传输方式可以分为基带传输和带通传输。为了使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。在这个过程中就要用到数字调制。在通信系统中，利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，来实现数字调制，这种方法通常称为键控法，主要对载波的振幅，频率，和相位进行键控。键控主要分为：振幅键控，频移键控，相移键控三种基本的数字调制方式。本次毕业设计的目的是在学习以上三种调制的基础上，通过Systemview仿真软件，实现对AM,2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK等数字调制系统的仿真，同时对以上系统有深入的了解。Systemview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。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。此次毕设，学会熟练掌握Systemview的用法，在该软件的配合下完成各个系统的结构图，还有调试结果图。Systemview对系统的分析主要分为两大块，调制系统的分析和解调系统的分析。由于调制是解调的基础，没有调制就不可能有解调，为了表现解调系统往往需要很高的采样频率来减少滤波带来的解调失真，所以调制的已调信号通过波形模块观察起来不是很清楚，为了更好的弄清楚调制是怎么样的一个过程，在这里，我们把调制单独列出来，用较低的频率实现它，就能从单个周期上观察调制。系统的运作模式，更深刻地表现调制系统的调制过程。第二章 SystemView的基本介绍SystemView是一个用于现代科学与科学系统设计及仿真打动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统打设计与仿真，到一般打系统数字模型建立等各个领域，SystemView在友好而功能齐全打窗口环境下，为用户提供啦一个精密的嵌入式分析工具。进入SystemView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2-1所示。图2-1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个图符选择按钮创建系统的首要工作就是按照系统设计方案从图符库中调用图符块，作为仿真系统的基本单元模块。可用鼠标左键双击图符库选择区内的选择按钮。当需要对系统中各测试点或某一图符块输出进行观察时，通常应放置一个信宿（Sink）图符块，一般将其设置为“Analysis”属性。Analysis块相当于示波器或频谱仪等仪器的作用，它是最常使用的分析型图符块之一。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。时域波形是最为常用的系统仿真分析结果表达形式。进入分析窗后，单击“工具栏”内的绘制新图按钮（按钮1），可直接顺序显示出放置信宿图符块的时域波形，对于码间干扰和噪声同时存在的数字传输系统，给出系统传输性能的定量分析是非常繁杂的事请，而利用“观察眼图”这种实验手段可以非常方便地估计系统传输性能。实际观察眼图的具体实验方法是：用示波器接在系统接收滤波器输出端，调整示波器水平扫描周期Ts，使扫描周期与码元周期Tc同步（即TsnTc，n为正整数），此时示波器显示的波形就是眼图。由于传输码序列的随机性和示波器荧光屏的余辉作用，使若干个码元波形相互重叠，波形酷似一个个“眼睛”，故称为“眼图”。“眼睛”挣得越大，表明判决的误码率越低，反之，误码率上升。SystemView具有“眼图”这种重要的分析功能。 当需要观察信号功率谱时，可在分析窗下单击信宿计算器图标按钮，出现“SystemView信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮spectrum，完成功率谱的观察。第三章 二进制振幅键控 2ASK3.1 调制系统 实验原理：2ASK的实现图3-1：2ASK调制器原理框图在幅移键控中，载波幅度是随着调制信号而变化的。一种是最简单的形式是载波在 二进制调制信号1或0控制下通或断，这种二进制幅度键控方式称为通断键控（OOK）。二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的，也是最简单的。这种方法最初用于电报系统，但由于它在抗噪声的能力上较差，故在数字通信中用的不多。但二进制振幅键控常作为研究其他数字调制方式的基础。二进制振幅键控信号的基本解调方法有两种：相干解调和非相干解调，即包络检波和同步检测。非相干解调系统设备简单，但信噪比小市，相干解调系统的性能优于相干解调系统。2ASK解调器原理框图：图3-2系统的相关参数：基带信号amplitu=0.5，offset=-0.5，rate=10。图3-3输入的调制信号：图3-4已调信号：图3-53.2 调制解调系统系统相关参数： 基带信号频率=50HZ，电平=2，偏移=1，载波频率=1000HZ模拟低通频率=225HZ,极点数为3.系统运行时间为0.3S，采样频率=20000HZ。图3-6模块3为原始信号：图3-7模块8为解调后信号：图3-8模块4为已调信号：图3-9功率谱图：Sink3输入信号图3-10Sink8输出信号：图3-112ASK系统调制解调图对比：图3-12图3-133.3 系统仿真结果分析如图所示调制信号Sink3的图形与解调后的信号Sink8图形基本一致，在每段的起始因为信号不稳定，所以出现了微小的波动。这与滤波器滤波误差也相关。相干解调需要插入相干载波，而非相干解调不需要载波，因此包络检波时设备较简单。对于2ASK系统，大信噪比条件下使用包络检波，而小信噪比条件下使用相干解调。第四章 二进制频移键控 2FSK4.1 二进制频移键控（2FSK）的调制4.1.1 2FSK的调制原理2FSK（二进制频移键控，Frequency Shift Keying）信号是用载波频率的变化来传递数字信息，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化。2FSK的表达式为我们可以认为，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2FSK信号的叠加。由此2FSK信号的时域表达式又可写成式中，g（t）为单个矩形脉冲，脉宽为Ts2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种可以采用键控法莱实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一，如图4-1所示。选通开关选通开关相加器反相器基带信号图4-1 2FSK调制器原理框图（数字键控法）4.1.2 2FSK的模拟相乘调制的仿真设计根据模拟调频法原理图，利用System View软件进行仿真设计，得到图4-2。图4-2 2FSK调制仿真波形设计图参数设置：Token 0：基带信号-PN码序列将参数设置为Rate=10HZ,Amplitude(幅度)= 0.5v, Offset(偏移)= 0.5v；Token 7、8: 载波-正弦波发生器 （频率分别为20HZ、40Hz）Token 3：加法器Token 6：反相器Token 13、14: 乘法器Token 7、8: 分析观察窗口检查仿真电路图和参数设置无误后，进行仿真运行，运行时间设置为：Start Time: 0秒； Stop Time: 1秒；采样频率：Sample Rate：10000Hz。如图4-3所示：图4-3 运行时间设置窗口运行完后可以很直观地观察到各点的波形如图4-4、4-5所示。图4-4 原始二进制不归零信号图4-5 2FSK调制信号波形4.1.3 2FSK的键控调制的仿真设计根据模拟调频法原理图，利用System View软件进行仿真设计，得到图4-6。图4-6运行完后可以很直观地观察到各点的波形如图4-7、4-8所示。图4-7 原始信号图4-8 2FSK调制信号4.2 二进制频移键控（2FSK）的解调4.2.1 2FSK的解调原理2FSK信号有多种解调方法，如非相干解调（包络检波法）、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等，这里给出相应如非相干解调（包络检波法）和相干解调法的接收系统组成方框图如图4-9所示，其中上图是非相干解调方式，下图是相干解调方式。 包络检波器包络检波器抽样判决器定时脉冲输出相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出低通滤波器相乘器 图4-9 2FSK解调器原理框图4.2.2 2FSK的相干解调的仿真设计根据相干解调法原理图，利用System View软件进行仿真设计，得到图4-10。 图4-10 2FSK解调的方针设计图参数设置 Token 0：PN码元，Amp=0.5V，Off=0.5V，Rate=10Hz，Levels=2；Token 3、6、9、11：相乘器Token 6、24、19：加法器Token 8，13：载波2，Amp=1V，频率=200Hz；Token 7，12：载波1，Amp=1V，频率=100Hz；Token 13、14：IIR Butterworth低通滤波器，截止频率60Hz，No.of Poles=5；Token 15，26：加法器；Token 25、26：反相器，Threshold=0.5，Ture=1，False=0；Token 21：比较器Token 22：保持器Token 1、3，9，26、16、17、20、23：分析观察窗口检查仿真电路图和参数设置无误后，进行仿真运行，运行时间设置为：Start Time: 0秒； Stop Time: 1秒；采样频率：Sample Rate：10000Hz。如图4-11所示：图4-11 运行时间设置窗口运行后可以很直观地观察到各点的波形如图所示。图4-12 2FSK调制信号加上高斯白噪声的波形图4-13 上支路经过低通滤波器后波形图4-14 下支路经过低通滤波器后波形图4-15 上下支路相加得到的波形图4-16 最后得到的解调输出的波形从仿真结果中我们看到，产生的2FSK信号通过相干解调完整的恢复为原来的基带信号。仔细观察解调波形与基带波形可以看出解调波形是已调波形的延时，这可能是由于系统自身的原因这里将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限。判决规则就应与解调规程相呼应，调制时若规定“1”符号载波对应载波频率f1 ，则接收时上支路的样值大，应判为“1”；反之则判为“0”。当传输信道为随参信道时，则2FSK具有更好的适应能力。4.2.3 2FSK的过零检测解调的仿真设计根据相干解调法原理图，利用System View软件进行仿真设计，得到图 4-17。 图4-17 过零检测法解调仿真设计图运行后可以很直观地观察到各点的波形图4-18 原始信号图4-19 2FSK调制信号图4-20 脉冲展宽图4-21 低通后的波形图4-22 解调输出的波形4.2.4 2FSK的非相干解调的仿真设计图4-23 非相干解调仿真设计图运行后可以很直观地观察到各点的波形图4-24 原始信号图4-25 2FSK调制信号图4-26 判决输出波形第五章 二进制移相键控 2PSK5.1 二进制差分相移键控（2DPSK）的调制5.1.1 2DPSK的调制原理2PSK信号中，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。由于它利用载波相位的绝对数值表示数字信息，所以又成为绝对相移。已经指出，2PSK相干解调时，由于载波恢复中相位有模糊性，导致解调过程出现“反向工作”现象，恢复出的数字信号“1”和“0”倒置，从而使2PSK难以实际应用。为了克服此缺点，提出二进制差分相移键控（2DPSK）方式。2DPSK是利用前后相邻码元的载波相位对相位变化传递数字信息，所以又称为相对相移键控。移相键控是指载波的相位受数字信号的控制而改变，通常用相位0来表示“1”，而用来表示“ 0” 二相相对移相键控2 DPSK信号的参考相位不是未调波的相位，而是相邻的前一位码元的载波相位。2DPSK信号的产生只需要在二相调制前加一套相对码变换 电路就可以实现。2DPSK信号调制器原理框图如图5-1所示。180度移相开关电路码变换图5-1 2DPSK信号调制器原理框图5.1.2 2DPSK的调制的仿真设计根据2DPSK信号调制器原理框图，利用System View软件进行仿真设计，得到图5-2。 图5-2 2DPSK调制仿真波形图参数设置：Token 0：基带信号-PN码序列将参数设置Rate=100Hz,Amp(幅度)= 1v, Offset(偏移)= 0v； Token 6：延时器Token 7：异或器 Token 1、4: 分析观察窗口检查仿真电路图和参数设置无误后，进行仿真运行，运行时间设置为：Start Time: 0秒； Stop Time: 0.5秒；采样频率：Sample Rate：10000Hz。如图5-3所示：图5-3 运行时间设置窗口图5-4 绝对码波形图5-5 2DPSK调制信号波形5.2二进制差分相移键控（2DPSK）的解调5.2.1 2DPSK的解调原理2DPSK信号可以用两种解调方法：相干解调加码反变换法和差分相干解调法，相应的接收系统组成方框图如图5-6所示，其中图（a）是相干解调方式加码反变换法，图（b）是差分相干解调方式。图（a）是相干解调方式加码反变换法图（b）是差分相干解调方式图5-6 2DPSK信号解调器原理框图5.2.2 2DPSK的解调的仿真设计根据差分相干解调法原理图，利用System View软件进行仿真设计，得到图5-7。图5-7 2DPSK解调仿真波形参数设置：Token 0：基带信号-PN码序列将参数设置Rate=100Hz,Amp(幅度)= 1v, Offset(偏移)= 0v；Token 7、19：异或器Token 9、11：乘法器Token 8、12: 载波，其中，Token 8、12的载波频率为100Hz。Token 14：IIR Butterworth低通滤波器，截止频率100.5Hz，No.of Poles=3；Token 1、4、10、15、17、20: 分析观察窗口检查仿真电路图和参数设置无误后，进行仿真运行，运行时间设置为：Start Time: 0秒； Stop Time: 0.5秒；采样频率：Sample Rate：10000Hz。如图5-8所示：图5-8 运行时间设置窗口运行后可以很直观地观察到各点的波形如图5-9、5-10、5-11、5-12、5-13、5-14所示。图5-9 解调波形图5-10 解调波形经过低通滤波器后波形图5-11 解调出来的相对码图5-12 解调输出的绝对码波形用这种方法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Ts，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，经低通滤波器后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不需要反码器。2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，但其抗加性白噪声性能比2PSK差。第六章 二进制差分移相键控 2DPSK6、1原理前一个实验讲述了绝对调相2PSK的仿真系统，但在2PSK系统中，由于本地参考载波有0，180模糊度，因而解调得到的数字信号可能极性完全相反，从而造成1和0倒置。这对于数字传输来说当然是不能允许的。克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的办法是在调制器输入的数字基带信号中采用差分编码，即相对调相，也称为二进制差分相移键控。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对相位变化传递数字信息。2DPSK信号的产生：图6-12DPSK信号解调：图6-2系统基本参数：基带信号频率=100HZ，电平=2，偏移=0，逻辑异或threshold=1，tureoutput=1，FALSEoutput=-1，延迟块delay=100，selectoutput为1。载波频率=1000HZ，模拟低通滤波器频率=225HZ，极点个数为3，保持器gain=1，比较器ab，运行时间=0.5S，采样频率=10000HZ。图6-3模块5为调制信号：图6-4模块6为：相对码图6-5模块9为滤波后信号图6-6模块16为解调后的信号图6-7功率谱图：Sink5输入信号：图6-8Sink16输出信号：图6-92DPSK系统调制解调图对比：图6-10图6-116.2 系统仿真结果分析Sink5、sink16分别为调制解调信号，两个图像完全一致，说明该调制解调系统的准确。Sink9为滤波后的信号，存在一定的波动误差，而sink6为转换后的相对码波形。相干解调错一位，码变换错两位；相干解调错连续两位，码变换也错两位；相干解调错连续n位，码变换也错两位。第七章 自我总结此次课程设计的主要是实现：2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK四个通信调制解调系统的仿真：2ASK调制模拟调制法用乘法器来实现，解调为非相干解调信号经过带通滤波器，相乘器，低通滤波器，抽样判决器，然后输出。2FSK是使得载波频率在二进制基带信号f1和f2两个频率点间变化，可以看成是两个不同载波频率的2ASK信号的叠加。此处是通过键控法来实现的。解调是通过两个带通滤波器与相乘器相乘，在经过低通滤波器，然后抽样判决输出。2PSK是利用载波相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变，用绝对相移方式即以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号，此处通过模拟调制的方法调制。解调则是让信号经过带通滤波器，然后相乘器与载波相乘，最后是带通滤波器和抽样判决输出。2DPSK是避免0和180相位模糊性产生的调制系统。通过相对相移键控实现0干扰。相干解调器原理为信号相对变换，经过带通滤波器相乘器低通滤波器，抽样判决器，码反变换器。对同一调制方式，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率。若采用相同的解调方式，在误码率相同的情况下，所需要的信噪比2ASK比2FSK高3DB，2FSK比