systemview关于解调与调制的实验指导

1、绪论数字通信系统，按调制方式可以分为基带传输和带通传 输。数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率(如 06m)低频段，因而在很多实际的通信(如无线信道)中 就不能直接进行传输，需要借助载波调制进行频谱搬移，将 数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传 输，这种传输方式，称为数字信号的频带传输或调制传输、 载波传输。所谓调制，是用基带信号对载波波形的某参量进行控制, 使该参量随基带信号的规律变化从而携带消息。对数字信号 进行调制可以便于信号的传输；实现信道复用；改变信号占 据的带宽；改善系统的性能。和模拟调制不同的是，由于数字基带信号具有离散取值的 特点，所以调制后的载波参量只有

2、有限的几个数值，因而数 字调制在实现的过程中常采用键控的方法，就像用数字信息 去控制开关一样，从几个不同参量的独立振荡源中选参量， 由此产生的三种基本调制方式分别称为振幅键控(ask,amplitude-shift keying )>移频键控(fsk,frequency-shift keying)和移相键(psk,phase-shift keying )或差分移相键(dpsk,differentphase-shift keying)o 数字调制系统的基本结构如图1所示:图1数字调制系统的基本结构图在数字调制屮，数字基带信号可以是二进制的，也可以 是多进制的，对应的就有二进制数字调制和多进

3、制数字调制 两种不同的数字调制，最简单的情况即是以二进制数字基带 信号作为调制信号的二进制数字调制，本次课程设计主要针 对就是最常用的二进制数字调制方式即二进制振幅键控、移 频键控和移相键控三进行系统仿真分析，通过学习 systemview仿真软件，对对三种系统进行仿真，熟悉2ask 2fsk、2psk和2dpsk的原理、已调信号的频谱特点和各系 统的抗噪声性能。第一章、systemview软件简介1. 1 systemview 软件特点systemview是el anix公司推出的一个完整的动态系 统设计、模拟和分析的可视化软件。他可以提供大量的信号 源供系统分析使用；其丰富的算子图符和函数

4、库便于设计和 分析各种系统；其多种信号接受器为时域和频域的数值分析 提供便捷的途径；其无限制的分层结构使建立大而复杂的系 统变得容易；另外他还提供对于外部数据文件的接口，使信 号分析更加灵活方便。systemview操作简单，使用方便，只要用鼠标从 systemview库中选择图符并将他们拖拽到设计窗口中连接 起来创造线性和非线性，离散和连续，模拟、数字和混合模 式的系统，systemview的所有图符都有相似的参数定义窗 口，我们所要做的只是修改各个图符的参数，无需编程即可 实现系统的设计和模拟。systemview的界面直观，设计窗口中各功能模块都用形 象直观的图符表示，分析窗口中分析结果

5、以各种图形直观显 示，使我们对系统的结构，功能和分析结果一目了然。他的 另一个重要特点是可扩展性，systemview允许用户插入使 用c+编写的用户代码库，插入的用户库自动集成到 systemview屮，能够像内建库一样使用。systemview提供了智能化的辅助设计。在系统设计仿真 时，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 示指出出错的图符。并在编译时，给出系统运行的大约时间, 方便了设计人员进行调试。其带有的api功能可以利用vc环 境，将系统编译成可脱离systemview独立运行的可执行文 件，大大提高了运行速

6、度和仿真效率。1. 2使用systemview进行系统仿真的步骤使用systemview进行系统仿真，一般要经过以下几个步骤:(1) 建立系统的数学模型根据系统的基本工作原理，确定总 的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分的关系, 画出系统框图。(2) 从各种功能库中选取、拖动可视化图符，组建系统在信 号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接受器图符 库屮选取满足需要的功能模块，将其图符拖到设计窗口， 按设计的系统框图组建系统。(3) 设置、调整参数，实现系统模拟参数设置包括运行系统 参数设置（系统模拟时间，采样速率等）和功能模块运行参 数（正弦信号源的频率、幅度、初相，低通滤波器的截

7、止 频率、通带增益、阻带衰减等）。（4）设置观察窗口，分析模拟数据和波形在系统的关键点处 设置观察窗口，用于检查、监测模拟系统的运行情况，以 便及时调整参数，分析结果。1. 3 system view 的工具栏设计窗口中工具栏，如下图1-1所示，由十六个常用快捷 功能按钮组成动作条，如图所示。当鼠标移动到每个图标时, 系统会自动显示该按钮的作用。图it工具栏从左到右依次为切换按钮、打开文件按钮、保存按钮、 打印按钮、清除按钮、删除按钮、断开连接按钮、连接按钮、 复制按钮、反转按钮、便笺按钮、创建嵌套系统按钮、观察 嵌套系统按钮、根轨迹按钮、波特图按钮、重绘按钮、取消 操作按钮、开始仿真按钮、系

8、统定时按钮、分析窗口按钮。14 system view的图标库图标是system view仿真运算，处理的基本单元，共分为三大类;第一类包括信号源库，它只有输出端没有输入端;第二 个类包括观察窗库，它只有输入端没有输出端；第三类包括 其他所有图表库，这类图标都有一定个数的输入端和输出端. 在设计窗口的左边有一个图标库区，一组是基本库(main libraries),共8个。另一组是可选择的专业库(optional libraries)，如通信库、数字信号处理库、逻辑库、射频/ 模拟库等，支持用户自己用c/c+语言编写源代码定义图标 以完成所需自定义功能的用户自定义库(custom),及可调 用

9、、访问matlab的函数的m-link库，以及cdma、dvb自 适应滤波器库等。信源库加法器逻辑库算子库函数库乘法器新宿库图1-2基本库图标在上述八个图符中，除双击加法器和乘法器图符按钮可 直接使用外，双击其他按钮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面的主库开 关按钮“main”，将出现选择开关按钮“option”下的库 (user)、通信库(comm)、dsp库、逻辑库(logic)、射频/ 模拟库(rf/analog)和数学库(matalab)选择按钮，可分别 双击他们选择调用。在设计窗口中间的大片区域就是工作区 域，用户可以在这里放置、定义和连接各种

10、图符，建立新的 系统。第二章二进制振幅键控(2ask)系统的设计2. 1二进制振幅键控(2ask)的调制21. 1 2ask的调制原理振幅键控(amplitude shift keying, ask)是利用载波的 幅度变化来传递数字信号，而其频率和初始相位保持不变。 在2ask屮，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制 信息“0”或“1”。2ask信号的一般表达式为其中s (t) = sang(t-nts)式屮：ts为码元持续时间；g(t)为持续时间为ts的基带脉 冲波形，为简便起见，通常假设g(t)是高度为1、宽度等于 ts的矩形脉冲；an是第n个符号的电平取值。2ask信号的产生方法通

11、常有两种：数字键控法和模拟相 乘法，相应的调制器如图1-1所示。图(a)就是一般的模拟 幅度调制的方法，用乘法器实现；图(b)是一种数字键控 法，其中的开关电路受s (t)控制。 乘法器二进制不归零信号图(a)模拟幅度调制法图(b)数字键控法图2-1 2ask调制器原理框图2.1.22ask的模拟调制的仿真设计根据模拟相乘法原理图，利用system vi ew软件进彳亍 仿真设计，得到图22。图2-22ask调制仿真设计图参数设置:token 0:基带信号一pn码序列将参数设置为rate=10hz, amplitude （幅度）二0 5v, offset （偏移）二 0. 5v；token 2

12、:乘法器token 17:载波一正弦波发生器（频率=20hz）token 1、5: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 彳亍吋间设置为：start time: 0秒；stop time: 1秒；采样 频率：sample rate： 20000hz如图2-3所示：图2-3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2-4、2-52.1.3 2ask的键控法的仿真设计根据模拟相乘法原理图，利用systemview软件进行 仿真设计，得到图22。图2-6 2ask键控法运行完后可以很直观地观察到各点的波形如图2-7、2-8图2-7原始波形空二进制振幅键控(2ask

13、)的解调2212ask的解调原理2ask信号由两种基本的解调方法：非相干解调(包络检 波法)和相干解调，相应的接收系统组成方框图如图2-9所示, 上图为非相干解调方式，下图是相干解调方式。图2-9 2ask解调器原理框图2. 222ask的相干解调的仿真设计根据相干解调法原理图，利用system vi ew软件进行仿真设计，相干解调系统图如图2-10o图 2-10参数设置：token 0：基带信号一pn码序列将参数设置为rate=10hz, amplitude （幅度）二 0. 5v, offset （偏移）二 0. 5v；token 2> 12:乘法器token 17、18:载波-正弦

14、波发生器（频率=10hz）token 13:模拟低通滤波器（截止频率二15hz）token 14：比较器token 19：阶跃函数token 1、5、8、9、15、16: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：starttime: 0秒;stoptime: 1秒；采样频率: sample rate： 20000hzo 如图2t1 所示:图2-11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2-12. 2-13、2-14、2-15、2-16、2-17所示。图2-12原始信号02-14高斯白噪声审3：号 m)be)图2-15加入高斯白噪声的调制信号s：

15、解田益号容过低逼逐诙的渡宠(tib)円冋e3图2-16解调信号经过滤波后的波形图图2-17最终输出的解调出来的波形由我得到的图形可知，调制信号与相乘器相乘后会产生 新的频率分量。在经低通滤波器滤除高频成分，得到包含基 带信号的低频信号，再通过抽样判决，从而得到解调信号。 市于经过一系列的电路等原因，得到的解调信号的波形与原 波形会有一点的延时。2ask是20世纪初最早运用于无线报中的数字调制方式之一。但是，2ask传输技术受噪声影响很大。噪声电压和 信号一起改变了振幅。在这种情况下，“0”可能变为“1” , “1”可能变为“0”。可以想象，对于主要依赖振幅来识别 比特的ask调制方法，噪声是一

16、个很大的问题。2. 232ask的包络解调的仿真设计根据相干解调法原理图，利用system vi ew软件进行仿真设计，相干解调系统图如图2-18o参数设置：token 0：基带信号一pn码序列将参数设置为rate=50hz, amplitude （幅度）二 lv, offset （偏移）二 lv；token 2:乘法器token 3:载波一正弦波发生器（频率=50hz）token 10:模拟低通滤波器（截止频率=20hz）token 12：比较器token 13：阶跃函数token 1、4、7、9、11, 14:分析观察窗口仿真波形如下图所示：图219二进制不归零信号图220 2ask调制信

17、号波形 <2：加參的认制盘好(t7)图2-21 2ask调制信号与高斯白噪声叠加波形3；全泱建姦后的谁形(<9)图2-22经过全波整流后的波形图223经过低通滤波器后的波形 w5：輪|於岀滾理«14)use图2-24 2ask解调输出的波形通过仿真波形可以看出，输入波形与解调输出的波形时一 致的，由于在信道屮加入了高斯噪声，所以接收到的信号有很多高频分量，但不影响其包络依然符合传输信号的波型， 包络即为信号的低频分量，这就使在接收使用低通滤波器提 取包络，最终实现正确检波成为可能。从低通滤波后的波形 就基本可以看出原基带信号的大致趋势，再通过设置一个合 理的比较电平，就能

18、使解调输出与基带信号的波形基本一 致，只是存在少许的延迟。第三章 二进制频移键控（2fsk）系统的设计3. 1二进制频移键控（2fsk）的调制31. 12fsk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。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式屮，g (t)为单个矩形脉冲，脉宽为ts发送障为p-发送请为1*"11发劉咖2*"11发进碑为p2fsk信号的产牛方法主要有两种。一种可以采

19、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fl或 f2两个载波之一，如图3-1所示。图3-1 2fsk调制器原理框图（数字键控法）3. 1.22fsk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3-2。i0:图3-2 2fsk调制仿真波形设计图参数设置:token 0：基带信号一pn码序列将参数设置为rate=10hz, amplitude （幅度）二 0. 5v, offset （偏移）二 0. 5v；token 7、8

20、:载波一正弦波发生器（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： loooohzo 如图3-3所示：图33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34、35所fgro：廉蛉信e (ti)图3-4原始二进制不归零信号图3-5 2fsk调制信号波形31.32fsk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

21、进行仿 真设计，得到图3-6。图3-6运行完后可以很直观地观察到各点的波形如图2-7、2-8所示。图3-7原始信号图3-8 2fsk调制信号3/二进制频移键控（2fsk）的解调3. 2. 12fsk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3-9所示，其中上图是非相干解调方 式，下图是相干解调方式。图3-9 2fsk解调器原理框图3. 222fsk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3-10

22、o图3-10 2fsk解调的方针设计图参数设置token 0： pn 码元，amp=0. 5v, off二0. 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二iv,频率二200hz；token 7, 12：载波 1, amp=lv,频率=100hz；token 13> 14： hr 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二0 5, ture=l,

23、 false二0；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： loooohzo 如图3t1 所示:图311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312 2fsk调制信号加上高斯白噪声的波形图313上支路经过低通滤波器后波形图3-14下支路经过低通滤波器后波形图3-15上下支路相加得到的波形图3-16最后得到的解调输出的波形从仿真结果中我们看到，

24、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fi,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。32. 32fsk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软件进彳亍仿真设计，得到图3-1

25、7o图3-17过零检测法解调仿真设计图运行后可以很宜观地观察到各点的波形原蛇依号(11)图3-18原始信号图3-19 2fsk调制信号图3-20脉冲展宽图3-21低通后的波形图3-22解调输出的波形3. 242fsk的非相干解调的仿真设计图3-23非相干解调仿真设计图运行后可以很宜观地观察到各点的波形图3-24原始信号图3-25 2fsk调制信号图3-26判决输出波形第四章二进制相移键控(2psk)系统的设计4. 1二进制相移键控(2psk)的调制4, 1. 12psk的调制原理2psk是利用载波的不同相位去直接传送数字信息的一种 方式，若用相位n代表“0”码，相位0代表“1”码, 即规定数字

26、基带信号为“0”码时，已调信号相对于载波 的相位为“；数字基带信号为“1”码时，已调信号相对载 波相位为同相。2psk已调信号的时域表达式为：u 2psk= a x ang（t-nts）coswt （an=l或t） e2psk=acos （wt + 4）n）这种以载波的不同相位直接去表示二进制数字信号的 调制方式，称为二进制绝对方式。数字相位调制是用数字基带信号控制载波的相位，使载 波的相位发生跳变的一种调制方式，2psk（二进制相位键控） 调制可采用直接调相法即双极性数字基带信号与载波直接 相乘的方法，也可采用相位选择法即由振荡器和反相器电路 来实现调制的方法。其原理框图如图4-1,其中。图

27、（a）就 是一般的模拟相乘法，用乘法器实现；图（b）是一种数字 键控法。双极性 不归零乘法器图(a)模拟相乘法图(b)数字键控法图4-1 2psk调制器原理框图41.22psk的调制的仿真设计根据模拟相频法原理图，利用system view软件进行仿真设计，得到图4-2。图4-2 2psk调制仿真设计图参数设置:token 0：基带信号-pn码序列将参数设置为rate=10hz,amp（幅度）二 0. 5v, offset （偏移）二 0. 5v；token7、8：相乘器token3:载波，载波频率为10hztoken2：延时器，delay二0. 5stoken6：反相器token9：加法器t

28、oken1、4、5、10: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： loooohzo 如图4-3所示：auto set no. samples-no. of system loops:i1 a厂 reset system on loopi- pause on loopset power of 2 白sl"十 c dk to restoeundo set|select loops.|estimated run time: 0.1 sec. total sam

29、ples: 10.001start/stop timelock |图4-3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4-4、4-5、4-6所示图44二进制不归零信号图4-5载波波形图4-6调制输出波形4. 2二进制相移键控(2psk)的解调 4. 212psk的解调原理带逋ac低通d抽祥滤波器相乘器滤波器判决器辅出2psk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， 这里给出相干解调法的接收系统组成方框图如图46所示。图4-7 2psk解调器原理框图42. 22psk的解调的仿真设计根据相干解调法原理图，利用system view

30、软件进行仿 真设计,得到图4-8o图4-8 2psk解调仿真设计图参数设置：token 0：基带信号-pn码序列将参数设置rate=10hz,amp （幅度）二 lv, offset （偏移）二 0v；token 2、9:乘法器token 3、6:载波，载波频率为100hztoken 5：加法器token 11： hr butterworth低通滤波器，截止频率60hz,no.of poles=3；token 13：比较器token 14：保持器token 1、4、7、10、12、15: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 行吋间设置为：start time: 0秒；s

31、top time: 1秒；采样频率：sample rate： 10000hzo 如图4-9所示:图4-9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410、4-11、4-12、413、4-14、4j5所示。图410原始信号图4-11 2psk调制信号2加春的谒制依号（17）图4-12加入咼斯白噪声的波形图4-13调制信号加入噪声经过相乘器后的波形“灵过低連怎的依号32）bt回e3图4-14经过低通滤波器后的波形图4-15解调输出的波形2psk调制相对2fsk、2ask具有带宽窄、频带利用率高、 抗干扰性强等优点，因此被广泛地运用于中、高速通信系统 屮。但在更高速的通信系统屮，2psk

32、调制已不能满足频带利 用率和系统的有效性等要求，故基本采用多进制系统。此外, 绝对调相系统会产生倒相现象，因此应考虑采用相对相位调 相系统。产生倒相现象的原因是在2psk信号的载波恢复过程中 存在180°相位模糊，既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，判 决器输出信号全部出错，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小，信号波形有可 能出现长时间连续的正弦波形，致使在接受端无法辨认信号 码元的起止时刻。为了解决上述问题，可以釆用差分相移键 控体制。5.

33、1二进制差分相移键控（2dpsk）的调制 5. 1. 12dpsk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”，而用口来表示“

34、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5t所示。开关电路图51 2dpsk信号调制器原理框图5. 1.22dpsk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：基带信号一pn码序列将参数设置rate=100hz,amp （幅度）二 lv, offset （偏移）二 0v；token 6：延时器token 7

35、：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： 10000hzo 如图5-3所示：图5-3运行时间设置窗口05-4绝对码波形sink 10图5-5 2dpsk调制信号波形翼二进制差分相移键控(2dpsk)的解调5. 212dpsk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。j带通j f淹波器

36、相乘器“a.cos b定时脉冲"抽样" 平夬器 篇岀i f图(a)是相干解调方式加码反变换法输出£图(b)是差分相干解调方式图5-6 2dpsk信号解调器原理框图5222dpsk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57。图5-7 2dpsk解调仿真波形参数设置：token 0：基带信号一pn码序列将参数设置rate=100hz,amp(幅度)二 lv, offset (偏移)二 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loohzotoken 14: hr butterworth低通滤波器，截止频率 100. 5hz, no. of poles二3；tok