通信仿真软件

基于SystemView的模拟通信仿真戴乐育（信息工程大学电子技术学院信息安全系）摘要：现代通信网络在口常生活中的广泛应用，因其实用性与便捷性得到了越来越多人们的青睐，在各个领域发挥越来越多重要的作用。而通信系统的射界需要先进行模拟仿真，以提升系统的可用性。动态仿真软件SystemView,利用它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合通信系统和各种多速率系统，也可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。它是一个强有力的动态系统分析工具，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。本论文内容主要包括通信系统的概述、模拟通信系统的基本内容以及用SystemView仿真软件来实现模拟通信系统的仿真。关键字：SystemView模拟仿真仿真软件Abstract：Communicationsystemisthegeneralappellationofcompletetheprocessofinfoniiationtransmissionsystem.Moderncomimiiiicationsystemisdi\ddedintowirelesscommunicationandwiredcommuiiication.Itplaysanimportantroleinallfields.Tlieconunuiiicationsystemdesignneedstomakethesimulationfirst,inordertoimprovetheavailabilityofthesystem.DyiianiicSimulationSoftwareSystemView,itcanbeusedforconstructingavarietyofcomplexanalog,digital,mixedcommunicationsystemsandvariousmulti-ratesystem,andalsocanbeusedforavarietyoflinearornonlinearcontrolsystemdesignandsimulation.Itisapowerfilltoolfordynamicsystemanalysis,includingdigitalsignalprocessing（DSP）,analoganddigitalcommiiiiicationsystems,andsignalprocessingsystemandcontrolsystemsimulationanalysis.Thethesismainlyincludinganoveiviewofcommuiiicationssystems,analogcommunicationssystemandthebasiccontentsanduseSystemView,simulationsoftwaresimulationofconununicationsystemstoacliievethesimulation.Keywords:SystemViewCommunicationSystemsModulationDemodulationSimulation1.引言随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求越来越高，通信，则承载着这个重要的任务。通信中要进行消息的传递，必须有发送者和接收者，发送者和接收者可以是人也可以是各种通信终端设备。换言之，通信可以在人与人之间，也可以在人与机器活机器与机器之间进行。必须有三大部分：一是发送端；二是接收端；三是收发两端之间的信道。通信系统主要分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统通常由模拟信息源，调制器，信道,解调器与收信者组成。模型如下：*戮?-调制器信■道 %攫一4^(发话器) A (收话器)卜一变换器—>| H一反变换器一叫噪声源图i-i模拟通信系统模型图模拟通信在信道中传输的信号频谱比较窄，因此可通过多路复用使信道的利用率提高,但它的缺点是：传输的信号是连续的，叠加噪声干扰后不易消除，即抗干扰能力较差；不易保密通信；设备不易大规模集成，不适应飞速发展的计算机通信的要求2.模拟幅度调制系统2.1幅度调制基本概念模拟幅度调制是指用模拟基带信号去改变正弦型载波的幅度，使载波的幅度随着基带信号的变化而变化。根据频谱特性的不同，通常把模拟幅度调制分为标准调幅(AM)、抑制载波双边带调幅(SC-DSB)、单边带调幅(SSB)、和残留边带调幅(VSB)4种本章将介绍常规双边带调幅(AM),双边带调幅(DSB),单边带调幅(SSB)o2.2常规双边带调幅(AM)2.2.1AM的调制与解调原理1)调制原理：任意的AM己调信号可以表示为Sam(t)=c(t)m(t),当m(t)=AO+f(t),c©=cos(oct+。。)，且A0不等于0时，称为常规调幅，其时域表达式为：Sam(t)=c(t)m(t)=[AO+f(t)]COS((DCt+e0)AoAocos(u)AoAocos(u)tt)其中AO是外加的直流分量，f(t)是调制信号，它可■以是确知信号，也可以是随机信号。CDC=37ifc为载波信号的角频率，80为载波信号的起始相位，为简便起见，通常设为0。常规AM通常可以用上图所示的系统来实现。2)解调原理：采用同步检波法(相干解调法)：同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相(或固定相位差)的信号，成为同步信号。同步检波可由乘法器和低通滤波器实现，其原理见图2-2设输入普通调幅信号uAM©仍如式所示，乘法器另一输入同步信号为ur(t)=URMcosujct图2-2同步检波原理图其中k2是乘法器增益。可见，输出信号中含有直流，Q,2C0c,2ujc±uj几个频率分量。用低通滤波器取出直流和Q分量，再去掉直流分量，就可恢复原调制信号。如果同步信号与发射端载波同频不同相，有一相位差8,即ur=Urmcos(cuct+B),则乘法器输出中的。分量为LKrUcmUmJMaCOSeCOS0t2若e是一常数，即同步信号与发射端载波的相位差始终保持恒定，则解调出来的。分量仍与原调制信号成正比，只不过振幅有所减小。当然e=90°,否则cose=0,。分量也就为零了。若e是随时间变化的，即同步信号与发射端载波之间的相位不稳定，则解调出来的Q分量就不能正确反映调制信号了。

2.2.2仿真模型及结果波形图1）根据AM调制与解调原理，用SystemView软件建立一个仿真电路，如下图所示:图2-3AM调幅的SystemView仿真图2）参数设置：载波频率设置为100Hz,调制信号为18Hz；增益参数为2：低通滤波器：Design:Analog,Lov/pass,ButterworthLowCuttoff=20Hz,NoofPoles=3Filterinputsamplerate:1e+33）波形说明及分析:图2-4AM调幅各信号波形总图—q0-0I....图2-5载波波形图图2-6调制波形图图2-7己调波形图图2-8解调波形图综上所述，可以看出，采用常规双边带幅度调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波法。缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双边带调幅(SC-DSB)o2.3双边带调幅(DSB)2.3.1DSB的调制与解调原理1)调制原理：在标准调幅时，由于己调波中含有不携带信息的载波分量，故调制效率较低。为了提高调制效率，在标准调幅的基础上抑制掉载波分量，使总功率全部包含在双边带中。这种调制方式称为抑制载波双边带调制，简称双边带调制(DSB)。双边带调制信号的时域表达式：SDSB(t)=f(t)coscoct双边带调制信号的频域表达式：SDSB(g))=(F(g)+g)c)+F(cd—o)c)]/2DSB信号的实现：COS6Pct图2-9DSB信号实现原理图实现双边带调制就是完成调制信号与载波信号的相乘运算。原则上，可以选用很多种非线性器件或时变参量电路来实现乘法器的功能，如平衡调制器或环形调制器。通常采用的平衡调制器的电路简单、平衡性好，并可将载波分量抑制到-3A40dB°双边带调制节省了载波功率，提高了调制效率，但己调信号的带宽仍与调幅信号一样，是基带信号带宽的两倍。2)解调原理：DSB信号只能采用相干解调。其模型与AM相干解调原理相同。此时，乘法器输出：5现&0).CDS瓦J=淞@)CDS’吼t=一戏)经过低通滤波器滤除高次项，得:即无失真地恢复出原始电信号。2.3.2仿真模型及结果波形图1）根据DSB调制与解调原理，用SystemViev/软件建立一个仿真电路，如卜.图所示:兮Sytrt -E:\pxf.兮Sytrt -E:\pxf.kvul•洛KI昌四回氐嚣珀〉匡虫国守|密肽■A⑦盟图2-10DSB调幅的SystemView仿真图2）参数设置：载波频率为100HZ；调制信号频率为10HZ；低通滤波器的截止频率为30HZ,如下图示：

Syst:es&VxewAnaLogFzil/tejrLi/bHary图2-11低通滤波器参数设置图Syst:es&VxewAnaLogFzil/tejrLi/bHary3）波形说明：各波形的名称如波形图示（载波，调制波，已调波，解调波）。林蹄（⑴）g必 gx•SOM：SOM龄(191”Q・*SyJTUTiMiK20XWvTjr»«tnSecatvlx/4l.--2DM3已蹄(t1(D"■•3 EC-3 匕。林蹄（⑴）g必 gx•SOM：SOM龄(191”Q・*SyJTUTiMiK20XWvTjr»«tnSecatvlx/4l.--2DM3已蹄(t1(D"■•3 EC-3 匕。7回必巫5k (IS):已遍泌（tio）TSyateBVievAnalysis-d«b.W-IfzRnss・・例12D»0阕初洼响幽标准0 40Y E0・・3 120.-3 <€O^3Tift*irkS<eAn«lc图2-12DSB调幅各信号波形总图综上所述，可以看出，抑制载波的双边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。缺点是占用频带宽度比较宽，为基带信号的2倍。三、模拟角度调制系统3.1角度调制基本概念角度调制与线性调制不同，己调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。角度调制可■分为频率调制（FM）和相位调制（PM），即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化的调制方式。如果载波的频率变化量与调制信号电压成正比，则称为调频（™）；如果载波的相位变化量与调制信号电压成正比，则称为调相（PM）。由于载波频率的变化和相位的变化都表现为载波总相角的变化，因此将调频和调相统称为调角。本节将介绍频率调制（FM）。3.2频率调制（FM）3.2.1FM的调制与解调原理1）调制原理：角度调制是用调制信号去控制载波信号角度（频率或相位）变化的一种信号变换方式,信号经过角度调制后，频率结构将发生变化。也就是说，比如在调频信号中，载波信号的频率随着基带调制信号的幅度变化而变化。调制信号幅度变大时，载波信号的频率也变大（或变小），调制信号幅度变小时，载波信号的频率也变小（或变大）；在角度调制中，载波的幅度保持不变。在模拟调制中，一个连续波有三个参数可以用来携带信息而构成己调信号。当幅度和相位保持不变时，改变载波的频率使之随未调信号的大小而改变，这就是调频的概念。①角度调制的一般原理:sm（t）=Acos［秋t+低（t）_其中:使t+9（t）为己调信号的瞬时相位（rad）9（t）为巳调信号的瞬时相位偏移（rad）dgt）气+———为己调信号的瞬时角频率（rad/s）dtdp（t）KT为己调信号的瞬时角频率偏移（保）频率调制（FM）即己调信号的瞬时角频率偏移随原始基带信号线性变化，亦即:= ，其中kf为调频灵敏度（rad/s-V）或有

SFM(t)=Acos&t+虹「SFMJ一co其中，A是载波的振幅，wt+0(t)是角度调制信号的瞬时相位，而是瞬时相位偏移；&商£+&@)］危为信号的瞬时频率，而硕®称为瞬时频率偏移，即相对于％的瞬时频率偏移。其框图如下图所示:X(t)其框图如下图所示:X(t)图3T频率调制系统框图2)解调原理：①频率调制的非相干解调(鉴频法)鉴频器的作用是输出一个与输入信号频率成线性关系的信号，包括斜率鉴频器、锁相环鉴频器、频率负反馈解调器等类型，理想鉴频器可以等效成带微分器的包结检波器。ni(t)ni(t)图3-2频率调制鉴频法原理图r过微分器：s(t)二—1^入［必+灯1。0)卜111仪」+灯「11谁)出解调输出：mb(t)=kdkfm(t)鉴频器的缺点是对信道噪声以及其他因素引起的己调信号幅度畸变有反应，故常在鉴频器前加限幅器和带通滤波器。在小信噪比情况下，由于鉴频器的非线性解调作用，FLI信号的解调存在门限效应。解调器就是所谓的积分鉴频器或积分检波器。如下图所示，

Xc(t)=Accos[wt+f(t)]ClX(t)T调制频率为Xc(t)=Accos[wt+f(t)]ClX(t)T调制频率为fb的谐振回路图3-3FM解调器原理图输入的调频信号被连接到乘法器的一个输入端。经过一个耦合电容与一个LC并联谐振回路组成的移相电路产生正交信号，作为乘法器的另一个输入。电容及谐振回路的相移可以用简单的延迟电路来产生。该延迟电路可以产生相当于载波信号四分之一周期的延迟。3.2.2仿真模型及结果波形图本模型是将一个声音文件（.叫洱）表示的信号通过ni调制，再经过一个具有高斯噪声的信道传输，然后用延迟枳分鉴频器将声音解调出来。其仿真电路原理图如下：图3-4设计模型图Fc=5000HzFc=5000HzQuantbits=noneInitcndtn=TransientDspmodedisabledToke7模块6：FunctionLibraiy说明：该模块是一个FLI调制器，输出。FreqmodAmp=lvFreq=5000HzPhase=0degModGain=l0Hz/v模块说明及参数设置：模块0：SourceLibraiy说明：该模块是一个信号源，通过外部文件输入一个wav的音频信号，然后被系统重新采样3倍后输出。Ich：WindowsXP电话拨入声.wav16-bitWAV1channelAudioRate=22050HzAudioPlayei-OffPad=3samples16位的1声道wav文件音频22050Hz关闭播放器每节拍3倍采样频率PadwithlastvalueStartsample=lToken=0模块7：Opei'atorLibraiy说明：该模块是一个巴特沃思低通滤波器，截止频率为5000Hz,将输入的波形滤掉高频部分后输出。LinearSysButterworthLowpassHR3Ploes截止频率为5000Hz数字调制将输入的信号进行频率调制，从而获得10倍的增益振幅为1V频率为5000Hz调制增益为lOHz/V给信道中加入高斯噪声，模拟实际生活中的信号传输。标准差为0.001V均值是0v将输入的信号相乘后输出。输入信号为模块6到8的输出OutputO=quadi'ature(sin)t6Outputl=In-Phase(Cos)Token6模块1:OutputO=quadi'ature(sin)t6Outputl=In-Phase(Cos)Token6模块1:GaussNoise

说明：该模块是一个加噪模块，

StdDev=0.001v

Mean=0v

Token1模块9：Multipliei'说明：该模块是一个乘法器，NonParametn'cInputsfi'om6and8Outputsto10Token9模块4：Opei'atorLibraiy说明：该模块是一个延迟模块，根据枳分鉴频器的原理，给输入信号一个250ms的延迟，然后输出DelayInteipolatingDelay=250e-6secOutput0=delayt9Output1=delay-dtToken4250ms的延迟输出o输出1模块15：SinkLibraiy说明：该模块是一个音频信号输出模块，积分鉴频器最后解调出来的信号通过一个巳特沃思滤波器滤波后输出到该模块，最后以音频文件的形式输出。ReceivedvoiceWav1chVoiceOut.wav8-bitWav1channel8位的1声道wav波形Audiorate=(setatruntime)Audioplayei^on 打开播放器Inputfi'omt4outputport0t4端11输入，0II输出Token153.2.3仿真结果分析图3-5X(t)处的时域波形图20□81624图3-6X(t)处的频域波形图-500e-3-500e-30 8 16 24 32 40 48TimeinSeconds图3-7Xc(t)的时域波形图0 8 16 24 32 40 4820-2q二r-ldujlj0 8 16 24 92 40TimeinSeconds图3-9N(t)的时域波形图图3-10Xc(t)+N(t)的时域波形图IHUHIHUH■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■UM■■iiiiiHHiHiniiii!mir2—mmm间忡卿删咿in刑imnWM岫凰IIIUWI川州LIU出仙1皿1图3-12X(t)的时域波形图图3-13X(t)的频域波形图通过对仿真图形分析可以得出，这次仿真中，输入与输出有轻微失真，其原因可以概括为两点：(1)所选波形文件频率与参数设置匹配没有理论上理想，导致解调轮廓出现少量失真；(2)该波形文件受高斯白噪声的影响太大，以致解调输出波形出现轻微失真。四、结束语这次的课程设计给我很大的收获，使我对SystemView操作系统的基本知识有了初步的认识，并在实践中对所学习的基本知识和原理方法有了进一步的深化，和形象具体的理解。本次课设我选择了模拟调制系统的AM和FM,通过对它们的调制解调过程的实践达到课设的目的。首先，我对S