通信原理systemview仿真课程设计.doc

课程设计说明书1 引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是基于windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。它界面友好，使用方便。使用它，用户可以用图符（token）去描述系统，无须与复杂的程序语言打交道，不用写代码，即可完成各种系统的设计与仿真。利用systemview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。用户在进行系统设计时，只需从system view配置的图符中调出有关图符，进行各种图符的参数设置和相互间的连线，即可进行仿真操作，给出分析结果。2 软件systemview的介绍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。使用systemview我们不用关心项目的设计思想和过程，而不用花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。我们只用鼠标点击器图标即可完成系统的建模、设计和测试，而不用学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。systemview仿真系统具有许多的优点：1.能仿真大量的应用系统。能在dsp、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。具有大量的可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、dsp和射频/模拟功能模块。特别适合于无线电话、无绳电话、调制解调器以及卫星通信系统等的设计；课进行各种系统是与/频域分析和谱分析；对射频/模拟电路进行理论分析和失真分析。2.快速方便的动态系统设计与仿真。systemview图标库包括几百种信号源、接收端、操作符合功能块，提供从dsp、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等应用。信号源和接收端图标允许在systemview内部生成和分析信号，并提供可外部处理的各种文件格式和输入/输出数据接口。3.在报告中方便地加入systemview的结论。systemview通过notes(注释)很容易在屏幕上描述系统；生成的systemview系统输出的波形图可以很方便地使用复制和粘贴命令插入微软word等文字处理器。4.提供基于组织结构图方式的设计。 通过利用systemview中的图符和metasystem(子系统)对象的无限制分层结构功能，systemview能很容易地建立复杂的系统。5.多速率系统和并行系统。 systemview允许合并多种数据采样率输入的系统，以简化fir滤波器的执行，有利于提供整个系统的仿真速度，而在局部又不会降低仿真的精度。同时还可以降低对计算机硬件配置的要求。6.完备的滤波器和线性系统设计。 systemview包含一个功能强大的、很容易使用的图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境，还包含大量的fir/iir滤波类型和fft类型，并提供易于用dsp实现滤波器或线性系统的参数。7.先进的信号分析和数据块处理。 systemview提供的分析窗口是一个能够提供系统波形详细检查的交互式可视环境。分析窗口还提供一个能够仿真生成数据进行先进的块处理操作的接收计算器。 systemview还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查系统波形。内部数据的图形放大、缩小、滚动、谱分析、标尺以及滤波等，全部都是通过敲击鼠标器实现的。8.课扩展性。 systemview允许用户插入自己用c/c+编写的用户代码库，插入的用户库自动集成到systemview中，如同系统内建的库一样使用。9.完善的自我诊断功能。 systemview能自动执行系统连接检查，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。总之，systemview的设计者希望它成为一种强大有力的基于个人计算机的动态的通信系统仿真工具，以实现在不具备先进仪器的条件下同样也能完成复杂的通信系统设计与仿真。3 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所示：乘法器图3-1 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所示： 带通滤波器加法器解调器图3-2 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3.1 dsb调制3.1.1 dsb调制解调原理在图3-3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3-3所示：低通滤波器乘法器bpf信道乘法器 图3-3 dsb调制与解调模型3.1.2 dsb调制解调仿真模型根据以上原理用systemview仿真出来的模型图如图3-4所示：图3-4 dsb调制系统的仿真模型图具体参数为：基带信号幅值为1v，基带信号频率为100，载波信号幅值为1v，载波频率为1000。3.1.3 dsb调制解调仿真波形仿真后的波形如图3-5所示：图3-5 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3-6所示：图3-6 dsb调制过程中的各信号的频谱比较图3.1.4 dsb调制解调仿真结果分析dsb调制为线性调制的一种，由图3-5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3-6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。且由频谱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，只是在时域上有一定的延时，但也实现了无失真传输。3.2 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。3.2.1 ssb调制解调原理利用图3-1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：3.2.2 ssb调制解调仿真模型根据以上原理用systemview仿真出来的模型如图3-7所示：图3-7 ssb调制系统仿真图具体参数为：基带信号幅值为0.5v，基带信号频率为300，载波信号幅值为1v，载波频率为2000。3.2.3 ssb调制解调仿真波形利用高通滤波器对dsb信号进行滤波得到上边带，如仿真图3-8所示的时域波形及频谱波形。图3-8(a) ssb调制系统上边带时域仿真波形图3-8(b) ssb调制系统上边带频域仿真波形利用低通滤波器对dsb信号进行滤波得到下边带，如仿真图3-9所示的时域波形及频谱波形。图3-9(a) ssb调制系统下边带时域仿真波形图3-9(b) ssb调制系统下边带频域仿真波形图3-9(c) ssb调制系统上下边带频谱比较图3.2.4 ssb调制解调仿真结果分析ssb线性调制的一种，由图3-8及3-9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1700与2300，与理论相符。解调信号与原信号基本相同，实现无失真传输。3.3 am超外差收音机的设计3.3.1超外差接收机的工作原理超外差接收技术广泛用于无线通信系统中。图3-10所示的是一个基本的超外差收音机的原理框图。下面以最常见的am超外差收音机为例说明。图3-10 超外差收音机原理框图通常的am中波广播收音机覆盖的频率范围为540-1700khz，中频if频率为455khz。商业广播发射采用常规调幅，调制度为1，且发射功率大，因此收音机为节省成本、减小体积，一般解调器采用最佳简单的二极管包络检波。本地振荡的典型设置都高于所希望的rf信号，即所谓的高边调谐。输入滤波器用于拟止所不希望的信号和噪声，更重要的是去除与期望频率解调中频有关的镜像频率2信号。实际电路使用陶瓷滤波器能得到很好的性能，增加一级增益后再检波。3.3.2超外差收音机的systemview仿真一个基本的am收音机的系统仿真框图如图3-11所示。为节省仿真时间，没有按实际的540-1700khz的频率覆盖范围和455khz中频频率设计，而采用了20khz作为if。另外设了30khz，40khz，50khz三个载波频率的发射信号（模拟三个电台），模拟调制信号的带宽为5khz以下。并设希望接受的频率为第二个电台的频率40khz，收音机使用高边调谐，则本振应为40+20=60 khz，且存在一个镜像干扰频率为40+2*20=80 khz。图3-11 am超外差收音机仿真模型其仿真波形图如图3-12所示：图3-12 超外差收音机仿真波形3.3.3 收音机仿真参数的分析收音机仿真参数的测量，可以通过systemview测量经过if滤波器后输出的希望信号与非希望信号的功率比来求得。但该测量必须通过两次特殊的仿真才能进行。首先先关闭所有干扰滤波，即把30khz和50khz的信号源幅度设置为零，使用分析窗口的窗口统计功能求if的输率。3.4 双路fm 语音通信系统模型以语音波形文件（后缀名为“.wav”）作为信号源,频率调制直接使用systemview 函数库fm,解调使用延时相乘结构来实现,信道用高斯白噪声来模拟，接收端分别解调出相应的语音信号。此次设计采用的两路信号频率均为22050hz。低通滤波器的截止频率分别为5000hz和10000hz。仿真模型图如图3-13所示：图3-13 双路fm语音通信系统仿真模型图3.4.1 仿真波形第一路信号的输入波形和接收波形如图3-14所示：图3-14 第一路信号发送与接收波形图第二路输入信号的波形和输出波形如图3-15所示：图3-15 第二路信号发送与接收波形图3.4.2 仿真结果分析 由于本次设计采用的低通滤波器和带通滤波器特性都不是特别理想，所以输入信号和接收信号的波形图有一定的差距。4 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。 4.1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。4.1.1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混叠。是抽样的最大间隔，也称为奈奎斯特间隔。4.1.2信号的采样与恢复仿真原理如图4-1所示，是低通信号采样与恢复的原理图。图4-1 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4.1.3信号的采样与恢复仿真模型根据图4-1所示的原理图，对应的systemview如图4-2所示：图4-2 验证抽样定理的仿真图具体参数为：原始信号幅值为1v，原始信号频率为100，抽样信号幅值为1v，抽样频率为500。4.1.4信号的采样与恢复仿真波形图4-3原始信号与抽样脉冲信号图4-4原始信号、恢复信号与抽样信号波形4.1.5信号的采样与恢复仿真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叠；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。4.2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，并且在接收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。4.2.1增量调制（m 或 dm）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。4.2.2增量调制仿真模型增量调制的仿真模型如图4-5所示：图4-5增量调制模型图增量调制信号波形如图4-6所示：图4-6增量调制电路波形4.2.3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，必须使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。4.3 数字基带传输系统的仿真在数字传输系统中，其传输对象主要是二进制数字信息。它可能来自计算机，网络或其他数字设备的各种数字代码，也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。涉及数字传输系统的今本考虑是选择一组有限的离散的波形来表示数字信息。这些离散的波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。由于未经调制的的脉冲信号所占据的频带通常是从直流和低频开始，因而称为数字基带信号。4.3.1数字基带信号传输无失真的条件原始二进制数字基带信号波形多数都是矩形波，在画频谱图时通常只画出其能量最集中的范围，但这些基带信号在频域内实际上是无穷延伸的，如果直接采用矩形脉冲的基带信号作为传输码型，由于实际信道的频带是有限的，则传输系统接收端所得的信号频谱必定与发送端不同，这就会使接收端数字基带信号的波形失真。大多数有线传输情况下，信号频带不是陡然截止的，而且基带频谱也是逐渐衰减的，采用一些相对较简单的补偿措施，则可以将失真控制在比较小的范围内。较小的波形失真对于二进制基带信号影响不大，只是使其抗噪声性能稍有下降，但对于多元信号，则可能造成严重的传输错误。为了研究波形传输失真的问题，我们首先来看一下基带信号传输系统的典型模型，如图所示：图4-7基带传输系统模型在发送端，数字基带信号x（t）是经滤波器输入到信道，发送滤波器的作用是限制发送频带，阻止不必要的频率成分干扰信道。传输基带信号收到约束的主要因素是系统的频率特性。当然可以有意的加宽传输频带使这种干扰减小。但是这样会导致不必要的频带浪费。如果展宽的太多还会将过大的噪声引入系统。奈奎斯特第一准则给我们指明了消除这种码间干扰的方法，并指出了信道带宽与码速率的基本关系，即式中为传码率，单位为波特/秒。和分别为理想信道的低通截止频率和奈奎斯特带宽。上式说明了理想信道的利用率为实际上，具有理想低通特性的信道是难以实现的，而实际应用的是具有滚将特性的信道。其带宽较奈奎斯特带宽增加的程度（）可以表示为其中b表示滚降信道的带宽。由于升余弦滚降滤波特性可使传输信号具有较大的功率，且收敛快而干扰小，已得到广泛应用。4.3.2验证乃奎斯特第一准则为了加深对数字信号基带波形串扰以及升余弦滚降滤波特性的认识，可用如图4-8所示的systemview仿真模型来验证乃奎斯特第一准则。系统采样频率为1khz。图4-8 数字基带传输系统的仿真模型图其仿真波形与频谱分析如图4-9所示：图4-9 数字基带传输系统的仿真波形与频谱分析4.3.3数字基带传输系统的分析上述讨论了无噪声影响时能够消除码间干扰的基带传输特性。若要获得良好的基带传输系统，则必须使码间干扰和噪声的综合影响足够小，使系统的总的误码率达到规定的要求。4.4二进制频移键控bfsk采用键控法产生的二进制频移键控信号，即利用矩形脉冲序列控制的开关对两个不同的独立频率源进行选通。频移键控fsk是用数字基带信号去调制载波的频率。因为数字信号的电平是离散的，所以载波频率的变化也是离散的。在实验中，二进制基带信号是用正负电平表示的，载波频率随着调制信号为1或-1而变化，其中1对应于载波频率f1，-1对应于载波频率f2。二进制移频键控信号的产生可以采用模拟调频电路来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。数字键控法实现二进制频移键控信号的原理图如图4-10所示：图4-10 键控法产生bfsk信号二进制fsk信号解调方法常用非相干解调和相干解调法，这里的抽样判决器是判断哪一个输入的样值大，此时可以不专门设置门限电平。本题采用相干解调法，解调原理图如图4-11所示：图4-11 相干解调法4.4.1 bfsk调制与解调的仿真模型利用键控法和相干解调原理可以画出系统仿真模型图，如图4-12所示：图4-12 bfsk调制与解调的仿真模型图其中二进制信号，幅度为1v，频率为10hz，载波是频率分别为100hz和145hz的正弦波。4.4.2 bfsk调制与解调的仿真波形仿真波形如图4-13所示：图4-13 bfsk的调制与解调仿真波形4.4.3 bfsk接收到的眼图接收