通信原理课程设计

1、1 引言我国正处于信息技术蓬勃发展的阶段，以微电子、通信和计算机为代表的信息产业的发展引起了社会经济乃至人们生活方式的深刻变化。现代通信技术的发展日新月异，而且正在迅速的向各个领域渗透。特别是通信技术和计算机技术的结合，正在以前所未有的力度促进通信网、计算机网和综合业务网的发展。systemview软件就是通信技术与计算机技术的完美结合。systemview是美国elanix公司推出的，基于windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参

2、数，方便地加入注释。利用system view，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。它通过方便、直现、形象的过程构建系统，提供丰富的部件资源，强大的分析功能和可视化开放的体系结构，已逐渐被电子工程师、系统开发设计人员所认可，并作为各种通信、控制及其它系统的分析、设计和仿真平台以及通信系统综合实验平台。此次课程设计需要我们使用systemview仿真软件完成通信系统有关的实例仿真分析。主要的仿真实例有：模拟调制方式am、dsb、ssb调制解调，数字调制方式2psk调制解调、数字基带传输系统、抽样定理、增量调制以及am超外

3、差收音机。通过对这些实例仿真分析，更加深刻的了解所学知识，增加了解决本专业方向的实际问题方面的技巧。2 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）

4、、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。如下图所示。图2-1 systemview界面图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，

5、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

6、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“

7、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spectru

8、m，完成功率谱的观察。3 模拟调制解调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。3.1 dsb调制解调通信系统的设计与分析3.2.1 dsb调制解调原理在图3-1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）

9、信号，简称dsb信号，其时域表示式为dsb信号只能用相干解调的方法进行解调，sb信号的解调模型与am信号相干解调时完全相同，其组成方框图如图3-2。3.2.2仿真电路根据以上原理用systemview仿真出来的电路图如图3-5:图3-2 dsb调制解调系统的仿真电路器件具体参数：模块0：amp = 2 v、 freq = 500 hz模块1：amp = 1 v、 freq = 4e+3 hz模块7：信道内加入高斯白噪声，std dev = 50e-3 v模块13：带通滤波器：low fc = 3.5e+3 hz、 hi fc = 4.5e+3 hz模块11：巴特沃兹低通滤波器：fc = 500

10、 hz3.2.3仿真波形仿真后的波形如图图3-6 调制信号波形图3-6 载波信号波形图3-6 已调信号波形图3-6 解调信号波形图3-6 各信号频谱图3.2.4 仿真结果分析dsb调制为线性调制的一种，由图3-6可以看出，在波形上，dsb调制信号与am调制信号基本一致；在频谱上，dsb信号没有离散谱。dsb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。3.3 ssb调制解调原理由于dsb信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。这就又演变

11、出另一种新的调制方式单边带调制（ssb）。3.3.1 ssb信号的调制原理产生ssb信号的方法很多，其中最基本的方法有滤波法和相移法。ssb信号的时域表示式为：下边带：上边带：3.3.2 ssb信号的解调 从ssb信号调制原理图中不难看出，ssb信号的包络不再与调制信号成正比，因此ssb信号的解调也不能采用简单的包络检波，需用相干解调原理， 乘法器输出为：经低通滤波后的解调输出为:因而同dsb解调一样也可得到无失真的调制信号。因此，单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；频带宽度只有双边带的一半，频带利用率提高一倍。缺点是单边带滤波器实现难度大。3.3.3仿真电路根据以上原理用

12、systemview仿真出来的电路图如图3-7图3-7 ssb调制解调系统的仿真电路具体参数为：基带信号幅值：2v基带信号频率：500hz载波频率：4000hz3.3.4 仿真波形仿真后的波形如图3-8图3-8（a）上边带信号波形图3-8（b）下边带信号波形图3-8（c）相干解调波形图3-8（d）上边带频谱图3-8（e）下边带频谱图3-8（f）上边带下边带频谱比较图3.3.5仿真结果分析ssb调制为线性调制的一种，由图2-9可以看出，ssb调制信号与dsb调制信号的波形及频谱基本一致，与dsb相比较，ssb信号只包含了一个边带的信号，节省了带宽资源。4信号抽样、增量调制与数字基带传输系统4.1

13、 信号抽样4.1.1 信号抽样的设计原理抽样定理是模拟信号数字化传输的理论基础，如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据制鞋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信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值就可以了。均匀抽样定理指出：对一个频带限制在（0，）内的时间连续信号,如果以2的速率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的混迭。对应的systemview仿真系统，抽样启用乘法器代替，用于恢复信号的低通滤波器采用三阶巴特沃兹低通滤波器。4.1.2 仿真电

14、路根据以上原理用systemview仿真出来的电路图如图4-1：图4-1 抽样系统仿真图具体参数为：基带信号幅值：2v基带信号频率：500hz4.1.3 仿真波形仿真后的波形如图4-2：图4-2（a）基带信号波形图4-2（b）采样后波形图4-2（c）抽样脉冲图4-2（d）恢复信号波形4.1.4 仿真结果分析由图可看出，当采样频率大于或等于奈奎斯特频率时，恢复信号基本与原信号一致，不产生失真。4.2 增量调制系统4.2.1 增量调制的设计原理增量调制简称或增量脉码调制方式，它是一种把信号上一采样的样值作为预测值的单纯预测编码方式。增量调制是预测编码中最简单的一种，它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的

15、量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。因此量化只限于正和负两个电平，只用一比特传输一个样值。如果差值是正的，就发“1”码，若差值为负就发“0”码。因此数码“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。同样，在接收端，每收到一个“1”码，译码器的输出相对与前一时刻的至上升一个量阶，每收到一个“0”码就下降一个量阶。当收到连“1”码时，表示信号连续增长，当收到连“0”码时，表示信号连续下降。译码器的输出再经过低通滤波器去除高频量化噪声，从而恢复原信号，只要抽样频率够高，量化阶大小适当，收端恢复哦信号与原信号非常接近，量化噪声可以很小。4.2

16、.2 仿真电路根据以上原理用systemview仿真出来的电路图如图4-3：图4-3 增量调制仿真图具体参数为：基带信号幅值：2v基带信号频率：500hz4.2.3 仿真波形仿真后的波形如图4-4：图4-4（a）基带信号波形图4-4（b）解调信号波形图4-4（c）判决输出波形图4-4（d）基带信号解调信号比较4.2.4 仿真结果分析在接收端，解调器未使用与本地解调器一致的电路，直接使用积分器解调输出。希望输出波形平滑，故在积分器和输出放大器之间加入一个低通滤波器，以滤除信号中的高频成分。理论分析可知，的量化信噪比与抽样频率成三次方关系，即抽样频率每提高一倍则量化信噪比提高9db。4.3数字基带

17、传输系统4.3.1数字基带传输系统的设计原理根据频谱分析的基本原理，任何信号的频域受限和时域受限不可能同时成立。因此基带信号要满足在频域上的无失真传输，其信号波形在时域上必定是无限延伸的，这就带来了各码元间相互串扰问题。耐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。4.3.2数字基带传输系统的仿真电路根据以上原理用systemview仿真出来的电路图如图4-5：图4-5数字基带传输系统仿真图具体参数为：输入信号幅值：1v 码速率：100bps 采样速率：1khz 滤波器截止频率50hz4.3.3数字基带传输系统的仿真图仿真后的波形见图4-6：图4-6（

18、a）经过延时的输入信号波形图4-6（c）加噪后的信号波形图4-6（b）经过滤波的信号波形图4-6（d）滤波后的信号与原信号对比图4-6（e）输出信号波形4.3.4 仿真结果分析对比输入与输出波形，客观查到输入与输出波形基本一致，即使加入一定量的噪声差别也不甚大。奈奎斯特第一准则得到验证。若将输入波特率改为110bps，则接收到错误的信号。5 bfsk系统的设计与分析5.1 bfsk调制系统0符号对应于载频，而1符号对应于载频的已调波形，与之间的改变是瞬间完成的。g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为ts，2fsk信号为图 5-1 数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图采用键控法产生的二进制频移键控信

19、号，即利用矩形脉冲序列控制的开关电力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。5.2 bfsk解调系统bfsk信号可利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得，也可利用键控法来获得，二进制fsk常用的解调方法可采用非相干检测法和相干检测法，这里的抽样判决器是判定哪一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平。相干解调原理图如图5-2：e2fsk(t)bpf1w 1lpf

20、抽样判决器输出抽样脉冲bpf2w 2lpf相乘器相乘器cosw 1tcosw 2t图5-2 相干解调原理图5.3仿真电路根据以上原理用systemview仿真出来的电路图如图5-3：图5-3 bfsk系统仿真图具体参数为：基带信号幅值：1v基带信号频率：50hz载波频率：500hz ，1000hz5.4 仿真波形仿真后的波形如图5-4：图5-4（a）基带信号波形图5-4（b）输出信号波形图5-4（c）已调信号波形图5-4（d）已调信号频谱图5-4（e）输出信号频谱图5-4（f）眼图5.5仿真结果分析输入为调制信号，输出为解调后信号，两信号基本一致，有一些延迟,但解调信号每段的起始点有波动，主要

21、是滤波器滤波误差造成的，这无碍仿真结果的准确性。由于载波频率相当大，已调信号的波形观察不是很清楚，这就不如低频处理清楚。相干解调需要插入两个相干载波，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bfsk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。6 am超外差收音机设计仿真6.1 am超外差收音机的调制原理超外差接收技术广泛用于无线通信系统中，基本的超外差收音机的原理框图6-1如下：图6-1 超外差收音机调制原理通常的am中波收音机覆盖的频率范围为5401700khz，中频（if）频率为455khz。常采用常规调幅，调制度接近1，且发射功率很大，因此收音机为节省成

22、本、减小体积，一般解调器采用最简单的二极管包络检波。本地振荡器（简称本振）的典型设置都高于所希望解调的rf信号，即所谓高边调谐。输入滤波器用于抑制所不希望的信号和噪声，更重要的是去除与期望频率和解调中频频率有关的镜像频率信号。固定的中频滤波器用于提高收音机的接收选择性。通过设计陡峭的滤波器边沿，能使进入解调器的相邻信道的能量最小。实际的收音机电路使用陶瓷滤波器能得到很好的性能，由此产生增益衰减可增加一级增益后再检波。6.2 am超外差收音机的仿真对应图6-1，利用system view 5.0构造出系统的仿真模型，如图6-2。其中要求用信号库中三个扫频信号作为调制信号，分别采用不同的扫频宽度和

23、调制度调制三个频率分别为30khz、40 khz、50 khz的正弦波信号，作为发射信号（模拟三个电台），并假设模拟调制信号的带宽为5 khz以下。采用20 khz信号作为中频信号，中频滤波器采用一个5极点、3db带宽为20 khz的切比契夫滤波器。系统采样频率设置为200 khz。假设希望接收的频率为第二个电台的频率40 khz，收音机使用高边调谐，则本振输出应为：40+20=60 khz，且存在一台镜像干扰频率：40+2*20=80 khz。整个混频输入与混频输出的频谱搬移过程如图6-3。输出rf信号。rf信号和60 khz的本振信号混频后通过一个20 khz的带同滤波器，用二极管包络检波

24、，再经低通滤波器输出相应的信号。图6-2 am收音机的系统仿真框图 图6-3 超外差收音机的混频输入输出频谱示意图am超外差收音机调制解调参数为：采样速率为200khz，中频滤波器采用一个5个极点、3db带宽为10khz的切比契夫滤波器。6.3 仿真波形仿真后的波形如图6-4：图6-4（a）发送信号混频后波形图图6-4（b）与本振叠加后的混频信号图6-4（c）中频滤波后的输出信号图6-4（d）包络检波后的输出信号图6-4（e）低通滤波后的输出信号图6-4（f）混频信号的频谱图6-4（h）带宽为20的信号频谱图6-4（g）混频信号与本振叠加后的频谱图6-4（i）检波输出信号频谱6.4仿真结果分析

25、收音机选择性参数的测量，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操作才能进行。首先关闭所有的干扰载波，即把30和50khz的信号源幅度设置为，使用分析窗口的窗口统计功能求if的输出功率。最小化分析窗口内的所有其它分析窗，按窗口内的统计快捷按钮，则出现图8-7所示的显示窗。窗口内的std deviation 项的平方就是if的功率，即有用信号功率。再关闭40khz的信号源，打开30和50khz的载波信号，重新运行系统并注意将数据刷新，重复上述操作，再次测量if的功率，此时显示值的平方即为干扰功率。有用功率信号如图6-5所示，无用信号如图6-