通信原理课设关于各种调制解调系统

1、1 引言 (12 SystemView软件介绍 (23 模拟调制方式设计 (33.1 AM调制解调系统设计 (33.2 DSB调制解调系统设计 (53.3 SSB调制解调系统设计 (73.4 三种幅度调制系统的比较 (104 数字调制方式设计 (114.1 2ASK调制解调系统设计 (114.2 2FSK调制解调系统设计 (144.3 2PSK调制解调系统设计 (164.4 数字调制系统性能的比较 (185 抽样定理、增量调制系统设计 (205.1 抽样定理系统设计 (205.2 增量调制系统设计 (226 总结 (24参考文献 (25在通信系统中,从消息变换过来的原始信号所占的有效频带往往具

2、有频率较低的频谱分量(例如语音信号,如果将这种信号直接在信道中进行传输,则会严重影响信息传送有效性和可靠性,因此这种信号在许多信道中均是不适宜直接进行传输的。在通信系统发射端通常需要有调制过程,将调制信号的频谱搬移到所希望的位置上,使之转换成适于信道传输或便于信道多路复用的已调信号;而在接收端则需要有解调过程,以恢复原来有用的信号。调制解调方式常常决定了一个通信系统的性能。随着数字化波形测量技术和计算机技术的发展,可以使用数字化方法实现调制与解调过程。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。Sys

3、temView 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。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

4、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。2 SystemView软件介绍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。SystemView是一个信号级的系统仿真软件,主要用

5、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SystemV

6、iew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。用户在进行系统设计时,只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置,完成图标间的连线,然后运行仿真操作,最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源十分丰富,包括含若干图标的基本库(Main Library及专业库(Optional Library,基本库中包括多种

7、信号源、接收器、加法器、乘法器,各种函数运算器等;专业库有通讯(Communication、逻辑(Logic、数字信号处理(DSP、射频/模拟(RF/Analog等。它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证,尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统;并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析,及对各种逻辑电路、射频/模拟电路(混合器、放大器、RLC电路、运放电路等进行理论分析和失真分析。3 模拟调制方式设计大多数待传输的信号具有较低的频率成分。称之为基带信号,如果将基带信号直接传输,称为基带传输,但是,很多信道不适宜进行基带信号的传输,或者说,如果基带信号在其中

8、传输,会产生很大的衰减和失真。因此,需要将基带信号进行调制,变换为适合信道传输的形式,调制是让基带信号m (t 去控制载波的某个(或某些参数,是该参数按照信号m (t 的规律变化的过程。载波可以是正弦波,也可以是脉冲序列,以正弦信号作为载波的调制称连续波(CW 调制。连续波调制分为幅度调制,频率调制和相位调制。幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅,使其按调制信号的规律变化的过程 ,常分为标准调幅(AM 、抑制载波双边带调制(DSB 、单边带调制(SSB 和残留边带调制(VSB 等。3.1 AM 调制解调系统设计假设调制信号(t m 的平均值为0,将其叠加一个直流分量0A 后与载波(假定载波

9、的初始相位为0相乘,即可形成调幅信号。其时域表达式为:式中:0A 为外加的直流分量;(t m 可以是确知信号,也可以是随机信号。 AM 调制解调原理图模型如图3-1、图3-2所示:图3-1 AM 调制模型图3-2 AM 解调模型 0A t c cos (t S AM 乘法器 加法器 (t m t c cos (t m 低通滤波器 乘法器(t m (t S AM (tt m t A t t m A S c c c AM cos cos cos 00+=+=要使输出已调信号的幅度与输入调制信号m(t呈线性对应关系,应满足max 0|(|t m A ,否则会出现过调制现象。AM 调制解调在Syste

10、mView 软件上的仿真原理图如图3-3所示: 主要参数:(1调制信号幅值:2V ,频率:500Hz ;(2载波信号幅值:2V ,频率:4000Hz ;(3信道内加入的是高斯白噪声,幅值为0.5V ;(4增益为4。解调用的是相干解调法。 图3-3 AM 调制解调仿真图AM 调制解调波形如图3-4到图3-7所示: 图3-4 AM 基带信号波形 图3-5 AM 载波信号波形 图3-6 AM 调制信号波形 图3-7 AM 解调信号波形3.2 DSB 调制解调系统设计在标准调幅时,由于已调波中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载波分量,使总功率全部包含在双边

11、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 。DSB 时域表达式为:(tt m t s c m cos (=DSB 调制解调模型如图3-8所示:图3-8 DSB 调制解调模型DSB 调制解调在SystemView 软件上的仿真原理图如图3-9所示。 主要参数:(1调制信号幅值:2V ,频率:500Hz ; (2载波信号幅值:2V ,频率:10KHz ; (3信道内加入的是高斯白噪声,幅值为0.5V 。 图3-9 DSB 调制解调仿真图DSB 调制解调波形如图3-10到图3-13所示: 图3-10 DSB 基带信号波形低通滤波器t c cos tc cos (t m 乘法器

12、乘法器(t m 图3-11 DSB 载波信号波形 图3-12 DSB 调制信号波形 图3-13 DSB解调信号波形DSB调制为线性调制的一种,由以上各图可以看出,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;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。3.3 SSB调制解调系统设计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。(t S SSB tc cos 移相90-加法器乘法器移相90-乘法tA m m cos 5.

13、0上边带时域表达式为: 下边带时域表达式为:产生SSB 信号的方法有滤波法和相移法,这里主要介绍相移法。 相移法原理框图如图3-14所示: 图3-14 SSB 相移法原理框图SSB 调制解调在SystemView 软件上的仿真原理图如图3-14所示。 主要参数:(1调制信号幅值:2V ,频率:500Hz ; (2载波信号幅值:2V ,频率:4000Hz ; (3信道内加入的是高斯白噪声,幅值为0.5V 。图3-14 SSB 调制解调仿真图(t t mt t m t s c c U SB sin 5.0cos 5.0-=(t t mt t m t s c c L SB sin 5.0cos 5.

14、0+=SSB调制解调波形如图3-15到图3-19所示: 图3-15 SSB基带信号波形 图3-16 SSB 载波信号波形 图3-17 SSB 上边带信号波形 图3-18 SSB 下边带信号波形 图3-19 SSB解调信号波形SSB调制是线性调制的一种,由以上各图看出,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;解调信号与原信号基本相同,实现无失真传输。3.4 三种幅度调制系统的比较m的带假设所有系统在接收机输入端具有相等的输入信号功率,基带信号(tm为正弦波信号。宽均为m f。假设(t1.抗噪声性能由以上各调制波形及解调波形可以看出,DSB调制系统抗噪声性能最好。最差的是AM调制系统

15、。2.频带利用率SSB的带宽最窄,和基带信号的带宽一致,即其频带利用率最高,而AM和DSB调制系统的带宽都是基带信号带宽的2倍。3.特点与应用AM调制的优点是设备简单;缺点是功率利用率低,抗干扰能力差。AM制式主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB调制的优点是功率利用率高,且带宽与AM相同,但接受要求同步解调,设备较复杂。应用较少,一般只用于点对点的专用通信。SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高,抗干扰能力优于AM,而带宽只有AM的一半;缺点是发送和接受设备都很复杂。鉴于这些特点,SSB 长用于频分多路复用系统中。4 数字调制方式设计数字调制技术有两种方法:一是利用模拟调制的方法去实

16、现数字式调制。二是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(ASK 信号;对载波的频率进行键控得到频移键控(FSK信号;对载波的相位进行键控得到相移键控(PSK信号。4.1 2ASK 调制解调系统设计振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息的,而其频率和初始相位保持不限,在2ASK 中,载波的幅度只有两种变化状态,分别对应二进制的信息“0”和“1” 。一种最常见的二进制振幅键控方式为通-断键控(OOK 其表达式为:2ASK 的产生方法有两种,一为模拟调制法,另一种为键控法。这里采用的是模拟调制法。模拟调制法原理框图

17、如图4-1所示:图4-1 模拟调制原理框图2ASK 基本解调有两种方法:相干解调和非相干解调。相干解调也叫同步检测法,非相干解调通常用包络检波法。其各有优点,在信噪比小时,包络检波发具有优势,因为其检波设备简单,性价比高,而在信噪比相对较大时,相干解调具有优势,因为这种解调方法导致最终的误码率低。这里采用的是非相干解调。二进制数据乘法器2FSK 输出载波1 cos 0 0(”时发送“以概率”时发送“以概率P t A P O O K c t e =非相干解调原理框图如图4-2所示:图4-2 非相干解调原理框图调制解调在SystemView 软件上的仿真原理图如图4-3所示。 主要参数:(1调制信

18、号幅值:2V ,频率:50Hz ; (2载波信号幅值:2V ,频率:50Hz ; (3信道内加入的是高斯白噪声,幅值为0.5V 。 调制用的是模拟调制法,解调用的是非相干解调。 图4-3 2ASK 调制解调仿真图2ASK 调制解调波形如图4-4到图4-6所示: 图4-4 2ASK 基带信号波形定时脉冲半波或全波整流器器带通 滤波器输出输入低通 滤波器抽样 判决 图4-5 2ASK调制信号波形 图4-6 2ASK解调信号波形输入的基带信号为二进制单极性伪随机码(即PN序列。由以上各图可以看出2ASK调制的调制的结果,当发送的基带的码元为“1”时有载波进行调制,为“0”则没有,相应输出地调制信号为

19、“0”,因为2ASK是单极性码;2ASK相干解调、非相干解调出来的波形与输入的原基带信号基本保持一致,有一点延迟,但在允许范围内,实现无失真传输。4.2 2FSK 调制解调系统设计频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK 中,载波的频率随二进制基带信号在f1和 f2两点间变化,其表达式为:2FSK 信号的产生方法有两种,一种采用模拟调频电路来实现,另一种采用键控法来实现。这两种方法的差异在于:由调频法产生的2FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续变化的,而键控法产生的2FSK 信号在相邻码元之间的相位不是连续变化的。这里采用的是键控法。图4-7 键控法原理框图2FSK 解调方法有

20、两种,即相干解调法和非相干解调法。另外还有鉴频法、过零检测法、查分检测法。相干解调法是利用载波与已调信号进行相乘后滤波输出得到,在上面的2FSK 中要两个载波,所以解调也要两个载波,分别与已调信号相乘后利用低通,最后相加即可得到我们的滤波输出,最后判压输出得到解调信号。非相干解调也是利用包络检波法检测得到的。这里采用的是非相干解调。调制解调在SystemView 软件上的仿真原理图如图4-8所示。 主要参数:(1调制信号幅值:2V ,频率:50Hz ; (2载波f1信号幅值:2V ,频率:100Hz ; (2载波f2信号幅值:2V ,频率:300Hz ; (3信道内加入的是高斯白噪声,幅值为0

21、.5V 。 调制采用的是键控法,解调采用的是非相干解调。cos(11+t A 当发送“1”时cos(22+t A 当发送“0”时=(2t e FSK 载波f1载波f2选通开关输出 图4-8 2FSK调制解调仿真原理图2FSK调制解调波形如图4-9到图4-11所示: 图4-9 2FSK基带信号波形 图4-10 2FSK调制信号波形 图4-11 2FSK 解调信号图由以上各图可以看出 2FSK 调制的调制的结果,当发送的基带的码元为“1”时有100HZ 的载波进行调制,为“0”则有300HZ 的载波频率进行调制;2FSK 相干解调出来的波形与输入的原基带信号基本保持一致,有一点延迟,但在允许范围内

22、,可实现无失真传输。4.3 2PSK 调制解调系统设计相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息,而振幅和频率保持不变。我们通常用0表示二进制“0”,用表示二进制“1”。其表达式如下: 这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式,称为绝对相移方式。2PSK 信号的调制采用键控法,与2ASK 信号的键控法相比对基带信号不同,在2ASK 中基带信号是单极性的,而在2PSK 中基带信号是双极性的。2PSK 的键控法原理框图如图4-12所示:图4-12 2PSK 键控法原理框图t A c cos 发送“0”时=(2t e PSK t A c cos - 发送“1”时t c cos018

23、0移相开关电路输出双极性基带信号解调部分只能用相干解调,不可以用包络检波法等非相干解调的方法,因为其频谱和抑制载波双边带的频谱一样,因此不能采用包络检波,而不可采用非相干解调。2PSK调制解调在SystemView软件上的仿真原理图如图4-13所示。具体参数:(1调制信号幅值:2V,频率:50Hz;(2载波信号幅值:2V,频率:100Hz;(3信道内加入的是高斯白噪声,幅值为0.5V。调制用的是键控法,解调用的是相干解调。 图4-13 2PSK调制解调仿真图2PSK调制解调波形如图4-14到图4-16所示: 图4-14 2PSK基带信号图 图4-15 2PSK 调制信号图 图4-16 2PSK

24、 解调信号图输入的基带信号是二进制双极性伪随机码(即PN 序列.由以上各图可以看出 2PSK 调制的调制的结果,当发送的双极性基带的码元为“1”时有相位为0的载波为其进行调制,当发送的双极性基带的码元为“-1”时有相位为的载波为其进行调制;2PSK 解调出来的波形与输入的原基带信号基本保持一致,有一点延迟,但在允许范围内,可实现无失真传输。4.4 数字调制系统性能的比较(1频带宽度若传输的码元时间宽度为 S T ,则从频带利用率上看,2FSK 系统的频带利用率最低。 (2对信道特性变化的敏感性在选择数字调制方式时,还应考虑系统对信道特性的变化是否敏感。在2FSK 系统中,判决器是根据上下两个支

25、路解调输出样值的大小来作出判决,对信道的sFSK sPSKASK T f f B T B B 2|212222+-=变化不敏感。在2PSK系统中,当发送符号概率相等时,判决器的最佳判决门限为零,判决门限不随信道特性的变化而变化。2ASK系统,判决器的最佳判决门限为a/2(当P(1=P(0时,它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时,接收机输入信号的幅度将随着发生变化,从而导致最佳判决门限也将随之而变。这时,接收机不容易保持在最佳判决门限状态,因此,2ASK对信道特性变化敏感,性能最差。5 抽样定理、增量调制系统设计5.1 抽样定理系统设计均匀抽样定理指出:对一个带限在(H 0f ,内

26、的时间连续信号(t m ,如果以(H f 2/1的时间间隔对其进行等间隔抽样,则(t m 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。(H f 2/1是抽样的最大间隔,也称为奈奎斯特间隔。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,这是因为存在信号的混叠;当采样频率大于或等于奈奎斯特频率时,在接收端恢复的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。信号的采样与恢复原理框图如图5-1所示:图5-1 信号的采样与恢复原理框图抽样定理系统在SystemView 软件上的仿真原理图如图5-2所示。具体参数:(1输入信号幅

27、值:2V ,频率:50Hz ;(2抽样频率:5000Hz 。 图5-2 抽样定理原理图乘法器 低通 滤波器 恢复信号 抽样脉冲 信号源信号 预处理抽样定理原信号与恢复信号波形如图5-3到图5-7所示: 图5-3 基带信号波形 图5-4 抽样脉冲波形 图5-5 抽样信号波形 图5-6 恢复信号波形由以上各图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迭;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。5.2 增量调制系统设计增量调制是可以看成DPCM的一个特例,当DPCM系统中量化器的量化电平数为2时,此DPCM系统就成为增量调制系统。增量调制将信号瞬时值与前一个时刻的量化值之差进行量化,对这个差值