通信系统仿真

摘要本文利用Systemview软件设计了三个实验包括：振幅调制系统（常规AM），脉冲编码调制系统（PCM），二进制频移键控系统（2FSK）。在实验中采用相干解调等方法，产生波形并与理想波形进行对比得到实验结果。关键词：常规AM脉冲编码调制系统二进制频移键控系统AbstractThereportdesignsthreeexperiments,inculdingAM,PCM,2FSK,byusingSystemView.Atthesametime,thedesigntakesthemeasureofCoherentDemodulation.Atlast,thewavedesignediscomparedwithidealwavesothattheconclusionisconcluded.Keywords:AMPCM2FSK目录模拟调制系统设计分析…………41.实验内容………………………42.实验要求………………………43.实验原理………………………44.实验步骤………………………5二．模拟信号的数字传输系统设计分析……………131.实验内容……………………132.实验要求……………………133.实验原理……………………134.实验步骤……………………14三．数字载波通信系统设计分析……………………191.实验内容……………………192.实验要求……………………193.实验原理……………………194.实验步骤……………………21四.收获与感想………………………37五.参考文献…………38实验一模拟调制系统设计分析一.实验内容振幅调制系统（常规AM）二．实验要求1、根据设计要求应用软件搭建模拟调制、解调（相干）系统；2、运行系统观察各点波形并分析频谱；3、改变参数研究其抗噪特性。三．实验原理任意的AM已调信号可以表示为且不等于0时，称为常规调幅，其时域表达式为：其中是外加直流分量，f(t)是调制信号，它可以是确知信号也可以是随机信号。为载波信号的角频率，为载波信号的起始相位，为简便起见，通常设为0。常规AM通常可以用下图所示的系统来实现。要使输出已调信号的幅度与输入调制信号f(t)呈线性对应关系，应满足，否则会出现过调制现象。解调可以用相干解调也可以用包络检波（非相干）。对于相干解调，，因此只需要用一个跟载波信号同频同相的正弦波跟接受信号相乘再通过低通滤波器滤波即可以将原信号解调出来。而对于非相干解调，从的表达式可以看出只需要对它进行包络检波即可将原信号解调出来。当然，用非相干解调时不可以过调制，而相干解调则可以。这两种方法相比而言，非相干解调更经济，设备简单，而相干解调由于需要跟载波同频同相的信号，因此设备比较复杂。四、实验步骤1.实验原理图根据AM已调信号的公式，其中。通过有噪声的信号后，接收并利用相干解调方法进行解调，这样就可以获得如下的原理图。其中调制信号幅度为1v，频率为200Hz；载波信号幅度为1v，频率为2KHz。放大器的放大倍数为2。解调部分的本振源与载波信号源的设置相同，幅度为1v，频率为2KHz。低通滤波器的截止频率为300Hz，保留正弦信号源的频率200Hz，并滤除了高频的分量，这样得到的输出信号的幅值是输入信号的二分之一。实验的波形及分析2.1载波波形分析载波信号幅度为1v，频率为2000Hz的正弦波。其波形和频谱如下图所示，可见载波频谱集中在2KHz左右。2.2调制信号波形分析调制信号幅度为1v，频率为200Hz的正弦波。其波形和频谱如下图所示，可见载波频谱集中在200Hz左右。2.3未加入高斯噪声前已调波波形分析调制后，波形如下图所示。波形的包络与正弦信号一致，由于直流分量的存在，在信号的频谱中会出现三个尖顶。分别对应载波频率，载波频率与原始信号频率之差以及载波频率与原始信号频率之和。2.4高斯噪声波形分析加入高斯噪声，也就是实际中存在的噪声信号。2.5已调波波形分析噪声和理想的调制波相加就可以得到实际中的已调波信号。2.6相干载波波形分析相干载波信号应该和载波信号一样，所以幅度为1v，频率为2000Hz的正弦波。其波形和频谱如下图所示，可见载波频谱集中在2KHz左右。2.7未加低通滤波器波形分析将已调波信号和相干载波信号相乘后可以得到滤波前的信号波形。2.8解调后的信号波形分析加入低通滤波器之后，我们可以得到滤波后的波形。2.9输出信号与输入信号对比下图是输入的波形与输出的波形在时域与频域的比较，易见二者在幅度上相差两倍，即输出波形的幅度是输入波形的二分之一。这是因为在解调过程中，载波信号与本振信号相乘得到一个1/2，所以导致了幅度的变化。如果添加一个两倍的增益，则二者的幅度相同。但是由频谱对比来看，二者在波形上还有一些细微的差别，这是由于噪声的影响，后面会进一步分析。2.10抗噪声性能分析改变加的高斯噪声，并观察输出波形与输入波形在波形和频谱上面的差别。2.10.1噪声为0V时2.10.2噪声为0.5V时2.10.3噪声为1V时2.10.4噪声为2V时通过上面的实验波形对比，我们可以看到，当输入信号一定时，随着高斯噪声的增大，输出波形与输入波形的相差越来越大。由于噪声变大，那么信噪比则变小，在实际的信号传输过程中，当信道噪声过小将会导致幅度相位等各种失真。当噪声变得很大的时候，输出信号也会相对应的相对原信号出现很严重的失真。实验二模拟信号的数字传输系统设计分析实验内容脉冲编码调制系统（PCM）实验要求1、根据设计要求应用软件搭建模拟信号的数字传输（调制、解调）系统；2、运行系统观察各点波形并分析频谱等。实验原理在现代通信系统中以PCM为代表的编码调制技术被广泛应用于模拟信号的数字传输。除PCM外，DPCM和ADPCM的应用范围更广。PCM的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。另外，PCM还可以在一个信道上将多路信号进行时分复用传输。脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，其最大的特点是把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量，然后将其转化为代码形式传输。PCM编码通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。为便于用数字电路实现，其量化电平数一般为2的整数次幂，有利于采用二进制编码表示。采用均匀量化时，其抗噪声性能与量化级数有关，每增加一位编码，其信噪比增加约6dB，但实现的电路复杂程度也随之增加，占用带宽也越宽。因此实际采用的量化方式多为非均匀量化，通常使用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化。在保持信号固有的动态范围前提下，在量化前将小信号进行放大而对打信号进行压缩。通常的压缩方法有13折线的A律和μ律两种标准，国际通信中多采用A律。采用信号压缩后，用8位编码实际可以表示为均匀量化11位编码时才能表示的动态范围，能有效提高小信号时的信噪比。实验步骤1.实验原理图根据SystemView中所提供的压缩器和扩张器以及已经给的实验电路来进行搭建实验电路，如下图所示：实验的波形及分析2.1高斯噪声信号源波形分析信号源采用高斯噪声源，它的均值为0.5V，方差为0V。2.2信号源低通滤波后波形分析输入低通滤波器为10Hz的切比雪夫滤波器。2.3A律压缩信号波形分析将信号进行A律压缩，之后可以得到新的波形。2.4A/D采样信号波形分析在A/D采样时需要利用采样信号进行定时抽样，以此来控制A/D采样的频率。2.5扩张波形分析将D/A后所得到的模拟信号输入到扩张器后，可以利用A律进行扩张。2.6输出信号波形分析将扩张完的信号输入到低通滤波器，滤除高频分量可以得到输出波形。2.7波形对比将输入信号，未经过低通滤波器恢复的信号与经过低通滤波器恢复的信号对比如下图所示，可见波形在时间上有一定的延时，这是由于在经过电路各个元器件会产生时延的基础上，以及采用滤波器的缘故。此外细看上去，在一些部分波形出现不一致，输出的波形较为平缓，这是因为低通滤波器的非理想造成的，高频分量不能完全的被滤除。再将输入信号与输出信号进行对比，发现输入信号与输出信号存在时延，这个是肯定会存在的，于此同时，还频谱上输出波形比输入波形要平滑许多，但是基本是一致的，这是低通滤波器造成的结果。实验三数字载波通信系统设计分析一.实验内容二进制频移键控（2FSK）系统二.实验要求1、根据设计要求应用软件搭建数字载波通信系统（调制、解调）；2、运行系统观察各点波形并分析频谱、眼图等；3、改变参数研究其抗噪特性；4、分析BER曲线等。三.实验原理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f2两个频率点间变化，故其表达式为：2FSK信号的产生方式主要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种可以采用键控方法来实现，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f1或f2两个载波之一。这两种方法产生信号的差异在于：由于调频法产生的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信号是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。2FSK信号的常用解调方法是采用非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将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。这里的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。判决规则应与调制规则相呼应。衡量一个数字通信系统的指标有很多，但最为主要的是有效性和可靠性。对于2FSK来说，测量其误码率（BER）是衡量其性能的一个重要指标。所谓眼图，指的是通过用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能的一种方法。这种方法的具体做法是：用一个示波器跨接在抽样判决器的输入端，然后调整示波器的水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。此时可以从示波器显示的图形上，观察码间干扰和信道噪声等因素的影响情况，从而估计系统性能的优劣程度。眼图的“眼睛”张开越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之，表示码间串扰越大。实验结果1.实验原理图原理图如下图，利用键控法产生2FSK信号，并且采用2FSK相干解调恢复信号。其中低频正弦信号为100Hz，高频正弦信号为150Hz，随机码为10Hz。上支路带通滤波器为60Hz到120Hz，下支路带通滤波器为130Hz到170Hz，上下支路的低通滤波器均为10Hz，于是得到如下的实验原理图。2.波形与频谱如上的实验原理图连接好元器件，然后进行仿真。可获得如下的波形与频谱2.1PN序列波形分析利用PN序列信号发生器来生成一个PN序列，作为单刀双掷开关的选通信号，其频率为10HZ。2.2PN延迟波形分析因为在经过电路后我们输出的波形与输入的波形之间会产生一定时间的延迟，所以，需要一个时延器来时延输入波形，使之与输入波形形成比较。2.3振荡器1波形分析选用一个正弦波振荡器，其振荡频率为低频正弦信号为100Hz。2.4振荡器2波形分析选用一个正弦波振荡器，其振荡频率高频正弦信号为150Hz。2.52FSK波形分析将上述电路图连接起来，再加入高斯白噪声可以得到实际生活中的2FSK信号。2.6带通1波形分析根据上半路的信号的载波频率是100HZ，所以选择上支路带通滤波器为60Hz到120Hz。2.7带通2波形分析根据上半路的信号的载波频率是150HZ，所以选择下支路带通滤波器为130Hz到170Hz2.8振荡器1波形分析选用一个正弦波振荡器，其振荡频率为低频正弦信号为100Hz。2.9振荡器2波形分析选用一个正弦波振荡器，其振荡频率为低频正弦信号为150Hz。2.10低通1波形分析上下支路的低通滤波器均为10Hz，所以经过低通滤波器可以滤除高频分量。可以得到如下的波形。2.11低通2波形分析上下支路的低通滤波器均为10Hz，所以经过低通滤波器可以滤除高频分量。可以得到如下的波形。2.12合成信号波形分析将上下两支路的信号进行相加，就可以得到其相加的信号，再送入到抽样判决之中。2.13输出信号波形分析将相加的信号最后送入到抽样判决器里面，最后我们可以可以得到输出信号的波形和频谱。3.眼图3.1实验原理图用一个示波器跨接在抽样判决器的输入端，然后调整示波器的水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。此时可以从示波器显示的图形上看到眼图，所以在前面一个实验的基础之上，我在抽样判决前加入了一个分析，这样就可以通过这个来观察眼图，实验原理图如下：3.2眼图的观测在上述实验的基础之上，我在接收器图符之前加了一个抽样器图符，用来调整采样率以配合SystemView接收计算器的时间切片绘图功能来观察眼图。时间切片功能可以把接收计算器在多个时间段内记录到的数据重叠起来显示。时间段的起始位置和长度都可以由计算器窗口设置。为满足时间切片周期和码元同步并且能完整地观察到一个眼图的要求，一般将时间切片的长度设置为当前采样率下采样周期的两倍长。在本次试验中，这里将采样频率设置10Hz，采样周期为100ms，则时间切片应设为200ms。时间切片的设置如下图所示，在接受计算器窗口下选择“Style”项，再输入“TimeSlice”的参数。确定退出后即可看到眼图，即按照下图的方法进行设置。3.3眼图的分析如下图所示，在没有高斯噪声时，眼图是清晰简洁的眼形状，而随着噪声的加大，眼图线条愈加凌乱，观察到眼图的“眼睛”张开的幅度变小，即噪声容限下降，对应输出波形，就是信号受噪声的影响加大，愈加不容易分辨。高斯噪声为0V高斯噪声为0.1V高斯噪声为0.2V高斯噪声为0.5V4.BER曲线4.1实验原理图BER分析的原理图如下图所示，由图可见，实验在原原理图基础上增加了一些模块，如比特误码率延迟BER模块、延迟模块等，以下就实验步骤和各部分模块进行分析。4.2实验步骤根据pdf文档上面的提示，我们按照书上面的要求进行修改，添加BER计算器，并作如下设置。No.TRIALS为对比试验的比特数，通常这个取值具有一定的要求。如果希望测出1e-4的BER，则至少进行1e+5的对比试验，这样经过统计得到的BER才比较可信。同时也必须将系统定时中每个仿真循环的采样数设得足够大。在这个仿真实验中，我们设“No.TRIALS”为1e+3，系统定时中的每个循环采样点数为131072，循环次数设置为9次。注意，系统定时中的采样点数必须大于No.TRIALS的值。图中“Threshold”值为参考信号与解调信号差异的门限值，这里设为0.5，当二者之差大于该值判为错，BER计数器累计0.5，小于该值时则判为正确。“Offset”为时间偏移量，该值决定系统从什么时候开始进行比较试验。通常无延时置为0，但是对某些具有滤波器、寄存器延时的系统则需要队员是信号进行精确延时后才能与解调信号进行比较，因此必须在延时结束后才能进行对照比较。连接BER计数器的输出到接收计算器图符时，必须选择三种输出之一，其中选择0：BER为实时BER值，选择1：CummulativeAvg为BER的累计均值，选择2：TotalErrors为错误总数。如下图带圆点的为停止接收计数器图符。它的功能是当输入超过设定的门限值时，停止本次仿真，如果系统设置为多循环则进入下一循环的仿真运算。这里设置为多次循环，并将系统定时中的No.ofSystemloops设置为9。在BER仿真原理图中，还有一个终值接收计算器，它与BER计数器的累计均值输出端连接，当仿真进行时，每一个循环结束时会显示本次循环的BER均值，该值也是用于计算BER/SNR曲线的基础，只有利用该计算器的数据才能绘出所需的BER曲线。通过上述设置，一个简单的高斯噪声信道的BER测试模型就基本设置完毕。但是此时并不能绘出完整正确的BER/SNR曲线，还必须将噪声增益控制与系统循环次数进行全局变量关联，使信道的信噪比（SNR）由0dB开始逐步加大，即噪声逐步减小。每次减小的步长与循环次数有关。设置全局变量的方法是，单击主菜单的“Tools”选项，选择“GlobalParameterLinks”。这时出现下图的界面。点击AllTokens出现所有选项，选择增益（Gain），设置每次信噪比递增1dB，即噪声减小1dB，则在相应的定义栏将F[Gi,Vi]的值置为-cl。这里的cl为系统变量“currentsystemloop”系统循环次数。下面求BER/SNR曲线，进行如下设置。选择“Style”功能中的“BERPlot”。设置起始信噪比为1dB，增量“Increment”值为1（必须与预先设置的增益关联一致）。在选择计算窗口“Selectonewindow”中，选择刚刚获得的系统累计误码率均值相对时间的关系曲线的窗口，单机确定后，即可获得所需的BER/SNR曲线。然后我们需要与标准值比较首先使用计算器功能“Comm”中的“TheoreticalBERPlots”功能，选择允许覆盖曲线窗口，并选中需要对比的标准理论曲线类型。将起始信噪比设置为1dB，终止信噪比为10dB。点击确认后便可获得所需的曲线图。由上图可见，随着信噪比的提高，误码率呈现了一个单调下降的趋势，但是与理论值有一定的差异。而随着信噪比的越来越高，差异似乎更大，这个是因为在实际的系统中滤波器不是理想的，像带通滤波器和低通滤波器是巴特沃斯滤波器，并非理想的方形，会附加一定频带外噪声。同时，之前获得延时也不是完全准确的，也会造成一定的附加噪声。实验收获与感想通过本次实验，我开始了解了SystemView这个软件，虽然一开始一窍不通，但是后来经过一些练习后我开始逐渐上手了，根据老师给的课件，结合程序再加上上学期学习的通信原理的知识可以很好的完成实验要求。在做第一个AM实验的时候，一开始我并没有将载波信号和调制信号分好，所以出现了过调这个现象，所以一开始做出来的波形出现了过调的情况，但是后来我仔细分析了电路图，我发现自己居然把放大器的增益设置为了0.5，这个是不应该出现的，之后我把放大器的增益设置为了2，然后我就发现自己能够很好的进行仿真了。在做第二个PCM编码的实验中，因为在上课的时候我们并没有学习那么多，所以我在一开始并不知道怎么搭建电路图比较好，但是因为在教案中有给出例子，所以我就仿照教案中给出来的例子进行了修改并且仿真，但是我花在实验波形上面的时间有点多，因为需要对比，所以我需要用Overlay选项，但是我找了很久都没有找到这个选项，最后和同学讨论才知道怎么做，我发现很多时候如果遇到了基本的问题一定要和大家一起讨论，这样能够很快的解决问题。在做第三个2FSK的实验的时候，我选择了键控法产生信号并且采用了相干解调的方法来进行解调，当然也可以用别的方法来进行实验，我选择的两个振荡的信号的频率不是很高是100HZ和150HZ，但是我觉得如果频率再高一点也许观察起来现象会好一点，不过我也可以通过改变时钟来进行观察。在做眼图的时候，虽然这个步骤按照实验指导上来说是很简单的，但是实际上我们需要不断的微调来得到一个很好的眼图，一开始我得到的眼图很乱，然后我又返回去一个一个看我设置的值，之后我改变了我采样的点，时钟的频率来不断的微调，之后我发现因为我噪声一开始没有管设置的太大了，所以造成了我出来的眼图看起来很混乱，但是改完了之后，我发现我的眼图变得很好。在做误码率的这个实验的时候，我一开始按照书上的方法来做的时候发现，做出来的曲线一直和理想的曲线有很大的出入，之后我试着改变了采