SystemView通信系统仿真

1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。模拟调制常用的方法有AM调制、DSB调制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(ElectronicDesignAutomatic)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22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：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SystemView通过Notes(注释)很容易在屏幕上描述系统；生成的SystemView系统饿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。3通过利用SystemView中的图符和MetaSystem(子系统)对象的无限制分层结构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。这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的痛ixnxitongd而设计于仿真，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/IR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。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岁仿真生成数据进行先进的块处理操作的接受计算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。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43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线性调制器的一般模型如图3-1在该模型中，适当选择带通滤波器的冲击响应h(),便可以得到各种线性调制线性解调器的一般模型如图3-2带通滤波器3.1AM调制0,将其叠加一个直流分量A₀后载波相乘(图3-3),即可形成调幅信号。其时域表达5设计的AM调制模型如图3-3加法器乘法器A₀图3-3AM调制模型s,()乘法器低通滤波器s()图3-4相干解调法组成框图3.1.2AM调制解调仿真电路图3-5AM调制系统的仿真图6mm在此设计的通信系统中，信道内无高斯白噪声。3.1.3AM调制解调仿真仿真波形仿真后的波形如图3-6册南图3-6AM调制系统仿真波形其中基带信号频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱如下图3-7所示解调信号的频带分析。。南IR?T|ofSinlk9??o2004009ó图3-7频谱比较图73.1.4AM调制系统仿真结果分析AM调制为线性调制的一种，由图3-6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3-7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。用相干解调法解调出来的信号与基带信号基在图3-3中如果输入的基带信号没有直流分量，且h()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3-8DSFS3.2.2DSB调制解调仿真电路根据以上原理用SystemView仿真出来的电路图如图3-9四四8小一小一大…具体参数为：基带信号幅值：1V,基带信号频率：300HZ,载波频率：1000HZ。在此设计的通信系统中，信道内加入的是高斯白噪声，幅值为1V。仿真后的波形如图3-10母母训州安Hw母安其中基带信号频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱图如下3-11所示串串0 0aw6:PomerSpectrunofSrk9(d6m50ohPmerSpectrunofSiak9路南n09DSB调制为线性调制的一种，由图3-10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3-11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。且由频普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。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。利用图3-8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根据以上原理用SystemView仿真出来的电路图如图3-12图3-12SSB调制系统仿真图利用高通滤波器对DSB信号进行滤波得到上边带，如仿真图3-13所示的时域波形及频谱波形母●N2tSrkl●0」图3-13(b)SSB调制系统上边带频域仿真波形下垫000利用低通滤波器对DSB信号进行滤波得到下边带，如仿真图3-14所示的时域波形及频谱波形格干解羽后的信号AV下过带信号5图3-14(a)SSB调制系统下边带时域仿真波形●V00密密图3-14SSB调制系统下边带频域仿真波形SSB线性调制的一种，由图3-13及3-14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50HZ,假设所有系统在接收机输入端具有相等的输入信号功率s;,(),且加性噪声都是均值为0、双边功率谱密度为n₀/2的高斯白噪声，基带信号m()的带宽均为fm。假设m()为正弦波信号。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。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，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长用超外差接收技术广泛用于无线通信系统中。图3-15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。输入f混频输出-Jzo+fnr和fio-fn中频滤波器解调器音频输出本振图3-15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，因此收音机为望的信号和噪声，更重要的是去除与期望频率解调中频f,有关的镜像频率2f,信3.5.2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3-16所示。本例主要说明超外差AM收音机的工作原理及信号解调过程。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),模收音机使用高边调谐，则本振应为40+20=60KHz,且存在一个镜像干扰频率为译译率南图3-17超外差收音机仿真波形3.5.3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30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。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。均匀抽样定理指出：对一个带限在(0,fn)内的时间连续信号m(),如果以1/(2fn)的时间间隔对其进行等间隔抽样，则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。1/(2fn)是抽样的最大间隔，也称为奈奎斯特间隔。如图4-1所示，是低通信号采样与恢复的原理图。信号源信号处理器低通滤波器恢复信号抽样定理图4-1信号的采样与恢复原理图根据图4-1所示的原理图，对应的SystemView如图4-2所示：信号的取样图4-2验证抽样定理的仿真图直直杂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迭；当采样频率大于或等于奈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5～7倍的fn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，并且在接受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。接收端只要收到一个“1”码就是输出上升一个σ值，每收到一个“O“码就下降一个σ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σ,遇到“0”码所示的-E脉冲就下降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m()与发端译码器输出阶梯波形m()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t,有m()=t;-m()=t;>0则判决器输出为“1”码。如果m()=t,-m()=t,<0则发“0”码。从上述讨论可以看出，△M信号是按台阶o来量化的，因而同样存在量化噪声设抽样时间间隔△t,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，增量调制的仿真电路如图4-5所示增量调制实验判决器预测器图4-5增量调制电路图图4-6增量调制电路波形由仿真结果，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。为了研究波形传输是真的问题，我们首先来看一下基带信号传输系统的典型模型，如图所示判决输出在发送端，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4.3.2验证乃奎斯特第一准则奈奎斯特第一准则图4-8数字基带传输系统的仿真原理图其仿真波形与频谱分析如图4-9所示母母4时V由●DvsrlgSink…#V#图4-9数字基带传输系统的仿真波形与频谱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4.4二进制移频键控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f2.二进制移频键控信号的时域表达式其中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：载波载波载波二进制数据二进制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所示乘法器乘法器利用键控法和相干解调原理可以画出系统仿真电路图，如图4-12所示其中二进制信号，幅度为2V,频率为50Hz,载波是频率分别为100Hz和300Hz仿真波形如图4-13所示4)T接收到的眼图如图4-14所示 图4-14接收到的眼图最上面的是已调波，中间的图为解调后的波形，其次为初始信号，最下面的是接收信号的眼图。除了延时外，解调后的信号和原始信号几乎一样，该系统可行，并且抗噪声和抗衰减性能都较好，适合于中低速数据传输。通常数据在低于1200bps时使用BFSK方式传输，在衰落信道传输数据时，也被广泛应用。AM调制和DSB调制是信号带宽的2倍，而SSB调制仅是AM调制和DSB调制系统带宽的一半，有效地节省了带宽；