北理工通信电路与系统软件实验

北理工通信电路与系统软件实验北理工通信电路与系统软件实验/2/4北理工通信电路与系统软件实验实验1简单基带传输系统分析举例一、分析内容构造一个简单示意性基带传输系统。以双极性PN码发生器来模拟一个数据信源，码速率为100bit/s，低通型信道噪声为加性高斯噪声(标准差=0.3V)。要求：1.观测接收输入和滤波输出的时域波形；2.观测接收滤波器输出的眼图。二、分析目的掌握观察系统时域波形，重点学习和掌握观察眼图的操作方法。三、系统组成及原理简单的基带传输系统原理框图如下所示，该系统并不是无码间干扰设计的，为使基带信号能量更集中，形成滤波器采用高斯滤波器。图1-SEQ图\*ARABIC1简单基带传输系统组成框图四、创建分析第1步：进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：①运行时间：StartTime:0秒；StopTime:0.5秒。②采样频率：SampleRate:10000Hz。第2步：调用图符块创建如下图所示的仿真分析系统：图1-SEQ图\*ARABIC2创建的简单基带传输仿真分系统系统中各图符块的设置如表1-1所示：表格1-SEQ表格\*ARABIC1Token编号Attribute属性Type类型Parameters参数设置0SourcePNSeqAmp=1V，Offset=0V，Rate=100Hz，Levels=2，Phase=0deg1CommPulseShapeGaussian，TimeOffset=0，PhlseWidth=0.01sec，StdDev=0.15V2Adder3SourceGaussNoiseStdDev=0.3V，Mean=0V4OperatorLinearSysButterworthLowpassIIR，5Poles，Fc=200Hz5OperatorSamplerInterpolating，Rate=100Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec6OperatorHoldLastValue，Gain=27OperatorComparea>=b，TrueOutput=1V，FalseOutput=1V，Ainput=token6Output0，Binput=token8Output08SourceSinusoidAmp=0V，Freq=0Hz，Phase=0deg9SinkAnalysisInputfromtoken0OutputPort010SinkAnalysisInputfromtoken1OutputPort011SinkAnalysisInputfromtoken4OutputPort012SinkAnalysisInputfromtoken7OutputPort0其中，Token1为高斯脉冲形成滤波器；Token3为高斯噪声发生器，设标准偏差StdDeviation=0.3V，均值Mean=0V；Token4为模拟低通滤波器，它来自操作库中的“LinearSys”图符按钮，在设置参数时，将出现一个设置对话框，在“Design”栏中单击Analog按钮，进一步点击“FilterPassBand”栏中Lowpass按钮，选择Butterworth型滤波器，设置滤波器极点数目：No.ofPoles=5（5阶），设置滤波器截止频率：LoCuttoff=200Hz。第3步：单击运行按钮，运算结束后按“分析窗”按钮，进入分析窗后，单击“绘制新图”按钮，则Sink9-Sink12限时活动窗口分别显示出“PN码输出”、“信道输入”、“信道输出”和“判决比较输出”时域波形。如下列波形图所示：图1-SEQ图\*ARABIC3Sink9_代表信源的PN码输出波形图1-SEQ图\*ARABIC4Sink10_经高斯脉冲形成滤波器后的码序列波形图1-SEQ图\*ARABIC5Sink11_信道输出的接收波形图1-SEQ图\*ARABIC6Sink12_判决比较输出波形第4步：观察信源PN码和波形形成输出的功率谱。通过两个信号的功率谱可以看出，波形形成后的信号功率谱主要集中在低频端，能量相对集中，而PN码的功率谱主瓣外的分量较大。在分析窗下，单击信宿计算器按钮，在出现的“SystemSinkCalculator”对话框中单击Spectrum按钮，分别得到Sink9和Sink10的功率谱窗口（w4:和w5:）后，可将这两个功率谱合成在同一个窗口中进行对比，具体操作为：在“SystemSinkCalculator”对话框中单击Operators按钮和OverlayPlots按钮，在右侧窗口内按住左键选中w4和w5两个信息条，单击OK按钮即可显示出对比功率谱。如下图所示：图1-SEQ图\*ARABIC7PN码和波形形成器输出功率谱对比第5步：观察信道输入和输出信号眼图。眼图仍然是时域波形，它是衡量基带传输系统性能的重要实验手段。当屏幕上出现波形显示活动窗口（w1:Sink10和w2:Sink11）后，点击“SystemSinkCalculator”对话框中的Style和TimeSlice按钮，设置好“Starttime[sec]”和“Length[sec]”栏内参数后单击该对话框内的OK按钮即可。两个眼图如下图所示：图1-SEQ图\*ARABIC8信道输入眼图图1-SEQ图\*ARABIC9信道输出眼图从上述仿真分析可以看出：经高斯滤波器形成处理后的基带信号波形远比PN码信号平滑，信号能量主要集中于10倍码率以内，经低通型限带信道后信号能量损失相对较小，由于信道的不理想和叠加噪声的影响，信道输出眼图将比输入的差些，改变信道特性和噪声强度（如StdDev=1V），眼图波形将发生明显畸变，接收端误码率肯定相应增大。

由此可见，基带传输系统中不应直接传送方波码序列信号，应经过波形形成，从而使信号能量更为集中，并通过均衡措施达到或接近无码间干扰系统设计要求。另外，眼图观察法的确是评测基带系统传输质量的简便有效实验方法。实验2利用Costas环解调2PSK信号分析举例一、分析内容Costas环是一个由同相及正交支路构成的锁相环路，对2PSK信号进行解调是其主要功能之一。构造一个2PSK信号调制解调系统，利用Costas环对2PSK信号进行解调，以双极性PN码发生器模拟一个数据信源，码速率为50bit/s，载波频率为100Hz。以PN码作为基准，观测环路同相支路输出和正交支路输出的时域波形。二、分析目的通过分析理解Costas环的解调功能和特点。三、系统组成及原理2PSK调制和Costas环解调系统组成如图2-1所示。图2-SEQ图\*ARABIC12PSK调制和Costas环解调系统其中：经过低通滤波器后，得到的同相分量和正交分量分别为：通常，环路锁定后很小（在仿真分析时可设为0）。显然，同相分量，正交分量近似为0，这就是说，只有同相输入分量才包含解调信息。实际上，Costas环可以同时完成载波同步提取和2PSK信号解调，这及常用的平方环有所不同。四、创建分析第1步：进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：①运行时间：StartTime:0秒；StopTime:1秒。②采样频率：SampleRate:5000Hz。第2步：调用图符块创建如图2-2所示的仿真分析系统。及前边创建的仿真系统比较，出现了几个“图符参数便签”。生成“图符参数便签”的操作方法如下：在全部图符块参数确定后，执行“NotePads>>CopyTokenParameterstoNotePad”菜单命令，再用附着了“Select”条框的鼠标单击某个图符块，立刻生成该图符块的“图符便签参数”。单击便签框使之激活，拉动四边上的“操作点”可调节其几何尺寸；用鼠标压住便签框，使之显示略微变暗，可移动其位置。图2-SEQ图\*ARABIC2创建的简单基带传输仿真分析系统系统中各图符块的设置如下表所示：表2-SEQ表格\*ARABIC1Token编号Attribute属性Type类型Parameters参数设置0SourcePNSeqAmp=1V，Offset=0V，Rate=100Hz，Levels=2，Phase=0deg1,2,3,11Multiplier4,5OperatorLinearSysButterworthLowpassIIR，4Poles，Fc=100Hz6OperatorLinearSysButterworthLowpassIIR，1Poles，Fc=100Hz7FunctionFMAmp=1V，Freq=1000Hz，Phase=0degModGain=5Hz/V8SinkAnalysisInputfromtoken0OutputPort09SinkAnalysisInputfromtoken4OutputPort010SinkAnalysisInputfromtoken5OutputPort012SourceSinusoidAmp=1V，Freq=1000Hz，Phase=0deg第3步：创建完仿真系统后，单击运行按钮，分别由Sink8、Sink9和Sink10显示PN码、同相分量和正交分量的时域波形，如下图所示。图2-SEQ图\*ARABIC3Sink8_PN码的时域波形图2-SEQ图\*ARABIC4Sink9_同相分量的时域波形图2-SEQ图\*ARABIC5Sink10_正交分量的时域波形由仿真结果明显看出，Costas环的同相分量（同相支路低通滤波器输出）即为数据解调输出，而正交分量（正交支路低通滤波器输出）中没有解调信息。实验3二进制差分编码/译码器分析举例一、分析内容创建一对二进制差分编码/译码器，以PN码作为二进制绝对码，码速率100bit/s。分析观测绝对码序列、差分编码序列、差分译码序列，并观察差分编码是如何克服绝对码全部反向的，以便为第三部分中2DPSK原理分析的实验做铺垫。二、分析目的通过分析理解差分编码/译码的基本工作原理。三、系统组成及原理二进制差分编码器和译码器组成如图3-1所示，其中：{}为二进制绝对码序列，{}为差分编码序列。在实际差分编/译码器中，将码序列延迟一个码元间隔通常是利用D触发器完成的。图3-SEQ图\*ARABIC1应当说明，在SystemView中，差分编码器中的延迟环节不直接使用D触发器反而更为方便，而差分译码器中的延迟环节最好利用操作库中的“数字采样延迟图符块”。四、创建分析第1步：进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：①运行时间：StartTime:0秒；StopTime:0.3秒。②采样频率：SampleRate:10000Hz。第2步：首先创建如图3-2所示的二进制差分编码/译码器仿真分析系统。系统中各符块参数设置如表3-1所示。图3-SEQ图\*ARABIC2二进制差分编码/译码器仿真分析系统表3-SEQ表格\*ARABIC1Token编号Attribute属性Type类型Parameters参数设置0SourcePNSeqAmp=1V，Offset=0V，Rate=100Hz，Levels=2，Phase=0deg1OperatorSamplerInterpolating，Rate=100Hz，Aperture=0，Jitter=02,7OperatorXORThreshold=0V，True=1，False=-13OperatorGainGainUnits=Linear，Gain=14,9OperatorHoldLastValue，Gain=15,8OperatorSamplerInterpolating，Rate=10000Hz，Aperture=0，Jitter=06OperatorSmplDelayFillLastRegister，Delay=100Samples10SinkAnalysisInputfromtoken0OutputPort011SinkAnalysisInputfromtoken4OutputPort012SinkAnalysisInputfromtoken9OutputPort0由于系统中的数字采样延迟符块（Token6）的输入接采样器图符块（Token5）输出，Token5的采样频率为10000Hz，绝对码时钟频率为100Hz，Token6的作用是将码序列延迟一个码元并及前边采样块的采样频率相关，故延迟的采样点数目应设置为100。第3步：观察编、译码结果。在分析窗下，差分编码器输入（绝对码）、差分编码器输出及差分译码器输出分别由Sink10、11、12给出，如图所示。显然，此时差分编码的基本规律是：逢绝对码1时逻辑电平反转，逢绝对码0时逻辑电平不变。图3-SEQ图\*ARABIC3Sink10_差分编码器输入波形图3-SEQ图\*ARABIC4Sink11_差分编码器输出波形图3-SEQ图\*ARABIC5Sink12_差分译码器输入波形第4步，得到仿真结果后，将差分编码器及差分译码器之间插入一个非门（NOT），再看仿真结果。可以观察到，差分编码和译码方式可以克服编码输出序列的全反相，差分译码序列及不反相的相同。充分理解了这一原理，就能很快理解2DPSK是如何解决载波1800相位模糊问题的，同时将有助于自行创建包含差分编码及译码的2DPSK系统。实验4相干接收2ASK系统分析一、系统组成及原理相干接收2ASK系统组成如图4-1所示：图4-1相干接收2ASK系统组成二、创建分析第1步：根据图4-2所示系统，在SystemView系统窗下创建仿真系统，首先设置时间窗，运行时间：0-0.3秒，采样速率：10000Hz。图4-2仿真系统组成系统第2步：调用图符块创建如下图所示的仿真分析系统：表4-1系统图符块参数设置Token编号Attribute属性Type类型Parameters参数设置0SourcePNSeqAmp=0.5V，Offset=0.5V，Rate=100Hz，Levels=2，Phase=0deg1,5Multiplier2,6SourceSinusoidAmp=1V，Freq=3000Hz，Phase=03Adder4SourceGaussNoiseStd=0.3V，Mean=0V7OperatorLinearSysButterworthLowpassIIR，5Poles，Fc=200Hz8OperatorSamplerInterpolating，Rate=100Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec9OperatorHoldLastValue，Gain=110OperatorComparea>=b，True=1，False=011SourceStepFctAmp=0.3V，Starttime=0，Offset=0V12,13,14,15,16,17SinkAnalysis/第3步：在系统窗下创建仿真系统，观察指定分析点的波形、功率谱及谱零点带宽，如下图所示：图4-3Token12-17波形图图4-4Token12功率谱图4-5Token13功率谱图4-6Token14功率谱图4-7Token15功率谱图4-8Token16功率谱图4-9Token17功率谱第4步：修改PN码为双极性极性码（Amp=1V，Offset=0V），并重新观测如下图：图4-10修改PN码后的Token12-17波形图第5步：改变噪声强度后，观察解调波形的变化，体会噪声对数据传输质量的影响。图4-11改变噪声强度后的波形图实验52FSK系统分析一、系统组成及原理以话带调制解调器中CCITTV.23建议规定的2FSK标准为例，该标准为：码速率1200bit/s；及。要求创建符合CCITTV.23建议的2FSK仿真系统，调制采用“载波调频法”产生CP-2FSK信号，解调采用“锁相鉴频法”。为了提高接收端的抗干扰能力，对于滤波器输出的电压采用“采样+判决”的处理。在本实验中，可在同样噪声干扰时比较仅采用“判决”的波形整形方式及“采样+判决”的处理方式的效果。图5-12FSK仿真系统组成二、创建分析在SystemView系统窗下创建仿真系统，设置时间窗，运行时间：0-0.1秒，采样速率：10000Hz。组成系统如图5-2，各元件参数如表5-1所示。图5-22FSK仿真系统组成表5-12FSK仿真系统中各图符块的参数设置Token编号Attribute属性Type类型Parameters参数设置0SourcePNSeqAmp=1V，Offset=0V，Rate=1200Hz，Levels=21FunctionFMAmp=1V，F=1700Hz，ModGain=400Hz/V2Adder3SourceGaussNoiseStd=0.1V，Mean=0V4OperatorLinearSysButterworthBandpassIIR，5Poles，LowFc=200Hz，HiFc=3400Hz5Multiplier6OperatorLinearSysButterworthLowpassIIR，1Poles，Fc=600Hz7FunctionFMAmp=2V，F=1700Hz，ModGain=800Hz/V8OperatorLinearSysButterworthLowpassIIR，9Poles，Fc=1200Hz9SinkAnalysisInputfromtoken010SinkAnalysisInputfromtoken111SinkAnalysisInputfromtoken412SinkAnalysisInputfromtoken613SinkAnalysisInputfromtoken814OperatorSamplerInterpolating，Rate=1200Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec15OperatorHoldLastValue，Gain=2，OutRate=10000Hz16SinkAnalysisInputfromtoken1517OperatorComparea>=b，True=1V，False=-1V，Ainput=token15，Binput=token1818SourceSinusoidAmp=1V，F=0Hz19SinkAnalysisInputfromtoken1720OperatorComparea>=b，True=1V，False=-1V，Ainput=token8，Binput=token1821SinkAnalysisInputfromtoken20在系统窗下创建仿真系统，观察各接收分析器的时域波形，以及Token10的功率谱，如下图所示：图5-3各接收分析器的时域波形图5-4Token10的功率谱在高斯噪声强度较小时，观察各接收分析器的时域波形：图5-5高斯噪声强度较小时各接收分析器的时域波形将Token3的标准偏差（StdDeviation）加大到0.4V，再观察Token19和Token21的时域波形：图5-6Token19的波形图图5-7Token21的波形图实验6相干接收2PSK系统分析一、系统组成及原理本实验安排了2PSK和2DPSK系统分析内容。在分析中，除巩固二进制移相键控系统的工作原理外，应特别注意2DPSK系统是如何解决同步载波180°相位模糊问题的。图6-12PSK仿真系统组成对2PSK信号相干接收的前提是首先进行载波提取，可采用平方环或科斯塔斯环来实现。为分析方便起见，在本实验中可直接在接收端设置一个及发送端同步的本地载波源（直接复制图符块）。另外，本实验中暂不考虑同步提取问题。二、创建分析在SystemView系统窗下创建仿真系统，设置时间窗，运行时间：0-0.3秒，采样速率：10000Hz。组成系统如图6-2，各元件参数如表6-1所示。图6-22PSK仿真系统组成表6-12PSK仿真系统中各图符块的参数设置Token编号Attribute属性Type类型Parameters参数设置0SourcePNSeqAmp=1V，Offset=0V，Rate=100Hz，Levels=21,5Multiplier2,6SourceSinusoidAmp=1V，Freq=3000Hz，Phase=0，Output1=Cosin3Adder4SourceGaussNoiseStdDev=0.5V，Mean=0V7OperatorLinearSysButterworthLowpassIIR，5Poles，Fc=200Hz8OperatorSamplerInterpolating，Rate=100Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec9OperatorHoldLastValue，Gain=1，10OperatorComparea>=b，True=1V，False=-1V，11SourceSinusoidAmp=0V，Freq=0Hz12-17SinkAnalysis/在系统窗下创建仿真系统，分别观察Token12、13、14、15、16、17的时域波形，以及Token13的2PSK信号功率谱结构及谱零点带宽，如下图所示：图6-3各接收分析器的时域波形图6-4Token13的功率谱将高斯噪声源的标准差增大到1V，将两种系统的输入码序列及解调码序列进行对比，观察各接收分析器的时域波形：图6-5高斯噪声强度较大时Token12输入码序列的时域波形图6-6高斯噪声强度较大时Token17输出码序列的时域波形在2PSK系统中，接受提取的载波存在180°相位模糊度，这是载波提取电路存在的固有问题，一旦接收端提取的载波及发送端调制倒相，解调出的码序列将全部倒相。重新设置接收载波源的参数，将其中的相