完整版通信原理实验指导书SystemView.docx
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完整版通信原理实验指导书SystemView
实验一图符库的使用
一、实验目的
1、了解SystemVue图符库的分类
2、掌握SystemVue各个功能库常用图符的功能及其使用方法
二、实验内容
按照实例使用图符构建简单的通信系统，并了解每个图符的功能。
三、基本原理
SystemVue的图符库功能十分丰富，一共分为以下几个大类
1.基本库
SystemView的基本库包括信源库、算子库、函数库、信号接收器库等，它为该系统仿真提供了最基本的工具。
（信源库）：
SystemView为我们提供了16种信号源，可以用它来产生任意信号
（算子库）功能强大的算子库多达31种算子，可以满足您所有运算的要求
（函数库）32种函数尽显函数库的强大库容！
（信号接收器库）12种信号接收方式任你挑选，要做任何分析都难不倒它
2.扩展功能库
扩展功能库提供可选择的能够增加核心库功能的用于特殊应用的库。
它允许通信、DSP、射频/模拟和逻辑应用。
（通信库）：
包含有大量的通信系统模块的通信库，是快速设计和仿真现代通信系统的有力工具。
这些模块从纠错编码、调制解调、到各种信道模型一应俱全。
（DSP库）：
DSP库能够在你将要运行DSP芯片上仿真DSP系统。
该库支持大多DSP芯片的算法模式。
例如乘法器、加法器、除法器和反相器的图标代表真正的DSP算法操作符。
还包括高级处理工具：
混合的RadixFFT、FIR和IIR滤波器以及块传输等。
（逻辑运算库）：
逻辑运算自然离不开逻辑库了，它包括象与非门这样的通用器件的图标、74系列器件功能图标及用户自己的图标等。
（射频/模拟库）：
射频/模拟库支持用于射频设计的关键的电子组件，例如：
混合器、放大器和功率分配器等。
3.扩展用户库
扩展的用户库包括有扩展通信库2、IS95/CDMA、数字视频广播DVB等。
通信库2:
扩展的通信库2主要对原来的通信库加了时分复用、OFDM调制解调、QAM编码与调制解调、卷积码收缩编解码、GOLD码以及各种衰落信道等功能。
4.5版中，通信库2已被合并到基本通信库中。
IS95库:
IS95库为设计CDMA和个人通信系统提供了一个快捷的工具。
除了产生CDMA所需的信号发生器模型、调制解调信号模型外，还设计了复合IS95建议的CDMA所有信道模型，可按两种速率工作。
四、实验步骤
第一部分：
计算信号的平方
1）从基本图符库中选择信号源图符，选择正弦波信号，参数设定中设置幅度为1，频率为10Hz，相位为0。
2）选择函数库，并选择Algebraic标签下的
图符。
在参数设定中设置a=2，表示进行x2运算。
3）放置两个接收器图符，分别接收信号源图符的输出和函数算术运算的输出，并选择Graphic标签下的
图符，表示在系统运行结束后才显示接收到的波形。
4）将图符进行连接，运行仿真，最终结果如下图所示：
第二部分常规双边带条幅（AM）
1）按快捷键
切换到通信图符库Comm，从图符库中拖动一个图符
至设计窗口，双击该图符，选择调制器“Modulators”中的“DSB-AM”，并在参数设置窗口中的文字框中输入幅度1V，频率1000Hz，调制度0.5，确认退出，图符变成
。
2）放置两个接收器图符，用于接收调制信号和已调信号波形。
3）对图符进行连线，如下图所示：
4）设置仿真参数：
i.仿真时间102.3ms
ii.采样点1024
iii.采样频率10kHz
5）运行仿真，并得到各个接收器的波形。
五、实验结果
1、画出以上两个部分的调制信号和已调信号的波形以及算术表达式
实验二信号的时域与频域分析实验
一、实验目的
1、掌握信号的时域与频域的分析方法
2、掌握SystemVue分析窗口的使用。
3、能利用分析窗口对波形进行时域与频域的分析
二、实验内容
1、建立简单的调制系统，并使用分析窗口对输出信号进行时域与频域的分析，得出分析结果。
三、基本原理
分析窗口是用户观察SystemVue数据输出的基本工具。
如图所示。
有多种选项可以增强显示的灵活性和用途。
这些功能可以通过单击分析窗工具条上的快捷按钮或通过下拉菜单来激活。
在系统设计窗口中单击分析窗口按钮，即可访问分析窗口。
在分析窗口中单击系统按钮即可返回系统设计窗口。
分析窗口包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、活动图形窗口和提示信息区。
同设计窗口一样，滚动条包括用于左右滚动的水平滚动条和用于上下滚动的垂直滚动条；提示信息区显示分析窗口的状态信息、坐标信息和分析的进度指示；活动图形窗显示输出的各种图形，如波形图、功率谱、眼图等。
四、实验步骤
1、点击菜单栏的File，选择NewSystem建立一个新文件。
2、建立一个常规双边带的调制系统，如实验一所示。
3、单击
“Analysis”快捷按钮进入分析窗口，这时应该可以看到两个图形，一个是100Hz的正弦信号，另一个是调制后的信号。
可参考分析窗口工具条，根据个人习惯重新调整窗口显示排列。
4、对输入的信号进行谱分析。
单击
接收计算器按钮，出现如图1.12所示的接收计算器选择窗口，选择“Spectrum”分析按钮，并分两次选中W0、W1，就会出现两个新的图形W2、W3，分别对应前面两个波形的频谱图，其中一个出现在100Hz的位置上（对应未调制的正弦波），另一个在中心频率为1000Hz的位置上显示出载波和上下两个边带的频谱。
如图1.11所示。
5、对调制信号和已调信号的频谱进行叠绘。
五、实验结果
1、分别读取已调信号频谱中的上下边带的峰值点。
2、修改双边带调制信号的调制参数，观察调制参数的变化对已调信号时域和频域上施加的影响，并作好记录。
实验三信号的运算
一、实验目的
1、掌握SystemVue中函数库与算子库的使用
2、进一步熟悉SystemVue中分析窗口的使用
二、实验内容
1、熟悉函数库中常用图符的功能，并使用相应的图符完成信号的运算操作
三、基本原理
要求设计的串具有以下功能：
1、串连接
2、串比较
3、求子串
四、实验步骤
第一部分：
实现高斯函数
1.选择信源图符库，并选择Aperiodic下的Time图符，增益参数设定为1，表示一个线性增加的信号。
2.选择函数库的Polynomial（多项式）图符，对信号代入多项式。
设定多项式为t-4，即
系数均设定为0，而X和X0系数分别设定为1和-4。
3.选择Function图符库下的X^a图符，用来表示信号的a次方，按照函数式，a=2。
4.在Operator（算子库）中选择Negate图符，表示负号。
5.选择Function图符库下的a^x图符，用来表示a的x次方，按照函数式，a=e=2.71828。
第二部分实现函数
1.设定仿真时间参数，设定仿真时间为20秒，采样频率20Hz。
2.选择信源图符库，并选择Aperiodic下的Time图符，增益参数设定为1，表示一个线性增加的信号。
3.选择函数库的Polynomial（多项式）图符，对信号代入多项式。
设定多项式为t+e-10（防止出现仿真时间为0时的分母为0的情况）。
4.选择Function图符库下的X^a图符，用来表示信号的a次方，按照函数式，a=-1。
5.选择信源图符库，并选择一正弦信号，设定其幅度为1，频率为0.15Hz。
6.将两路信号通过相乘器相乘得到
信号，并通过接收器显示，最终仿真结果如下图所示：
五、实验结果
1、画出程序的流程图
2、给出程序执行的结果[U1]
实验四信号的分解与合成
一、实验目的
1、了解光纤接入网波分复用原理。
2、掌握波分复用技术及实现方法。
二、实验内容
编写一个具有基本功能的二叉树
三、基本原理
为了便于研究信号传输和信号处理等问题，往往将一些信号分解为比较简单（基本）的信号分量之和。
分解的方法有多种，常见的分析方法有：
直流分量与交流分量，偶分量与奇分量，脉冲分量与正交函数集等。
其中将信号分解为正交函数集的研究方法在信号与系统理论中占有重要地位。
傅立叶分析法是常见的一种，一个矩形信号可分解为：
由此可看出，其傅立叶展开式只含有奇次谐波分量1，3，5...2n-1,于是可按照下图对方波信号进行分解，然后再通过相加器进行信号的合成。
四、实验步骤
1、设定系统的仿真时间参数：
仿真时间为20秒，采样频率为1KHz，采样点数为20480个。
2、从信源图符中选择脉冲信号，设定其为方波，频率为10Hz
3、分别设定6个带通滤波器，通带频率分别为10Hz，30Hz，50Hz，70Hz，90Hz，带宽都为2Hz，通带增益为0dB，阻带增益为-60dB。
信号通过这6个带通滤波器以后分别得到1,3,5,7,9次谐波分量。
4、为每个谐波分量连接一个接收器，观察6个谐波分量的波形
5、将6个谐波分量通过加法器进行叠加，得到合成以后的信号波形。
6、实验结果
1、画出原方波信号的频谱图，并与合成以后的波形信号频谱图进行比较
2、给出程序执行的结果[U2]
实验五数字基带传输系统仿真实验
一、实验目的
1、加深对数字基带信号传输的无失真条件的了解。
2、熟悉奈奎斯特第一准则的验证方法
3、掌握眼图的仿真方法并了解其在数字基带传输系统中的作用。
二、实验内容
1.验证奈奎斯特第一准则。
2.观察眼图。
三、基本原理
传输数字基带信号受到约束的主要因素是系统的频率特性，当基带脉冲信号通过系统时，系统的滤波作用使脉冲拖宽，在时域上，它们重叠到附近的时隙中去。
接收端按约定的时隙对各点进行抽样，并以抽样时刻测定的信号幅度为依据进行判决，来导出原脉冲的消息，若重叠到临近时隙内的信号太强，就可能发生错误判决，从而产生码间串扰。
奈奎斯特第一准则给出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
其中Rb为传码率，单位为B/s（波特/秒）。
fN和BN分别为理想信道的低通截止频率和奈奎斯特带宽。
假定有一数字基带信号，其码速率为100b/s，则按照奈奎斯特第一准则，为保证数字基带信号的无失真传输，传输信道的带宽必须要在50Hz以上。
同理，如果数字基带信号的码速率高于100b/s，则在50Hz的带宽下不能保证信号的无失真传输。
四、实验步骤
第一部分：
验证奈奎斯特第一准则
1、设定系统的仿真时间参数：
采样频率设定为1000Hz，采样点位512个
2、放置信号源：
码速率为100b/s的伪随机信号
3、放置用于整型的升余弦滚降低通滤波器，其截止频率设定为50Hz，在60Hz处有-60dB的衰落，相当于一个带宽为50Hz的信道
4、为了模拟传输的噪声，将低通滤波器的输出叠加上一个高斯噪声，设定其标准差为0.1。
5、接收端由一个低通FIR滤波器、一个抽样器、一个保持器和一个缓冲器组成，分别完成信号的滤波，抽样，判决以及整型输出。
其中抽样器的抽样频率与数据信号的数据率一致，设为100Hz。
为了比较发送端和接收端的波形，在发送端的接收器前和升余弦滚降滤波器后各加入了一个延迟图符。
最终的仿真系统如下图所示：
1、关闭噪声信号，运行仿真，将输入信号波形与输出信号波形进行叠加，观察仿真结果。
2、开启噪声信号，比较输入信号与输出信号的波形
3、改变噪声幅度，观察输出信号的变化。
4、将伪随机信号的码速率修改为110b/s，运行仿真，再次观察输入输出信号波形的差别。
第二部分：
眼图的观测
通常眼图可以用如图3.1所示的图形来描述，由此图可以看出：
（1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。
显然，最佳抽样时刻应选在”目艮”张开最大的时刻。
（2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜边越陡，系统对定时抖动越敏感。
（3）眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量。
在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备，零点失真量很重要。
（4）在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。
（5）在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决。
（6）横轴对应判决门限电平。
图3.1眼图
为了研究因噪声和信道带宽引起的信号失真与眼图的关系，我们可以用如图3.2所示的SystemView仿真电路来观察，图中，信号源（图符0）采用幅度为1V、速率为100b/s的伪随机序列，信道用一个50Hz的低通滤波器（图符5）来模拟，并在信道中加入了噪声（图符3），设定信噪比（SNR）为10dB，在接收器图符前加入了一个抽样器图符，用来调整输出采样率，以配合SystemView接收计算器的时间切片绘图功能来观察眼图。
时间切片绘图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由计算器来设置。
为了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时长，例如，采样频率为100Hz,采样周期为10ms，则时间切片应设为20ms。
时间切片长度的设置如图3.3所示，在接收计算器窗口下选菜单中的“Style”项，再输入“TimeSlice”的参数，按“OK”按钮后确定退出，即可看到生成的眼图，如图3.4和3.5所示。
改变噪声幅度，重新运行系统，可观察到眼图的“眼”张开的幅度变小，同样，改变信道的带宽，也可观察到眼图的变化。
图3.2用于眼图观测的基带传输系统仿真电路
图3.3时间片的长度设置
图3.4信道无噪声时观测到的眼图
图3.5信道信噪比10dB时观测到的眼图
五、实验结果
1.画出仿真过程中的相关波形；
2.分析码速与码间串扰间的关系，根据仿真中观测到的眼图描述各仿真参数对眼图的影响。
实验六数字调制系统仿真实验
一、实验目的
1、掌握ASK，PSK（DPSK）和多进制数字键控等数字调制技术的原理
2、掌握数字调制系统仿真的方法
二、实验内容
1、设计一个数字调制系统
2、编写一个带有拓扑排序功能的有向无环图
三、基本原理
当调制信号位二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。
在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态，常用的二进制数字调制方式有以下几种：
二进制振幅键控调制（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）、二进制移相键控（2PSK）和二进制相对（或差分）相位键控（2DPSK）。
1、二进制振幅键控（2ASK）
1）调制方法
2ASK信号可表示为：
式中，g（t）是持续时间为Ts的矩形脉冲，即：
产生2ASK的方法有两种，如图所示。
相应的调制输出如下图所示：
2）2ASK信号的解调
相干解调法：
包络检波法
2、二进制频移键控（2FSK）
1）调制方法
2FSK信号可表示为：
式中，g（t）是持续时间为Ts的矩形脉冲，即：
产生2FSK的方法有两种，如图所示。
FSK调制信号的输出如下图所示：
2）解调方法
2FSK信号有两种基本解调方法：
非相干解调和相干解调，此外，还有鉴频法、过零检测法和差分检波法。
包络检波法
相干解调法
四、实验步骤
2ASK仿真部分：
1、根据2ASK调制原理，采用相乘器或者开关电路产生2ASK信号，用SystemVue仿真实现，观察输出的2ASK波形。
2、计算ASK信号的带宽，并与利用分析窗口得到的信号功率谱进行对比。
3、根据信号的带宽设定合适的带通滤波器，并采用非相干解调法（包络检波法）或者相干解调法对产生的2ASK信号进行解调，注意缓冲器中判决门限电平的设置，观察解调后的信号的波形，并与原波形进行比较。
4、具体的仿真系统如下图所示：
FSK仿真部分：
1、根据2FSK调制原理，采用相乘器或者开关电路产生2FSK信号，用SystemVue仿真实现，观察输出的2FSK波形。
2、计算2FSK信号的带宽，并与利用分析窗口得到的信号功率谱进行对比。
3、根据信号的带宽设定合适的带通滤波器，（若基带信号的码速率为10b/s，载波频率为150Hz和100Hz,则可设定带通滤波器的两个截止频率分别为120Hz和170Hz）并采用非相干解调法（包络检波法）或者相干解调法对产生的2FSK信号进行解调，（其中包络检波器可采用截止频率为5Hz的低通滤波器表示）观察解调后的信号的波形，并与原波形进行比较。
4、具体的仿真系统如下图所示：
五、实验结果
1、假定数字基带信号的码速率为10b/s，采用频率为30Hz的载波进行2ASK调制，试画出2ASK信号的频谱图。
2、修改ASK中缓冲器的判决门限电平，解调输出的波形将发生什么变化？
3、假定数字基带信号的码速率为10b/s，采用频率为100Hz和150Hz的载波进行2FSK调制，试画出2FSK信号的频谱图。
实验七模拟信号的数字传输仿真
一、实验目的
1、掌握PCM的编码原理。
2、掌握PCM编码信号的压缩与扩张的实现方式
二、实验内容
1、设计一个PCM调制系统的仿真模型
2、采用信号的压缩与扩张方式来提高信号的信噪比
三、基本原理
在现代通信系统中，以PCM（脉冲编码调制）为代表的编码调制技术被广泛地应用于模拟信号和数字传输中，所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号的抽样量化值变换成代码，其编码方式如下图所示：
PCM编码经过抽样、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。
为了便于用数字电路实现，其量化电平数一般为2的整数次幂，这样可以将模拟信号量化为二进制编码形式。
其量化方式可分为两种：
均匀量化编码：
常用二进制编码，主要有自然二进码和折叠二进码两种。
非均匀量化编码：
常用13折线编码，它用8位折叠二进码来表示输入信号的抽样量化值，第一位表示量化值的极性，第二至第四位（段落码）的8种可能状态分别代表8个段落的起始电平，其它4位码（段内码）的16种状态用来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
通常情况下，我们采用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化，就是在保持信号固有的动态范围的前提下，在量化前将小信号放大，而将大信号进行压缩。
采用信号压缩后，用8位编码就可以表示均匀量化11位编码是才能表示的动态范围，这样能有效地提高校信号编码时的信噪比。
四、实验步骤
在SystemVue系统仿真软件中，系统提供了A律和μ律两种标准的压缩气和扩张器，用户可以根据需要选取其中一种进行仿真实验。
1、设置一个均值为0，标准差为0.5的具有高斯分布的随机信号作为仿真用的模拟信号源。
2、在信号源的后方放置一个巴特沃思低通滤波器，设置其截止频率为10Hz，滤除高频分量。
3、在滤波器右侧放置一个A律13折线的压缩器（在通信库的Processors标签下），对信号进行压缩，并设定最大输入为1v。
4、放置一个模数转换器（在逻辑库下的MixSignal中），对压缩的模拟信号进行抽样量化，并编码为数字信号，根据PCM的要求，设定编码位数为8位，输出真假值为1和0，阈值为0.5，最大最小输入为正负1.28v；并放置一个100Hz的采样时钟信号对模拟信号进行抽样。
由此可得出8位编码的PCM信号。
5、放置一个数模转换器，将编码好的PCM信号重新还原为模拟信号。
数模转换器的参数设置与模数转换器基本相同
6、将模数转换器的8个数据位与数模转换器相对应的8个数据位相连，将数字信号送入数模转换器。
7、放置一个扩张器，接收从数模转换器产生的经过压缩的模拟信号，并对其进行扩张，还原为原始信号，参数的设置与压缩器基本相同。
最终的仿真系统如下图所示：
五、实验结果
1、画出仿真系统中各个接收器的波形[U4]
实验八差错控制编码仿真
一、实验目的
掌握差错控制编码的实现技术以及仿真方法
二、实验内容
3、设计一个PCM调制系统的仿真模型
4、采用信号的压缩与扩张方式来提高信号的信噪比
三、基本原理
1、线性分组码的基本概念：
线性分组码（n，k）中许用码字（组）为2k个。
定义线性分组码的加法为模2和，乘法为二进制乘法。
即1+1=0、1+0=1、0+1=1、0+0=0；1×1=1、1×0=0、0×0=0、0×1=0。
且码字
与码字
的运算在各个相应比特位上符合上述二进制加法运算规则。
线性分组码具有如下性质（n，k）的性质：
1）封闭性。
任意两个码组的和还是许用的码组。
2）码的最小距离等于非零码的最小码重。
对于码组长度为n、信息码元为k位、监督码元为r＝n－k位的分组码，常记作（n，k）码，如果满足2r－1≥n，则有可能构造出纠正一位或一位以上错误的线性码。
下面我们通过（7，4）分组码的例子来说明如何具体构造这种线性码。
设分组码（n，k）中，k=4，为能纠正一位误码，要求r≥3。
现取r＝3，则n＝k＋r＝7。
我们用a0ala2a3a4a5a6表示这7个码元，用S1、S2、S3表示由三个监督方程式计算得到的校正子，并假设三位S1、S2、S3校正子码组与误码位置的对应关系如下表12.2所示。
（7，4）码校正子与误码位置
S1S2S3
误码位置
S1S2S3
误码位置
001
a0
101
a4
010
a1
110
a5
100
a2
111
a6
011
a3
000
无错
由表可知，当误码位置在a2、a4、a5、a6时，校正子S1＝1；否则S1＝0。
因此有S1＝a6⊕a5⊕a4⊕a2，同理有S2＝a6⊕a5⊕a3⊕a1和S3＝a6⊕a4⊕a3⊕a0。
在编码时a6、a5、a4、a3为信息码元，a2、a1、a0为监督码元。
则监督码元可由以下监督方程唯一确定
即
由上面方程可得到表12.3所示的16个许用码组。
在接收端收到每个码组后，计算出S1、S2、S3，如果不全为0，则表示存在错误，可以由表12.2确定错误位置并予以纠正。
例如收到码组为0000011，可算出S1S2S3=011,由表12.2可知在a3上有一误码。
通过观察可以看出，上述（7，4）码的最小码距为dmin＝3，它能纠正一个误码或检测两个误码。
如果超出纠错能力则反而会因“乱纠”出现新的误码。
（7，4）许用码组
信息位
监督位
信息位
监督位
a6a5a4a3
a2a1a0
a6a5a4a3
a2a1a0
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
000
011
101
110
110
101
011
000
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
111
100
010
001
001
010
100
111
上述方法构造的能纠正单个误码的线性分组码又称为汉明码。
它具有以下一些特点：
码长n＝2m－1，最小码距为d＝3，信息码长k＝2n－m－1，纠错能力t＝1，监督码长r＝n－k＝m。
这里m为≥2的正整数。
给定m后，就可构造出汉明码（n，k）。
2、（7，4）汉明码的编译码仿真：
图12.1所示为（7，4）汉明码的编码器电路原理图，图12.2为对应的译码器电路原理图。
根据上述两图可构建如图12.3所示的仿真原理图。
该仿真原理图包含两个子系统，分别是（7，4）汉明码的编码器和译码器。
仿真时的信号源采用了一个PROM，并由用户自定义数据内容，数据的输出由一个计数器来定时驱动，每隔一
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