通信原理课程设计SystemView通信系统仿真.docx
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通信原理课程设计SystemView通信系统仿真
3.1.4FM调制与解调原理....................................................................................6
3.2.4FM调制与解调的仿真与分析..................................................................14
4.1.42DPSK调制与解调原理...........................................................................20
4.2.42DPSK调制与解调的仿真与分析...........................................................33
一引言
通信的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，在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。
通信的目的是传递消息中所包含的信息。
通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。
模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统；数字通信系统是利用数字信号来传递信息的。
根据信道中传输的信号是否经过调制，将通信系统分为基带传输系统和带通传输系统，其中带通传输系统是对各种信号调制后传输的总称，调制方式有很多，本次课程设计主要研究的是：
模拟调制有常规双边带调幅AM，双边带调幅DSB，单边带调幅SSB；数字调制有二进制振幅键控2ASK，二进制频移键控2FSK，二进制相位键控2PSK；脉冲数字调制有增量调制DM（ΔM）。
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。
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。
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。
SystemView是美国ELANIX公司于1995年开始推出的基于PC机Windows平台的动态系统仿真软件工具，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。
它为用户提供了一个完整的动态系统设计、仿真与分析的可视化软件环境，能进行模拟、数字、数模混合系统、线性和非线性系统的分析设计，可对线性系统进行拉氏变换和Z变换分析。
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。
这次课程，要求了解SystemView的运行环境及应用领域，逐步熟悉各种通信系统的仿真，由简到难，运用所学对几个实际系统的仿真进行分析和比较，熟悉SystemView的运行环境，掌握SystemView系统的基本操作，并对简单通信系统进行仿真。
这次课程设计要求掌握仿真的简单的通信系统有：
模拟调制方式AM、DSB、SSB调制解调，数字调制方式仿真2ASK、2FSK、2PSK调制解调，抽样定理、增量调制。
二软件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式的分析引擎。
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到。
SystemView仿真系统具有许多的优点。
1能仿真大量的应用系统。
能在DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。
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析。
2快速方便的动态系统设计与仿真。
SystemView图标库包括几百种信号源、接收端、操作符合功能块，提供从DSP、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入/输出数据接口。
3在报告中方便地加入SystemView的结论。
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。
4提供基于组织结构图方式的设计。
通过利用SystemView中的图符和MetaSystem（子系统）对象的无限制分层结构功能，SystemView能很容易地建立复杂的系统。
5多速率系统和并行系统。
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。
同时还可以降低对计算机硬件配置的要求。
6完备的滤波器和线性系统设计。
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/IIR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。
7先进的信号分析和数据块处理。
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器。
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的。
8课扩展性。
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。
9完善的自我诊断功能。
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系统设计与仿真。
三模拟调制系统的设计与分析
3.1幅度调制（线性调制）的原理
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的设计与仿真。
线性调制系统中，常用的方法有AM调制，DSB调制，SSB调制。
线性调制的一般原理：
设正线性载波：
式中：
A为载波幅度，
为载波角频率，
为正载波初相位。
幅度信号（已调信号）一般表示为：
式中：
为基带调制信号。
模拟系统的调制模型如图3-1。
模拟系统的解调器抗噪声性能的分析模型如图3-2。
3.1.1AM调制与解调原理
标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅（AM）。
假设调制信号
的平均值为0，将其叠加一个直流分量
后与载波相乘，即可形成调幅信号。
其时域表达式为：
式中：
为外加的直流分量；
可以是确知信号，也可以是随机信号。
当满足条件：
时，AM包络检波与调制信号
的波形完全一样，则用包络检波很容易恢复出原始调制信号。
设计的AM的调制与相干解调框图分别为图3-3和3-4。
AM的非相干解调就用一个包络检波器即可，所以AM的非相干解调框图省略了。
3.1.2DSB调制与解调原理
在图3-3中如果输入的基带信号没有直流分量，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
式中：
是调制信号（基带信号）。
设计的DSB调制及解调框图如图3-5。
3.1.3SSB调制与解调原理
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。
上边带时域表达式为：
上边带时域表达式为：
根据上下边带的时域表达式，我们还可以可以利用利用相移法产生SSB的上下边带。
SSB的解调也是相干解调，和AM和DSB的相干解调相同，所以省略了SSB的相干解调框图。
3.1.4FM调制与解调原理
1）调频信号的产生——直接调频法
调频就是用调制信号控制载波的频率变化[1]。
所谓频率调制（FM），是指瞬时频率偏移随限制信号吗m（t）成比例变化，即
调频信号的瞬时角频率可以表示为：
其中
为载波角频率，
为调制信号，
为频偏常数（调制常数），表示调频器的调制灵敏度，此时调频信号的相位为：
将上式代入
得调频信号为：
调频信号的产生这里主要介绍了直接调频法。
直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。
可以由外部电压控制振荡器频率的叫做压控振荡器（VCO）。
每个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即
若用调制信号作控制电压信号，就能产生FM波，如图2.1：
图2.1调频器
若被控制的振荡器是LC振荡器，则只需控制振荡回路的某个电抗元件（L或C），使其参数随调制信号变化。
目前常用的电抗元件是变容二极管。
用变容二极管实现直接调频，由于电路简单，性能良好，已成为目前最广泛采用的调频电路之一。
在直接调频法中，振荡器与调制器合二为一。
这种方法的主要优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏；其主要缺点是频率稳定度不高。
2）调频信号的解调——相干解调
由于调频信号可以分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，如图2.2：
图2.2FM信号相干解调
根据公式可以设调频信号
并设相干载波
则相乘器的输出为
经过低通滤波器取出其低频分量
再经微分器，即得解调输出
可见，相干解调可以恢复原调制信号。
这种解调方法需要本地载波与调制载波同步，否则将使解调信号失真。
3.2幅度调制（线性调制）的仿真与分析
3.2.1AM调制与解调的仿真与分析
1）根据AM调制与解调原理，用SystemView软件建立一个仿真电路，如下图所示：
图2-3AM调幅的SystemView仿真图
2）参数设置：
载波频率设置为100Hz，调制信号为18Hz；
增益参数为2；
低通滤波器：
Design:
Analog;Lowpass,ButterworthLowCuttoff=20Hz;No.ofPoles=3
Filterinputsamplerate:
1e+3
3）波形说明及分析：
图2-4AM调幅各信号波形总图
载波波形图
调制波形图
已调波形图
解调波形图
综上所述，可以看出，采用常规双边带幅度调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波法。
缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。
如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双边带调幅（SC-DSB）。
AM调制与解调仿真结果分析：
AM调制为线性调制的一种，由图3-8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，已调信号的包络与调制信号波形相同。
由图3-9可以看出，在频谱结构上，已调信号的频谱结构完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移到载波的频率之上。
恢复出来的信号的频谱结构与调制信号的频谱结构基本一致，频谱都集中在500Hz。
本系统采用的是相干解调法，恢复出来的信号与基带信号基本一致，实现了无失真传输。
3.2.2DSB调制与解调的仿真与分析
1）根据DSB调制与解调原理，用SystemView软件建立一个仿真电路，如下图所示:
DSB调幅的SystemView仿真图
2）参数设置：
载波频率为100HZ；
调制信号频率为10HZ；
低通滤波器的截止频率为30HZ.
3）波形说明:
各波形的名称如波形图示（载波，调制波，已调波，解调波）。
DSB调幅各信号波形总图
综上所述，可以看出，抑制载波的双边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。
缺点是占用频带宽度比较宽，为基带信号的2倍。
3.2.3SSB调制与解调的仿真与分析
1）根据SSB调制与解调原理，用SystemView软件建立一个仿真电路，如下图所示：
SSB调幅的SystemView仿真图
2）波形图如下：
SSB调幅各信号波形总图
上边带和下边带频谱图
3）参数设置：
系统时间：
采样点数256，采样率10000Hz
表2-1SSB调制解调系统的各图符的参数设置表
图符序号
库/图符名称
参数
0
Source:
Sinusoid
Amp=0.5v,Freq=300Hz,Phase=0deg
1
Source:
Sinusoid
Amp=1v,Freq=2000Hz,Phase=0deg
10
Source:
Sinusoid
Amp=1v,Freq=2000Hz,Phase=0deg
12
Operator:
Filter/System
Design:
Analog;Lowpass,Butterworth,LowCuttoff=300Hz;No.ofPoles=6
综上所述，单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；频带宽度只有双边带的一半，频带利用率提高一倍。
缺点是单边带滤波器实现难度大。
3.2.4FM调制与解调的仿真与分析
1）根据FM调制与解调原理，用SystemView软件建立一个仿真电路，如下图所示：
FM调幅的SystemView仿真图
2）参数设置：
系统时间：
为了使对调频信号的FFT计算能够更加准确，时间设置的采样率和采样时间都比较大。
采样点数：
1024；采样率：
2000Hz
表3-1FM调制解调系统的各图符的参数设置表
图符序号
库/图符名称
参数
0
Source:
Sinusoid
Amp=1v.Freq=10Hz,Phase=0deg
2
Operator:
Gain/Scale:
Gain
GainUnits=Linear,Gain=3
5
Source:
Sinusoid
Amp=3v,Freq=100Hz,Phase=0deg
7
Operator:
Filter/Systems:
LinearSysFilters
Design:
Analog;Bandpass,Chebyshev,LowCuttoff=80Hz,HiCuttoff=120Hz,No.ofPoles=5
8
Source:
Sinusid
Amp=1v,Freq=100Hz,Phase=0deg
11
Operator:
Filters/Systems:
LinearSysFilters
Design:
Analog;Lowpass,Chebyshev,LowCuttoff=25Hz,No.ofPoles=5
3）波形说明：
FM调幅的SystemView仿真图
载波信号图
调制信号图
图3-20窄带调频信号图
四数字调制系统的设计与分析
根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分析为基带传输系统和带通传输系统。
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。
在数字传输系统中，其传输对象主要是二进制数字信息。
当调制信号是二进制数字基带信号时，对载波的幅度进行键控得到二进制振幅键控（2ASK）信号；对载波的频率进行键控得到二进制频移键控（2FSK）信号；对载波的相位进行键控得到二进制相移键控（2PSK）信号。
4.1二进制数字调制与解调原理
4.1.12ASK调制与解调原理
在幅度键控载波幅度是随着调制信号而变化的。
二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种。
如图4-1，图（a）就是一般的模拟幅度调制方法，不过基带信号是二进制数字信号；图（b）就是最简单的形式，载波在二进制调制信号是1或0的键控下通或断，这种二进制幅度键控方式又叫通断键控（OOK）。
二进制振幅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，包络检波法具有优势，因为其检波设备简单，性价比高，而在信噪比相对较大时，非相干解调会有门限效应，但是相干解调具有优势，因为这种解调方法导致最终的误码率低。
所以对于的2ASK的接收系统框图如图4-2，其中图（a）是相干解调（同步检测法）的框图；图（b）是非相干解调（包络检波法）的框图。
与模拟系统的解调框图相比，多了一个抽样判决器，这对于提高数字信号的接收性能是十分必要的。
4.1.22FSK调制与解调原理
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。
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。
二进制频移键控信号产生的方框图如图4-3。
2FSK常用的解调方法有两种，即相干解调法和非相干解调法。
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。
非相干解调是利用包络检波法检测得到的。
这次课设只用到了相干解调，所以二进制频移键控的相干解调的方框图如图4-4。
4.1.32PSK调制与解调原理
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。
二进制相移键控中，载波的振幅和频率都是不变的，只有载波的相位随基带脉冲的变化而取相应的离散值。
通常用相位0°和180°来分别表示1或0。
这种PSK波形在抗噪声性能方面比ASK和FSK都好，而且频带利用率也高，所以在中高速数传中得到广泛的应用。
将信号源产生的双极性不归零信号直接同正弦载波相乘便可以得到2PSK调制信号。
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，而采用相干解调。
4.1.42DPSK调制与解调原理
前一个实验讲述了绝对调相2PSK的仿真系统，但在2PSK系统中，由于本地参考载波有0，180°模糊度，因而解调得到的数字信号可能极性完全相反，从而造成1和0倒置。
这对于数字传输来说当然是不能允许的。
克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的办法是在调制器输入的数字基带信号中采用差分编码，即相对调相，也称为二进制差分相移键控。
它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对相位变化传递数字信息。
2DPSK信号的产生：
图37
2DPSK信号解调：
4.2二进制数字调制与解调的仿真与分析
4.2.12ASK调制与解调的仿真与分析
系统的相关参数：
基带信号amplitu=0.5，offset=-0.5，rate=10。
输入的调制信号：
已调信号：
3.2调制解调系统：
系统相关参数：
基带信号频率=50HZ，电平=2，偏移=1，载波频率=1000HZ模拟低通频率=225HZ,极点数为3.系统运行时间为0.3S，采样频率=20000HZ。
模块3为原始信号：
模块8为解调后信号：
模块4为已调信号：
功率谱图：
Sink3输入信号
Sink8输出信号：
2ASK系统调制解调图对比：
3.3系统仿真结果分析:
如图所示调制信号Sink3的图形与解调后的信号Sink8图形基本一致，在每段的起始因为信号不稳定，所以出现了微小的波动。
这与滤波器滤波误差也相关。
相干解调需要插入相干载波，而非相干解调不需要载波，因此包络检波时设备较简单。
对于2ASK系统，大信噪比条件下使用包络检波，而小信噪比条件下使用相干解调。
4.2.22FSK调制与解调的仿真与分析
系统相关参数：
基带信号：
AMPLITUDE=0.5，offset=-0.5，rate=10HZ，反相器：
THRESHOLD=0.5，载波频率=10HZ。
基带信号：
经反相器后的信号：
已调信号一部分：
已调信号另一部分：
已调信号：
调制解调系统：
系统基本参数：
基带信号频率=50HZ，电平=2，偏移=0，半波整流器门限为0，sink8、sink14频率=500HZ，sink9、sink15频率=1000HZ。
模拟低通滤波器频率=225HZ，极点个数为7，运行时间=0.3S，采样频率=10000HZ。
模块7为原始信号：
模块19为解调后的信号
模块11为调制
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