FM积分鉴频器在System View仿真软件中的应用Word文件下载.docx

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无疑，这对具体实现有十分重要的意义。

基于这一点，世界各软件厂商纷纷推出各种用于系统分析设计的工具软件，其中SystemView就是一个非常优秀的工具软件。

本文首先介绍SystemView的特点、应用领域以及各种库模型，接着介绍了FM积分鉴频器的工作原理，最后在此基础上对FM积分鉴频器进行了全面分析与仿真，从而说明电路参数对系统性能的影响等。

2　目前通信系统仿真的主要方式

2.1硬件实现方式

即利用示波器、波形分析仪观察信号的波形，分析信号的组成，利用选频电平表或频谱分析仪测试信号的频谱或系统的幅频特性，用电子器件实现系统的模拟等。

由于硬件实现方式要求投入的设备资金比较多，常常因资金短缺而不能实现。

2.2软件实现方式

目前利用软件实现通信仿真系统的方法有若干种。

常用的几种如下:

2.2.1利用C语言编程实现

这种方法只需要提供微机和C语言环境就可以进行了。

这种方法能使学生有针对性把所学的理论知识与C语言编程结合起来，提高了上机能力。

但需要学生有较强的C语言编程能力和对理论内容有较深的理解。

如果学生在这方面能力较差,实验效果就不理想。

2.2.2利用Matlab软件实现

Matlab软件是由Mathworks公司开发的一种交互式的以矩阵为基础的系统,他用于科学和工程的计算与可视化。

他的力量在于他只需用其他编程语言的几分之一的时间就可方便地解决复杂的数值计算问题，这在于他相对简单的编程功能。

也就是这一点，还是需要编程，熟悉还是需要一定的时间。

2.2.3利用Pspice软件实现

由美国Microsim公司开发的Pspice软件想必大家不会感到陌生，这个软件充分利用了计算机图形处理技术，可以在计算机显示设备上做到输入、输出图形化。

但是，在使用Pspice分析系统（或电路）时，需要画出具体电路图，然后再进行直流、交流小信号、瞬态分析，也就是说，这种方法离不开具体电路，具有一定的局限性。

2.2.4利用SystemView软件实现

美国ELANIX公司的SystemView是一个完整的动态系统设计、仿真和分析的可视化设计环境。

它运行于微软的Windows，并提供开发各种系统的模拟和数字工具。

包括数字信号处理、通信、控制以及构造通用数学模型。

SystemView是从系统定义直到硬件原型测试的设计周期的一个关键元素。

它不但使设计人员能够设计、开发和测试子系统，而且能全面地集成系统。

直观而有力的SystemView提供模拟、数字、混合模式系统的开发，线性和非线性系统的设计等。

它的用户界面使这些特点非常容易理解，而用于通信、逻辑、DSP和射频/模拟设计的大量可供选择的库能够使设计人员灵活使用SystemView,设计各类特殊的应用。

因此，使用SystemView软件仿真可以收到比较好的效果。

3动态系统仿真设计软件SystemView简介

3.1SystemView的特点

3.1.1强大的动态系统设计与仿真功能

SystemView提供了开发电子系统的模拟和数字工具，包含几百种信号源、接收端、操作符和功能块，各功能模块都用形象直观的图符表示，使用SystemView不用编程，只需用鼠标从SystemView库中选择图符，并将他们拖到设计窗口中就可以构造出各种线性和非线性、离散和连续、模拟、数字、模数混合系统以及各种多速率系统，可用于各种线性和非线性控制系统的仿真。

由于SystemView的所有图符都有相似的参数定义窗口，我们所做的只是根据需要修改所调用图符的参数。

3.1.2方便快捷

SystemView使用了用户熟悉的Windows界面的功能键，用户可以方便快捷地在设计窗口和分析窗口之间切换，对所设计系统进行时域和频域分析，分析窗口中的分析结果以图形直观显示，使得对所设计系统的修改、调试简单易行，达到实时修改、实时显示的操作效果。

用户还可以在屏幕上给设计系统加上注解，在SystemView高版本中，系统输出的波形图可以方便的插入Word中进行编辑。

3.1.3可扩展性

SystemView允许用户输入数据，并对其进行处理，也可以将处理结果输出到外部数据文件。

另外，他还提供了与VC++及Matlab的接口，用户可以方便地调用其函数或自定义图标功能。

SystemView支持嵌入式系统和多层子系统、全部的逻辑功能、开关和非线性装置组件，完整的信号源,内部系统诊断和连接检查,分析窗口的多图显示，在线帮助系统，使你能够快速方便地设计、开发和测试各种系统。

3.2SystemView的应用领域

SystemView在信号处理、通信和控制系统的应用，包括模拟、数字和混合模式的系统，相位和频率锁相环，调制、解调和通道建模，完整的DSP系统设计和测试，模拟到数字变换系统、量化和采样系统（包括δ—σ数据转换）、同相和正交系统，线性和非线性系统设计和测试，线性和非线性微分方程的解（包括模糊理论），控制系统设计和测试等。

3.3使用SystemView进行系统仿真的步骤

使用SystemView进行系统仿真，一般要经过以下几个步骤:

3.3.1建立数学模型

根据系统的基本工作原理，确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分的关系，画出系统框图。

3.3.2组建系统

在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接受器图符库中选取满足需要的功能模块,将其图符拖到设计窗口,按设计的系统框图组建系统。

3.3.3设置参数

参数设置包括运行系统参数设置（系统模拟时间,采样速率等）和功能模块运行参数（正弦信号源的频率、幅度、初相,低通滤波器的截止频率、通带增益、阻带衰减等）。

3.3.4分析模拟数据和波形

在系统的关键点处设置观察窗口,用于检查、监测模拟系统的运行情况,以便及时调整参数,分析结果。

4SystemView的功能模块库

4.1标准的功能模块库

功能模块是SystemView仿真的基本构造模型。

在SystemView的功能模型库中包括:

信源、汇点、操作符和函数等多种功能模块，其中:

4.1.1信源库

SystemView为用户提供了大量的多样化的信源作为系统的输入。

因为每个系统至少要有一个信源输入，因此用户也可以定义一个外部文件作为系统的信源。

其所提供的系统信源模型包括:

a）正弦/周期信号源负责产生周期性的信号,用户可以自行定义其频率、幅度和相位；

b）噪声/伪随机序列源可利用一个随机数字发生器生成样本对系统的统计特性进行分析；

c）非周期信号/外部源为系统仿真提供非周期性的信号，用户也可以将自定义的外部文件作为信源。

4.1.2汇点库

SystemView的汇点用于存贮功能模块输出的数据，使用户能在分析窗口下对存贮的所有数据进行分析和处理。

汇点模型库中包含的汇点有:

a）分析汇点:

用户可利用分析汇点采集所要分析的数据，以及将数据以不同的文件形式输出；

b）数据显示汇点:

可以把数据直接显示在屏幕上，使用户能很方便地对系统进行调试；

c）图形显示汇点:

用以显示SystemView设计区内的信号图形。

4.1.3操作符库

SystemView的操作符可对输入信号进行某种运算。

设x（t）是输入的时间函数,y（t）是输出时间函数，Opr{}是某种运算（例如微分运算），那么其一般形式是:

y（t）=Opr{x（t）}。

SystemView操作符主要包括:

a）滤波器/线性系统操作符可完成各种线性系统的操作，及模拟和数字滤波器的设计；

b）采样/保持操作符可改变系统内部的采样频率；

c）逻辑操作符可以进行基于采样值的各种逻辑操作；

d）积分/微分操作符可以进行分析性的操作；

e）延时操作符可以通过附加基于时间或采样频率的延时来修正仿真数据流。

另外，还有一个是增益/以例操作符，不再赘述。

4.1.4函数库

SystemView的函数库是可以用数学表运式，如y（t）=F{x（t）}来描述的功能模块。

这里的x（t）是输入时间函数，y（t）是输出时间函数，F{}是某种数学表这式。

SystemView的函数库包括:

a）非线性函数可作为传输函数使用，其中Xtrnl函数可以从一个外部文件中执行一个用户自定义的传输函数；

b）函数群可以进行各种超越函数的运算；

c）复数运算用复函数进行各种复代数运算；

d）代数函数对输入信号进行各种代数运算，其中多项式函数可以定义至五阶，矢量函数可以把所有的输入看成为矢量，输出也可看成是一个矢量，计算方法由用户自定义的参数确定；

e）相位/频率函数用于正弦信号的相位调制和频率调制；

f）复合函数主要用于实现数据的合并和压缩。

4.2　非标准功能模块库

除了上述标准的功能模块库以外,还提供了一些用于特定应用场合的功能模块库,这些功能模块库包括:

4.2.1自定义选项库

允许用户建之自己定义的功能模块库。

在建立自定义的选项库中必须用C语言进行编程，并插入SystemView给定的标准功能模块样板中，一般使用的扩展名为.DLL。

用户可以利用任何一种C语言编辑软件进行调试和编译。

用户的自定义功能模块将被自动地并入SystemView的功能模块库中，像使用原有的标准功能模块一样使用这些自定义功能模块。

4.2.2通信功能模块库

该模块库包括一系列在现代通信系统仿真和设计中所需要的辅助工具。

用户利用该模块库可以在个人计算机上实现完整的通信系统的仿真。

所包含的模型有:

差错控制编码器（各种编码,如BCH码、RS码、Golay码、Viterbi码、Gray码）、信道、调制器、解调器、基带脉冲整形、模/数变换器、数/模变换器、误码率（BER）计数器以及各种分频器、锁相环和科斯塔斯环等等。

在实际应用当中，误码率（BER）是衡量系统性能优劣的指标，用户可以通该模型，结合SystemView所具有的自动通过系统回路动态调整参数的特点，计算通信系统的误码率，并在仿真后得到完整的误码率曲线。

4.2.3DSP功能模块库

包括各种C4x标准及其扩展的数学运算器件、传统型或IEEE标准及其扩展数学运算器件、FIR滤波器和IIR滤波器设计模型、定长二进制相加或相乘以及可变数码率缓冲器等等。

4.2.4逻辑功能模块库

包括各种触发器（D触发器、JK触发器等）、计数器、分频器、编码器和解码器等等。

4.2.5模拟功能模块库

包括各种放大器、运算放大器电路，有源和无源混频器、功率分配和合并、各种二极管/三极管电路，电阻—电感—电容电路（模拟滤波器）等等。

5积分鉴频器的工作原理及仿真模型

在构建SystemView仿真系统之前，还是先简单分析一下积分鉴频器的工作原理。

5.1　频率调制

在连续波调制中，载波可表示为：

c（t）=Acos（ωct+φ）其中幅度A、角频率ωc和相位φ这三个参数都可以用来携带信息而构成调制信号。

如果幅度A和角频率ωc保持不变，而瞬时角频率是调制信号f（t）的线性函数时，这种调制方式称为频率调制。

此时瞬时角频率偏移为：

Δω=KFMf（t）

瞬时角频率为:

ф（t）=ωct+KFM∫f（t）dt

式中KFM称为频偏常数，有时也称为调频器的灵敏度，单位为弧度/秒/伏。

调频波的瞬时相位为:

调频波的时间表达式为：

SFM（t）=Acos[ωct+KFM∫f（t）dt]

如果调制信号为单余弦时：

f（t）=Amcosωmt

则调频波的时间表达式为:

SFM（t）=Acos[ωct+KFMAm∫cosωmt]

=Acos[ωct+βFMsinωmt]

上式中βFM=KFMAm/ωm称为调频指数，KFMAm为最大角频率偏移。

调频波的瞬时频率偏移与调制信号f（t）成线性关系，而它的瞬时相位偏移与调制信号f（t）的积分成线性关系。

对于采用单音调制时的调相和调频信号，如果都用瞬时角频率表示，则分别为:

SPM（t）=Acos[ωc-βPMsinωmt]t

SFM（t）=Acos[ωc+KFMAmcosωmt]t

从频率调制的相位与频率关系可以看出，调频信号可通过直接调频和间接调频两种方法得到，所谓间接调频就是先对调制信号积分再调相而得到。

同样，调相信号也可以通过直接调相和间接调相这两种方法得到，间接调相就是先对调制信号进行微分再进行频率调制。

根据调制后已调信号的瞬时相位偏移的大小，可将角度调制分为宽带调制（宽带调频和宽带调相）和窄带调制（窄带调频和窄带调相）。

如果调频信号或调相信号的最大瞬时相位偏移保持在很小的范围内，一般小于30°

，即满足条件

∣KFM∫f（t）dt∣max<

<

п/6（调频）

∣KFMf（t）dt∣min<

п/6（调相）

时，则称为窄带调频或窄带调相。

当上述条件不满足时，就称为宽带调频或宽带调相。

当β<

1时，存在sinβ≈β，cosβ≈1。

由三角函数展开式：

cos（α+β）=cosαcosβ—sinαsinβ

≈cosα—βsinαβ<

1

可将窄带调频表示式简化为：

SFM（t）=Acos[ωct+KFMAm∫f（t）dt]

=Acosωct-AKFM[∫f（t）dt]sinωct（KFM∣∫f（t）dt∣max<

1）

由上式作为数学模型，可建立窄带调频的原理框图，如图1所示。

图2是调制信号的波形图。

该方法为间接调频法。

该方法最先由阿姆斯特朗（Armstrong）提出，因此也称为阿姆斯特朗法。

5.2　窄带调频信号的解调

窄带调频可以由乘法器来实现，因此一定可以用相干解调的方法来恢复原调制信号。

另一种流行的集成电路方式的FM解调器就是所谓的积分鉴频器或积分检波器。

如图3所示，这类FM解调器在很多单片FM收音机和接收机芯片中使用。

在构建SystemView仿真系统前，先简单地分析一下积分鉴频器的工作原理。

图3中，输入的调频信号被连接到乘法器的一个输入端，经过一个耦合电容与一个LC并联谐振回路组成的移相电路产生正交信号作为乘法器的另一个输入。

所有相移由耦合电容产生的相移及谐振回路产生的附加相移两部分组成。

由于LC谐振在载波频率fc上，因此，谐振电路产生的相移是时变信号，此时信号的变化与输入信号的频率偏移成正比。

在图3中，输入的调频信号被连接到乘法器的一个输入端，经过一个耦合电容与一个LC并联谐振回路组成的移相电路产生正交信号，作为乘法器的另一个输入。

如果输入的FM信号表示为

Xc（t）=Accos[ωct+φ（t）]

则通过上述电路产生的正交信号为

Xquard（t）=K1Acsin[ωct+φ（t）+K2（dφ（t）/dt）]

其中，常数K1和K2由电路调整参数确定。

乘法器的输出为

Xout（t）=1/2K1Ac2{sin[K2（dφ（t）/dt）]+sin[2ωct+2φ（t）+K2（dφ（t）/dt）]}

其中，后一个频率分量中的和项可以在乘法器后用低通滤波器滤除，因此输出项可化简为

Xout（t）=1/2K1Ac2sin[K2（dφ（t）/dt）]

通过选取适当的参数K2，使正弦函数的自变量<

1，进一步近似为

Xout（t）=1/2K1K2Ac2（dφ（t）/dt）=1/2K1K2Ac2KFMm（t）

通常意义上讲，类似上述的积分鉴频器只能用基于电路的工具仿真，但事实上并非如此，上述电容器及谐振回路的相移可以用两种方法来实现仿真：

一种方法是用一个希尔伯特（Hilbert）变换滤波器来实现，由于希尔伯特变换滤波器会引起整个频率通带内的信号产生900相移，这一特性要通过希尔伯特变换滤波器的波特图观察得到；

另一种方法是通过一个简单的延时电路来产生，延迟电路可以产生相当于载波信号四分之一周期的延迟，由于在载波中心频率上有我们所希望的900相移，因此可把并联LC谐和振回路看成是一个二阶带通滤波器（一阶低通原形），这个带通滤波器的带宽波用于设置谐振回路的Q值以控制参数K2。

5.3　仿真模型及结果分析

如图4所示，由上述分析可以得到FM积分鉴频器的SystemView仿真设计图。

其中包含了上述两种移相电路，两种电路的仿真结果十分相似。

在这个仿真模型中系统采样速率为1600Hz，调制信号频率为10Hz，载波频率为400Hz，调频信号可用系统函数库中内置的FM调制器图符来产生，并设调制增益为10Hz/V。

如图5所示的是调制器输出的频谱。

如果将采样频率设置为载波频率的4

倍，四分之一周期（约625s）的延迟正好获得完全的90°

相移。

对线性系统设计窗口中得到的LC谐振电路的仿真模型求波特图可得到其相位和频率幅度特

性，可观察到400Hz的载波频率处相位与频偏成线性关系，即如图6所示的移相电路的波特图。

图7是解调后的输出波形。

将延迟线（图符0）移相的输入输出断开，用希尔伯特变换滤波器移相电路（图符8）代替，重新运行仿真系统，可得到相同的结果。

能用作鉴频器的电路类型很多，如相位鉴频器、比例鉴频器等。

值得一提的是，在近代通信系统中，利用性能优良而且易于集成的锁相环解调器对FM信号进行解调，在窄带FM通信中也是常用的方法。

6结论

综上所述,SystemView拥有全面而庞大的功能模块库和各种强有力的辅助工具,而且使用起来简单方便,非常适合作为各种系统设计和仿真的软件平台。

在实际科研和生产中,限于经济条件,一个系统的开发往往需要先经过仿真验证之后才能投入生产,因此SystemView也就成为广大科研人员和生产者必不可少的系统开发工具。

参考文献:

[1]罗卫兵等.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计[M].西安：

西安电子出版社，2001.

[2]青松等.数字通信系统的SystemView仿真与分析[M].北京：

北京航空航业大学出版社，2001.

[3]樊昌信等.通信原理（第五版）[M].长沙：

国防工业出版社，2000.

致谢