基于SystemView的PM系统设计..

xx《基于SystemView的PM系统设计》第1页共20页1基于SystemView的PM系统设计学生姓名：xx指导老师：单树民摘要调相（PhaseModulation，缩写：PM）是一种以载波的瞬时相位变化来表示信息的调变方式。在模拟应用中，载波的相位跟随输入信号的幅度直接成等比例变化。调相技术除直接用于传输外，也常用作间接产生PM信号的过渡。本课程设计主要是实现模拟信号的调相过程，同时对已调信号加以解调。设计通过SystemView软件实现系统的设计和仿真，最后仿真效果与理论分析一致。关键词调相；解调；设计和仿真；SystemView1、引言信号调制的本质是频谱的搬移，把携带基带信号的频谱搬移到较高的频带上，适于信道的传输。模拟信号的调相（PM），即已调信号瞬时相位偏移受基带信号的控制而改变的调制过程，调相信号的瞬时相位偏移与基带信号呈线性关系。已调信号频谱不会是原调制信号频谱的线性搬移，而会产生与频谱搬移不同的新的相位，故又称为非线性调制。本课程设主要是设计一个模拟信号的调相以及相干解调系统的传输过程，同时运用SystemView加以实现和仿真。1.1课程设计的目的首先要深入了解模拟信号调相以及解调的原理，同时掌握SystemView平台的使用，然后设计模拟系统的传输过程并仿真，观察调制信号与解调信号的波形，以及已调信号与调相信号的频谱变化，最后加入噪声，分析系统的抗噪声性能。xx《基于SystemView的PM系统设计》第2页共20页21.2课程设计的要求设计平台为SystemView集成环境。在SystemView下构建调制解调电路，运行仿真后，观察解调信号与调制信号的波形并分析，要求解调后的波形与调制波形基本一致。同时观察调制前后的信号频谱变化并分析，要求符合调相信号的频谱非线性搬移特性。在调制解调电路上加入噪声源（高斯白噪声）后，观察解调信号的失真情况并加以分析，要求系统在一定范围内具有良好的抗噪声性能。独立完成所有的设计。2、设计原理2.1调相信号的产生——直接调相法调相就是用调制信号控制载波的频率变化。调相信号的瞬时相位偏移可以表示为：)()(tmtKp其中）（t为载波瞬时相位偏移，)(tm为调制信号，pK为调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量。调相信号的时域表达式为：)](cos[)(tmKtAtSpcPM调相信号的产生这里主要介绍了直接调相法。直接调相就是用调制信号直接去控制载波振荡器的相位，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相位的叫做压控振荡器（VCO）。每个压控振荡器自身就是一个PM调制器，因为它的振荡相位正比于输入控制电压，即)()(tmtKpxx《基于SystemView的PM系统设计》第3页共20页3若用调制信号作控制电压信号，就能产生PM波，如图2.1：图2.1调相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相，由于电路简单，性能良好，已成为目前最广泛采用的调相电路之一。在直接调相法中，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相的要求下，可以获得较大的相偏；其主要缺点是相位稳定度不高。2.2调相信号的解调——相干解调由于调相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2.2PM信号相干解调根据公式可以设调相信号)](cos[)(tmKtAtSpcPMxx《基于SystemView的PM系统设计》第4页共20页4并设相干载波ttccsin)(则相乘器的输出为)2cos1(])()([22sin2)(tdmKAtAtscpcp经过低通滤波器取出其低频分量dmKAtspd)(2)(再经微分器，即得解调输出)(2)(tmAKtmpo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、设计步骤3.1设计模拟调相与解调系统利用SystemView的设计窗口，绘制出模拟信号调相与解调系统流程。由于SystemView系统是一个离散时间系统[4]。在每次系统运行之前，首先需要设定一个系统频率。仿真各种系统运行时，先对信号以系统频率进行采样，然后按照系统对信号的处理计算各个采样点的值，最后在输出时，在观察窗内，按要求画出各个点的值或拟合曲线。本次系统的时间设置为：起始时间（StartTime）1s，停止时间（StopTime）2s,时间间隔（TimeSpacing）0.001s，样本数（No.ofSample）1001，具体在SystemView中实现如图3.1：xx《基于SystemView的PM系统设计》第5页共20页5图3.1时间设置设置系统时间之后，就利用设计窗口绘制模拟信号的调相与解调的SystemView模型，设计参数如下：图符14：积分器，增益为0。图符0：调制信号，设置为正弦曲线，振幅为1v,，频率为10Hz，初始相位为0；图符1：调相器，振幅为1v，频率为100Hz，相位为0，增益为50Hz/v。SystemView中提供的调相器实现了系统的调相过程，相当于原理中直接调相法中的压控振荡器。图符2：带通滤波器，滤波器类型为切比雪夫带通滤波器，滤波器阶数为3，最低频率为90Hz，最高频率为100Hz。带通滤波器是为了让调制信号顺利通过，同时滤除带外噪声及高次谐波分量。图标3：乘法器，将已调信号与相干载波相乘。图标5：反相器，相干载波源提供信号，再通过反相器得到系统所需相干载波。图标6：低通滤波器，滤波器类型为切比雪夫，阶数为5，低通频率为10，xx《基于SystemView的PM系统设计》第6页共20页6通过低通滤波器，取出相乘器输出信号的低频分量。图标7：微分器，增益为0，信号的低频分量经过微分器，即可得到解调信号。图标8，9，10：信号接受器上述所有参数如表3-1所示：表3-1PM调制解调系统图符设置图符编号库、图符名称参数0Source：SinusoidAmp=1v，Freq=10Hz，Phase=0deg1Function：PMAmp=1v，Freq=100Hz，ModGain=50表3-1续PM调制解调系统图符设置图符编号库、图符名称参数2Operator：LinearSysChebyshevBandpass，3Poles，LowCuttoff=90，HighCuttoff=1003Multiplierxx《基于SystemView的PM系统设计》第7页共20页75Negate6Operator：LinearSysChebyshevLowpassIIR，5Poles，Fc=10Hz7DerivativeGain=08、9、10Sink：Analysis相关元件参数如下图1、2、3、4所示：图1输入信号的参数xx《基于SystemView的PM系统设计》第8页共20页8图2带通滤波器图1图3带通滤波器图2xx《基于SystemView的PM系统设计》第9页共20页9图4低通滤波器综上所述，设计系统首先通过信号源（图标0），提供调制信号，经过积分器（图标14），然后信号通过调相器（图标1），对调制信号进行调相，得到调相信号，再经过加法器（图标12）。接下来，调相信号进入相干解调部分。调相信号经过一个带通滤波器（图标2）滤除调相信号中的外带噪声和高次谐波分量，然后加入一个相干载波与调相信号相乘。相干载波由信号源（图标4）通过反相器（图标5）得到。相乘后的信号经过低通滤波器（图标6），取出低频分量，再经过微分器（图标7），即得到解调输出。具体在SystemView中实现，如图3.2所示：xx《基于SystemView的PM系统设计》第10页共20页10图3.2模拟系统调相与解调的SystemView模型在设计系统模型中主要遇到了一下几个难点：1.带通滤波器和低通滤波器的参数设置遇到了障碍，最后通过分析调制信号以及调相器的参数，反复修改验证，得到了系统所需滤波器的参数。2..起初设计系统时没有考虑调制信号的延时问题，仿真后，解调信号和调制信号波形频率振幅相等，但是画到一起吻合效果不明显，如图3.3所示：图3.3未加延时器是调制信号和解调波形xx《基于SystemView的PM系统设计》第11页共20页11加入延时器后，这一问题得到解决，具体效果可参照下一小节的调制波形与解调波形的分析比较。3.2调制信号、调相信号、解调信号的波形分析运行SystemsView模拟信号调相与解调模型以后，可以得到如图3.4所示的调制信号与解调信号：图3.4调制信号与解调信号由图3.4的调制信号与解调信号效果图可以明显的看出调制信号与解调信号基本重叠，仅是起始端有些细微的差别，这是因为解调系统在此时还未能进入状态，还未能对信号进行正确的解调，从图中可以看出经过很短的时间，相干解调系统就实现了对信号的正确解调。因此可以证明系统的设计是成功的。通过SystemView分析窗口中的“SinkCalcutor”也就是接受计算器可以计算出调制信号的频谱以及调相信号的频谱，计算结果如图3.5和图3.6：xx《基于SystemView的PM系统设计》第12页共20页12图3.5调制信号的频谱图3.6调相信号的频谱比较调制信号与调相信号的频谱可以明显的看出调相信号相对于调制信号频谱扩展了，这可以充分证明调相是非线性调制，正如调相的原理所述，调制信号的频谱不是原调制信号的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率部分，故又称为非线性调制。同时从调相信号的时域波形（图3.7）可以明显的看出，调制信号的频率明显增高，这完全符合引言中对于调制本质的描述，调制的本质就是把携带基带xx《基于SystemView的PM系统设计》第13页共20页13信号的频谱搬移到较高的频带上。图3.7调相信号时域波形综上所述，本次设计的模拟调相与相干解调系统实现了信号的调制与解调的过程，仿真波形与频谱也符合原理的描述。3.3系统的抗噪声性能加入噪声后，系统的SystemView模型如图3.8所示：图3.8加入噪声后的系统SystemView模型xx《基于SystemView的PM系统设计》第14页共20页14由于加性噪声被认为只对已调信号的接受产生影响，因而通信系统的抗噪声性能可以通过解调系统的抗噪声性能来衡量。设计中，在调制信号进入解调系统之前加入一个高斯白噪声，噪声由信号源（图符17）提供，通过加法器（图符12），加入系统中。系统加入噪声后的模型相对原系统增加了以下两个图符：图符12：加法器，将噪声加入调相信号图符17：噪声源，高斯白噪声上述参数如表3-2所示：表3-2系统加入噪声后的补充图符设置图符编号图符名称参数12Adder17Source：GaussNoiseAmp=1v再次运行系统可以得到输入与输出波形对比，如图3.9所示：xx《基于SystemView的PM系统设计》第15页共20页15图3.9噪声为1.0V时输入信号与输出信号的对比由此解调波形可知，加入噪声后的解调波形严重失真，为了解决失真严重的问题，可以尝试改变高斯白噪声的幅值，减小噪声。第一次将1.0v的幅值降到了0.8v，从图3.10可以明显的看出解调信号的失真情况得到了缓解，虽然还不是很理想，但是可以证明减小噪声幅值，可以减小失真，因此可以继续尝试，得到理想的解调波形。第二次将幅值降到了0.5v，如图3.11，失真相对于0.8v的幅值又有了一定程度的减小。第三次将幅值降到了0.2v，如图3.12，失真相对于0.5V的幅值进一步减小。第四次将幅值降到0.1v，如图3.13，失真就已经比较小了。由上述过程可以看出系统在加入高斯白噪声的幅值小于0.2v时抗噪声性能良好。xx《基于SystemView的PM系统设计》第16页共20页16图3.10噪声为0.8V是输入信号与输出信号的对比图3.11噪声为0.5V时输入信号与输出信号的对