基于SystemView的数字通信系统的仿真设计

1目录引言——————————————————————————————2第1章课程设计目的和要求及原理—————————————————21.1本课程设计的目的—————————————————————21.2课程设计的任务及要求———————————————————21.3课程设计的原理——————————————————————3第2章SystemView软件基本介绍——————————————————3第3章二进制振幅键控（2ASK）———————————————————53.12ASK的调制与解调原理———————————————————53.2仿真模型及结果波形图———————————————————6第4章二进制频移键控（2FSK）——————————————————114.12FSK的调制与解调原理——————————————————114.2仿真模型及结果波形图———————————————————12第5章二进制相移键控（2PSK）——————————————————165.12PSK的调制与解调原理———————————————————165.2仿真模型及结果波形图———————————————————17第6章二进制差分相移键控（2DPSK）————————————————216.12DPSK的调制与解调原理——————————————————216.2仿真模型及结果波形图———————————————————23第7章多进制振幅键控（4ASK）——————————————————277.14ASK的调制与解调原理———————————————————277.2仿真模型及结果波形图———————————————————27总结——————————————————————————————31参考文献————————————————————————————322引言通信的根本任务是远距离传输信息，准确地传输数字通信中的一个重要环节。设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的离散波形来表示数字信息。这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。由于未经调制的脉冲电信号所占据的频带通常从直流和低频开始，因而称为数字基带信号。在某些有线信道中，数字基带信号可以直接传输，这种传输方式称为数字信号的基带传输；而在另外一些信道想，数字基带信号必须经过调制，将信号频谱搬移到高频段才能在信道中传输，然后在收端用解调器把信道中传输的已调信号还原成基带信号，这种传输方式称为数字信号的频带传输（或载波传输）。基带传输包含着数字通信技术的许多问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此频带传输也存在基带问题，基带传输的许多问题，频带传输同样需考虑。如果把调制与解调过程看做是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。理论上还可证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总可以由一个等效的基带传输系统来代替。下面我们将介绍一些解决数字通信系统中的实际问题的一些方法。第1章课程设计目的和要求及原理1.1本课程设计的目的（1）使学生掌握系统各功能模块的基本工作原理；（2）培养学生掌握电路设计的基本思路和方法；（3）能提高学生对所学理论知识的理解能力；（4）能提高和挖掘学生对所学知识的实际应用能力和创新能力；（5）提高学生的科技论文写作能力。1.2课程设计的任务及要求1）基本要求：（1）学习SystemView仿真软件；（2）对需要仿真的通信系统各功能模块的工作原理进行分析；（3）提出系统的设计方案，选择合适的模块；（4）对所设计系统进行仿真；3（5）并对仿真结果进行分析。2）创新要求：在基本要求达到后，可进行创新设计，完善系统的性能。3）课程设计论文编写要求：（1）要按照书稿的规格打印誊写课程设计论文；（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等；（3）课程设计论文装订按学校统一要求完成。1.3课程设计的原理数字信号的传输方式可以分为基带传输和带通传输。为了使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，以使信号与信道特性相匹配。在这个过程中就要用到数字调制。在通信系统中，利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，来实现数字调制，这种方法通常称为键控法，主要对载波的振幅，频率，和相位进行键控。键控主要分为：振幅键控，频移键控，相移键控三种基本的数字调制方式。第2章SystemView软件基本介绍SystemView是一个用于现代科学与科学系统设计及仿真打动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统打设计与仿真，到一般打系统数字模型建立等各个领域，SystemView在友好而功能齐全打窗口环境下，为用户提供啦一个精密的嵌入式分析工具。进入SystemView后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件（File）、编辑（Edit）、参数优选（Preferences）、视窗观察（View）、便笺（NotePads）、连接（Connetions）、编译器（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11项功能菜单。如下图所示。4系统视窗左侧竖排为图符库选择区。图符块（Token）是构造系统的基本单元模块，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅是代表某一数学模型的图形标志（图符块），图符块的传递特性由该图符块所具有的仿真数学模型决定。创建一个仿真系统的基本操作是，按照需要调出相应的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来。这样一来，用户进行的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题，使用十分方便。进入系统后，在图符库选择区排列着8个图符选择按钮创建系统的首要工作就是按照系统设计方案从图符库中调用图符块，作为仿真系统的基本单元模块。可用鼠标左键双击图符库选择区内的选择按钮。当需要对系统中各测试点或某一图符块输出进行观察时，通常应放置一个信宿（Sink）图符块，一般将其设置为“Analysis”属性。Analysis块相当于示波器或频谱仪等仪器的作用，它是最常使用的分析型图符块之一。在SystemView系统窗中完成系统创建输入操作（包括调出图符块、设置参数、连线等）后，首先应对输入系统的仿真运行参数进行设置，因为计算机只能采用数值计算方式，起始点和终止点究竟为何值？究竟需要计算多少个离散样值？这些信息必须告知计算机。假如被分析的信号是时间的函数，则从起始时间到终止时间的样值数目就与系统的采样率或者采样时间间隔有关。实际上，各类系统或电路仿真工具几乎都有这一关键的操作步骤，SystemView也不例外。如果这类参数设置不合理，仿真运行后的结果往往不能令人满意，甚至根本得不到预期的结果。有时，在创建仿真系统前就需要设置系统定时参数。5时域波形是最为常用的系统仿真分析结果表达形式。进入分析窗后，单击“工具栏”内的绘制新图按钮（按钮1），可直接顺序显示出放置信宿图符块的时域波形，对于码间干扰和噪声同时存在的数字传输系统，给出系统传输性能的定量分析是非常繁杂的事请，而利用“观察眼图”这种实验手段可以非常方便地估计系统传输性能。实际观察眼图的具体实验方法是：用示波器接在系统接收滤波器输出端，调整示波器水平扫描周期Ts，使扫描周期与码元周期Tc同步（即Ts＝nTc，n为正整数），此时示波器显示的波形就是眼图。由于传输码序列的随机性和示波器荧光屏的余辉作用，使若干个码元波形相互重叠，波形酷似一个个“眼睛”，故称为“眼图”。“眼睛”挣得越大，表明判决的误码率越低，反之，误码率上升。SystemView具有“眼图”这种重要的分析功能。当需要观察信号功率谱时，可在分析窗下单击信宿计算器图标按钮，出现“SystemView信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮spectrum，完成功率谱的观察。第3章二进制振幅键控（2ASK）3.12ASK的调制与解调原理3.1.1调制原理振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。在二进制振幅键控中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通-断键控（OOK）。二进制振幅键控信号的产生通常有两种方法：模拟调制法和键控法，相应的调制器如图3-1所示。图（a)就是一般的模拟幅度调制的方法，用相乘器实现；图（b）是一种数字键控法，其中的开关电路受s（t）控制。本次课设用的是数字键控法。e2ASK(t)s（t）e2ASK(t)coswct（a）模拟相乘法（b）数字键控法图3-12ASK/OOK信号调制器原理框图乘法器coswct电子开关63.1.2解调原理与AM信号的解调方法一样。2ASK/OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），相应的接收系统组成方框图如图3-2所示。与模拟信号的接收系统相比，这里增加了一个“抽样判决器”方框，这对提高数字信号的接收性能是必要的。本次课设用的是相干解调。e2ASK(t)abcd输出定时脉冲（a）非相干解调方式e2ASK(t)abcd输出coswct定时脉冲（b）相干解调方式图3-22ASK/OOK信号的接收系统组成方框图3.2仿真模型及结果波形图3.2.1系统的调制部分带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器7波形图如下：3.2.2系统的调制与解调8波形图如下：3.2.3波形分析参数设置：1）载波频率设置为20HZ，调制信号为10HZ；2）低通滤波器的截至频率为10HZ，如下图：9波形说明：1）载波波形：2）调制波形：103）已调波形：4）解调波形：11第4章二进制频移键控（2FSK）4.12FSK的调制与解调原理4.1.1调制原理频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为：)cos()cos()(212nnFSKtwAtwAte2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种可以采用键控法实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一，如图4-1所示。本次课设用的是键控法实现。基带信号e2FSK(t)图4-1键控法产生2FSK信号的原理图4.1.2解调原理2FSK信号的常用解调方法是采用如图4-2所示的非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。这里的抽样判决时直接比较两路信号抽样值得大小，可以不专门设置门限。判决规则应与调制规则相呼应，调制时若规定“1”符号对应载波频率f1，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。本次课设采用相干解调。e2FSK(t)定时脉冲输出震荡器1f1选通开关相加器选通开关振荡器f2反相器带通滤波器w1带通滤波器w2包络检波器包络检波器抽样判决器12（a）非相干解调e2FSK(t)BPF11LPF抽样判决器输出抽样脉冲BPF2LPF相乘器相乘器cos1tcos2t(b)（b）相干解调4.2仿真模型及结果波形图4.2.1系统的调制部分波形图如下134.2.2系统的调制与解调波形图如下144.2.3波形分析参数设置：1）载波频率设置为20HZ，调制信号为10HZ；2）低通滤波器的截至频率为10HZ，如下图：波形说明：1）载波波形：152）调制波形：3）已调波形：4）解调波形：16第5章二进制相移键控（2PSK）5.12PSK的调制与解调原理5.1.1调制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。在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为：)cos()(2ncPSKtwAte2PSK信号的调制原理框