基于SystemView的數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

1、目錄引言 2第1章 課程設(shè)計(jì)目的和要求及原理 2 1.1 本課程設(shè)計(jì)的目的 2 1.2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求 2 1.3課程設(shè)計(jì)的原理 3第2章SystemView軟件基本介紹 3第3章 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK） 5 3.1 2ASK的調(diào)制與解調(diào)原理 5 3.2 仿真模型及結(jié)果波形圖 6第4章 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK） 11 4.1 2FSK的調(diào)制與解調(diào)原理 11 4.2仿真模型及結(jié)果波形圖 12第5章 二進(jìn)制相移鍵控（2PSK） 16 5.1 2PSK的調(diào)制與解調(diào)原理 16 5.2 仿真模型及結(jié)果波形圖 17第6章 二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）21 6.1 2DPSK的調(diào)制與解調(diào)原理

2、21 6.2 仿真模型及結(jié)果波形圖 23第7章 多進(jìn)制振幅鍵控（4ASK） 27 7.1 4ASK的調(diào)制與解調(diào)原理 27 7.2 仿真模型及結(jié)果波形圖 27總結(jié) 31參考文獻(xiàn) 32引言 通信的根本任務(wù)是遠(yuǎn)距離傳輸信息，準(zhǔn)確地傳輸數(shù)字通信中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)數(shù)字傳輸系統(tǒng)的基本考慮是選擇一組有限的離散波形來(lái)表示數(shù)字信息。這些離散波形可以是未經(jīng)調(diào)制的不同電平信號(hào)，也可以是調(diào)制后的信號(hào)形式。由于未經(jīng)調(diào)制的脈沖電信號(hào)所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開(kāi)始，因而稱為數(shù)字基帶信號(hào)。在某些有線信道中，數(shù)字基帶信號(hào)可以直接傳輸，這種傳輸方式稱為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸；而在另外一些信道想，數(shù)字基帶信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)制，將信號(hào)

3、頻譜搬移到高頻段才能在信道中傳輸，然后在收端用解調(diào)器把信道中傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)還原成基帶信號(hào)，這種傳輸方式稱為數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸（或載波傳輸）?；鶐鬏敯鴶?shù)字通信技術(shù)的許多問(wèn)題，頻帶傳輸是基帶信號(hào)調(diào)制后再傳輸?shù)?，因此頻帶傳輸也存在基帶問(wèn)題，基帶傳輸?shù)脑S多問(wèn)題，頻帶傳輸同樣需考慮。如果把調(diào)制與解調(diào)過(guò)程看做是廣義信道的一部分，則任何數(shù)字傳輸系統(tǒng)均可等效為基帶傳輸系統(tǒng)。理論上還可證明，任何一個(gè)采用線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總可以由一個(gè)等效的基帶傳輸系統(tǒng)來(lái)代替。下面我們將介紹一些解決數(shù)字通信系統(tǒng)中的實(shí)際問(wèn)題的一些方法。第1章 課程設(shè)計(jì)目的和要求及原理1.1 本課程設(shè)計(jì)的目的（1）使學(xué)生掌握系統(tǒng)各功能模塊

4、的基本工作原理；（2）培養(yǎng)學(xué)生掌握電路設(shè)計(jì)的基本思路和方法；（3）能提高學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解能力；（4）能提高和挖掘?qū)W生對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力；（5）提高學(xué)生的科技論文寫(xiě)作能力。1.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求1）基本要求： （1）學(xué)習(xí)SystemView仿真軟件； （2）對(duì)需要仿真的通信系統(tǒng)各功能模塊的工作原理進(jìn)行分析； （3）提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，選擇合適的模塊； （4）對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真； （5）并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。2）創(chuàng)新要求： 在基本要求達(dá)到后，可進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，完善系統(tǒng)的性能。3）課程設(shè)計(jì)論文編寫(xiě)要求： （1）要按照書(shū)稿的規(guī)格打印謄寫(xiě)課程設(shè)計(jì)論文； （2）論文包括目錄、

5、緒論、正文、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、謝辭、附錄等； （3）課程設(shè)計(jì)論文裝訂按學(xué)校統(tǒng)一要求完成。1.3課程設(shè)計(jì)的原理 數(shù)字信號(hào)的傳輸方式可以分為基帶傳輸和帶通傳輸。為了使信號(hào)在帶通信道中傳輸，必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道特性相匹配。在這個(gè)過(guò)程中就要用到數(shù)字調(diào)制。 在通信系統(tǒng)中，利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)鍵控載波，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，這種方法通常稱為鍵控法，主要對(duì)載波的振幅，頻率，和相位進(jìn)行鍵控。鍵控主要分為：振幅鍵控，頻移鍵控，相移鍵控三種基本的數(shù)字調(diào)制方式。第2章SystemView 軟件基本介紹SystemView是一個(gè)用于現(xiàn)代科學(xué)與科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真打動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析平臺(tái)。從濾

6、波器設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、完整通信系統(tǒng)打設(shè)計(jì)與仿真，到一般打系統(tǒng)數(shù)字模型建立等各個(gè)領(lǐng)域，SystemView在友好而功能齊全打窗口環(huán)境下，為用戶提供啦一個(gè)精密的嵌入式分析工具。進(jìn)入SystemView后，屏幕上首先出現(xiàn)該工具的系統(tǒng)視窗，系統(tǒng)視窗最上邊一行為主菜單欄，包括：文件（File）、編輯（Edit）、參數(shù)優(yōu)選（Preferences）、視窗觀察（View）、便箋（NotePads）、連接（Connetions）、編譯器（Compiler）、系統(tǒng)（System）、圖符塊（Tokens）、工具（Tools）和幫助（Help）共11項(xiàng)功能菜單。如下圖所示。 系統(tǒng)視窗左側(cè)豎排為圖符庫(kù)選擇區(qū)。圖符塊（T

7、oken）是構(gòu)造系統(tǒng)的基本單元模塊，相當(dāng)于系統(tǒng)組成框圖中的一個(gè)子框圖，用戶在屏幕上所能看到的僅僅是代表某一數(shù)學(xué)模型的圖形標(biāo)志（圖符塊），圖符塊的傳遞特性由該圖符塊所具有的仿真數(shù)學(xué)模型決定。創(chuàng)建一個(gè)仿真系統(tǒng)的基本操作是，按照需要調(diào)出相應(yīng)的圖符塊，將圖符塊之間用帶有傳輸方向的連線連接起來(lái)。這樣一來(lái)，用戶進(jìn)行的系統(tǒng)輸入完全是圖形操作，不涉及語(yǔ)言編程問(wèn)題，使用十分方便。進(jìn)入系統(tǒng)后，在圖符庫(kù)選擇區(qū)排列著8個(gè)圖符選擇按鈕創(chuàng)建系統(tǒng)的首要工作就是按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案從圖符庫(kù)中調(diào)用圖符塊，作為仿真系統(tǒng)的基本單元模塊?？捎檬髽?biāo)左鍵雙擊圖符庫(kù)選擇區(qū)內(nèi)的選擇按鈕。 當(dāng)需要對(duì)系統(tǒng)中各測(cè)試點(diǎn)或某一圖符塊輸出進(jìn)行觀察時(shí)，通常應(yīng)

8、放置一個(gè)信宿（Sink）圖符塊，一般將其設(shè)置為“Analysis”屬性。Analysis塊相當(dāng)于示波器或頻譜儀等儀器的作用，它是最常使用的分析型圖符塊之一。 在SystemView系統(tǒng)窗中完成系統(tǒng)創(chuàng)建輸入操作（包括調(diào)出圖符塊、設(shè)置參數(shù)、連線等）后，首先應(yīng)對(duì)輸入系統(tǒng)的仿真運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能采用數(shù)值計(jì)算方式，起始點(diǎn)和終止點(diǎn)究竟為何值？究竟需要計(jì)算多少個(gè)離散樣值？這些信息必須告知計(jì)算機(jī)。假如被分析的信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)，則從起始時(shí)間到終止時(shí)間的樣值數(shù)目就與系統(tǒng)的采樣率或者采樣時(shí)間間隔有關(guān)。實(shí)際上，各類系統(tǒng)或電路仿真工具幾乎都有這一關(guān)鍵的操作步驟，SystemView也不例外。如果這類參數(shù)設(shè)

9、置不合理，仿真運(yùn)行后的結(jié)果往往不能令人滿意，甚至根本得不到預(yù)期的結(jié)果。有時(shí)，在創(chuàng)建仿真系統(tǒng)前就需要設(shè)置系統(tǒng)定時(shí)參數(shù)。 時(shí)域波形是最為常用的系統(tǒng)仿真分析結(jié)果表達(dá)形式。進(jìn)入分析窗后，單擊“工具欄”內(nèi)的繪制新圖按鈕（按鈕1），可直接順序顯示出放置信宿圖符塊的時(shí)域波形，對(duì)于碼間干擾和噪聲同時(shí)存在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，給出系統(tǒng)傳輸性能的定量分析是非常繁雜的事請(qǐng)，而利用“觀察眼圖”這種實(shí)驗(yàn)手段可以非常方便地估計(jì)系統(tǒng)傳輸性能。實(shí)際觀察眼圖的具體實(shí)驗(yàn)方法是：用示波器接在系統(tǒng)接收濾波器輸出端，調(diào)整示波器水平掃描周期Ts，使掃描周期與碼元周期Tc同步（即TsnTc，n為正整數(shù)），此時(shí)示波器顯示的波形就是眼圖。由于傳輸碼

10、序列的隨機(jī)性和示波器熒光屏的余輝作用，使若干個(gè)碼元波形相互重疊，波形酷似一個(gè)個(gè)“眼睛”，故稱為“眼圖”?！把劬Α睊甑迷酱螅砻髋袥Q的誤碼率越低，反之，誤碼率上升。SystemView具有“眼圖”這種重要的分析功能。 當(dāng)需要觀察信號(hào)功率譜時(shí)，可在分析窗下單擊信宿計(jì)算器圖標(biāo)按鈕，出現(xiàn)“SystemView信宿計(jì)算器”對(duì)話框，單擊分類設(shè)置開(kāi)關(guān)按鈕spectrum，完成功率譜的觀察。 第3章 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）3.1 2ASK的調(diào)制與解調(diào)原理 3.1.1調(diào)制原理 振幅鍵控是利用載波的幅度變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不 變。在二進(jìn)制振幅鍵控中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)二

11、進(jìn)制信 息“0”或“1”。一種常用的、也是最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制振幅鍵控方式稱為通-斷鍵 控（OOK）。 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：模擬調(diào)制法和鍵控法，相應(yīng)的調(diào) 制器如圖3-1所示。圖（a)就是一般的模擬幅度調(diào)制的方法，用相乘器實(shí)現(xiàn)； 圖（b）是一種數(shù)字鍵控法，其中的開(kāi)關(guān)電路受s（t）控制。本次課設(shè)用的是 數(shù)字鍵控法。coswct乘法器l e2ASK(t)電子開(kāi)關(guān) s（t） e2ASK(t)coswct （a）模擬相乘法 （b）數(shù)字鍵控法 圖3-1 2ASK/OOK信號(hào)調(diào)制器原理框圖 3.1.2 解調(diào)原理 與AM信號(hào)的解調(diào)方法一樣。2ASK/OOK信號(hào)也有兩種基本的解調(diào)方法：非相干 解調(diào)

12、（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測(cè)法），相應(yīng)的接收系統(tǒng)組成方框圖如 圖3-2所示。與模擬信號(hào)的接收系統(tǒng)相比，這里增加了一個(gè)“抽樣判決器”方 框，這對(duì)提高數(shù)字信號(hào)的接收性能是必要的。本次課設(shè)用的是相干解調(diào)。抽樣判決器全波整流器低通濾波器帶通濾波器e2ASK(t) a b c d 輸出定時(shí) 脈沖（a）非相干解調(diào)方式抽樣判決器全波整流器低通濾波器帶通濾波器e2ASK(t) a b c d 輸出 coswct定時(shí) 脈沖 （b）相干解調(diào)方式圖3-2 2ASK/OOK信號(hào)的接收系統(tǒng)組成方框圖3.2仿真模型及結(jié)果波形圖 3.2.1 系統(tǒng)的調(diào)制部分 波形圖如下：3.2.2系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)波形圖如下：3.2.3

13、 波形分析 參數(shù)設(shè)置： 1）載波頻率設(shè)置為20HZ，調(diào)制信號(hào)為10HZ； 2）低通濾波器的截至頻率為10HZ，如下圖： 波形說(shuō)明：1） 載波波形： 2）調(diào)制波形：3）已調(diào)波形：4）解調(diào)波形：第4章 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）4.1 2FSK的調(diào)制與解調(diào)原理 4.1.1 調(diào)制原理 頻移鍵控是利用載波的頻率變化來(lái)傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二 進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。故其表達(dá)式為： 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法主要有兩種。一種可以采用模擬調(diào)頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一種 可以采用鍵控法實(shí)現(xiàn)，即在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列的控制下通過(guò)開(kāi)關(guān)電路對(duì) 兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通，使其在每一個(gè)碼

14、元Ts期間輸出f1或f2兩個(gè) 載波之一，如圖4-1所示。本次課設(shè)用的是鍵控法實(shí)現(xiàn)。震蕩器1 f1選通開(kāi)關(guān)相加器選通開(kāi)關(guān)振蕩器 f2反相器 基帶信號(hào) e2FSK(t)圖4-1 鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)的原理圖 4.1.2 解調(diào)原理 2FSK信號(hào)的常用解調(diào)方法是采用如圖4-2所示的非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）和相 干解調(diào)。其解調(diào)原理是將2FSK信號(hào)分解為上下兩路2ASK信號(hào)分別進(jìn)行解調(diào)， 然后進(jìn)行判決。這里的抽樣判決時(shí)直接比較兩路信號(hào)抽樣值得大小，可以不專 門(mén)設(shè)置門(mén)限。判決規(guī)則應(yīng)與調(diào)制規(guī)則相呼應(yīng)，調(diào)制時(shí)若規(guī)定“1”符號(hào)對(duì)應(yīng)載波 頻率f1，則接收時(shí)上支路的樣值較大，應(yīng)判為“1”；反之則判為“0”。本次課 設(shè)

15、采用相干解調(diào)。包絡(luò)檢波器帶通濾波器w1包絡(luò)檢波器帶通濾波器w2 抽樣判決器e2FSK(t) 定時(shí)脈沖 輸出 （a）非相干解調(diào) （b）相干解調(diào)4.2仿真模型及結(jié)果波形圖 4.2.1系統(tǒng)的調(diào)制部分 波形圖如下 4.2.2系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)波形圖如下4.2.3 波形分析 參數(shù)設(shè)置： 1）載波頻率設(shè)置為20HZ，調(diào)制信號(hào)為10HZ； 2）低通濾波器的截至頻率為10HZ，如下圖： 波形說(shuō)明：1）載波波形： 2）調(diào)制波形：3）已調(diào)波形：4）解調(diào)波形：第5章 二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）5.1 2PSK的調(diào)制與解調(diào)原理 5.1.1 調(diào)制原理 相移鍵控是利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在

16、2PSK中，通常用初始相位0和 分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，2PSK信 號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為： 2PSK信號(hào)的調(diào)制原理框圖如圖5-1所示。與2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法相比較，只是對(duì)s(t)的 要求不同，在2ASK中s(t)是單極性的，而在2PSK中s(t)是雙極性的基帶信號(hào)。 圖5-1 2PSK信號(hào)的調(diào)制原理框圖 5.1.2 解調(diào)原理 2PSK信號(hào)的解調(diào)通常采用相干解調(diào)法：解調(diào)器原理框圖如圖5-2所示。在相干 解調(diào)中，如何得到與接收的2PSK信號(hào)同頻同相的相干載波是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 圖5-2 2PSK信號(hào)的解調(diào)原理框圖 5.2仿真模型及結(jié)果波形圖 5.2.1系統(tǒng)的調(diào)制部分 波形圖如下 5.2.2系

17、統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)波形圖如下5.2.3 波形分析 參數(shù)設(shè)置： 1）載波頻率設(shè)置為20HZ，調(diào)制信號(hào)為10HZ； 2）低通濾波器的截至頻率為10HZ，如下圖： 波形說(shuō)明：1）載波波形： 2）調(diào)制波形：3）已調(diào)波形：4）解調(diào)波形：第6章 二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）6.1 2DPSK的調(diào)制與解調(diào)原理 6.1.1 調(diào)制原理 2DPSK是利用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化傳遞數(shù)字信息，所以又稱相對(duì) 相移鍵控。 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法：先對(duì)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，即把數(shù)字信 息序列的絕對(duì)碼變換成相對(duì)碼（差分碼），然后再根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相，從 而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相移鍵控信號(hào)。2DPSK信號(hào)調(diào)制

18、器原理框圖如圖6-1所示。差分編碼S（t） 相對(duì)碼 e2DPSK（t）絕對(duì)碼 圖6-1 2DPSK信號(hào)的調(diào)制原理框圖 6.1.2 解調(diào)原理 2DPSK信號(hào)的解調(diào)方法之一是相干解調(diào)（極性比較法）加碼反變換法。其原理 是：對(duì)2DPSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對(duì)碼，再經(jīng)碼反變換器變換為絕對(duì) 碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過(guò)程中，由于載波相位迷糊性 的影響，使得解調(diào)出的相對(duì)碼也可能是“1”和“0”倒置，但經(jīng)差分譯碼（碼 反變換）得到的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置的現(xiàn)象，從而解決了載波相位迷糊性 帶來(lái)的問(wèn)題。2DPSK的相干解調(diào)器原理框圖如圖6-2所示。低通濾波器相乘器帶通濾波器 e2DPSK(

19、t) a c d b coswct 定時(shí)脈沖碼反變換器抽樣判決器e f輸出 圖6-2 2DPSK信號(hào)的解調(diào)原理框圖 2DPSK信號(hào)的另一種解調(diào)方法是差分相干解調(diào)（相位比較法），其原理框圖如圖6-3所示。 用這種方法解調(diào)時(shí)不需要專門(mén)的相干載波，只需要由收到的2DPSK信號(hào)延時(shí)一個(gè)碼元間 隔T，然后與2DPSK信號(hào)本身相乘。相乘器起著相位比較的作用，相乘結(jié)果反映了前后碼 元的相位差，經(jīng)低通濾波器后再抽樣判決，即可直接恢復(fù)出原始數(shù)字信息，故解調(diào)器中不 需要碼反變換器。本次課設(shè)采用差分相干解調(diào)方法。抽樣判決器低通濾波器帶通濾波器 a c d e相乘器e2DPSK(t) 輸出 b 定時(shí)脈沖延遲Ts 圖6

20、-3 2DPSK差分相干解調(diào)器原理框圖6.2仿真模型及結(jié)果波形圖 6.2.1系統(tǒng)的調(diào)制部分 波形圖如下 6.2.2系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)波形圖如下6.2.3 波形分析 參數(shù)設(shè)置： 1）載波頻率設(shè)置為100HZ，調(diào)制信號(hào)為50HZ； 2）低通濾波器的截至頻率為50HZ，帶通濾波器的頻率為100HZ1000HZ如下 圖： 波形說(shuō)明：1）載波波形： 2）調(diào)制波形：3）已調(diào)波形：4）解調(diào)波形：第7章 多進(jìn)制振幅鍵控（4ASK）7.1 4ASK的調(diào)制與解調(diào)原理 7.1.1 調(diào)制原理 振幅鍵控是利用載波的幅度變化傳遞數(shù)字信號(hào)，而其頻率和初始相位保持不變。在4ASK中，載波的幅度只有四種變化狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)四進(jìn)制信息“0”或“1”或“2”或“3”。4ASK信號(hào)的一般表達(dá)式為： 4ASK信號(hào)的產(chǎn)生與2ASK信號(hào)的產(chǎn)生一樣。本次課設(shè)用的 是模擬調(diào)制法。 7.1.2 解調(diào)原理 4ASK信號(hào)的解調(diào)方法也與2ASK信號(hào)的解調(diào)放法一樣。本