基于elianx的系統(tǒng)仿真設(shè)計

基于elianx的系統(tǒng)仿真設(shè)計

“通信原理”課程對通信專業(yè)的學(xué)生來說是一個重要的專業(yè)課程之一。由于該課程的課堂學(xué)習(xí)全是純理論的知識,而且實驗項目有限,且全部利用硬件實驗箱仿真,導(dǎo)致學(xué)生只能了解部分的原理,對一個完整的通信系統(tǒng)的設(shè)計認識比較模糊。為了讓學(xué)生能夠進一步熟悉各種通信系統(tǒng)的基本工作原理,更進一步的了解通信系統(tǒng)的本質(zhì),也能夠更加充分理解通信在其專業(yè)領(lǐng)域的重要意義,筆者在學(xué)期末開設(shè)了該課程的課程設(shè)計。在這次課程設(shè)計中,筆者主要是使用功能非常強大的智能化軟件---SystemView對幾種重要的通信系統(tǒng)進行仿真分析。1系統(tǒng)的設(shè)計功能Elanix公司的SystemView軟件基本屬于一個系統(tǒng)級工具平臺,提供了完整的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、仿真和分析的可視化環(huán)境,可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)以及各種速率的系統(tǒng)。其主要功能為:線性和非線性系統(tǒng)設(shè)計、Laplace和Z變換線性系統(tǒng)、信號頻譜和功率譜分析,支持嵌入式系統(tǒng)和多層子系統(tǒng)等。SystemView的設(shè)計非常方便,它利用功能元件庫中的Token來代表一種處理過程,在SystemView系統(tǒng)窗口中完成系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計的過程是在系統(tǒng)窗口中從不同的元件庫選擇Token,并在設(shè)計區(qū)域中進行連接,設(shè)置好每個Token的參數(shù),控制系統(tǒng)的起始時間、中止時間、采樣頻率,最后從分析窗中分析結(jié)果,從而達到設(shè)計與分析系統(tǒng)的目的。SystemView提供幾百種功能模塊,能滿足各種功能的實現(xiàn)。在設(shè)計通信系統(tǒng)時,只要通過鼠標從功能庫中選擇相關(guān)圖符,并將它們拖拽到設(shè)計窗口中連線即可。最后設(shè)定系統(tǒng)定時窗口以及圖符庫的參數(shù),選定實時仿真的分析測試效果,可以方便快捷地在設(shè)計窗口和分析窗口之間進行切換。運行系統(tǒng)后,可在分析窗口中顯示波形及數(shù)據(jù),并能對系統(tǒng)中的任意信號進行頻譜分析。2帶調(diào)制方法現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)主要分為兩大部分:基帶傳輸系統(tǒng)、頻帶傳輸系統(tǒng)。在這兩個系統(tǒng)中以頻帶傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛。所謂的頻帶傳輸系統(tǒng)指的是將原始的數(shù)字信號經(jīng)過簡單的調(diào)制,變換成適合在頻帶上傳輸?shù)男盘?而傳輸這個信號的系統(tǒng)就稱為頻帶傳輸系統(tǒng)。在頻帶傳輸系統(tǒng)中,根據(jù)數(shù)字信號對載波的不同參數(shù)的控制,可分為三種主要的頻帶調(diào)制方法:數(shù)字調(diào)幅(ASK)、數(shù)字調(diào)相(PSK)、數(shù)字調(diào)頻(FSK)。由這三種基本的調(diào)制方式變化又可以得到正交振幅調(diào)制(QAM)、最小頻移調(diào)制(MSK)等新型調(diào)制方式。這些調(diào)制方法在《通信原理》課堂上進行了詳細的介紹,并且對于信號的產(chǎn)生、處理、傳輸、接收、恢復(fù)都做了比較詳細的理論推導(dǎo),但都只是停留在靜態(tài)的理論分析上。由于只能對個別系統(tǒng)的一部分在實驗箱上進行演示,利用示波器、波形分析儀觀察信號的波形,分析信號的組成,利用選頻電平表或頻譜分析儀測試信號的頻譜或系統(tǒng)的幅頻特性,用電子器件實現(xiàn)系統(tǒng)的模擬等。這種硬件實驗方式要求投入的設(shè)備資金比較多,常常因資金短缺只能進行部分實驗,不能對整個系統(tǒng)有更加全面的理解,尤其是干擾對系統(tǒng)的影響在實驗箱上體現(xiàn)不出來,功率譜也不能觀察,這樣就導(dǎo)致學(xué)生沒法從動態(tài)上對其進行分析。為了使學(xué)生能從動態(tài)上更直觀的掌握這些技術(shù),以利于今后的實際系統(tǒng)開發(fā),筆者在學(xué)期末開設(shè)了《通信原理》的課程設(shè)計,主要是讓學(xué)生采用動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件SystemView對某幾個完整的通信系統(tǒng)進行仿真分析。3“通信原理”課程的設(shè)計示例下面以最小頻移鍵控(MSK)系統(tǒng)為例,說明如何利用SystemView進行《通信原理》課程設(shè)計的仿真分析。3.1包絡(luò)起伏問題最小頻移鍵控又稱快速頻移鍵控,它可以解決QPSK調(diào)制方式不能解決包絡(luò)起伏的問題,從而能夠產(chǎn)生恒定包絡(luò)、相位連續(xù)的調(diào)制信號。由于其頻移指數(shù)h為1/2,即它的兩個頻率差是最小的正交頻率差,所以被稱為最小頻移鍵控。3.1.1編碼符號和同碼元的關(guān)系相位函數(shù):式中,為載波頻率;Tb為碼元寬度;aK為第K個碼元的數(shù)字符號;jk為第K個碼元的載波相位常數(shù),它在一個碼元內(nèi)保持不變。根據(jù)相位連續(xù)的要求,不失一般性可認為:jk=0或π(模2π)。3.1.2正交調(diào)制法在通信系統(tǒng)中,調(diào)制方式各種各樣,MSK也不例外。一種調(diào)制方法是把MSK信號看成是調(diào)制指數(shù)h=0.5的CPFSK信號,并利用FSK實現(xiàn);另一種把MSK看作是由彼此正交的載波分別被函數(shù)cosf(t)與sinf(t)進行振幅調(diào)制后合成的,稱為正交調(diào)制法。本設(shè)計采用正交調(diào)制法。則MSK信號表達式(1)經(jīng)過歸一化處理后變?yōu)?3.1.3種新的多sf調(diào)算法根據(jù)MSK的特點我們可以給出它的調(diào)制框圖和解調(diào)框圖。調(diào)制系統(tǒng)框圖如圖一所示。ak為輸入的雙極性不歸零二元碼,即ak=±1。ak經(jīng)過差分編碼變換成bk,bk的取值也是±1。ak與bk之間為異或關(guān)系,即:bk=akbk-1。bk經(jīng)過串并變換分成I,Q兩路,并相互交錯一個碼元寬度,然后用加權(quán)函數(shù)cos(πt/2Tb)和sin(πt/2Tb)分別對I、Q兩路數(shù)據(jù)加權(quán),再對加權(quán)后的數(shù)據(jù)分別進行正交載波調(diào)制。最后形成我們需要的MSK信號。解調(diào)系統(tǒng)框圖見圖二。我們采用相干解調(diào)的方式對圖一產(chǎn)生的MSK信號進行解調(diào),恢復(fù)出原始信號。3.2差分編碼器結(jié)構(gòu)根據(jù)圖一和圖二的調(diào)制解調(diào)原理框圖,利用Systemview軟件建立仿真電路,如圖三所示。在MSK系統(tǒng)仿真圖(圖三)中,Token3、4、5構(gòu)成差分編碼器;Token40、41、42構(gòu)成差分解碼器;數(shù)字延遲器(Token7,10)、采樣器(Token6,8,11)和保持器(Token9,12)構(gòu)成“串并轉(zhuǎn)換器”;Token48、49構(gòu)成積分判決器,Token23、24、25、26、36、37構(gòu)成“并串轉(zhuǎn)換器”。主要元件的參數(shù)如表一所示:3.3msk的仿真波形在SystemView中按照圖三所示接好電路圖,在運行系統(tǒng)之前還有一項重要的工作,那就是設(shè)置系統(tǒng)定時參數(shù)。我們?nèi)∵\行時間=0.3秒,采樣頻率=20000Hz。運行系統(tǒng),仿真波形如圖四所示。從上面的仿真波形結(jié)果可以得出一些MSK的特點:(1)調(diào)制信號SMSK(t)波形經(jīng)過展開可以看到波形是連續(xù)的,調(diào)制波信號的振幅是恒定的。(2)從調(diào)制信號SMSK(t)的功率譜可以看出,MSK功率譜旁瓣滾降迅速,信號能量更為集中。4通信的應(yīng)用前景在這次《通信原理》課程設(shè)計中,筆者還要求學(xué)生做了FSK、QPSK、GMSK等幾種系統(tǒng)的仿真設(shè)計,主要將它們和MSK的功率譜進行優(yōu)劣比較,以及討論它們在實際通信系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。另外,在課程設(shè)計中,筆者還專門要求學(xué)生在信道中加入高斯噪聲(如圖三所示的