基于SystemView的PM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 20 頁 基于 System View 的 PM系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： xx 指導(dǎo)老師：單樹民 摘 要 調(diào)相（ Phase Modulation，縮寫： PM）是一種以載波的瞬時(shí)相位變化來 表示信息的調(diào)變方式。 在模擬應(yīng)用中， 載波的相位跟隨輸入信號的幅度直接成等 比例變化。調(diào)相技術(shù)除直接用于傳輸外，也常用作間接產(chǎn)生 PM 信號的過渡。本 課程設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)模擬信號的調(diào)相過程， 同時(shí)對已調(diào)信號加以解調(diào)。 設(shè)計(jì)通過 System View 軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，最后仿真效果與理論分析一致。 關(guān)鍵詞 調(diào)相；解調(diào)；設(shè)計(jì)和仿真

2、；System View 1、引言 信號調(diào)制的本質(zhì)是頻譜的搬移，把攜帶基帶信號的頻譜搬移到較高的頻帶 上，適于信道的傳輸。模擬信號的調(diào)相（ PM），即已調(diào)信號瞬時(shí)相位偏移受基帶 信號的控制而改變的調(diào)制過程，調(diào)相信號的瞬時(shí)相位偏移與基帶信號呈線性關(guān) 系。已調(diào)信號頻譜不會是原調(diào)制信號頻譜的線性搬移， 而會產(chǎn)生與頻譜搬移不同 的新的相位， 故又稱為非線性調(diào)制。 本課程設(shè)主要是設(shè)計(jì)一個(gè)模擬信號的調(diào)相以 及相干解調(diào)系統(tǒng)的傳輸過程，同時(shí)運(yùn)用 System View加以實(shí)現(xiàn)和仿真。 1.1 課程設(shè)計(jì)的目的 首先要深入了解模擬信號調(diào)相以及解調(diào)的原理，同時(shí)掌握 System View平臺 的使用，然后設(shè)計(jì)模擬系

3、統(tǒng)的傳輸過程并仿真， 觀察調(diào)制信號與解調(diào)信號的波形， 以及已調(diào)信號與調(diào)相信號的頻譜變化，最后加入噪聲，分析系統(tǒng)的抗噪聲性能。 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 20 頁 1.2 課程設(shè)計(jì)的要求 設(shè)計(jì)平臺為 System View 集成環(huán)境。 在 System View 下構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路，運(yùn)行仿真后，觀察解調(diào)信號與調(diào)制信 號的波形并分析， 要求解調(diào)后的波形與調(diào)制波形基本一致。 同時(shí)觀察調(diào)制前后的 信號頻譜變化并分析，要求符合調(diào)相信號的頻譜非線性搬移特性。 在調(diào)制解調(diào)電路上加入噪聲源 (高斯白噪聲) 后，觀察解調(diào)信號的失真情況 并加以分析，要求系統(tǒng)在一定范圍

4、內(nèi)具有良好的抗噪聲性能。 獨(dú)立完成所有的設(shè)計(jì)。 2 、 設(shè)計(jì)原理 2.1 調(diào)相信號的產(chǎn)生直接調(diào)相法 調(diào)相就是用調(diào)制信號控制載波的頻率變化。 調(diào)相信號的瞬時(shí)相位偏移可以表示為： (t) K p m(t) 其中 (t)為載波瞬時(shí)相位偏移， m(t) 為調(diào)制信號， Kp 為調(diào)相靈敏度，含 義是單位調(diào)制信號幅度引起 PM 信號的相位偏移量。 調(diào)相信號的時(shí)域表達(dá)式為： SPM (t) Acos ct K pm(t) 調(diào)相信號的產(chǎn)生這里主要介紹了直接調(diào)相法。 直接調(diào)相就是用調(diào)制信號直接去控制載波振蕩器的相位， 使其按調(diào)制信號的 規(guī)律線性地變化。 可以由外部電壓控制振蕩器相位的叫做壓控振蕩器( VCO )。

5、每個(gè)壓控振蕩 器自身就是一個(gè) PM 調(diào)制器，因?yàn)樗恼袷幭辔徽扔谳斎肟刂齐妷?，?(t) K pm(t) xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 20 頁 若用調(diào)制信號作控制電壓信號，就能產(chǎn)生 PM 波，如圖 2.1： 圖 2.1 調(diào)相器 若被控制的振蕩器是 LC 振蕩器，則只需控制振蕩回路的某個(gè)電抗元件（ L 或 C ），使其參數(shù)隨調(diào)制信號變化。目前常用的電抗元件是變?nèi)荻O管。用變?nèi)?二極管實(shí)現(xiàn)直接調(diào)相， 由于電路簡單， 性能良好， 已成為目前最廣泛采用的調(diào)相 電路之一。 在直接調(diào)相法中， 振蕩器與調(diào)制器合二為一。 這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn) 線性調(diào)相的要求

6、下，可以獲得較大的相偏；其主要缺點(diǎn)是相位穩(wěn)定度不高。 2.2 調(diào)相信號的解調(diào)相干解調(diào) 由于調(diào)相信號可以分解成同相分量與正交分量之和， 因而可以采用線性調(diào)制 中的相干解調(diào)法來進(jìn)行解調(diào)，如圖 2.2： 圖 2.2 PM 信號相干解調(diào) 根據(jù)公式可以設(shè)調(diào)相信號 SPM (t) Acos ct K pm(t) xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 20 頁 并設(shè)相干載波 c(t) sin ct 則相乘器的輸出為 sp(t) AA sin2 ct K p m( )d( ) (1 cos2 ct) 22 經(jīng)過低通濾波器取出其低頻分量 A sd (t) 2 K p m( )d

7、 再經(jīng)微分器，即得解調(diào)輸出 mo(t) AK m(t) 可見，相干解調(diào)可以恢復(fù)原調(diào)制信號。 這種解調(diào)方法需要本地載波與調(diào)制載 波同步，否則將使解調(diào)信號失真。 3、設(shè)計(jì)步驟 3.1 設(shè)計(jì)模擬調(diào)相與解調(diào)系統(tǒng) 利用 System View 的設(shè)計(jì)窗口，繪制出模擬信號調(diào)相與解調(diào)系統(tǒng)流程。由 于 System View 系統(tǒng)是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng) 4 。在每次系統(tǒng)運(yùn)行之前，首先需要設(shè) 定一個(gè)系統(tǒng)頻率。 仿真各種系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)， 先對信號以系統(tǒng)頻率進(jìn)行采樣， 然后按 照系統(tǒng)對信號的處理計(jì)算各個(gè)采樣點(diǎn)的值， 最后在輸出時(shí)， 在觀察窗內(nèi)， 按要求 畫出各個(gè)點(diǎn)的值或擬合曲線。 本次系統(tǒng)的時(shí)間設(shè)置為：起始時(shí)間( Star

8、t Time)1s，停止時(shí)間( Stop Time) 2 s,時(shí)間間隔(Time Spacing)0.001s，樣本數(shù)( No.of Sample)1001，具體在 System View 中實(shí)現(xiàn)如圖 3.1： xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 20 頁 圖 3.1 時(shí)間設(shè)置 設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間之后，就利用設(shè)計(jì)窗口繪制模擬信號的調(diào)相與解調(diào)的 System View 模型，設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 圖符 14：積分器，增益為 0。 圖符 0：調(diào)制信號，設(shè)置為正弦曲線，振幅為 1v,，頻率為 10Hz，初始相位 為 0 ； 圖符 1：調(diào)相器，振幅為 1v，頻率為 100Hz，

9、相位為 0，增益為 50Hz/v。 System View 中提供的調(diào)相器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的調(diào)相過程，相當(dāng)于原理中直接調(diào)相法 中的壓控振蕩器。 圖符 2：帶通濾波器， 濾波器類型為切比雪夫帶通濾波器， 濾波器階數(shù)為 3， 最低頻率為 90Hz，最高頻率為 100Hz。帶通濾波器是為了讓調(diào)制信號順利通過， 同時(shí)濾除帶外噪聲及高次諧波分量。 圖標(biāo) 3：乘法器，將已調(diào)信號與相干載波相乘。 圖標(biāo) 5：反相器，相干載波源提供信號，再通過反相器得到系統(tǒng)所需相干 載波。 圖標(biāo) 6：低通濾波器，濾波器類型為切比雪夫，階數(shù)為 5，低通頻率為 10， xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 6 頁

10、共 20 頁 通過低通濾波器，取出相乘器輸出信號的低頻分量。 圖標(biāo) 7：微分器，增益為 0，信號的低頻分量經(jīng)過微分器，即可得到解調(diào)信 號。 圖標(biāo) 8，9，10：信號接受器 上述所有參數(shù)如表 3-1 所示： 表 3-1 PM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)圖符設(shè)置 圖符編號 庫、圖符名稱 參數(shù) 0 Source： Sinusoid Amp=1v ， Freq=10Hz，Phase=0deg 1 Function： PM Amp=1v ，F(xiàn)req=100Hz，Mod Gain=50 表 3-1 續(xù) PM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)圖符設(shè)置 圖符編號 庫、圖符名稱 參數(shù) 2 Operator： Linear Sys Chebysh

11、ev Bandpas，s 3Poles，Low Cuttoff=90 ， High Cuttoff=100 3 Multiplier 5 Negate 6 Operator： Linear Sys Chebyshev Lowpass IIR，5Poles， Fc=10Hz 7 Derivative Gain=0 8、9、10 Sink：Analysis xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 20 頁 相關(guān)元件參數(shù)如下圖 1、2、3、4 所示： 圖 1 輸入信號的參數(shù) xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 20 頁 圖 2 帶通

12、濾波器圖 1 圖 3 帶通濾波器圖 2 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 20 頁 圖 4 低通濾波器 綜上所述， 設(shè)計(jì)系統(tǒng)首先通過信號源（圖標(biāo) 0），提供調(diào)制信號，經(jīng)過積 分器（圖標(biāo) 14），然后信號通過調(diào)相器（圖標(biāo) 1），對調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)相，得到調(diào) 相信號，再經(jīng)過加法器（圖標(biāo) 12）。接下來，調(diào)相信號進(jìn)入相干解調(diào)部分。 調(diào)相信號經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器（圖標(biāo) 2）濾除調(diào)相信號中的外帶噪聲和高 次諧波分量， 然后加入一個(gè)相干載波與調(diào)相信號相乘。 相干載波由信號源 （圖標(biāo) 4）通過反相器（圖標(biāo) 5）得到。相乘后的信號經(jīng)過低通濾波器（圖標(biāo) 6），取出 低頻分量，再

13、經(jīng)過微分器（圖標(biāo) 7），即得到解調(diào)輸出。 具體在 System View中實(shí)現(xiàn)，如圖 3.2 所示： xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 20 頁 圖 3.2 模擬系統(tǒng)調(diào)相與解調(diào)的 System View 模型 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型中主要遇到了一下幾個(gè)難點(diǎn)： 1.帶通濾波器和低通濾波器的參數(shù)設(shè)置遇到了障礙，最后通過分析調(diào)制信 號以及調(diào)相器的參數(shù)，反復(fù)修改驗(yàn)證，得到了系統(tǒng)所需濾波器的參數(shù)。 2. .起初設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)沒有考慮調(diào)制信號的延時(shí)問題，仿真后，解調(diào)信號和調(diào) 制信號波形頻率振幅相等，但是畫到一起吻合效果不明顯，如圖 3.3 所示： 10 圖 3.3 未加延時(shí)器是

14、調(diào)制信號和解調(diào)波形 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 20 頁 加入延時(shí)器后，這一問題得到解決，具體效果可參照下一小節(jié)的調(diào)制波形 與解調(diào)波形的分析比較。 3.2 調(diào)制信號、調(diào)相信號、解調(diào)信號的波形分析 運(yùn)行 Systems View 模擬信號調(diào)相與解調(diào)模型以后，可以得到如圖 3.4所示 的調(diào)制信號與解調(diào)信號： 圖 3.4 調(diào)制信號與解調(diào)信號 由圖 3.4 的調(diào)制信號與解調(diào)信號效果圖可以明顯的看出調(diào)制信號與解調(diào)信 號基本重疊， 僅是起始端有些細(xì)微的差別， 這是因?yàn)榻庹{(diào)系統(tǒng)在此時(shí)還未能進(jìn)入 狀態(tài)，還未能對信號進(jìn)行正確的解調(diào)， 從圖中可以看出經(jīng)過很短的時(shí)間，

15、相干解 調(diào)系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了對信號的正確解調(diào)。因此可以證明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的。 通過 System View 分析窗口中的“ Sink Calcutor”也就是接受計(jì)算器可以 計(jì)算出調(diào)制信號的頻譜以及調(diào)相信號的頻譜，計(jì)算結(jié)果如圖3.5 和圖 3.6： 11 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 20 頁 圖 3.5 調(diào)制信號的頻譜 圖 3.6 調(diào)相信號的頻譜 比較調(diào)制信號與調(diào)相信號的頻譜可以明顯的看出調(diào)相信號相對于調(diào)制信號 頻譜擴(kuò)展了， 這可以充分證明調(diào)相是非線性調(diào)制， 正如調(diào)相的原理所述， 調(diào)制信 號的頻譜不是原調(diào)制信號的線性搬移， 而是頻譜的非線性變換， 會產(chǎn)

16、生與頻譜搬 移不同的新的頻率部分，故又稱為非線性調(diào)制。 同時(shí)從調(diào)相信號的時(shí)域波形（圖 3.7）可以明顯的看出，調(diào)制信號的頻率明 顯增高， 這完全符合引言中對于調(diào)制本質(zhì)的描述，調(diào)制的本質(zhì)就是把攜帶基帶 12 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 20 頁 信號的頻譜搬移到較高的頻帶上 圖 3.7 調(diào)相信號時(shí)域波形 綜上所述，本次設(shè)計(jì)的模擬調(diào)相與相干解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號的調(diào)制與解調(diào) 的過程，仿真波形與頻譜也符合原理的描述。 3.3 系統(tǒng)的抗噪聲性能 加入噪聲后，系統(tǒng)的 System View模型如圖 3.8 所示： 圖 3.8 加入噪聲后的系統(tǒng) System Vi

17、ew 模型 13 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 20 頁 由于加性噪聲被認(rèn)為只對已調(diào)信號的接受產(chǎn)生影響，因而通信系統(tǒng)的抗噪 聲性能可以通過解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能來衡量。 設(shè)計(jì)中，在調(diào)制信號進(jìn)入解調(diào)系統(tǒng)之前加入一個(gè)高斯白噪聲，噪聲由信號 源（圖符 17）提供，通過加法器（圖符 12），加入系統(tǒng)中。 系統(tǒng)加入噪聲后的模型相對原系統(tǒng)增加了以下兩個(gè)圖符： 圖符 12：加法器，將噪聲加入調(diào)相信號 圖符 17：噪聲源，高斯白噪聲 上述參數(shù)如表 3-2 所示： 表 3-2 系統(tǒng)加入噪聲后的補(bǔ)充圖符設(shè)置 圖符編號 圖符名稱 參數(shù) 12 Adder 17 Source：

18、 Gauss Noise Amp=1v 再次運(yùn)行系統(tǒng)可以得到輸入與輸出波形對比，如圖 3.9 所示： 14 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 20 頁 圖 3.9 噪聲為 1.0V 時(shí)輸入信號與輸出信號的對比 由此解調(diào)波形可知，加入噪聲后的解調(diào)波形嚴(yán)重失真， 為了解決失真嚴(yán)重 的問題，可以嘗試改變高斯白噪聲的幅值，減小噪聲。 第一次將 1.0v的幅值降到了 0.8v，從圖 3.10 可以明顯的看出解調(diào)信號的失 真情況得到了緩解， 雖然還不是很理想， 但是可以證明減小噪聲幅值， 可以減小 失真，因此可以繼續(xù)嘗試，得到理想的解調(diào)波形。 第二次將幅值降到了 0

19、.5v，如圖 3.11，失真相對于 0.8v 的幅值又有了一定 程度的減小。 第三次將幅值降到了 0.2v，如圖 3.12，失真相對于 0.5V 的幅值進(jìn)一步減小。 第四次將幅值降到 0.1v，如圖 3.13，失真就已經(jīng)比較小了。 由上述過程可以看出系統(tǒng)在加入高斯白噪聲的幅值小于 0.2v 時(shí)抗噪聲性能 良好。 15 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 20 頁 圖 3.10 噪聲為 0.8V 是輸入信號與輸出信號的對比 圖 3.11 噪聲為 0.5V 時(shí)輸入信號與輸出信號的對比 16 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 17 頁

20、共 20 頁 圖 3.12 噪聲為 0.2V 時(shí)輸入信號與輸出信號的對比 圖 3.13 噪聲為 0.1V 是輸入信號與輸出信號的對比 17 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 20 頁 4、出現(xiàn)的問題及解決方法 4.1 設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題 （ 1）設(shè)計(jì)初，對本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)平臺 System View 根本不了解。 （ 2）設(shè)計(jì)初，對 PM的相關(guān)原理理解不是很深刻。 （3）設(shè)計(jì)系統(tǒng)傳輸過程時(shí)，對選擇非相干解調(diào)還是相干解調(diào)不是很明確。 （4）運(yùn)用 System View 設(shè)計(jì)運(yùn)行出來的波形不是很理想。 （5）輸出信號與解調(diào)信號的幅度不同。 4.2 解決方法 （

21、1）認(rèn)真研讀老師給予我們的輔助教材，并上網(wǎng)下載了 System View 的相關(guān)教 程，同時(shí)請教班上對此軟件運(yùn)用較熟悉的同學(xué)， 到最后終于能基本獨(dú)立地運(yùn)用該 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。 （ 2）仔細(xì)研究通信原理的相關(guān)資料， 請教了一些對 PM原理理解較深的同學(xué)， 對 PM原理有了足夠程度的了解。 （3）調(diào)相信號的解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種解調(diào)方式，由于相干解調(diào)的 同步信號限制， 故應(yīng)用范圍較小， 實(shí)際中一般采用非相干解調(diào)， 并且非相干解調(diào) 的抗噪聲性能較好。起初計(jì)劃選擇非相干解調(diào)， 但總是無法出現(xiàn)令人滿意的結(jié)果， 最后嘗試了相干解調(diào)法，使得解調(diào)波形滿足了設(shè)計(jì)要求。 （ 4）1. 系統(tǒng)的解調(diào)波形與調(diào)

22、制信號不能很好的吻合， 不能明顯地看出解調(diào)效果， 加入一個(gè)延遲器，解決了這一問題。 2. 加入噪聲后，解調(diào)波形失真比較嚴(yán)重，反復(fù)減小加入噪聲的幅值，失真 情況得到了一定程度的緩解。 （ 5）反復(fù)調(diào)節(jié)解調(diào)載波的參數(shù)， 最后使得輸出信號與解調(diào)信號的幅度基本相同。 18 xx 基于 System View 的 PM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 20 頁 5、結(jié)束語 自從接到這一實(shí)習(xí)任務(wù)，到現(xiàn)在完成此次課程設(shè)計(jì)， 已經(jīng)過去了一個(gè)多星期。 這一星期來，我從一個(gè)對 System View 一竅不通的懵懂學(xué)生，變成了一個(gè)粗通該 項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)者，感覺收獲是巨大的，心情是喜悅的，陽光是燦爛的，學(xué)習(xí)是美 好的。這

23、一星期里， 有困惑，也有感悟； 有沮喪，也有振奮。這短短的一個(gè)星期， 也使我明白了很多道理。任何一項(xiàng)事業(yè)，貴在堅(jiān)持，貴在鉆研。老師和同學(xué)們給 了我很多幫助，我很感激。我想，這才是人生過程中一種真正寶貴的財(cái)富吧。 一個(gè)星期前， 在結(jié)束了所有的考試后， 我們迎來了本學(xué)期最后一項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù) 通信原理課程設(shè)計(jì)。說實(shí)話，這門課我學(xué)的并不是很好。因此，對這次課程設(shè) 計(jì)，我并不是很有把握。結(jié)果課程設(shè)計(jì)任務(wù)發(fā)下來之后，我看到了我的題目 - 基于 system view 的 PM系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 PM系統(tǒng)由于與 FM系統(tǒng)聯(lián)系較密切，而 FM系 統(tǒng)相關(guān)資料較 PM系統(tǒng)多很多。 在查閱了大量的資料后， 我在對 FM系統(tǒng)有了一定 了解后，開始著手于我的 PM系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)際上，這次設(shè)計(jì)的最大難題是，我們 以前根本沒有接觸到 sys