基于SystemView的2FSK的仿真與分析

1、洛 陽 理 工 學 院課 程 設 計 報 告 課程名稱 通信原理 設計題目 基于SystemView的2FSK的仿真與分析 專 業(yè) 通信工程 班 級 B110507 學 號 B11050729 姓 名 陳銀龍 完成日期 2013/12/16 課 程 設 計 任 務 書設計題目： 基于SystemView的2FSK系統(tǒng)的仿真與分析 設計內容與要求：設計內容：1）了解SystemView的運行環(huán)境及應用領域；2）逐步熟悉各種通信系統(tǒng)的仿真，由簡到難；3）運用所學專業(yè)知識對幾個實際系統(tǒng)的仿真進行分析和比較；4) 課設最后一天，獨立按時完成老師指定的系統(tǒng)的仿真；5）選擇其中一個系統(tǒng)仿真分析，并最終作為

2、寫設計報告的內容。設計要求： 1）掌握SystemView系統(tǒng)的基本操作，并對簡單通信系統(tǒng)進行仿真； 2）運用所學知識獨立完成對某一實際系統(tǒng)的仿真與分析； 3）對某一實際系統(tǒng)完成仿真分析并按要求完成設計報告。 指導教師： 范文 2013年12月16日課 程 設 計 評 語 成績： 指導教師：_ 年 月 日目錄前言21 2FSK系統(tǒng)原理31.1 2FSK調制原理31.2 2FSK解調原理32 SystemView介紹53 2FSK系統(tǒng)的設計與仿真63.1 2FSK鍵控法調制63.2 2FSK相干解調法83.2 2FSK非相干解調法104 仿真結果與分析124.1調制信號仿真分析124.2相干解調

3、仿真分析134.3 非相干解調仿真分析135 設計心得136 參考資料14前言通信的按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸，信息的傳輸離不開它的傳輸工具，通信系統(tǒng)應運而生，在當今高度信息化的社會，信息和通信已成為現(xiàn)代社會的“命脈”。通信的目的是傳遞消息中所包含的信息。通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)；數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的。根據信道中傳輸?shù)男盘柺欠窠涍^調制，將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和帶通傳輸系統(tǒng)，其中帶通傳輸系統(tǒng)是對各種信號調制后傳輸?shù)目偡Q，調制方式有很多，經過調制不僅可以進行頻

4、譜搬移，把調制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調制信號轉換成適合于信道傳輸或便于信道多路復用的已調信號，而且它對系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸?shù)目煽啃杂兄艽蟮挠绊?。調制方式往往決定著一個通信系統(tǒng)的性能。在通信系統(tǒng)的設計研發(fā)過程中，通信系統(tǒng)的軟件仿真已成為必不可少的一部分。為了使復雜的設計過程更加便捷高效，使得分析與設計所需的時間和費用降低。SystemView仿真系統(tǒng)能仿真大量的應用系統(tǒng)，能快速方便地進行動態(tài)系統(tǒng)設計與仿真，在本文中可以方便地加入SystemView的結果，完備的濾波和線性設計，先進的信號分析和數(shù)據處理，完善的自我診斷功能等。這次課程，要求了解SystemView的運行環(huán)境及應

5、用領域，逐步熟悉各種通信系統(tǒng)的仿真，由簡到難，運用所學對幾個實際系統(tǒng)的仿真進行分析和比較，熟悉SystemView的運行環(huán)境，掌握SystemView系統(tǒng)的基本操作，并對簡單通信系統(tǒng)進行仿真。這次課程設計要求掌握仿真的簡單的通信系統(tǒng)有：模擬調制方式AM、 DSB、SSB調制解調，數(shù)字調制方式仿真2ASK、2FSK、2PSK調制解調，抽樣定理。在課設最后一天，獨立按時完成老師指定的系統(tǒng)的仿真并最終選擇其中一個系統(tǒng)仿真分析，最終作為寫設計報告的內容。這次我所寫實驗報告是基于SystemView的2FSK系統(tǒng)的仿真與分析。1 2FSK系統(tǒng)原理1.1 2FSK調制原理 頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳

6、遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和 f2兩點間變化，其表達式為：時e2FSK（t）=Acos（1+n）當發(fā)送“1”時Acos（2+n）當發(fā)送“0”時2FSK信號產生的方式主要有兩種方法：一種可以采用模擬調頻電路來實現(xiàn)；另一種可以采用數(shù)字鍵控來實現(xiàn)，即在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通，使其在一個碼元Ts期間輸出f1或f2兩個載波之一，如圖1.1所示。圖1.1 數(shù)字鍵控法實現(xiàn)2FSK信號調制原理這兩種產生2FSK信號的差異在于：由調頻方法產生的2FSK信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的，而鍵控法產生的2FSK信號，是由電子開關在

7、兩個獨立的頻率源之間轉換形成，故相鄰碼元之間得相位不一定連續(xù)。 1.2 2FSK解調原理 常用的2FSK解調方法有兩種，即相干解調法和非相干解調法。另外還有鑒頻法、過零檢測法、查分檢測法。相干解調法是利用載波與已調信號進行相乘后濾波輸出得到，在上面的2FSK中要兩個載波，所以解調也要兩個載波，分別與已調信號相乘后利用低通，最后相加即可得到我們的濾波輸出，最后判壓輸出得到解調信號。非相干解調也是利用包絡檢波法檢測得到的。過零檢測法是基于2FSK信號的過零點數(shù)隨不同頻率而異，通過檢測零點數(shù)目多少，從而區(qū)分兩個頻率的碼元。原理框圖如下：帶通濾波器w1包絡檢波器帶通濾波器w2包絡檢波器抽樣判決器輸入定

8、時脈沖輸出圖1.2 2FSK非相干解調原理圖帶通濾波器w1相乘器帶通濾波器w2相乘器抽樣判決器輸出輸入定時脈沖 低通濾波器低通濾波器載波一載波二圖1.3 2FSK相干解調原理圖限幅微分整流脈沖展 寬低通輸入輸出 圖1.4 2FSK過零檢測法原理圖由圖1.2可知2FSK非相干解調就是分別對雙極性碼進行，再對調制后的已調信號分別進行帶通濾波，濾波完進行包絡檢波，包絡檢波器與一個整流器和低通濾波器是等價的。然后抽樣判決，上面的大，則判“1”，下面的抽樣值大，則判“0”。圖1.3的相干解調也差不多，分別帶通濾波之后進行與載波相乘，然后低通濾波，把2倍頻的分量濾除掉。最后得到接近直流的分量，在進行抽樣判

9、決，若上面的值大，則判“1”，下面的大，則判“0”。注意若信噪比大，則不能用包絡檢波法，要用相干解調法進行解調。過零檢測器來解調則是先進行限幅，把正弦波變成接方波的波形。然后微分，即可以得到跳變量，整流后把負的跳變量變成正的然后根據零點個數(shù)可以判斷出其基帶信號。最后低通，濾除高頻分量。判壓的零點個數(shù)原理就是把整流后的波進行脈沖展寬。下面只對2FSK的相干解調和非相干解調進行仿真。2 SystemView介紹SystemView是一個信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設計、仿真、能滿足從信號處理、濾波器設計，到復雜的通信系統(tǒng)等要求。SystemView借助大家熟悉的Windows窗口

10、環(huán)境，以模塊化和交互式的界面，為用戶提供一個嵌入式的分析引擎。使用SystemView,我們不用關心項目的設計思想和過程，而不用花費大量的時間去編程建立系統(tǒng)仿真模型。我們只用鼠標點擊器圖標即可完成系統(tǒng)的建模、設計和測試，而不用學習復雜的計算機程序編制，也不必擔心程序中是否存在編程錯誤。SystemView由兩個窗口組成，分別是系統(tǒng)設計窗口的分析窗口。系統(tǒng)設計窗口，包括標題欄、菜單欄、工具條、滾動條、提示欄、圖符庫和設計工作區(qū)。所有系統(tǒng)的設計、搭建等基本操作，都是在設計窗口內完成。分析窗口包括標題欄、菜單欄、工具條、流動條、活動圖形窗口和提示信息欄。提示信息欄顯示分析窗口的狀態(tài)信息、坐標信息和指

11、示分析的進度；活動圖形窗口顯示輸出的各種圖形，如波形等。分析窗口是用戶觀察SystemView數(shù)據輸出的基本工具，在窗口界面中，有多種選項可以增強顯示的靈活性和系統(tǒng)的用途等功能。在分析窗口最為重要的是接收計算器，利用這個工具我們可以獲得輸出的各種數(shù)據和頻域參數(shù)，并對其進行分析、處理、比較，或進一步的組合運算。例如信號的頻譜圖就可以很方便的在此窗口觀察到。SystemView仿真系統(tǒng)具有許多的優(yōu)點。1 能仿真大量的應用系統(tǒng)。能在DSP、通訊和控制系統(tǒng)應用中構造復雜的模擬、數(shù)字、混合和多速率系統(tǒng)。具有大量的可選擇的庫，允許用戶有選擇地增加通訊、邏輯、DSP和射頻/模擬功能模塊。特別適合于無線電話、

12、無繩電話、調制解調器以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)等的設計；課進行各種系統(tǒng)是與/頻域分析和譜分析；對射頻/模擬電路進行理論分析和失真分析。2 快速方便的動態(tài)系統(tǒng)設計與仿真。SystemView圖標庫包括幾百種信號源、接收端、操作符合功能塊，提供從DSP、通信、信號處理、自動控制、直到構造通用數(shù)學模型等應用。信號源和接收端圖標允許在SystemView內部生成和分析信號，并提供可外部處理的各種文件格式和輸入/輸出數(shù)據接口。3 在報告中方便地加入SystemView的結論。SystemView通過Notes(注釋)很容易在屏幕上描述系統(tǒng)；生成的SystemView系統(tǒng)餓輸出的波形圖可以很方便地使用復制和粘貼命令

13、插入微軟word等文字處理器。4 提供基于組織結構圖方式的設計。 通過利用SystemView中的圖符和MetaSystem(子系統(tǒng))對象的無限制分層結構功能，SystemView能很容易地建立復雜的系統(tǒng)。5 多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng)。 SystemView允許合并多種數(shù)據采樣率輸入的系統(tǒng)，以簡化FIR濾波器的執(zhí)行。這種特性尤其適合于同時具有低頻和高頻部分的痛ixnxitongd而設計于仿真，有利于提供整個系統(tǒng)的仿真速度，而在局部又不會降低仿真的精度。同時還可以降低對計算機硬件配置的要求。6 完備的濾波器和線性系統(tǒng)設計。 SystemView包含一個功能強大的、很容易使用的圖形模板設計模擬和數(shù)字以

14、及離散和連續(xù)時間系統(tǒng)的環(huán)境，還包含大量的FIR/IIR濾波類型和FFT類型，并提供易于用DSP實現(xiàn)濾波器或線性系統(tǒng)的參數(shù)。7 先進的信號分析和數(shù)據塊處理。 SystemView提供的分析窗口是一個能夠提供系統(tǒng)波形詳細檢查的交互式可視環(huán)境。分析窗口還提供一個能歲仿真生成數(shù)據進行先進的塊處理操作的接受計算器。 SystemView還提供了一個真實而靈活的窗口用以檢查系統(tǒng)波形。內部數(shù)據的圖形放大、縮小、滾動、譜分析、標尺以及濾波等，全部都是通過敲擊鼠標器實現(xiàn)的。8 課擴展性。 SystemView允許用戶插入自己用C/C+編寫的用戶代碼庫，插入的用戶庫自動集成到SystemView中，如同系統(tǒng)內建的

15、庫一樣使用。9 完善的自我診斷功能。 SystemView能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，通知用戶連接出錯并通過顯示指出出錯的圖符。這個特點對用戶系統(tǒng)的診斷是十分有效的。總之，SystemView的設計者希望它成為一種強大有力的基于個人計算機的動態(tài)的通信系統(tǒng)仿真工具，以實現(xiàn)在不具備先進儀器的條件下同樣也能完成復雜的通信系統(tǒng)設計與仿真。3 2FSK系統(tǒng)的設計與仿真 3.1 2FSK鍵控法調制圖3.1 2FSK鍵控法信號調制表3-1 鍵控法調制信號原理圖參數(shù)表圖符號庫：圖符名稱改變的參數(shù)設置0Source：SinusoidFreq=200Hz，Amplitude=1V1Source：PN SeqRate=

16、30Hz，No.Level=2,Offset=02Operator：Negate3、4Multiplier5Source：SinusoidFreq=400Hz，Amplitude=1V6、7Function：Half RectifierZero Point=08Adder912Sink：Analysis對調制信號波形仿真如下：（運行時間0.5s，采樣頻率1000Hz）調制信號波形圖Sink9圖3.2 2FSK調制信號波形 半波整流后加載到高頻信號f1上得波形（sink10）圖3.3 調制信號經半波整流與高頻信號f1合成波形經反向器并半波整流后加載到高頻信號f2上得波形（sink11）圖3.4

17、經反向器并半波整流后與高頻信號f2合成波形調制后波形（sink18）圖3.5 調制后波形圖 3.2 2FSK相干解調法圖3.6 2FSK信號相干解調系統(tǒng)仿真圖表3-2 2FSK信號相干解調原理圖參數(shù)表圖符號庫：圖符名稱改變的參數(shù)設置13、14Multiplier15Source：SinusoidFreq=200Hz，Amplitude=1V16Source：SinusoidFreq=400Hz，Amplitude=1V17、18Operator：Analog LowpassButterworth Low Cuttoff=100，No.of Poles=319Operator：Negate20A

18、dder21Operator：SamplerSample Rate=1000Hz22Operator：Hold23Operator：CompareSelect Comparison：ab，True Output：1VFalse Output：0V24Source：Step FctAmplitude=0V25、26Sink：Analysis解調后的波形（Sink26）圖3.7 解調后的輸出波形經過抽樣判決后的最終波形（sink28）圖 3.8 經抽樣判決后的輸出波形解調信號的功率譜為圖3.9 最終調制信號的功率譜圖 3.2 2FSK非相干解調法圖3.10 2FSK非相干解調仿真原理圖表3-3 2

19、FSK信號非相干解調原理圖參數(shù)表圖符號庫：圖符名稱改變的參數(shù)設置27Operator：Analog BandpassButterworthLow Cuttoff=50Hz，Hi Cuttoff=300Hz28Operator：Analog BandpassButterworthLow Cuttoff=350Hz，Hi Cuttoff=450Hz29、30Function：Half RectifierZero Point=031、32Operator：Analog LowpassButterworth Low Cuttoff=100，No.of Poles=333Operator：Compare

20、Select Comparison：ab，True Output：1VFalse Output：0V 非相干解調波形如下：（在調制系統(tǒng)中將基帶信號改為Rate=50Hz，其他不變，運行時間0.3s，采樣頻率1000Hz）調制信號波形（Sink2）圖3.11 輸入調制信號波形2FSK非相干解調低通濾波輸出波形（Sink34和Sink35）圖3.12 2FSK非相干解調低通濾波輸出波形2FSK非相干解調的判決輸出波形（Sink36）圖3.13 2FSK非相干解調的判決輸出波形4 仿真結果與分析4.1調制信號仿真分析圖3.2輸入的基帶信號是二進制單極性偽隨機碼（即PN序列），頻率為30Hz，從圖中可

21、看出輸入的序列為“”。當發(fā)送的雙極性基帶的碼元為“1”時有頻率200Hz的載波為其進行調制，調制結果如圖3.3所示；當發(fā)送的雙極性基帶的碼元為“0”時有頻率400Hz的載波為其進行調制，調制結果如圖3.4所示。圖3.5為2FSK調制的最終調制的結果。在非相干解調中，在調制系統(tǒng)中將基帶信號改為Rate=50Hz，其他不變，運行時間為0.3s，采樣頻率1000Hz。輸入的基帶信號見圖3.11。4.2相干解調仿真分析從圖3.6看出，解調原理是用同頻同相得本地高頻型號進行解調得到同步信號，在用低通濾波器濾除高頻載波，通過反向器并通過加法器相加后，得到原始基帶型號，通過抽樣，保持，判決，得到準確的原始信

22、號。由圖3.7（sink26）解調出來的波形有波動，主要是濾波器濾波誤差造成的，該波形通過抽樣，保持，判決后輸出波形如圖3.8所示，可見濾波器造成的誤差得到了解決最終仿真結果的準確性比較高，對照原基帶信號可以知道，波形在時間上稍有延遲，但系統(tǒng)的輸入和輸出信號基本保持一致，仿真比較成功。圖3.9給出了最終解調信號的頻譜圖。4.3 非相干解調仿真分析由圖3.10可知2FSK非相干解調就是分別對單極性碼進行調頻，再對調制后的已調信號分別進行帶通濾波，濾波完進行包絡檢波，包絡檢波器與一個整流器和低通濾波器是等價的。然后抽樣判決，上面的大，則判“1”，下面的抽樣值大，則判“0”。 圖3.11為基帶調制信

23、號波形，圖3.12為2FSK非相干解調低通濾波輸出波形（Sink34和Sink35）。第一個圖是發(fā)送碼元“1”對應的低通濾波輸出波形（對應為a），第二個圖是發(fā)送碼元“0”對應的低通濾波輸出波形（對應為b），判決（ab）時輸出判決輸出波形，判決輸出波形如圖3.13所示。對照原基帶信號可以知道，波形在時間上稍有延遲，但系統(tǒng)的輸入和輸出信號基本保持一致。5 設計心得 通過SystemView仿真軟件的學習與應用將課本上的通信原理各個系統(tǒng)作了一次比較全面的仿真練習。通過此次課程設計使我對這學期所學的模擬調制：AM、DSB、SSB的調制解調，數(shù)字調制：2ASK、2FSK、2PSK的調制解調，抽樣定理，增量調制的原理有了更進一步的了解與掌握；使我對通信系統(tǒng)的模型有了系統(tǒng)、全面的認識；學習并熟練掌握了SystemView軟件的使用方法；掌握了不同參數(shù)對各種調制方式的影響；培養(yǎng)了我的動手能力