通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)——基于SystemView軟件

1、通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)基于SystemView軟件班級(jí)： 通信二班姓名： 張家慶學(xué)號(hào)： 1004220247手機(jī)：院： 電光學(xué)院指導(dǎo)老師：李鵬實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2013年08月27日至30日目錄實(shí)驗(yàn)一 模擬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析（常規(guī)AM）2實(shí)驗(yàn)二 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析（PAM）9實(shí)驗(yàn)三 數(shù)字載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析（2FSK）15實(shí)驗(yàn)體會(huì)28參考文獻(xiàn)29實(shí)驗(yàn)一 模擬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析（常規(guī)AM）一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 振幅調(diào)制系統(tǒng)（常規(guī)AM）的模擬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析。二、實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求應(yīng)用軟件搭建模擬調(diào)制、解調(diào)（相干）系統(tǒng)，運(yùn)行系統(tǒng)觀察各點(diǎn)波形并分析頻譜，改變參數(shù)研究其抗噪特性。三、實(shí)驗(yàn)

2、原理AM已調(diào)信號(hào)可以表示為，且不等于0時(shí)，稱為常規(guī)調(diào)幅，其時(shí)域表達(dá)式為：其中是外加直流分量，f(t)是調(diào)制信號(hào)，它可以是確知信號(hào)也可以是隨機(jī)信號(hào)。為載波信號(hào)的角頻率，為載波信號(hào)的起始相位，為簡(jiǎn)便起見，通常設(shè)為0。常規(guī)AM通?？梢杂脠D1所示的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。常規(guī)AM調(diào)制系統(tǒng)框圖 要使輸出已調(diào)信號(hào)的幅度與輸入調(diào)制信號(hào)f(t)呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)滿足，否則會(huì)出現(xiàn)過調(diào)制現(xiàn)象。 解調(diào)可以用相干解調(diào)也可以用包絡(luò)檢波（非相干）。對(duì)于相干解調(diào)，因此只需要用一個(gè)跟載波信號(hào)同頻同相的正弦波跟接受信號(hào)相乘再通過低通濾波器濾波即可以將原信號(hào)解調(diào)出來。而對(duì)于非相干解調(diào)，從的表達(dá)式可以看出只需要對(duì)它進(jìn)行包絡(luò)檢波即可將原信號(hào)解調(diào)

3、出來。當(dāng)然，用非相干解調(diào)時(shí)不可以過調(diào)制，而相干解調(diào)則可以。這兩種方法相比而言，非相干解調(diào)更經(jīng)濟(jì)，設(shè)備簡(jiǎn)單，而相干解調(diào)由于需要跟載波同頻同相的信號(hào)，因此設(shè)備比較復(fù)雜。四、實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果1、實(shí)驗(yàn)原理圖如下：根據(jù)已調(diào)信號(hào)的公式，其中。通過有噪聲的信號(hào)后，接收并利用相干解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)，這樣就可以獲得原理圖。其中正弦信號(hào)源信號(hào)幅度為1v，頻率為100Hz；解調(diào)部分的本振源與載波信號(hào)源的設(shè)置相同，幅度為1v，頻率為1KHz。低通濾波器的截止頻率為300Hz，保留正弦信號(hào)源的頻率100Hz，并濾除了高頻的分量，這樣得到的輸出信號(hào)的幅值是輸入信號(hào)的二分之一。2、實(shí)驗(yàn)的波形及分析 1.實(shí)驗(yàn)中的各時(shí)域波形：如上

4、圖從上至下從左至右依次為載波信號(hào)，調(diào)制信號(hào)，已調(diào)信號(hào)，加噪聲的已調(diào)信號(hào)，高斯噪聲和解調(diào)信號(hào)的波形圖，實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)置載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的幅度使mf=13。 2.實(shí)驗(yàn)中的各頻域波形：如上圖從上至下從左至右依次為載波信號(hào)，調(diào)制信號(hào)，已調(diào)信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的頻譜圖。3.輸入信號(hào)與解調(diào)后的信號(hào)對(duì)比分析： a.時(shí)域?qū)Ρ龋?b頻域?qū)Ρ龋河缮蠄D結(jié)果分析可得，在高斯噪聲為0.2V的條件下輸入信號(hào)與輸出信號(hào)基本一致。 3抗噪聲性能的研究 實(shí)驗(yàn)通過改變?cè)肼暤拇笮碛^察輸出信號(hào)對(duì)比于輸入信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波的改變。a.高斯噪聲為零：b.高斯噪聲幅度為0.6V：c.高斯噪聲的幅度為0.8V：由上圖可見，當(dāng)輸入信號(hào)一定時(shí)，

5、隨著噪聲的加強(qiáng)，接收端輸入信號(hào)被干擾得越嚴(yán)重，而相應(yīng)的輸出波形相對(duì)于發(fā)送端的波形誤差也越大。而當(dāng)噪聲過大時(shí)，信號(hào)幾難分辨。這是信噪比變小導(dǎo)致的，在實(shí)際的信號(hào)傳輸過程中，當(dāng)信道噪聲過大將會(huì)導(dǎo)致幅度相位等各種失真，當(dāng)然由于非線性元件如濾波器等的存在。非線性失真也會(huì)隨噪聲加大而變大。實(shí)驗(yàn)二 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析（PAM）一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容脈沖振幅調(diào)制（PAM）系統(tǒng) 二、實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求應(yīng)用軟件搭建模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸（調(diào)制、解調(diào)）系統(tǒng)，運(yùn)行系統(tǒng)觀察各點(diǎn)波形并分析頻譜等 。三、實(shí)驗(yàn)原理脈沖振幅調(diào)制（PAM）是利用沖擊函數(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行抽樣，它是一種最基本的模擬脈沖調(diào)制，它往往是模擬信號(hào)數(shù)字化過程

6、中的必經(jīng)之路。設(shè)基帶脈沖信號(hào)的波形為m（t），其頻譜為M(f)；用這一信號(hào)對(duì)一個(gè)脈沖載波s（t）調(diào)幅。s（t）的周期為，其頻譜為S(f)；脈沖寬度為，幅度為A；并設(shè)抽樣信號(hào)是m（t）和s（t）的乘積。則抽樣信號(hào)的頻譜就是二者頻譜的卷積：其中 圖1中示出PAM調(diào)制過程的波形與頻譜。s（t）的頻譜包絡(luò)|S（f）|的包絡(luò)呈|sinx/x|形，并且PAM信號(hào)的頻譜包絡(luò)|的包絡(luò)也呈|sinx/x|形。若s（t）的周期T，則采用一個(gè)截止頻率的低通濾波器仍可以分離原模擬信號(hào)。脈沖振幅調(diào)制實(shí)驗(yàn)總體的電路如下圖圖2所示，把輸入信號(hào)與脈沖信號(hào)通過相乘器相乘，這樣在頻域就達(dá)到了卷積的效果。這樣頻譜就會(huì)在頻譜分開，如

7、圖1所示，通過信道傳輸后再通過低通濾波器，只要低通濾波器的截止頻率就可以實(shí)現(xiàn)解調(diào)。四、實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果1.實(shí)驗(yàn)原理圖如下：如上圖所示，圖中采用的是高斯信號(hào)源，其幅值為1V。兩個(gè)低通濾波器的截止頻率均為300Hz，脈沖的頻率為5KHz，而脈沖寬度為周期的一半，即。增益的大小為6信道噪聲先設(shè)置為0。2、實(shí)驗(yàn)的波形及分析 1.實(shí)驗(yàn)中的各時(shí)域波形： a. 高斯信號(hào)和通過濾波器的高斯信號(hào)： b方波信號(hào)和采樣后的信號(hào)： c解調(diào)信號(hào)：經(jīng)過低通濾波器恢復(fù)的信號(hào)與原信號(hào)對(duì)比如圖7所示，可見波形在時(shí)間上有一定的延時(shí)，這是由于采用濾波器的緣故。此外細(xì)看上去，在一些部分波形出現(xiàn)不一致，輸出的波形較為平緩，這是因?yàn)榈屯V

8、波器的非理想造成的，高頻分量不能完全的被濾除。 2.實(shí)驗(yàn)中的各頻域波形： a. 輸入信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的頻譜： b輸出信號(hào)的頻譜：3.輸入信號(hào)與解調(diào)后的信號(hào)對(duì)比分析： a.時(shí)域?qū)Ρ龋篵.頻域?qū)Ρ龋?c.輸入信號(hào)和輸出信號(hào)頻譜合并：是經(jīng)過信道傳播后再通過低通濾波器恢復(fù)信號(hào)獲得波形，可見其波形大致與原信號(hào)相同，其頻譜是調(diào)制信號(hào)頻譜經(jīng)低通濾波得到的，大致與原信號(hào)的頻譜相同。 實(shí)驗(yàn)三 數(shù)字載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析（2FSK）一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）系統(tǒng) 二、實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求應(yīng)用軟件搭建數(shù)字載波通信系統(tǒng)（調(diào)制、解調(diào)），運(yùn)行系統(tǒng)觀察各點(diǎn)波形并分析頻譜、眼圖等，改變參數(shù)研究其抗噪特性，分析BER

9、曲線等 。三、實(shí)驗(yàn)原理 數(shù)字調(diào)頻又稱移頻鍵控，簡(jiǎn)記為FSK，它是載波頻率隨數(shù)字信號(hào)而變化的一種調(diào)制方式。利用基帶數(shù)字信號(hào)離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。除具有兩個(gè)符號(hào)的二進(jìn)制頻移鍵控之外，尚有代表多個(gè)符號(hào)的多進(jìn)制頻移鍵控，簡(jiǎn)稱多頻調(diào)制。一種用多個(gè)載波頻率承載數(shù)字信息的調(diào)制類型。最常見的是用兩個(gè)頻率承載二進(jìn)制1和0的雙頻FSK系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用2FSK調(diào)制，利用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)。其實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示，即通過二進(jìn)制數(shù)據(jù)的0值與1值控制開關(guān)與哪一路頻率信號(hào)接通，這樣0值與1值對(duì)應(yīng)不同的頻率，達(dá)到調(diào)制的目的。鍵控法產(chǎn)生信號(hào) FSK信號(hào)的解調(diào)方法有相干解調(diào)，非相干解調(diào)等。在

10、高斯白噪聲信道環(huán)境下FSK 濾波非相干解調(diào)性能較相干FSK 的性能要差，但在無(wú)線衰落環(huán)境下，F(xiàn)SK 濾波非相干解調(diào)卻表現(xiàn)出較好的穩(wěn)健性。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里我們采用的是高斯信道，故而用相干解調(diào)方法。 FSK相干解調(diào)要求恢復(fù)出傳號(hào)頻率與空號(hào)頻率，恢復(fù)出的載波信號(hào)分別與接收的FSK調(diào)制信號(hào)相乘，然后通過低通濾波器濾除相乘后得到的高頻分量，保留低頻近乎直流的分量。相干FSK解調(diào)框圖如圖2所示。相干解調(diào)四、實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果1、實(shí)驗(yàn)原理圖如下：如上圖所示，利用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)FSK相干解調(diào)恢復(fù)信號(hào)。其中低頻正弦信號(hào)為1000Hz，高頻正弦信號(hào)為2000Hz，隨機(jī)碼為500Hz。上支路帶通濾波器為500Hz到

11、1500Hz，下支路帶通濾波器為1500Hz到2500Hz，上下支路的低通濾波器均為500Hz，各參數(shù)如圖所示。2、實(shí)驗(yàn)的波形及分析 1. 2FSK信號(hào)及通過帶通濾波器輸出信號(hào)2. 通過低通濾波器后的兩路信號(hào)信號(hào)：帶通濾波時(shí)，上支路信號(hào)是通過帶通獲得頻率較低的分量，對(duì)應(yīng)原始信號(hào)的低電平。通過500Hz到1500Hz的帶通濾波后，1000Hz的低頻分量被濾出來，而2000Hz對(duì)應(yīng)的量幅度則接近于零。下支路信號(hào)是通過帶通獲得頻率較高的分量，對(duì)應(yīng)原始信號(hào)的高電平。通過1500Hz到2500Hz的帶通濾波后，2000Hz的低頻分量被濾出來，而1000Hz對(duì)應(yīng)的量幅度則接近于零。低通濾波后，導(dǎo)致幅度突變

12、的高頻分量被濾除掉了，幅度變換區(qū)域平緩，得到下圖是所示的時(shí)域波形。當(dāng)原始信號(hào)電平為0時(shí)，下圖信號(hào)的對(duì)應(yīng)值為1；而當(dāng)原始信號(hào)電平為1時(shí)，下圖信號(hào)的對(duì)應(yīng)值為0。而通過低通濾波后，頻譜也集中在500Hz以內(nèi)。同樣的，低通濾波后，導(dǎo)致幅度突變的高頻分量被濾除掉了，幅度變換區(qū)域平緩。當(dāng)原始信號(hào)電平為0時(shí)，下支路信號(hào)的對(duì)應(yīng)值為0；而當(dāng)原始信號(hào)電平為1時(shí)，下支路信號(hào)的對(duì)應(yīng)值為1。而通過低通濾波后，頻譜也集中在500Hz以內(nèi)。3判決之前的輸出信號(hào)由于原始信號(hào)電平為0時(shí)，下支路信號(hào)的對(duì)應(yīng)值為0；而當(dāng)原始信號(hào)電平為1時(shí)，下支路信號(hào)的對(duì)應(yīng)值為1。所以輸出信號(hào)完全可以由下支路信號(hào)獲得，因此可用下支路信號(hào)自己抽樣判決獲

13、得輸出信號(hào)。4. 輸入波形與判別后輸出波形對(duì)比：以上是隨機(jī)信號(hào)原波形與通過判決器波形后，恢復(fù)的原始信號(hào)波形，由圖中可見，該信號(hào)是有一定的時(shí)延，這是因?yàn)槭静ㄆ鞯姆抢硐氲仍驅(qū)е碌摹?、眼圖與抗噪性能 1.實(shí)驗(yàn)原理圖如下： 2. 眼圖的觀測(cè) 在低通濾波器之后，接收器圖符之前加了一個(gè)抽樣器圖符，用來調(diào)整采樣率以配合SystemView接收計(jì)算器的時(shí)間切片繪圖功能來觀察眼圖。時(shí)間段的起始位置和長(zhǎng)度都可以由計(jì)算器窗口設(shè)置。為滿足時(shí)間切片周期和碼元同步并且能完整地觀察到一個(gè)眼圖的要求，一般將時(shí)間切片的長(zhǎng)度設(shè)置為當(dāng)前采樣率下采樣周期的兩倍長(zhǎng)。這里將采樣頻率設(shè)置為1000Hz，則時(shí)間切片應(yīng)設(shè)為2ms。時(shí)間切片

14、的設(shè)置如下圖所示，在接受計(jì)算器窗口下選擇“Style”項(xiàng)，再輸入“Time Slice”的參數(shù)。確定退出后即可看到眼圖。3.眼圖與分析 如下圖所示，在沒有高斯噪聲時(shí)，眼圖是清晰簡(jiǎn)潔的眼形狀，而隨著噪聲的加大，眼圖線條愈加凌亂，觀察到眼圖的“眼睛”張開的幅度變小，即噪聲容限下降，對(duì)應(yīng)輸出波形，就是信號(hào)受噪聲的影響加大，愈加不容易分辨。a.高斯噪聲為0： b.高斯噪聲幅度為0.2V： c.高斯噪聲幅度為0.4V： d.高斯噪聲幅度為0.6V：4、BER曲線1.實(shí)驗(yàn)原理圖如下：2.操作步驟1.首先設(shè)置高斯噪聲，如下圖所示。設(shè)置高斯噪聲的幅值為1V2.添加BER計(jì)算器，并設(shè)置。No.TRIALS為對(duì)比

15、試驗(yàn)的比特?cái)?shù)，設(shè)“No.TRIALS”為10000，系統(tǒng)定時(shí)中的每個(gè)循環(huán)采樣點(diǎn)數(shù)為131072，循環(huán)次數(shù)設(shè)置為十次?！癟hreshold”值為參考信號(hào)與解調(diào)信號(hào)差異的門限值，這里設(shè)為0.5， “Offset”為時(shí)間偏移量，置為0， BER計(jì)算器設(shè)置圖符27為停止接收計(jì)數(shù)器圖符，連接BER計(jì)數(shù)器的選擇2：Total Errors為錯(cuò)誤總數(shù)。設(shè)置為多次循環(huán)，并將系統(tǒng)定時(shí)中的No.of System loops設(shè)置為9。圖符25為終值接收計(jì)算器，它與BER計(jì)數(shù)器的選擇1：Cummulative Avg為BER的累計(jì)均值連接，當(dāng)仿真進(jìn)行時(shí)，每一個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)會(huì)顯示本次循環(huán)的BER均值，該值也是用于計(jì)算B

16、ER/SNR曲線的基礎(chǔ)，只有利用該計(jì)算器的數(shù)據(jù)才能繪出所需的BER曲線。停止計(jì)數(shù)器設(shè)置3全局變量的關(guān)聯(lián)與BER曲線的生成設(shè)置將噪聲增益控制與系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)進(jìn)行全局變量關(guān)聯(lián)，使信道的信噪比（SNR）由0dB開始逐步加大，即噪聲逐步減小。每次減小的步長(zhǎng)與循環(huán)次數(shù)有關(guān)。設(shè)置全局變量的方法是，單擊主菜單的“Tools”選項(xiàng)，選擇“Global Parameter Links”。這時(shí)出現(xiàn)下圖的界面。全局關(guān)聯(lián)設(shè)置 設(shè)置每次信噪比遞增3dB，即噪聲減小3dB，則在相應(yīng)的定義欄將FGi,Vi的值置為-3*cl。這里的cl為系統(tǒng)變量“current system loop”系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)。下面求BER/SNR曲線，

17、進(jìn)行如下設(shè)置。選擇“Style”功能中的“BER Plot”。設(shè)置起始信噪比為1dB，增量“Increment”值為1（必須與預(yù)先設(shè)置的增益關(guān)聯(lián)一致）。在選擇計(jì)算窗口“Select one window”中，選擇剛剛獲得的系統(tǒng)累計(jì)誤碼率均值相對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線的窗口，單機(jī)確定后，即可獲得所需的BER/SNR曲線。BER繪圖設(shè)置 4.BER曲線：將實(shí)際BER曲線與理想曲線比較，結(jié)果如下圖所示：由上圖可見，隨著信噪比的提高，誤碼率單調(diào)下降，但是與理論值有一定的差異。而隨著信噪比的越來越高，差異似乎更大，這個(gè)是因?yàn)樵趯?shí)際的系統(tǒng)中濾波器不是理想的，像帶通濾波器和低通濾波器是巴特沃斯濾波器，并非理想的方形

18、，會(huì)附加一定頻帶外噪聲。同時(shí)，之前獲得延時(shí)也不是完全準(zhǔn)確的，也會(huì)造成一定的附加噪聲。實(shí)驗(yàn)體會(huì)對(duì)于本次通信系統(tǒng)仿真的課題，歷時(shí)四天。實(shí)驗(yàn)中，我遇到過很多困難。首先由于通信原理知識(shí)難免有些生疏，在設(shè)計(jì)過程中會(huì)犯一些錯(cuò)誤。然后是systemview軟件應(yīng)用的學(xué)習(xí)，由于以前沒接觸過所以剛用起來時(shí)有點(diǎn)費(fèi)力，不過通過幾天的實(shí)際操作，我已經(jīng)可以很好掌握并且熟練運(yùn)用了。實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)原理很簡(jiǎn)單，是常規(guī)的振幅調(diào)制，老師也提供了詳細(xì)的實(shí)例分析，因此做起來很容易上手，這個(gè)實(shí)驗(yàn)完成得比較快，并不占用時(shí)間，但是通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)更加掌握了對(duì)SystemView系統(tǒng)的運(yùn)用。實(shí)驗(yàn)三與前兩個(gè)相比難度加大了許多，首先是剛開始的主體電路和眼圖，本身的系統(tǒng)較為復(fù)雜，但這并不是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)所在。本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于BER曲線的分析。主體電路和眼