通信系統(tǒng)仿真

摘要本文利用Systemview軟件設計了三個實驗包括：振幅調制系統(tǒng)（常規(guī)AM），脈沖編碼調制系統(tǒng)（PCM），二進制頻移鍵控系統(tǒng)（2FSK）。在實驗中采用相干解調等方法，產生波形并與理想波形進行對比得到實驗結果。關鍵詞：常規(guī)AM脈沖編碼調制系統(tǒng)二進制頻移鍵控系統(tǒng)AbstractThereportdesignsthreeexperiments,inculdingAM,PCM,2FSK,byusingSystemView.Atthesametime,thedesigntakesthemeasureofCoherentDemodulation.Atlast,thewavedesignediscomparedwithidealwavesothattheconclusionisconcluded.Keywords:AMPCM2FSK目錄模擬調制系統(tǒng)設計分析…………41.實驗內容………………………42.實驗要求………………………43.實驗原理………………………44.實驗步驟………………………5二．模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)設計分析……………131.實驗內容……………………132.實驗要求……………………133.實驗原理……………………134.實驗步驟……………………14三．數(shù)字載波通信系統(tǒng)設計分析……………………191.實驗內容……………………192.實驗要求……………………193.實驗原理……………………194.實驗步驟……………………21四.收獲與感想………………………37五.參考文獻…………38實驗一模擬調制系統(tǒng)設計分析一.實驗內容振幅調制系統(tǒng)（常規(guī)AM）二．實驗要求1、根據(jù)設計要求應用軟件搭建模擬調制、解調（相干）系統(tǒng)；2、運行系統(tǒng)觀察各點波形并分析頻譜；3、改變參數(shù)研究其抗噪特性。三．實驗原理任意的AM已調信號可以表示為且不等于0時，稱為常規(guī)調幅，其時域表達式為：其中是外加直流分量，f(t)是調制信號，它可以是確知信號也可以是隨機信號。為載波信號的角頻率，為載波信號的起始相位，為簡便起見，通常設為0。常規(guī)AM通常可以用下圖所示的系統(tǒng)來實現(xiàn)。要使輸出已調信號的幅度與輸入調制信號f(t)呈線性對應關系，應滿足，否則會出現(xiàn)過調制現(xiàn)象。解調可以用相干解調也可以用包絡檢波（非相干）。對于相干解調，，因此只需要用一個跟載波信號同頻同相的正弦波跟接受信號相乘再通過低通濾波器濾波即可以將原信號解調出來。而對于非相干解調，從的表達式可以看出只需要對它進行包絡檢波即可將原信號解調出來。當然，用非相干解調時不可以過調制，而相干解調則可以。這兩種方法相比而言，非相干解調更經濟，設備簡單，而相干解調由于需要跟載波同頻同相的信號，因此設備比較復雜。四、實驗步驟1.實驗原理圖根據(jù)AM已調信號的公式，其中。通過有噪聲的信號后，接收并利用相干解調方法進行解調，這樣就可以獲得如下的原理圖。其中調制信號幅度為1v，頻率為200Hz；載波信號幅度為1v，頻率為2KHz。放大器的放大倍數(shù)為2。解調部分的本振源與載波信號源的設置相同，幅度為1v，頻率為2KHz。低通濾波器的截止頻率為300Hz，保留正弦信號源的頻率200Hz，并濾除了高頻的分量，這樣得到的輸出信號的幅值是輸入信號的二分之一。實驗的波形及分析2.1載波波形分析載波信號幅度為1v，頻率為2000Hz的正弦波。其波形和頻譜如下圖所示，可見載波頻譜集中在2KHz左右。2.2調制信號波形分析調制信號幅度為1v，頻率為200Hz的正弦波。其波形和頻譜如下圖所示，可見載波頻譜集中在200Hz左右。2.3未加入高斯噪聲前已調波波形分析調制后，波形如下圖所示。波形的包絡與正弦信號一致，由于直流分量的存在，在信號的頻譜中會出現(xiàn)三個尖頂。分別對應載波頻率，載波頻率與原始信號頻率之差以及載波頻率與原始信號頻率之和。2.4高斯噪聲波形分析加入高斯噪聲，也就是實際中存在的噪聲信號。2.5已調波波形分析噪聲和理想的調制波相加就可以得到實際中的已調波信號。2.6相干載波波形分析相干載波信號應該和載波信號一樣，所以幅度為1v，頻率為2000Hz的正弦波。其波形和頻譜如下圖所示，可見載波頻譜集中在2KHz左右。2.7未加低通濾波器波形分析將已調波信號和相干載波信號相乘后可以得到濾波前的信號波形。2.8解調后的信號波形分析加入低通濾波器之后，我們可以得到濾波后的波形。2.9輸出信號與輸入信號對比下圖是輸入的波形與輸出的波形在時域與頻域的比較，易見二者在幅度上相差兩倍，即輸出波形的幅度是輸入波形的二分之一。這是因為在解調過程中，載波信號與本振信號相乘得到一個1/2，所以導致了幅度的變化。如果添加一個兩倍的增益，則二者的幅度相同。但是由頻譜對比來看，二者在波形上還有一些細微的差別，這是由于噪聲的影響，后面會進一步分析。2.10抗噪聲性能分析改變加的高斯噪聲，并觀察輸出波形與輸入波形在波形和頻譜上面的差別。2.10.1噪聲為0V時2.10.2噪聲為0.5V時2.10.3噪聲為1V時2.10.4噪聲為2V時通過上面的實驗波形對比，我們可以看到，當輸入信號一定時，隨著高斯噪聲的增大，輸出波形與輸入波形的相差越來越大。由于噪聲變大，那么信噪比則變小，在實際的信號傳輸過程中，當信道噪聲過小將會導致幅度相位等各種失真。當噪聲變得很大的時候，輸出信號也會相對應的相對原信號出現(xiàn)很嚴重的失真。實驗二模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)設計分析實驗內容脈沖編碼調制系統(tǒng)（PCM）實驗要求1、根據(jù)設計要求應用軟件搭建模擬信號的數(shù)字傳輸（調制、解調）系統(tǒng)；2、運行系統(tǒng)觀察各點波形并分析頻譜等。實驗原理在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中以PCM為代表的編碼調制技術被廣泛應用于模擬信號的數(shù)字傳輸。除PCM外，DPCM和ADPCM的應用范圍更廣。PCM的主要優(yōu)點是：抗干擾能力強；失真小；傳輸特性穩(wěn)定，尤其是遠距離信號再生中繼時噪聲不累積，而且可以采用壓縮編碼、糾錯編碼和保密編碼等來提高系統(tǒng)的有效性、可靠性和保密性。另外，PCM還可以在一個信道上將多路信號進行時分復用傳輸。脈沖編碼調制（PCM）是把模擬信號變換為數(shù)字信號的一種調制方式，其最大的特點是把連續(xù)輸入的模擬信號變換為在時域和振幅上都離散的量，然后將其轉化為代碼形式傳輸。PCM編碼通過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數(shù)字編碼。為便于用數(shù)字電路實現(xiàn)，其量化電平數(shù)一般為2的整數(shù)次冪，有利于采用二進制編碼表示。采用均勻量化時，其抗噪聲性能與量化級數(shù)有關，每增加一位編碼，其信噪比增加約6dB，但實現(xiàn)的電路復雜程度也隨之增加，占用帶寬也越寬。因此實際采用的量化方式多為非均勻量化，通常使用信號壓縮與擴張技術來實現(xiàn)非均勻量化。在保持信號固有的動態(tài)范圍前提下，在量化前將小信號進行放大而對打信號進行壓縮。通常的壓縮方法有13折線的A律和μ律兩種標準，國際通信中多采用A律。采用信號壓縮后，用8位編碼實際可以表示為均勻量化11位編碼時才能表示的動態(tài)范圍，能有效提高小信號時的信噪比。實驗步驟1.實驗原理圖根據(jù)SystemView中所提供的壓縮器和擴張器以及已經給的實驗電路來進行搭建實驗電路，如下圖所示：實驗的波形及分析2.1高斯噪聲信號源波形分析信號源采用高斯噪聲源，它的均值為0.5V，方差為0V。2.2信號源低通濾波后波形分析輸入低通濾波器為10Hz的切比雪夫濾波器。2.3A律壓縮信號波形分析將信號進行A律壓縮，之后可以得到新的波形。2.4A/D采樣信號波形分析在A/D采樣時需要利用采樣信號進行定時抽樣，以此來控制A/D采樣的頻率。2.5擴張波形分析將D/A后所得到的模擬信號輸入到擴張器后，可以利用A律進行擴張。2.6輸出信號波形分析將擴張完的信號輸入到低通濾波器，濾除高頻分量可以得到輸出波形。2.7波形對比將輸入信號，未經過低通濾波器恢復的信號與經過低通濾波器恢復的信號對比如下圖所示，可見波形在時間上有一定的延時，這是由于在經過電路各個元器件會產生時延的基礎上，以及采用濾波器的緣故。此外細看上去，在一些部分波形出現(xiàn)不一致，輸出的波形較為平緩，這是因為低通濾波器的非理想造成的，高頻分量不能完全的被濾除。再將輸入信號與輸出信號進行對比，發(fā)現(xiàn)輸入信號與輸出信號存在時延，這個是肯定會存在的，于此同時，還頻譜上輸出波形比輸入波形要平滑許多，但是基本是一致的，這是低通濾波器造成的結果。實驗三數(shù)字載波通信系統(tǒng)設計分析一.實驗內容二進制頻移鍵控（2FSK）系統(tǒng)二.實驗要求1、根據(jù)設計要求應用軟件搭建數(shù)字載波通信系統(tǒng)（調制、解調）；2、運行系統(tǒng)觀察各點波形并分析頻譜、眼圖等；3、改變參數(shù)研究其抗噪特性；4、分析BER曲線等。三.實驗原理頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化，故其表達式為：2FSK信號的產生方式主要有兩種。一種可以采用模擬調頻電路來實現(xiàn)；另一種可以采用鍵控方法來實現(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，使其在每一個碼元Ts期間輸出f1或f2兩個載波之一。這兩種方法產生信號的差異在于：由于調頻法產生的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兩個獨立的頻率源之間轉換形成，故相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。2FSK信號的常用解調方法是采用非相干解調（包絡檢波）和相干解調。其解調原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調，然后進行判決。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小，可以不專門設置門限。判決規(guī)則應與調制規(guī)則相呼應。衡量一個數(shù)字通信系統(tǒng)的指標有很多，但最為主要的是有效性和可靠性。對于2FSK來說，測量其誤碼率（BER）是衡量其性能的一個重要指標。所謂眼圖，指的是通過用示波器觀察接收端的基帶信號波形，從而估計和調整系統(tǒng)性能的一種方法。這種方法的具體做法是：用一個示波器跨接在抽樣判決器的輸入端，然后調整示波器的水平掃描周期，使其與接收碼元的周期同步。此時可以從示波器顯示的圖形上，觀察碼間干擾和信道噪聲等因素的影響情況，從而估計系統(tǒng)性能的優(yōu)劣程度。眼圖的“眼睛”張開越大，且眼圖越端正，表示碼間串擾越?。环粗?，表示碼間串擾越大。實驗結果1.實驗原理圖原理圖如下圖，利用鍵控法產生2FSK信號，并且采用2FSK相干解調恢復信號。其中低頻正弦信號為100Hz，高頻正弦信號為150Hz，隨機碼為10Hz。上支路帶通濾波器為60Hz到120Hz，下支路帶通濾波器為130Hz到170Hz，上下支路的低通濾波器均為10Hz，于是得到如下的實驗原理圖。2.波形與頻譜如上的實驗原理圖連接好元器件，然后進行仿真。可獲得如下的波形與頻譜2.1PN序列波形分析利用PN序列信號發(fā)生器來生成一個PN序列，作為單刀雙擲開關的選通信號，其頻率為10HZ。2.2PN延遲波形分析因為在經過電路后我們輸出的波形與輸入的波形之間會產生一定時間的延遲，所以，需要一個時延器來時延輸入波形，使之與輸入波形形成比較。2.3振蕩器1波形分析選用一個正弦波振蕩器，其振蕩頻率為低頻正弦信號為100Hz。2.4振蕩器2波形分析選用一個正弦波振蕩器，其振蕩頻率高頻正弦信號為150Hz。2.52FSK波形分析將上述電路圖連接起來，再加入高斯白噪聲可以得到實際生活中的2FSK信號。2.6帶通1波形分析根據(jù)上半路的信號的載波頻率是100HZ，所以選擇上支路帶通濾波器為60Hz到120Hz。2.7帶通2波形分析根據(jù)上半路的信號的載波頻率是150HZ，所以選擇下支路帶通濾波器為130Hz到170Hz2.8振蕩器1波形分析選用一個正弦波振蕩器，其振蕩頻率為低頻正弦信號為100Hz。2.9振蕩器2波形分析選用一個正弦波振蕩器，其振蕩頻率為低頻正弦信號為150Hz。2.10低通1波形分析上下支路的低通濾波器均為10Hz，所以經過低通濾波器可以濾除高頻分量?？梢缘玫饺缦碌牟ㄐ巍?.11低通2波形分析上下支路的低通濾波器均為10Hz，所以經過低通濾波器可以濾除高頻分量?？梢缘玫饺缦碌牟ㄐ巍?.12合成信號波形分析將上下兩支路的信號進行相加，就可以得到其相加的信號，再送入到抽樣判決之中。2.13輸出信號波形分析將相加的信號最后送入到抽樣判決器里面，最后我們可以可以得到輸出信號的波形和頻譜。3.眼圖3.1實驗原理圖用一個示波器跨接在抽樣判決器的輸入端，然后調整示波器的水平掃描周期，使其與接收碼元的周期同步。此時可以從示波器顯示的圖形上看到眼圖，所以在前面一個實驗的基礎之上，我在抽樣判決前加入了一個分析，這樣就可以通過這個來觀察眼圖，實驗原理圖如下：3.2眼圖的觀測在上述實驗的基礎之上，我在接收器圖符之前加了一個抽樣器圖符，用來調整采樣率以配合SystemView接收計算器的時間切片繪圖功能來觀察眼圖。時間切片功能可以把接收計算器在多個時間段內記錄到的數(shù)據(jù)重疊起來顯示。時間段的起始位置和長度都可以由計算器窗口設置。為滿足時間切片周期和碼元同步并且能完整地觀察到一個眼圖的要求，一般將時間切片的長度設置為當前采樣率下采樣周期的兩倍長。在本次試驗中，這里將采樣頻率設置10Hz，采樣周期為100ms，則時間切片應設為200ms。時間切片的設置如下圖所示，在接受計算器窗口下選擇“Style”項，再輸入“TimeSlice”的參數(shù)。確定退出后即可看到眼圖，即按照下圖的方法進行設置。3.3眼圖的分析如下圖所示，在沒有高斯噪聲時，眼圖是清晰簡潔的眼形狀，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，對應輸出波形，就是信號受噪聲的影響加大，愈加不容易分辨。高斯噪聲為0V高斯噪聲為0.1V高斯噪聲為0.2V高斯噪聲為0.5V4.BER曲線4.1實驗原理圖BER分析的原理圖如下圖所示，由圖可見，實驗在原原理圖基礎上增加了一些模塊，如比特誤碼率延遲BER模塊、延遲模塊等，以下就實驗步驟和各部分模塊進行分析。4.2實驗步驟根據(jù)pdf文檔上面的提示，我們按照書上面的要求進行修改，添加BER計算器，并作如下設置。No.TRIALS為對比試驗的比特數(shù)，通常這個取值具有一定的要求。如果希望測出1e-4的BER，則至少進行1e+5的對比試驗，這樣經過統(tǒng)計得到的BER才比較可信。同時也必須將系統(tǒng)定時中每個仿真循環(huán)的采樣數(shù)設得足夠大。在這個仿真實驗中，我們設“No.TRIALS”為1e+3，系統(tǒng)定時中的每個循環(huán)采樣點數(shù)為131072，循環(huán)次數(shù)設置為9次。注意，系統(tǒng)定時中的采樣點數(shù)必須大于No.TRIALS的值。圖中“Threshold”值為參考信號與解調信號差異的門限值，這里設為0.5，當二者之差大于該值判為錯，BER計數(shù)器累計0.5，小于該值時則判為正確。“Offset”為時間偏移量，該值決定系統(tǒng)從什么時候開始進行比較試驗。通常無延時置為0，但是對某些具有濾波器、寄存器延時的系統(tǒng)則需要隊員是信號進行精確延時后才能與解調信號進行比較，因此必須在延時結束后才能進行對照比較。連接BER計數(shù)器的輸出到接收計算器圖符時，必須選擇三種輸出之一，其中選擇0：BER為實時BER值，選擇1：CummulativeAvg為BER的累計均值，選擇2：TotalErrors為錯誤總數(shù)。如下圖帶圓點的為停止接收計數(shù)器圖符。它的功能是當輸入超過設定的門限值時，停止本次仿真，如果系統(tǒng)設置為多循環(huán)則進入下一循環(huán)的仿真運算。這里設置為多次循環(huán)，并將系統(tǒng)定時中的No.ofSystemloops設置為9。在BER仿真原理圖中，還有一個終值接收計算器，它與BER計數(shù)器的累計均值輸出端連接，當仿真進行時，每一個循環(huán)結束時會顯示本次循環(huán)的BER均值，該值也是用于計算BER/SNR曲線的基礎，只有利用該計算器的數(shù)據(jù)才能繪出所需的BER曲線。通過上述設置，一個簡單的高斯噪聲信道的BER測試模型就基本設置完畢。但是此時并不能繪出完整正確的BER/SNR曲線，還必須將噪聲增益控制與系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)進行全局變量關聯(lián)，使信道的信噪比（SNR）由0dB開始逐步加大，即噪聲逐步減小。每次減小的步長與循環(huán)次數(shù)有關。設置全局變量的方法是，單擊主菜單的“Tools”選項，選擇“GlobalParameterLinks”。這時出現(xiàn)下圖的界面。點擊AllTokens出現(xiàn)所有選項，選擇增益（Gain），設置每次信噪比遞增1dB，即噪聲減小1dB，則在相應的定義欄將F[Gi,Vi]的值置為-cl。這里的cl為系統(tǒng)變量“currentsystemloop”系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)。下面求BER/SNR曲線，進行如下設置。選擇“Style”功能中的“BERPlot”。設置起始信噪比為1dB，增量“Increment”值為1（必須與預先設置的增益關聯(lián)一致）。在選擇計算窗口“Selectonewindow”中，選擇剛剛獲得的系統(tǒng)累計誤碼率均值相對時間的關系曲線的窗口，單機確定后，即可獲得所需的BER/SNR曲線。然后我們需要與標準值比較首先使用計算器功能“Comm”中的“TheoreticalBERPlots”功能，選擇允許覆蓋曲線窗口，并選中需要對比的標準理論曲線類型。將起始信噪比設置為1dB，終止信噪比為10dB。點擊確認后便可獲得所需的曲線圖。由上圖可見，隨著信噪比的提高，誤碼率呈現(xiàn)了一個單調下降的趨勢，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，這個是因為在實際的系統(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，會附加一定頻帶外噪聲。同時，之前獲得延時也不是完全準確的，也會造成一定的附加噪聲。實驗收獲與感想通過本次實驗，我開始了解了SystemView這個軟件，雖然一開始一竅不通，但是后來經過一些練習后我開始逐漸上手了，根據(jù)老師給的課件，結合程序再加上上學期學習的通信原理的知識可以很好的完成實驗要求。在做第一個AM實驗的時候，一開始我并沒有將載波信號和調制信號分好，所以出現(xiàn)了過調這個現(xiàn)象，所以一開始做出來的波形出現(xiàn)了過調的情況，但是后來我仔細分析了電路圖，我發(fā)現(xiàn)自己居然把放大器的增益設置為了0.5，這個是不應該出現(xiàn)的，之后我把放大器的增益設置為了2，然后我就發(fā)現(xiàn)自己能夠很好的進行仿真了。在做第二個PCM編碼的實驗中，因為在上課的時候我們并沒有學習那么多，所以我在一開始并不知道怎么搭建電路圖比較好，但是因為在教案中有給出例子，所以我就仿照教案中給出來的例子進行了修改并且仿真，但是我花在實驗波形上面的時間有點多，因為需要對比，所以我需要用Overlay選項，但是我找了很久都沒有找到這個選項，最后和同學討論才知道怎么做，我發(fā)現(xiàn)很多時候如果遇到了基本的問題一定要和大家一起討論，這樣能夠很快的解決問題。在做第三個2FSK的實驗的時候，我選擇了鍵控法產生信號并且采用了相干解調的方法來進行解調，當然也可以用別的方法來進行實驗，我選擇的兩個振蕩的信號的頻率不是很高是100HZ和150HZ，但是我覺得如果頻率再高一點也許觀察起來現(xiàn)象會好一點，不過我也可以通過改變時鐘來進行觀察。在做眼圖的時候，雖然這個步驟按照實驗指導上來說是很簡單的，但是實際上我們需要不斷的微調來得到一個很好的眼圖，一開始我得到的眼圖很亂，然后我又返回去一個一個看我設置的值，之后我改變了我采樣的點，時鐘的頻率來不斷的微調，之后我發(fā)現(xiàn)因為我噪聲一開始沒有管設置的太大了，所以造成了我出來的眼圖看起來很混亂，但是改完了之后，我發(fā)現(xiàn)我的眼圖變得很好。在做誤碼率的這個實驗的時候，我一開始按照書上的方法來做的時候發(fā)現(xiàn)，做出來的曲線一直和理想的曲線有很大的出入，之后我試著改變了采