通信原理——基于systemview的模拟通信系统仿真.pdf

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摘要我们的生活中，当人们提到通信时，自然会想到传递消息最常用、最方便和最快捷的电话、E-mail、手机等通信方式。在这些通信方式中，是用电信号来传递消息，因而称之为电信。这些产生、传输电信号和在接收端把它恢复为原来的消息的设备的总体，就构成了一个通信系统……从中我们可以看出通信在我们生活中的重要，它给我们带来了各种各样的消息，如果有一天它消失了，我不敢想象世界会变成怎样。在实际的通信中，由于通信业务的多样性，消息的来源也是多种多样的，但基本可以分为两大类：连续的和离散的。连续的消息如话音，声波振动的幅度是随时间连续变化的。若把它转换为随时间连续变化的电压信号，信号幅度是时间连续函数。这样的信号称作模拟信号；什么是模拟通信呢？比如在电话通信中，用户线上传送的电信号是随着用户声音大小的变化而变化的。这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号称为模拟信号。在用户线上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信”。模拟通信和数字通信的区别具体说就是调制方式不同而已。模拟通信，技术很成熟，就是将模拟信号与载波进行调制，使其带有一定载波特性，又不失模拟信号的独特性，接受端通过低通滤波器，还原初始模拟信号。从宏观看，世界通信方式，仍以电话为主，在电话通信中，则以程控交换和移动电话发展最快。目前模拟通信系统还在使用，但由于人们对各种通信业务的需求迅速增加，数字通信正向着小型化、智能化、高速大容量的方向迅速发展，最终必将取代模拟通信。关键字：通信系统；模拟信号；模拟通信； AbstractInourlife,whenpeoplementioncommunication,willnaturallythinkofthemostcommonlyusedtoimpartinformation,themostconvenientandfastcommunicationsuchastelephone,E-mail,mobilephones.Inthecommunicationmode,iselectricitysignalstosendmessages,socalledtelecom.Thegeneration,transmissionsignalandrestoreitintotheoriginalmessageatthereceivingendofequipment'soverall,constitutesacommunicationssystem...Fromwhichwecanseetheimportantofcommunicationinourlife,itbringsusallkindsofnews,ifitdisappearedoneday,Ican'timaginehowtheworldwillbecome.Intheactualcommunication,duetothediversityofcommunicationbusiness,thesourceofthemessageisalsovaried,butthebasiccanbedividedintotwocategories:continuousanddiscrete.Continuousnews,suchasvoice,acousticvibrationamplitudeiscontinuouschangesovertime.Ifputitintoacontinuousvariationwithtimeofvoltagesignal,thesignalamplitudeisacontinuousfunctionoftime.Suchasignalcalledanalogsignal;Whatiscommunication?Suchastelephonecommunications,usersofonlinetransmissionsignalsisastheuserchangesthesizeofthevoice.Thechangeofelectricalsignalsintimeorinamplitudeiscontinuous,thissignaliscalledanalogsignals.Intheusercommunicationmodeoftheanalogsignallineiscalledthe"communication".Thedifferencebetweenanalogcommunicationanddigitalcommunicationpreciselymodulationinadifferentway.Analogcommunication,technologyismature,isthecarrierwiththeanalogsignalmodulation,makeitscharacteristicswithcertaincarrier,andtheuniquenessoftheanalogsignal,thereceiverthroughalow-passfilter,restoretheoriginalanalogsignal.Fromthemacroscopicworldcommunicationmode,stillgiveprioritytowithphone,intelephonecommunication,theprogram-controlledexchange,andfastestgrowingmobilephone.Analogcommunicationsystemisstillinuseatpresent,butbecauseoftherapidincreaseofpeople'sdemandforavarietyofcommunicationsservicesdigitalcommunicationistowardminiaturization,intelligent,rapiddevelopmentinthedirectionofhighspeedlargecapacity,willeventuallyreplaceanalogcommunication.Keywords:communicationsystem;Analogsignal;Analogcommunication; 目录摘要................................................................................................................................1Abstract..........................................................................................................................2第一章Systemview软件使用.....................................................................................51.1Systemview的简介.........................................................................................51.2SystemView用户环境....................................................................................61.2.1设计窗口..............................................................................................61.2.2图标库..................................................................................................7第二章AM系统的仿真................................................................................................92.1AM原理............................................................................................................92.2AM系统仿真..................................................................................................102.2.1参数设置............................................................................................102.2.2仿真结果............................................................................................11第三章DSB系统的仿真.............................................................................................123.1DSB调制解调原理.........................................................................................123.2DSB调制解调仿真.........................................................................................123.2.1参数设置............................................................................................123.2.2仿真结果............................................................................................13第四章SSB系统仿真..................................................................................................154.1SSB相移法基本原理.....................................................................................154.2SSB仿真.........................................................................................................164.2.1参数设置............................................................................................164.2.2仿真结果............................................................................................17第五章FM系统的仿真..............................................................................................185.1FM基本原理.................................................................................................185.2FM仿真.........................................................................................................185.2.1参数设置............................................................................................185.2.2仿真结果............................................................................................19第六章AM超外差收音机仿真设计..........................................................................216.1AM超外差收音机工作原理.........................................................................216.2AM超外差收音机仿真.................................................................................226.2.1参数设置............................................................................................22 6.2.2仿真结果............................................................................................23第七章小结与谢辞....................................................................................................247.1小结...............................................................................................................247.2谢辞...............................................................................................................24参考文献......................................................................................................................25 第一章Systemview软件使用1.1Systemview的简介SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，SystemView在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)描述程序。利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。SystemView基本属于一个系统级工具平台，可进行包括数字信号处理（DSP）系统、模拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真，并配置了大量图符块（Token）库，用户很容易构造出所需要的仿真系统，只要调出有关图符块并设置好参数，完成图符块间的连线后，运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源十分丰富，主要包括：含有若干图符库的主库（MainLibrary）、通信库（CommunicationsLibrary）、信号处理库（DSPLibrary）、逻辑库（LogicLibrary）、射频／模拟库（RFAnalogLibrary）、Matlab连接库（M-LinkLibrary）和用户代码库（CostumLibrary）。SystemView还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC++或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与Xilinx公司的软件CoreGenerator配套，可以将SystemView系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，SystemView还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。 1.2SystemView用户环境SystemView的用户环境包括两个常用的界面：设计窗口和分析窗口。1.2.1设计窗口图1-1所有系统的设计、搭建等基本操作，都是在设计窗口内如图1-1完成的。在设计窗口中间的大片区域就是设计区域，也就是供用户搭建各种系统的地方。在设计窗口的最上端一行是下拉式命令菜单行，通过调用这些菜单可以执行SystemView的各项功能；设计窗口中菜单行的下面，紧邻在设计区域上端一行是工具栏，它包含了在系统设计、仿真中可能用到的各种操作按钮；在工具栏的最右端是提示信息、当鼠标置于某一工具按钮上时，在该处会显示对该按钮的说明和提示信息；紧邻在设计区域左端是各种器件图标库；设计域的底部有一个消息显示区，用来显示系统仿真状态信息。在设计窗口内，只须点击鼠标及进行必要的参数输入，就可以通过设置图标、连接图标等操作完成一个完整系统的基本搭建工作，创建各种连续域或离散域的系统。并可极其方便地给系统加入要求的注释。 1.2.2图标库图标是SystemView仿真运算、处理的基本单元共分三大类：第一类包括信号源库，它只有输出端没有输入端；第二类包括观察窗库，它只有输入端没有输出端；第三类包括其它所有图标库，这类图标都有一定个数的输入端和输出端。SystemView的图标库可分为三种，即基本库、专业库以及扩展库基本库(MainLibraries)共八个，分别为信号源库、子系统库、加法器、子系统输入输出端口、算子库、函数库、乘法器及观察窗库等。专业库包括四个直接调用的库—通信库、数字信号处理库、逻辑库、射频/模拟库；扩展库包括其它需要从用户代码库中以动态链接库的方式加载的—码分多址系统CDMA库、数字视频广播DVB库、自适应滤波器库等。信号源图标：SystemView为我们提供了16种信号源，可以用它来产生任意信号。子系统图标：这个图标代表了一组图标（可能是一个很大的图标组，其中还可能包含下级子系统）。这些图标在用户仿真中作为一个完整的子系统函数以及过程使用。加法器图标：代表加法器完成几个输入信号的加法运算。子系统I/O图标：这个图标用于设置子系统的输入输出端口。算子图标功：能强大的算子库多达31种算子，可以满足您所有运算的要求。其中的每一个算子都把输入的数据作为运算自变量进行某种运算或变换，如FFT变换、采样、保持、延时、增益或某一传递函数的线性系统等函数图标：代表函数库，其中的每一个函数都把输入的数据作为自变量进行各种函数运算，如量化、限幅、取绝对值等各种非线性函数、三角函数、对数函数、各种复数运算代数运算等。乘法器图标：代表乘法器完成几个输入信号的乘法运算。 通信图标：包含有大量的通信系统模块的通信库，是快速设计和仿真现代通信系统的有力工具。这些模块从纠错编码、调制解调、到各种信道模型一应俱全。DSP库图标：能够在你将要运行DSP芯片上仿真DSP系统。该库支持大多DSP芯片的算法模式。例如乘法器、加法器、除法器和反相器的图标代表真正的DSP算法操作符。还包括高级处理工具：混合的RadixFFT、FIR和IIR滤波器以及块传输等。逻辑库图标：它包括象与非门这样的通用器件的图标、74系列器件功能图标及用户自己的图标等。射频/模拟库图标：支持用于射频设计的关键的电子组件，包括了射频/模拟电路中常用的RC、LC电路及运算放大器电路、二极管电路等。 第二章AM系统的仿真2.1AM原理幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。幅度调制器的一般模型一般如下图2-1：图2-1若假设滤波器为全通网络(H(ω)=1），调制信号m(t)叠加直流A0后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带(AM)调幅．AM调制器模型如下图2-2：图2-2AM信号波形的包络与输入基带信号m(t)成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足Ao≥|m(t)|max，否则将出现过调幅现象而带来失真。AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽信号带宽的两倍。相干解调：由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。相干解调酌关键是是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。相干解调器的模型如图2-3：图2-4 2.2AM系统仿真2.2.1参数设置在SystemView系统窗下创建仿真系统如图2-5，首先设置时间窗，运行时间：0－0.05秒，采样速率：25000Hz。图符块说明及参数设置：Token0、Token8：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，F=2000Hz，Phase=0；Token5：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，F=20Hz，Phase=0；Token2、Token6：乘法器；Token3、Token4：加法器；Token14：低通滤波器，参数：LowCuttoff=2000HZ；Fiterinputsamplerate=25000HZ；Token9、Token10、Token12、Token13：信宿接收分析器；图2-5 2.2.2仿真结果图2-6图2-6即为为2000HZ，1V的调制信号。图2-7图2-7为20Hz，1V的载波信号。图2-8图2-8为已调波形。图2-9图2-9为解调输出的波形。 第三章DSB系统的仿真3.1DSB调制解调原理如果输入的基带信号没有直流分量，且ht是理想带通滤波器，则得到的输出信号便是无载波分量的双边带信号，或称双边带抑制载波(DSB-SC)信号，简称DSB信号，其时域表示式为：stAcostmc0DSB调制及解调模型如下图3-1：图3-13.2DSB调制解调仿真3.2.1参数设置在SystemView系统窗下创建仿真系统如图3-2，首先设置时间窗，运行时间：0－0.004秒，采样速率：5000Hz。图符块说明及参数设置：Token0：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，F=10Hz，Phase=0；Token1，Token2：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，F=100Hz，Phase=0；Token5，Token6：乘法器；Token4，Token13：加法器；Token3：高斯噪声Token11：低通滤波器，参数：LowCuttoff=50HZ；Fiterinputsamplerate=5000HZ；Token7、Token8、Token9、Token10：信宿接收分析器； 图3-23.2.2仿真结果图3-3图3-3即为10Hz的调制信号 图3-4图3-4为输入的100Hz，1V载波信号图3-5图3-5为已调波图3-6图3-6为解调波 第四章SSB系统仿真4.1SSB相移法基本原理产生SSB信号的方法主要有移相法和滤波法；由于滤波法要求滤波器在弛处有理想的锐截止特性。实际的滤波器从通带到阻带总是有一个无法忽略的过渡带，因此现实中无法实现。所以用相移法对本次实验进行仿真。下面是相移法的原理：(1)保留上边带调制信号为：(2)同理，保留下边带调制信号为：(1)(2)两式中，第一项与调制信号和载波的乘积成正比，称为同相分量；第二项与调制信号和载波分别移相90度后的乘积成正比，称为正交分量；这样就得到了实现单边带调制的一种方法一移相法。其原理图如下图4-1：图4-1 4.2SSB仿真4.2.1参数设置在SystemView系统窗下创建仿真系统如图4-2，首先设置时间窗，运行时间：0－25.5e-3秒，采样速率：10000Hz。图符块说明及参数设置：Token0:正弦载波信号源，参数：Amp=1V，Fre=200HZ，Phase=0；Token1,Token2：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，Fre=1000HZ，Phase=0；Token3,Token6,Token12：相乘器；Token4,Token:相加器；Token7：取负数；Token11：低通滤波器，参数：LowCuttoff=300HZ；Fiterinputsamplerate=10000HZ；Token8、Token9、Token10：信宿接收分析器。图4-2 4.2.2仿真结果图4-3图4-3为上边带信号图4-4图4-4为下边带信号图4-5图4-5为相干解调输出解调信号 第五章FM系统的仿真5.1FM基本原理ＦＭ调频是将调制信号频谱作非线性变换，因此它被称为非线性调制。又因为已调信号反映出载波矢量角度上的变化，所有又被称为角调。在调制时，调制信号的频率去控制载波的频率的变化，载波的瞬时频偏随调制信号mt()成正比例变化，即dt()Kmtf()dtrad式中，Kf为调频灵敏度（()sV）。这时相位偏移为()tKm()fd则可得到调频信号为stFMAct()fKmcos()d5.2FM仿真5.2.1参数设置在SystemView系统窗下创建仿真系统如图5-1，首先设置时间窗，运行时间：0－511.5e-3秒，采样速率：2000Hz。图符块说明及参数设置：Token0：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，Fre=20HZ，Phase=0；Token1,：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，Fre=200HZ，Phase=0；Token10：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，Fre=100HZ，Phase=0；Token4,Token17：乘法器；Token5,Token9：取负数； Token8：相加器；Token16：带通滤波器，参数：LowCuttoff=80HZ；Hicuttoff=120HZ；Fiterinputsamplerate=2000HZ；Token18：低通滤波器，参数：LowCuttoff=35HZ；Fiterinputsamplerate=2000HZ；Token11,Token12,Token13,Token15：信宿接收分析器.；图5-15.2.2仿真结果图5-2图5-2为20Hz，1V的输入信号。 图5-3图5-3为200Hz，1V的载波信号。图5-4图5-4为经过相加器的输出信号图5-5图5-5为解调输出信号。 第六章AM超外差收音机仿真设计6.1AM超外差收音机工作原理图6-1如图6-1超外差收音机通过天线接收信号，通过输入回路输入到下一级进行高频放大，本地产生一个和载波频率相等的频率进行混频，滤除高频信号，得到中频信号。由于信号有衰减，所以需要进行中频放大，然后将中频信号输入到解调器中解调，解调其实就是滤除高频成分，得一个自动增益控制到原始信号，因为原始信号时声音信号，通过多级传输后产生了衰减，所以要进行低频放大，即可还原原始的声音信号了。电路还增加了一个自动增益控制电路，自动增益控制电路的作用是一种在输入信号变化很大的情况下，是输出信号的幅度在很小的范围内变化的一种自动自动控制电路。这就是超外差式收音机的工作原理。电路图如图6-2。图6-2 6.2AM超外差收音机仿真6.2.1参数设置在SystemView系统窗下创建仿真系统如图6-3，首先设置时间窗，运行时间：0－40.811e-3秒，采样速率：200e+3Hz。Token0：扫频信号，参数：Amp=1V，StartFreg=0，StopFreg=4000Hz，Period=40.955e-3，Phase=0.Token1：扫频信号，参数：Amp=500e-3V，StartFreg=0，StopFreg=5e+3Hz，Period=40.955e-3，Phase=0.Token2：扫频信号，参数：Amp=750e-3V，StartFreg=0，StopFreg=3e+3Hz，Period=1，Phase=0.Token6：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，F=40e+3Hz，Phase=0Token7：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，F=50e+3Hz，Phase=0Token8：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，F=30e+3Hz，Phase=0Token14：正弦载波信号源，参数：Amp=1V，F=60e+3Hz，Phase=0Token3，Token4，Token5，Token13：乘法器Token9，Token10，Token11，Token12：加法器Token22：低通滤波器，参数：LowCuttoff=5e+3HZ；Fiterinputsamplerate=200.704e+3HZ；Token15：带通滤波器，参数：LowCuttoff=15e+3HZ；Hicuttoff=25e+3HZ；Fiterinputsamplerate=200.704e+3HZ；Token21:半波整流，参数：zeropoint=500e-3Token16，Token17，Token18，Token19，Token20，Token23，Token24：信宿接收分析器图6-3 6.2.2仿真结果图6-4图6-5 第七章小结与谢辞7.1小结课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。现代通信原理是我们通信工程比较重要的专业课，学好这门课仅仅掌握理论原理是不够的，还需要用仿真软件进行仿真测试来检验学习的真正水平。在课程设计的课程选择时，我选择了用systemview来进行模拟通信的仿真，而不是用MATLAB程序来做。因为MATLAB程序仿真在之前就已经学过，systemview还没用过，我觉得能学到新东西并且可以掌握好模拟通信更是一举两得，所以选择了这个课题。在第一次使用这个软件的时候，通过上网，掌握了很多图库的使用方法，调用图库和连线都比较简单，但是在滤波器的参数设置的时候出现了不少困难，多亏同学的帮助，我才理解滤波器的设置和使用。除了进行AM超外差收音机仿真外，其他的都还不算太困难。到目前为止，我们已经做过了好几门课程设计了，通过课程设计来掌握和巩固这些专业知识。总的来说，这次课程设计过程还是比较愉快轻松的，虽然中间有过一些困难，但是在老师与同学的指点下我还是顺利渡过了，在这里我要谢谢帮助我的老师和同学。7.2谢辞通过本次的通信原理课程设计，我了解和掌握了许多关于通信原理的知识及如何使用systemview去仿真模拟通信系统，这也大大增强了我的动手能力和独立思考能力，在这里感谢邹老师和帮助我的同学，正因为他们，我才能顺利完成这次课程设计。 参考文献（1）孙屹.《SystemView通信仿真开发手册》国防工业出版社（2）李东生.《SystemView系统设计及仿真入门与应用》电子工业出版社（3）樊昌信,曹丽娜.《通信原理(第6版)》国防工业出版社（4）陈萍.《现代通信实验系统的计算机仿真》国防工业出版社