SystemView通信系统仿真

通信原理课程设计1tmtsmtccos乘法器th图3-1线性调制系统的一般模型3模拟调制系统的设计与分析模拟调制系统可分为线性调制和非线性调制，本课程设计只研究线性调制系统的设计与仿真。线性调制系统中，常用的方法有AM调制，DSB调制，SSB调制。线性调制的一般原理：载波：)cos()(0tAtsc调制信号：)cos()()(0ttAmtscm式中tm—基带信号。线性调制器的一般模型如图3-1在该模型中，适当选择带通滤波器的冲击响应th，便可以得到各种线性调制信号。线性解调器的一般模型如图3-2图3-2线性解调系统的一般模型其中tsm—已调信号，tn—信道加性高斯白噪声3.1AM调制3.1.1AM调制解调原理标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅(AM)。假设调制信号tm的平均值为0，将其叠加一个直流分量0A后载波相乘(图3-3)，即可形成调幅信号。其时域表达式为00coscoscosAMcccSAmttAtmtttmtsmtn解调器带通滤波器加法器通信原理课程设计2式中：0A为外加的直流分量；tm可以是确知信号，也可以是随机信号。设计的AM调制模型如图3-3tmtSAM0Atccos图3-3AM调制模型本电路采用了相干解调的方法进行解调，其组成方框图如图3-43.1.2AM调制解调仿真电路根据以上原理用SystemView仿真出来的电路图如图3-5具体参数：调制信号幅值：1V乘法器低通滤波器tsmtmts图3-4相干解调法组成框图图3-5AM调制系统的仿真图加法器乘法器通信原理课程设计3调制信号频率：10载波频率：450在此设计的通信系统中，信道内无高斯白噪声。3.1.3AM调制解调仿真仿真波形仿真后的波形如图3-6图3-6AM调制系统仿真波形其中基带信号频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱如下图3-7所示图3-7频谱比较图通信原理课程设计43.1.4AM调制系统仿真结果分析AM调制为线性调制的一种，由图3-6可以看出，在波形上，已调信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化；由图3-7可以看出，在频谱结构上，它完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。用相干解调法解调出来的信号与基带信号基本一致，实现了无失真传输。3.2DSB调制3.2.1DSB调制解调原理在图3-3中如果输入的基带信号没有直流分量，且th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0costAtscm设计的DSB调制及解调模型如图3-8tmtSDSBtSDSBtm0tnitccostntccos图3-8DSB调制与解调模型3.2.2DSB调制解调仿真电路根据以上原理用SystemView仿真出来的电路图如图3-9图3-9DSB调制系统的仿真图乘法器信道BPF乘法器低通滤波器通信原理课程设计5具体参数为：基带信号幅值：1V，基带信号频率：300，载波频率：1000。在此设计的通信系统中，信道内加入的是高斯白噪声，幅值为1V。3.2.3DSB调制解调仿真波形仿真后的波形如图3-10图3-10DSB调制仿真后波形其中基带信号频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱图如下3-11所示图3-11DSB调制过程中的各信号的频谱比较图3.2.4DSB调制解调仿真结果分析通信原理课程设计6DSB调制为线性调制的一种，由图3-10可以看出，在波形上，已调信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化；由图3-11可以看出，在频谱结构上，它完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。且由频普图可看出没有载波分量，从而实现发送功率的提高。用相干解调法解调出的信号与基带信号基本一致，只是在时域上有一定的延时，但也实现了无失真传输。3.3SSB调制双边带已调信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。所谓单边带调制，就是只产生一个边带的调制方式。3.3.1SSB调制解调原理利用图3-8所示的调制器一般模型，同样可以产生单边带信号。若加高通滤波器，能产生上边带信号；若加低通滤波器，则产生下边带信号。下边带时域表达式为ttmttmtsccmsinˆ5.0cos5.0上边带SSB信号时域表达式为：ttmttmtsccmsinˆ5.0cos5.03.3.2SSB调制解调仿真电路根据以上原理用SystemView仿真出来的电路图如图3-12图3-12SSB调制系统仿真图3.3.3SSB调制解调仿真波形利用高通滤波器对DSB信号进行滤波得到上边带，如仿真图3-13所示的时域波形及频谱波形通信原理课程设计7图3-13(a)SSB调制系统上边带时域仿真波形图3-13(b)SSB调制系统上边带频域仿真波形利用低通滤波器对DSB信号进行滤波得到下边带，如仿真图3-14所示的时域波形及频谱波形通信原理课程设计8图3-14(a)SSB调制系统下边带时域仿真波形图3-14SSB调制系统下边带频域仿真波形3.3.4SSB调制解调仿真结果分析SSB线性调制的一种，由图3-13及3-14可以看出，在波形上，已调信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化；在频谱结构上，功率谱密度主要集中在50,与理论相符.解调信号与原信号基本相同,实现无失真传输。3.4三种幅度调制系统的比较假设所有系统在接收机输入端具有相等的输入信号功率tsi，且加性噪声都是通信原理课程设计9均值为0、双边功率谱密度为2/0n的高斯白噪声，基带信号tm的带宽均为mf。假设tm为正弦波信号。1.抗噪声性能由以上各调制波形及解调波形可以看出，DSB调制系统抗噪声性能最好。最差的是AM调制系统。2.频带利用率SSB的带宽最窄，和基带信号的带宽一致，即其频带利用率最高，而AM和DSB调制系统的带宽都是基带信号带宽的2倍。3.特点与应用AM调制的优点是设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。AM制式主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB调制的优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但接受要求同步解调，设备较复杂。应用较少，一般只用于点对点的专用通信。SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接受设备都很复杂。鉴于这些特点，SSB长用于频分多路复用系统中。3.5AM超外差收音机的设计3.5.1超外差接收机的工作原理超外差接收技术广泛用于无线通信系统中。图3-15所示的是一个基本的超外差收音机的原理框图。下面以最常见的AM超外差收音机为例说明。图3-15超外差收音机原理框图通常的AM中波广播收音机覆盖的频率范围为540-1700KHz，中频IF频率为455KHz。商业广播发射采用常规调幅，调制度为1，且发射功率大，因此收音机为通信原理课程设计10节省成本、减小体积，一般解调器采用最佳简单的二极管包络检波。本地振荡的典型设置都高于所希望的RF信号，即所谓的高边调谐。输入滤波器用于拟止所不希望的信号和噪声，更重要的是去除与期望频率解调中频IFf有关的镜像频率2IFf信号。实际电路使用陶瓷滤波器能得到很好的性能，增加一级增益后再检波。3.5.2超外差收音机的SystemView仿真一个基本的AM收音机的系统仿真框图如图3-16所示。本例主要说明超外差AM收音机的工作原理及信号解调过程。为节省仿真时间，没有按实际的540-1700KHz的频率覆盖范围和455KHz中频频率设计，而采用了20KHz作为IF。另外设了30KHz，40KHz，50KHz三个载波频率的发射信号（模拟三个电台），模拟调制信号的带宽为5KHz以下。并设希望接受的频率为第二个电台的频率40KHz，收音机使用高边调谐，则本振应为40+20=60KHz，且存在一个镜像干扰频率为40+2*20=80KHz。图3-16AM超外差收音机仿真模型其仿真波形图如图所示通信原理课程设计11图3-17超外差收音机仿真波形3.5.3收音机仿真参数的分析收音机仿真参数的测量，可以通过SystemView测量经过IF滤波器后输出的希望信号与非希望信号的功率比来求得。但该测量必须通过两次特殊的仿真才能进行。首先先关闭所有干扰滤波，即把30和50KHz的信号源幅度设置为零，使用分析窗口的窗口统计功能求IF的输率。通信原理课程设计124数字调制系统的设计与分析数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。然而，实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。数字调制技术有两种方法：(1)利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；(2)利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法。对载波的幅度进行键控得到振幅键控信号；对载波的频率进行键控得到频移键控信号；对载波的相位进行键控得到相移键控信号。4.1抽样定理的仿真与分析抽样定理是模拟信号数字化的理论基础，它告诉我们：如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号，也就是说，要传输模拟信号不一定传输模拟信号本身，只需要传输按抽样定理得到的抽样值就可以了。根据要进行抽样的信号形式的不同，抽样定理可分为低通信号的抽样定理和带通信号的抽样定理。本次课程设计主要介绍低通信号的抽样定理。4.1.1低通信号的抽样定理均匀抽样定理指出：对一个带限在H0f，内的时间连续信号tm，如果以Hf2/1的时间间隔对其进行等间隔抽样，则tm将被所得到的抽样值完全确定。即抽样速率大于等于信号带宽的两倍就可保证不会产生信号的混迭。Hf2/1是抽样的最大间隔，也称为奈奎斯特间隔。4.1.2信号的采样与恢复仿真原理如图4-1所示，是低通信号采样与恢复的原理图。通信原理课程设计134.1.3信号的采样与恢复仿真电路根据图4-1所示的原理图，对应的SystemView如图4-2所示：图4-2验证抽样定理的仿真图4.1.4信号的采样与恢复仿真波形图4-1信号的采样与恢复原理图信号源信号处理器抽样定理低通滤波器恢复信号相乘器通信原理课程设计14图4-3原始信号与脉冲解调后的信号图4-4原始信号、恢复信号与抽样信号波形4.1.5信号的采样与恢复仿真电路结果分析由实验结果可以观察到，当采样频率小于奈奎斯特频率时，在接收端恢复的信号失真比较大，这是因为产生了信号混迭；当采样频率大于或等于奈奎斯特频率时，恢复信号与原信号基本一致。理论上，理想的抽样频率为2倍的奈奎斯特带宽，但实际工程应用中，带限信号绝不会严格限带，且实际滤波器特性并不理想，通常抽样频率为5～7倍的Hf以避免失真。4.2增量调制的设计与分析通信原理课程设计15增量调制是可以看成PCM的一个特例，但是在PCM中，信号的代码表示模拟信号的抽样值，而且为了减小量化噪声，一般需要较长的代码和较复杂的编译设备。而增量调制是将模拟信号变换成仅由一位二进制码组成的数字调制序列，并且在接受端也只需要一个线性网络，便可复制出原模拟信号。另方面，可以从DPCM系统的角度看待增量调制，即当DPCM系统的量化电平取为2和预测器时一个延迟为T的延迟时，该DPCM系统被称为增量调制系统。4.2.1（ΔM或DM）增量调制原理1.M的译码问题接收端只要收到一个“1”码就是输出上升一个值，每收到一个“0“码就下降一个值，连续收到“1”码（或“0”码）就是输出一直上升或下降，这样就可以近似的复制出阶梯波形。这种功能的译码器可以由一