通信系統(tǒng)仿真實驗——基于SystemView軟件

1、通信系統(tǒng)仿真實驗基于SystemView軟件班級： 通信二班姓名： 張家慶學號： 1004220247手機：院： 電光學院指導老師：李鵬實驗時間：2013年08月27日至30日目錄實驗一 模擬調(diào)制系統(tǒng)設計分析（常規(guī)AM）2實驗二 模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)設計分析（PAM）9實驗三 數(shù)字載波通信系統(tǒng)設計分析（2FSK）15實驗體會28參考文獻29實驗一 模擬調(diào)制系統(tǒng)設計分析（常規(guī)AM）一、實驗內(nèi)容 振幅調(diào)制系統(tǒng)（常規(guī)AM）的模擬調(diào)制系統(tǒng)設計分析。二、實驗要求根據(jù)設計要求應用軟件搭建模擬調(diào)制、解調(diào)（相干）系統(tǒng)，運行系統(tǒng)觀察各點波形并分析頻譜，改變參數(shù)研究其抗噪特性。三、實驗

2、原理AM已調(diào)信號可以表示為，且不等于0時，稱為常規(guī)調(diào)幅，其時域表達式為：其中是外加直流分量，f(t)是調(diào)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通常可以用圖1所示的系統(tǒng)來實現(xiàn)。常規(guī)AM調(diào)制系統(tǒng)框圖 要使輸出已調(diào)信號的幅度與輸入調(diào)制信號f(t)呈線性對應關系，應滿足，否則會出現(xiàn)過調(diào)制現(xiàn)象。 解調(diào)可以用相干解調(diào)也可以用包絡檢波（非相干）。對于相干解調(diào)，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(diào)出來。而對于非相干解調(diào)，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(diào)

3、出來。當然，用非相干解調(diào)時不可以過調(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，設備簡單，而相干解調(diào)由于需要跟載波同頻同相的信號，因此設備比較復雜。四、實驗步驟與結(jié)果1、實驗原理圖如下：根據(jù)已調(diào)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(diào)方法進行解調(diào)，這樣就可以獲得原理圖。其中正弦信號源信號幅度為1v，頻率為100Hz；解調(diào)部分的本振源與載波信號源的設置相同，幅度為1v，頻率為1KHz。低通濾波器的截止頻率為300Hz，保留正弦信號源的頻率100Hz，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。2、實驗的波形及分析 1.實驗中的各時域波形：如上

4、圖從上至下從左至右依次為載波信號，調(diào)制信號，已調(diào)信號，加噪聲的已調(diào)信號，高斯噪聲和解調(diào)信號的波形圖，實驗中通過設置載波信號和調(diào)制信號的幅度使mf=13。 2.實驗中的各頻域波形：如上圖從上至下從左至右依次為載波信號，調(diào)制信號，已調(diào)信號和解調(diào)信號的頻譜圖。3.輸入信號與解調(diào)后的信號對比分析： a.時域?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的條件下輸入信號與輸出信號基本一致。 3抗噪聲性能的研究 實驗通過改變噪聲的大小來觀察輸出信號對比于輸入信號的時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，當輸入信號一定時，

5、隨著噪聲的加強，接收端輸入信號被干擾得越嚴重，而相應的輸出波形相對于發(fā)送端的波形誤差也越大。而當噪聲過大時，信號幾難分辨。這是信噪比變小導致的，在實際的信號傳輸過程中，當信道噪聲過大將會導致幅度相位等各種失真，當然由于非線性元件如濾波器等的存在。非線性失真也會隨噪聲加大而變大。實驗二 模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)設計分析（PAM）一、實驗內(nèi)容脈沖振幅調(diào)制（PAM）系統(tǒng) 二、實驗要求根據(jù)設計要求應用軟件搭建模擬信號的數(shù)字傳輸（調(diào)制、解調(diào)）系統(tǒng)，運行系統(tǒng)觀察各點波形并分析頻譜等 。三、實驗原理脈沖振幅調(diào)制（PAM）是利用沖擊函數(shù)對原始信號進行抽樣，它是一種最基本的模擬脈沖調(diào)制，它往往是模擬信號數(shù)字化過程

6、中的必經(jīng)之路。設基帶脈沖信號的波形為m（t），其頻譜為M(f)；用這一信號對一個脈沖載波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；并設抽樣信號是m（t）和s（t）的乘積。則抽樣信號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|S（f）|的包絡呈|sinx/x|形，并且PAM信號的頻譜包絡|的包絡也呈|sinx/x|形。若s（t）的周期T，則采用一個截止頻率的低通濾波器仍可以分離原模擬信號。脈沖振幅調(diào)制實驗總體的電路如下圖圖2所示，把輸入信號與脈沖信號通過相乘器相乘，這樣在頻域就達到了卷積的效果。這樣頻譜就會在頻譜分開，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現(xiàn)解調(diào)。四、實驗步驟與結(jié)果1.實驗原理圖如下：如上圖所示，圖中采用的是高斯信號源，其幅值為1V。兩個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信道噪聲先設置為0。2、實驗的波形及分析 1.實驗中的各時域波形： a. 高斯信號和通過濾波器的高斯信號： b方波信號和采樣后的信號： c解調(diào)信號：經(jīng)過低通濾波器恢復的信號與原信號對比如圖7所示，可見波形在時間上有一定的延時，這是由于采用濾波器的緣故。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

8、波器的非理想造成的，高頻分量不能完全的被濾除。 2.實驗中的各頻域波形： a. 輸入信號和已調(diào)信號的頻譜： b輸出信號的頻譜：3.輸入信號與解調(diào)后的信號對比分析： a.時域?qū)Ρ龋篵.頻域?qū)Ρ龋?c.輸入信號和輸出信號頻譜合并：是經(jīng)過信道傳播后再通過低通濾波器恢復信號獲得波形，可見其波形大致與原信號相同，其頻譜是調(diào)制信號頻譜經(jīng)低通濾波得到的，大致與原信號的頻譜相同。 實驗三 數(shù)字載波通信系統(tǒng)設計分析（2FSK）一、實驗內(nèi)容 二進制頻移鍵控（2FSK）系統(tǒng) 二、實驗要求根據(jù)設計要求應用軟件搭建數(shù)字載波通信系統(tǒng)（調(diào)制、解調(diào)），運行系統(tǒng)觀察各點波形并分析頻譜、眼圖等，改變參數(shù)研究其抗噪特性，分析BER

9、曲線等 。三、實驗原理 數(shù)字調(diào)頻又稱移頻鍵控，簡記為FSK，它是載波頻率隨數(shù)字信號而變化的一種調(diào)制方式。利用基帶數(shù)字信號離散取值特點去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。除具有兩個符號的二進制頻移鍵控之外，尚有代表多個符號的多進制頻移鍵控，簡稱多頻調(diào)制。一種用多個載波頻率承載數(shù)字信息的調(diào)制類型。最常見的是用兩個頻率承載二進制1和0的雙頻FSK系統(tǒng)。本實驗采用2FSK調(diào)制，利用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號。其實驗原理圖如圖1所示，即通過二進制數(shù)據(jù)的0值與1值控制開關與哪一路頻率信號接通，這樣0值與1值對應不同的頻率，達到調(diào)制的目的。鍵控法產(chǎn)生信號 FSK信號的解調(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。在這個實驗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)要求恢復出傳號頻率與空號頻率，恢復出的載波信號分別與接收的FSK調(diào)制信號相乘，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、實驗步驟與結(jié)果1、實驗原理圖如下：如上圖所示，利用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號FSK相干解調(diào)恢復信號。其中低頻正弦信號為1000Hz，高頻正弦信號為2000Hz，隨機碼為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、實驗的波形及分析 1. 2FSK信號及通過帶通濾波器輸出信號2. 通過低通濾波器后的兩路信號信號：帶通濾波時，上支路信號是通過帶通獲得頻率較低的分量，對應原始信號的低電平。通過500Hz到1500Hz的帶通濾波后，1000Hz的低頻分量被濾出來，而2000Hz對應的量幅度則接近于零。下支路信號是通過帶通獲得頻率較高的分量，對應原始信號的高電平。通過1500Hz到2500Hz的帶通濾波后，2000Hz的低頻分量被濾出來，而1000Hz對應的量幅度則接近于零。低通濾波后，導致幅度突變

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域波形。當原始信號電平為0時，下圖信號的對應值為1；而當原始信號電平為1時，下圖信號的對應值為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。當原始信號電平為0時，下支路信號的對應值為0；而當原始信號電平為1時，下支路信號的對應值為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由于原始信號電平為0時，下支路信號的對應值為0；而當原始信號電平為1時，下支路信號的對應值為1。所以輸出信號完全可以由下支路信號獲得，因此可用下支路信號自己抽樣判決獲

13、得輸出信號。4. 輸入波形與判別后輸出波形對比：以上是隨機信號原波形與通過判決器波形后，恢復的原始信號波形，由圖中可見，該信號是有一定的時延，這是因為示波器的非理想等原因?qū)е碌摹?、眼圖與抗噪性能 1.實驗原理圖如下： 2. 眼圖的觀測 在低通濾波器之后，接收器圖符之前加了一個抽樣器圖符，用來調(diào)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。這里將采樣頻率設置為1000Hz，則時間切片應設為2ms。時間切片

14、的設置如下圖所示，在接受計算器窗口下選擇“Style”項，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，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。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.實驗原理圖如下：2.操作步驟1.首先設置高斯噪聲，如下圖所示。設置高斯噪聲的幅值為1V2.添加BER計算器，并設置。No.TRIALS為對比

15、試驗的比特數(shù)，設“No.TRIALS”為10000，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)設置為十次?！癟hreshold”值為參考信號與解調(diào)信號差異的門限值，這里設為0.5， “Offset”為時間偏移量，置為0， BER計算器設置圖符27為停止接收計數(shù)器圖符，連接BER計數(shù)器的選擇2：Total Errors為錯誤總數(shù)。設置為多次循環(huán)，并將系統(tǒng)定時中的No.of System loops設置為9。圖符25為終值接收計算器，它與BER計數(shù)器的選擇1：Cummulative Avg為BER的累計均值連接，當仿真進行時，每一個循環(huán)結(jié)束時會顯示本次循環(huán)的BER均值，該值也是用于計算B

16、ER/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。停止計數(shù)器設置3全局變量的關聯(lián)與BER曲線的生成設置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“Global Parameter Links”。這時出現(xiàn)下圖的界面。全局關聯(lián)設置 設置每次信噪比遞增3dB，即噪聲減小3dB，則在相應的定義欄將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、進行如下設置。選擇“Style”功能中的“BER Plot”。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“Select one window”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。BER繪圖設置 4.BER曲線：將實際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

18、，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。實驗體會對于本次通信系統(tǒng)仿真的課題，歷時四天。實驗中，我遇到過很多困難。首先由于通信原理知識難免有些生疏，在設計過程中會犯一些錯誤。然后是systemview軟件應用的學習，由于以前沒接觸過所以剛用起來時有點費力，不過通過幾天的實際操作，我已經(jīng)可以很好掌握并且熟練運用了。實驗一的實驗原理很簡單，是常規(guī)的振幅調(diào)制，老師也提供了詳細的實例分析，因此做起來很容易上手，這個實驗完成得比較快，并不占用時間，但是通過這個實驗更加掌握了對SystemView系統(tǒng)的運用。實驗三與前兩個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)較為復雜，但這并不是本實驗的難點所在。本實驗的難點在于BER曲線的分析。主體電路和眼