多進制數(shù)字調(diào)頻系統(tǒng)的性能測試

1、一、課程設(shè)計題目：多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能分析第 1 章多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)概述頻率件控是用數(shù)字基帶信號控制載波信號的頻率，即以不同頻率的高頻振蕩來表示不同的數(shù)字基帶信號。多進制數(shù)字頻率調(diào)制也稱為多元調(diào)頻或多頻制。用多個頻率不同的正弦波分別代表不同的數(shù)字信號，在某一碼元時間內(nèi)只發(fā)送其中一個頻率。1.1 mfsk 簡介多進制數(shù)字頻率調(diào)制（mfsk ）簡稱多頻制，是2fsk 方式的推廣。它是用不同的載波頻率代表種數(shù)字信息。多進制頻鍵控（mfsk ）的基本原理和2fsk 是相同的，其調(diào)制可以用頻率鍵控法（頻率選擇法）和模擬的調(diào)頻法來實現(xiàn)，不同之處在于使用鍵控法時其供選的頻率有m 個，選擇邏輯電路也

2、比較復(fù)雜。圖 1 mfsk 的解調(diào)同樣有相干解調(diào)、非相干解調(diào)和鎖相環(huán)法解調(diào)等多種解調(diào)方式，其中非相干解調(diào)的原理如圖所示。 mfsk （多進制頻移控），是一種在各種頻率離散音頻脈沖爆發(fā)傳送數(shù)字信息的信號調(diào)制方法。它原來是歐洲和英國政府機構(gòu)在20 世紀中葉使用。在那時它叫做piccolo, 一種樂器的名字，這種樂器的聲音音調(diào)很高，就像一個mfsk 信號經(jīng)過收音機的喇叭時發(fā)出的聲音。mfsk 類似頻移監(jiān)控（fsk ），但是使用的頻率要至少多兩個。最常見的mfsk 形式使用16 個頻率，叫做 mfsk16。這些音調(diào)一次傳送一個。每個音調(diào)持續(xù)時間不到一秒。mfsk 中波特（每秒傳輸?shù)臄?shù)目）與比特 / 秒

3、（ bps ）的比率要比二進制中小。這減少了噪音和對數(shù)據(jù)傳輸速率的干擾的錯誤的產(chǎn)生。為了提供更大的精確性，前向糾錯技術(shù)（fec ）被使用。1.2 mfsk 系統(tǒng)的原理mfsk 系統(tǒng)的組成方框圖如下圖所示。發(fā)送端采用鍵控選頻的方式，接收端采用非相干解調(diào)方式。圖 5-35 多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)的組成方框圖圖中，串 / 并變換器和邏輯電路1 將一組組輸入的二進制碼（每k 個碼元為一組）對應(yīng)地轉(zhuǎn)換成有m 種狀態(tài)的一個個多進制碼。這m 個狀態(tài)分別對應(yīng)m 個不同的載波頻率。當某組k 位二進制碼到來時，邏輯電路 1 的輸出一方面接通某個門電路，讓相應(yīng)的載頻發(fā)送出去，另一方面同時關(guān)閉其余所有的門電路。于是當

4、一組組二進制碼元輸入時，經(jīng)相加器組合輸出的便是一個m 進制調(diào)頻波形。m 頻制的解調(diào)部分由m 個帶通濾波器、包絡(luò)檢波器及一個抽樣判決器、邏輯電路2 組成。各帶通濾波器的中心頻率分別對應(yīng)發(fā)送端各個載頻。因而，當某一已調(diào)載頻信號到來時，在任一碼元持續(xù)時間內(nèi)，只有與發(fā)送端頻率相應(yīng)的一個帶通濾波器能收到信號，其它帶通濾波器只有噪聲通過。抽樣判決器的任務(wù)是比較所有包絡(luò)檢波器輸出的電壓，并選出最大者作為輸出，這個輸出是一位與發(fā)端載頻相應(yīng)的m進制數(shù)。邏輯電路2 把這個 m 進制數(shù)譯成k 位二進制并行碼，并進一步做并/ 串變換恢復(fù)二進制信息輸出，從而完成數(shù)字信號的傳輸。多進制數(shù)字頻率調(diào)制也稱多元調(diào)頻.m 頻制有

5、 m 個不同的載波頻率與m 種數(shù)字信息對應(yīng), 即用多個頻率不同的正弦波分別代表不同的數(shù)字信號, 在某一碼元時間內(nèi)只發(fā)送其中一個頻率. 多進制系統(tǒng)框圖如圖.圖中串并變換電路和邏輯電路將輸入的二進制碼轉(zhuǎn)換成m 進制的碼 ,將輸入的二進制碼每 k 位分為一組 ,然后由邏輯電路轉(zhuǎn)換成具有多種狀態(tài)的多進制碼.控制相應(yīng)的m 種不同頻率振蕩器后面所接的門電路,當某組二進制碼到來時,邏輯電路的輸出一方面打開相應(yīng)的門電路,使該門電路對應(yīng)的載波發(fā)送出去,同時關(guān)閉其他電路,不讓其他在播發(fā)送出去,每一組二元制碼(log2m 位) 對應(yīng)一個門打開 ,因此信道上只有m 種頻率中的一種被送出.因此 ,當一組組二進制碼輸入時

6、,加法器的輸出便是一個mfsk 波形 .接受部分有多個中心頻率為f1f2 ,fm 的帶通濾波器,保羅檢波器及一個抽樣判決器,邏輯電路 ,并串變換電路組成.當某一載頻再拼來到時, 只有相應(yīng)頻率的帶通濾波器能收到信號,其他帶通濾波器輸出都是噪聲. 抽樣判決器的任務(wù)就是在某一時刻比較所有包絡(luò)檢波器的輸出電壓,半段哪一路的輸出最大 ,以達到判決頻率的目的.將最大者輸出, 就得到一個多進制碼元,經(jīng)邏輯電路轉(zhuǎn)變成k 位二進制并行碼,在經(jīng)并串變換電路轉(zhuǎn)換成串行二進制碼,從而完成解調(diào)任務(wù). mfsk 信號除了上述解調(diào)方法之外，還可以采用分路濾波相干解調(diào)方式。此時，只需要將包絡(luò)檢波器用乘法器和低通濾波器代替即可

7、。但各路乘法器需要分別送入不同頻率的相干本地載波。mfsk 系統(tǒng)提高了傳輸速率，誤碼率與二進制相比卻增加不多，但占據(jù)較寬的頻帶，因而頻率利用率低，多用于調(diào)制速率不高的傳輸系統(tǒng)中。這種方式產(chǎn)生mfsk 信號的相位是不連續(xù)的，可看作是m 個振幅相同、載波不同、時間上互不相容的二進制 ask 信號的疊加。因此其帶寬bmfsk=fh-fl+2fs式中， fh為最高載頻 ; fl為最低載頻 ; fs為碼元速率。圖 3 多進制系統(tǒng)（mfsk ）原理框圖第 2 章 設(shè)計原理及步驟mfsk 系統(tǒng)是 2fsk( 二頻鍵控 ) 系統(tǒng)的推廣 , 該系統(tǒng)有m 個不同的載波頻率可供選擇，每一個載波頻率對應(yīng)一個m 進制碼

8、元信息，即用多個頻率不同的正弦波分別代表不同的數(shù)字信號，在某一碼元時間內(nèi)只發(fā)送其中一個頻率。2.1 多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計原理2.1.1 system view 軟件的介紹system view是美國 elanix公司推出的，基于windows環(huán)境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(token)描述程序。利用system view，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。用戶在進行系統(tǒng)設(shè)計時，只需從system view配置的圖標庫中調(diào)出有關(guān)圖標并進行參數(shù)設(shè)置，完成圖標間的連線，然后運行仿真操作，

9、最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。載波角頻率， 通常采用相位不連續(xù)的振蕩頻率，這樣便于利用合成器來提供穩(wěn)定的信號頻率。在發(fā)送端，輸入的二進制碼元經(jīng)過邏輯電路和串/ 并變換電路轉(zhuǎn)換為m 進制碼元，每k 位二進制碼分為一組，用來選擇不同的發(fā)送頻率。在接收端，當某一載波頻率到來時，只有相應(yīng)頻率的帶通濾波器能收到信號，其它帶通濾波器輸出的都是噪聲。抽樣判決器的任務(wù)就是在某一時刻比較所有包絡(luò)檢波器的輸出電壓，通過選擇最大值來進行判決。將最大值輸出就得到一個m 進制碼元，然后，再經(jīng)過邏輯電路轉(zhuǎn)換成k 位二進制并行碼，再經(jīng)過并/ 串變換電路轉(zhuǎn)換成串行二進制碼，從而完成解調(diào)過程。隨著社

10、會節(jié)奏的加快，產(chǎn)品的更新速度越來越快，這時候引入eda 仿真軟件進行前期的仿真已經(jīng)是不可避免的事情。system view是強大的系統(tǒng)級eda 仿真軟件，適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和方案論證，尤其適合于無線電話、無繩電話、尋呼機、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)；并可進行各種系統(tǒng)時域和頻域分析，對各種邏輯電路、射頻模擬電路(混合器、放大器、rlc 電路、運放電路等)進行理論分析和失真分析。一方面，應(yīng)用eda 軟件需要良好的相關(guān)專業(yè)知識；另一方面，熟練地應(yīng)用eda 軟件可以為實際系統(tǒng)的開發(fā)提供方案論證和實踐指導(dǎo)，可以輔助用戶更好地開發(fā)系統(tǒng)。（1 ）能仿真大量的應(yīng)用系統(tǒng)。能在dsp 、通訊和控制

11、系統(tǒng)應(yīng)用中構(gòu)造復(fù)雜的模擬、數(shù)字、混合和多速率系統(tǒng)。具有大量可選擇的庫，允許用戶有選擇地增加通訊、邏輯、dsp 和射頻模擬功能模塊。特別適合無線電話（gsm ，cdma ，fdma ，tdma ，dsss ）、無繩電話、尋呼機和調(diào)制解調(diào)器以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)（gps ，dvbs ，leos ）等的設(shè)計；能夠仿真（c3x ，c4x 等） dsp 結(jié)構(gòu)；可進行各種系統(tǒng)時域 / 頻域分析和譜分析；對射頻模擬電路（混合器，放大器，rlc 電路和運放電路）進行理論分析和失真分析。（2 ）快速方便的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計與仿真。使用熟悉的windows界面和功能鍵（單擊、雙擊鼠標的左右鍵）， system view可以快

12、速建立和修改系統(tǒng)，并在對話框內(nèi)快速訪問和調(diào)整參數(shù)，實時修改實時顯示。只需簡單用鼠標點擊圖符即可創(chuàng)建連續(xù)線性系統(tǒng)、dsp 濾波器，并輸入輸出基于真實系統(tǒng)模型的仿真數(shù)據(jù)。不用寫一行代碼即可建立用戶習(xí)慣的子系統(tǒng)庫（meta system）。system view圖標庫包括幾百種信號源、接收端、操作符和功能塊，提供從dsp 、通信、信號處理、自動控制、直到構(gòu)造通用數(shù)學(xué)模型等的應(yīng)用。信號源和接收端圖標允許在system view內(nèi)部生成和分析信號，并提供可外部處理的各種文件格式和輸入/ 輸出數(shù)據(jù)接口。（3 ）在報告中方便地加入system view的結(jié)論。 system view通過 notes （注解

13、）很容易在屏幕上描述系統(tǒng)； 生成的 system view系統(tǒng)和輸出的波形圖可以很方便地使用復(fù)制（copy ） 和粘貼（paste ）命令插入微軟word等文字處理器。（4 ）提供基于組織結(jié)構(gòu)圖方式的設(shè)計。通過利用system view中的圖符和meta system（子系統(tǒng)）對象的無限制分層結(jié)構(gòu)功能。system view能很容易地建立復(fù)雜的系統(tǒng)。首先可以定義一些簡單的功能組，再通過對這些簡單功能組的連接進而實現(xiàn)一個大系統(tǒng)。這樣，單一的圖符就可以代表一個復(fù)雜系統(tǒng)。 meta system的連接使用也與系統(tǒng)提供的其他圖符同樣簡單，只要單擊一下鼠標器，就會出現(xiàn)一個特定的窗口顯示出復(fù)雜的meta

14、system。但是在學(xué)習(xí)版中沒有meta system圖符功能，必須升級到專業(yè)版才有此功能。（5 ）多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng)。system view允許合并多種數(shù)據(jù)采樣率輸入的系統(tǒng)，以簡化fir 濾波器的執(zhí)行。這種特性尤其適合于同時具有低頻和高頻部分的通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，有利于提高整個系統(tǒng)的仿真速度，而在局部又不會降低仿真的精度。同時還可降低對計算機硬件配置的要求。（6 ）完備的濾波器和線性系統(tǒng)設(shè)計。system view包含一個功能強大的、很容易使用的圖形模板設(shè)計模擬和數(shù)字以及離散和連續(xù)時間系統(tǒng)的環(huán)境，還包含大量的fir/iir濾波類型和fft 類型，并提供易于用 dsp 實現(xiàn)濾波器或線性系統(tǒng)

15、的參數(shù)。（7 ）完善的自我診斷功能。system view能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，通知用戶連接出錯并通過顯示指出出錯的圖符。這個特點對用戶系統(tǒng)的診斷是十分有效的。2.1.2 用 system view軟件實現(xiàn)多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)頻帶傳輸系統(tǒng)也叫數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)制信號又稱為鍵控信號，數(shù)字調(diào)制過程中處理的是數(shù)字信號，而載波有振幅、頻率和相位3 個變量，且二進制的信號只有高低電平兩個邏輯量1 和 0， 所以調(diào)制的過程可用鍵控的方法由基帶信號對載頻信號的振幅、頻率及相位進行調(diào)制，最基本的方法有3 種： 正交幅度調(diào)制(qam)、 頻移鍵控 (fsk)

16、、 相移鍵控 (psk) 根據(jù)所處理的基帶信號的進制不同分為二進制和多進制調(diào)制(m 進制 ) 多進制數(shù)字調(diào)制與二進制相比，其頻譜利用率更高。2.1.3數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)備性能的system view仿真現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展使通信系統(tǒng)和通信技術(shù)日趨復(fù)雜，為了尋求某種通信系統(tǒng)在一定條件下是否具有最佳性能，軟件仿真已成為必不可少的一部分：（1 ）數(shù)字通信系統(tǒng)的一般組成。電子通信根據(jù)信道上傳輸信號的種類分為模擬通信和數(shù)字通信。數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)備種類多種多樣，其基本構(gòu)成如圖1 所示。圖 1 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成在數(shù)字通信系統(tǒng)中，誤碼率是一個非常重要的指標，數(shù)字通信系統(tǒng)以及相關(guān)組件都必須滿足誤碼率最低規(guī)范的要求

17、。為了能在已知信噪比情況下達到這一指標，不僅要設(shè)計合理的基帶信號，選擇調(diào)制解調(diào)方式，采用時域、頻域均衡，還要根據(jù)設(shè)備要求采用必要的糾錯編碼和交織環(huán)節(jié)來使系統(tǒng)誤碼率盡可能的降低，以滿足系統(tǒng)指標的要求。差錯編碼和交織方法是提高通信系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。（2 ）數(shù)字通信的仿真系統(tǒng)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，無論是何種編碼、交織都是很復(fù)雜的，除了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型外，其實際電路也非常復(fù)雜。為方便用戶對糾錯碼的仿真和性能研究，system view通信庫中提供了專門的糾錯碼編碼、譯碼器，只要選擇系統(tǒng)所需要的編碼方式并輸人參數(shù)即可。建立一個system view通信仿真系統(tǒng)如圖2 所示，其中信號源采用碼速率為20khz的

18、pn 偽隨機序列。由于rs 碼為非二進制碼，在進入編碼之前，需要將二進制數(shù)據(jù)進行圖符74 的比特符號轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的誤碼率計算由圖符11 完成。在該系統(tǒng)中， 信道模擬成一個高斯噪聲信道(awgn)，在噪聲后面加入一個增益圖符來控制信噪比的大小，受控的增益圖符在系統(tǒng)菜單中設(shè)置全局關(guān)聯(lián)變量，以便每一個測試循環(huán)完成后將系統(tǒng)信噪比的值改變一次。2.2多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計步驟根據(jù)該原理圖建立mfsk 調(diào)制和解調(diào)system view模型如圖所示。（以4 進制調(diào)制為例）。其中調(diào)制部分直接由system view提供的 mfsk 調(diào)制圖符0 來完成， 子系統(tǒng)圖符11 、 圖符 14 、圖符 19 和、圖符

19、 24 完成包洛檢波功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同。后面的電路完成對濾波輸出的各路信號的判決和最后信號的邏輯處理功能,圖符如下 : 圖 符編 號庫/圖符名稱參數(shù)0 source:pn seq amp=1v,offset=0v,rate=10hz, levels=4,phase=0deg 1 comm ：mfsk continuous,amplitude=1v,no.tones=4,minfreq=30hz,freq step=10hz,rate=10hz,min input=-1v,max input=1v 4 operator：linear sys butterworth bandpassiir,

20、3 poles,low fc=25hz,hi fc=35hz 5 operator：linear sys butterworth bandpassiir,3 poles,low fc=35hz,hi fc=45hz 6 operator：linear sys butterworth bandpassiir,3 poles,low fc=45hz,hi fc=55hz 7 operator：linear sys butterworth bandpassiir,3 poles,low fc=55hz,hi fc=65hz 9 function：half rctfy zero point=0v 10

21、 operator：linear sys butterworth bandpassiir,3 poles, fc=12hz 11 、14 、19 、24 meta system not auto-linked 12 meta i/o: meta in 13 meta i/o: meta out 29 operator: sample hold ctrl threshold=0v,signal=t39 output0,control=t13 output0 30 source: pulse train amp=1v,freq=10hz,plusew=1.e-3sec,offset=-500.e-

22、3v,phase=180deg 31 logic :anacmp gate delay=0sec,trueoutput=-1v,falseoutput=0v,output=0,input+=t13 output0 33 logic: anacmp gate delay=0sec,trueoutput=1v,falseoutput=0v,output=0,input=t18 output0 35 logic: anacmp gate delay=0sec,true output=1v, false output=0v,output=0,input=t23 output0 37 logic: an

23、acmp gate delay=0sec, true output=1v,false output=0v,output=0, input=t38 output0 32 、34 、36 、38 source: step fct amp=150.e-3v,start=0sec,offset=0v 39 adder 2 、 3、 8、sink: analysis 4045 第 3 章 調(diào)試分析利用 system view可以方便快捷地建立數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真模型，還可以在編碼系統(tǒng)中建立不同的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，加入不同的實際信道觀察該通信系統(tǒng)的誤碼率一信噪比曲線，以尋求一種具有最佳性能的系統(tǒng)方案，方便地完成復(fù)雜通信系統(tǒng)的建模、設(shè)計和測試。system view還可以將測出的ber/snr曲線與標準的fsk ，psk ，qpsk 等調(diào)制的ber 曲線進行比較來衡量一種信道的優(yōu)