浙理-通信原理報告課程設計

1、通信原理課程設計報告 專業(yè)班級： 11通信工程（1）班 姓名： 學號： 指導老師： 高法欽、汪弘 日期： 2014年1月9號 目 錄引言1第一章 課程設計內容概述11.1 System view 簡述11.2 AM超外差收音機簡述 1.3 2DPSK簡述3第二章 任務一 AM超外差收音機的設計42.1 實驗目的42.2 實驗內容42.3 實驗原理42.4 超外差接收機構造52.5 實驗結果及分析52.5.1 AM超外差收音機仿真模型參數(shù)設置2.5.2 系統(tǒng)各部分仿真波形第三章 任務二 二進制差分相位鍵控（2DPSK）的調制和解調93.1 實驗目的93.2 實驗內容93.3 實驗原理103.3.

2、1 2DPSK鍵控法調制原理3.3.2相干解調法實驗原理3.4 系統(tǒng)組成、圖符塊參數(shù)設置及仿真結果123.4.1 鍵控法調制133.4.2 相干解調法實驗設計及結果16第四章 實驗總結與心得體會20參考文獻21 引言第一章 課程設計內容概述1.1 System view 簡述1 樊昌信,張甫翊,徐炳祥,吳成柯.通信原理（第5版）.國防工業(yè)大學出版社，20012 羅衛(wèi)兵,孫樺,張捷.SystemView動態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設計M.北京:電子工業(yè)出版社,2002SystemView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(T

3、oken)去描述程序，無需與復雜的程序語言打交道，不用寫一句代碼即可完成各種系統(tǒng)的設計與仿真，快速地建立和修改系統(tǒng)、訪問與調整參數(shù)，方便地加入注釋。利用System View，可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，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)的設計和仿真。用戶在進行系統(tǒng)設計時，只需從System View配置的圖標庫中調出有關圖標并進行參數(shù)設置，完成圖標間的連線，然后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結果。SystemView的庫資源十分豐富，包括含若干圖標的基本庫（Main Library）及專業(yè)庫(Optional Libra

4、ry)，基本庫中包括多種信號源、接收器、加法器、乘法器，各種函數(shù)運算器等；專業(yè)庫有通訊（Communication）、邏輯（Logic）、數(shù)字信號處理（DSP）、射頻/模擬（RF/Analog）等；它們特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設計、仿真和方案論證，尤其適合于無線電話、無繩電話、尋呼機、調制解調器、衛(wèi)星通訊等通信系統(tǒng)；并可進行各種系統(tǒng)時域和頻域分析、譜分析，及對各種邏輯電路、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。System View能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，給出連接錯誤信息或尚懸空的待連接端信息，通知用戶連接出錯并通過顯示指出出錯的圖標。這個特點對用戶系

5、統(tǒng)的診斷是十分有效的。System View的另一重要特點是它可以從各種不同角度、以不同方式，按要求設計多種濾波器，并可自動完成濾波器各指標如幅頻特性（伯特圖）、傳遞函數(shù)、根軌跡圖等之間的轉換。在系統(tǒng)設計和仿真分析方面，System View還提供了一個真實而靈活的窗口用以檢查、分析系統(tǒng)波形。在窗口內，可以通過鼠標方便地控制內部數(shù)據(jù)的圖形放大、縮小、滾動等。另外，分析窗中還帶有一個功能強大的“接收計算器”，可以完成對仿真運行結果的各種運算、譜分析、濾波。System View還具有與外部文件的接口，可直接獲得并處理輸入/輸出數(shù)據(jù)。提供了與編程語言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的

6、調用其函數(shù)。還具備與硬件設計的接口：與Xilinx公司的軟件Core Generator配套，可以將System View系統(tǒng)中的部分器件生成下載FPGA芯片所需的數(shù)據(jù)文件；另外，System View還有與DSP芯片設計的接口，可以將其DSP庫中的部分器件生成DSP芯片編程的C語言源代碼。1.2 AM超外差收音機簡述超外差式收音機是指輸入信號和本機振蕩信號產生一個固定中頻信號的過程。如果把收音機收到的廣播電臺的高頻信號，都變換為一個固定的中頻載波頻率（僅是載波頻率發(fā)生改變，而其信號包絡仍然和原高頻信號包絡一樣），然后再對此固定的中頻進行放大，檢波，再加上低放級，功放級，就成了超外差式收音機。

7、超外差式是與直放式相對而言的一種接收方式，超外差式收音機能把接收到的頻率不同的電臺信號都變成固定的中頻信號（465kHz),再由放大器對這個固定的中頻信號進行放大。它的優(yōu)點是靈敏度高，選擇性好，音質好（通頻帶寬）工作穩(wěn)定（不容易自激），它的缺點是鏡像干擾（比接收頻率高兩個中頻的干擾信號）較大，存 在 假 響 應（ 變 頻 電 路 的 非 線 性 ），但這并不影響它的廣泛應用，現(xiàn)在大部分的收音機都是超外差的。1.3 2DPSK簡述 現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求通信距離遠、通信容量大、傳輸質量好。作為其關鍵技術之一的調制解調技術一直是人們研究的一個重要方向。從最早的模擬調幅調頻技術的日臻完善，到現(xiàn)在數(shù)字調制技

8、術的廣泛運用，使得信息的傳輸更為有效和可靠。在二進制數(shù)字調制中，當正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化時，則產生二進制移相鍵控(2PSK)信號。因為在調制過程中，2PSK調制容易出反向工作問題，影響2PSK 信號長距離傳輸。為克服此缺點，并保持2PSK信號的優(yōu)點，將2PSK體制改進為二進制差分相移鍵控體制1。二進制差分相移鍵控簡稱為二相相對調相，記作2DPSK。它不是利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數(shù)字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。與2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不對應相同的數(shù)字信息符號，而前后碼元的相對相位

9、才唯一確定信息符號。這說明解調2DPSK信號時，并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對相位關系不破壞，則鑒別這個相位關系就可正確恢復數(shù)字信息。這就避免了2PSK方式中的“倒 ”現(xiàn)象發(fā)生。由于相對移相調制無“反問工作”問題，因此得到廣泛的應用。單從波形上看，2DPSK與2PSK是無法分辯的。這說明，一方面，只有已知移相鍵控方式是絕對的還是相對的，才能正確判定原信息；另一方面，相對移相信號可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對碼）變換成相對碼，然后再根據(jù)相對碼進行絕對移相而形成。這就為2DPSK信號的調制與解調指出了一種借助絕對移相途徑實現(xiàn)的方法。第二章 任務一 AM超外差收音機的設計 2

10、.1、實驗目的：（1）了解超外差收音機的電路組成、工作原理和特點；（2）分別從時域、頻域視角觀測超外差收音機中的基帶信號、載波及已調信號；（3）熟悉系統(tǒng)中信號功率譜的特點。 2.2、實驗內容：以掃頻信號作為系統(tǒng)輸入信號。（1）采用調幅實現(xiàn)信號的傳遞；分別觀測接收機輸入端（混頻前）、混頻后、檢波后的信號波形和頻譜；比較輸入基帶信號和檢波輸出信號的波形和頻譜。（2）獲取主要信號的功率譜密度。2.3、實驗原理：超外差接收技術廣泛用于無線通信系統(tǒng)中。圖1-1所示的是一個基本的超外差收音機的原理框圖。圖1-1超外差收音機原理框圖通常的AM中波廣播收音機覆蓋的頻率范圍為540-1700KHz，中頻IF頻率

11、為455KHz。商業(yè)廣播發(fā)射采用常規(guī)調幅，調制度為1，且發(fā)射功率大，因此收音機為節(jié)省成本、減小體積，一般解調器采用最佳簡單的二極管包絡檢波。本地振蕩的典型設置都高于所希望的RF信號。輸入濾波器用于濾除干擾信號和噪聲、以及鏡像頻率2信號。實際電路使用陶瓷濾波器能得到很好的性能，增加一級增益后再檢波。2.4超外差接收機構造超外差接收機主要由下列幾個部分組成前置放大器前置放大器的作用是放大調變的頻率信號，過濾其他頻率的信號。通常由一個可變電容和固定電感組成的濾波電路和一個電晶體放大線路組成。收音機的前置放大器的調幅波段通常是540 千赫茲(KHz) 至 1600 千赫茲(KHz)?？勺冋袷幤骺勺冋袷?/p>

12、器由一個固定電感和可變電容加電晶體組成的一個可變頻率的振蕩器。可變振蕩器的可變電容和前置放大器的可變電容，必須同步地變化。同步功能是依靠雙聯(lián)可變電容器形成的。當收音機的前置放大器的波段通常是540 千赫茲(KHz) 至 1600 千赫茲(KHz)時，內部振蕩器的頻率范圍是995千赫茲(KHz) 到2075 千赫茲(KHz)?？勺冸娙萦袡C械式可變電容，壓電式可變電容等。中頻放大器中頻放大器的作用是將前置放大器和可變振蕩器混合后產生的其他頻率的信號過濾，僅將以中頻=455千赫茲(KHz)為中心的頻帶放大。中頻放大器的主要元件是兩個455千赫茲(KHz)的中頻帶通濾波器。中頻帶通濾波器（有時也叫中頻

13、變壓器）對于以455千赫茲為中心的頻帶以外的信號有不錯的濾波。一般中頻放大器的放大倍率為30-60分貝(dB)，如不采取適當?shù)钠帘危^高的放大倍率可能會引起正回授振蕩。較高階的接收機的有時利用到二級的中頻放大器以加強放大倍率和選擇性，第一級中頻放大器將信號變?yōu)檩^高的中頻，然后經過第二級中頻放大器（帶有另一個振蕩器）變?yōu)榈偷闹蓄l。這種架構的中頻放大器具有很高的放大倍率。音頻放大器經過中頻放大器過濾和放大的信號，由檢波二極體檢波后(實際上就是把信號進行半波整流)剩下音頻的信號，再經功率放大器放大送入揚聲器發(fā)出聲音。2.5.實驗結果及分析2.5.1 AM超外差收音機仿真模型參數(shù)設置：為節(jié)省仿真時間，

14、本任務不要求按實際的540-1700KHz的頻率覆蓋范圍和455KHz中頻頻率設計，而是可以采用20KHz作為IF。另外設30KHz，40KHz，50KHz三個載波頻率的發(fā)射信號（模擬三個電臺），模擬調制信號的帶寬為5KHz以下。設希望接受的頻率為第二個電臺的頻率40KHz，則本振應為40+20=60 KHz。帶通濾波器通帶范圍為15K25KHz，低通濾波器截止頻率為5KHz。圖1-2AM超外差收音機仿真模型收音機仿真結果及其性能的分析，可以通過SystemView測量2.5.2系統(tǒng)各部分仿真波形如下： 混頻前信號波形 混頻前信號頻譜（載波分別為30kHz、40kHz、50kHz，調制信號分別

15、對應2K、3K、4K） 混頻前信號功率譜密度 混頻后信號波形混頻后信號頻譜（本地混頻載波為60KHZ，故混頻后各中心調制載波為30K,20K,10K） 混頻后信號功率譜密度混頻后信號頻譜分為上邊頻和下邊頻，實驗中帶通濾波器通帶范圍取15K-25K，故取下邊頻。 過帶通濾波器后的信號波形，帶通范圍為15K25K，故中心頻率為20K的已調信號能通過 過帶通濾波器后的信號頻譜，中心頻率20K，基帶信號頻率3KHZ 基帶信號波形 基帶信號頻譜 檢波輸出波形 檢波輸出信號頻譜可知，基帶信號和檢波后輸出波形基本一致，沒有出現(xiàn)噪聲干擾及失真現(xiàn)象，頻譜也滿足3khz范圍之內，滿足信號傳輸要求 第三章 任務二

16、二進制差分相位鍵控（2DPSK）的調制和解調3.1、實驗目的：（1）了解2DPSK系統(tǒng)的電路組成、工作原理和特點；（2）分別從時域、頻域視角觀測2DPSK系統(tǒng)中的基帶信號、載波及已調信號；（3）熟悉系統(tǒng)中信號功率譜的特點。3.2、實驗內容：以PN碼作為系統(tǒng)輸入信號，碼速率Rb20kbit/s。（1）采用鍵控法實現(xiàn)2DPSK的調制；分別觀測絕對碼序列、差分編碼序列，比較兩序列的波形；觀察調制信號、載波及2DPSK等信號的波形。（2）采用相干解調法實現(xiàn)2DPSK的解調，分別觀察系統(tǒng)各點波形。（3）獲取主要信號的功率譜密度。3.3、實驗原理：3.3.1 2DPSK鍵控法調制原理2DPSK方式是用前后

17、相鄰碼元的載波相對相位變化來表示數(shù)字信息。假設前后相鄰碼元的載波相位差為Dj，可定義一種數(shù)字信息與Dj之間的關系為則一組二進制數(shù)字信息與其對應的2DPSK信號的載波相位關系如下表所示數(shù)字信息與Dj 之間的關系也可以定義為2DPSK信號調制過程波形如圖1所示。 1 0 0 1 0 1 1 0 2 圖2-1 2DPSK信號調制過程波形可以看出，2DPSK信號的實現(xiàn)方法可以采用：首先對二進制數(shù)字基帶信號進行差分編碼，將絕對碼表示二進制信息變換為用相對碼表示二進制信息，然后再進行絕對調相，從而產生二進制差分相位鍵控信號。2DPSK信號調制器原理圖如圖2所示。圖2-2 2DPSK信號調制器原理圖其中碼變

18、換即差分編碼器如圖2-3所示。在差分編碼器中：an為二進制絕對碼序列，dn為差分編碼序列。D觸發(fā)器用于將序列延遲一個碼元間隔，在SystemView中此延遲環(huán)節(jié)一般可不采用D觸發(fā)器，而是采用操作庫中的“延遲圖符塊”。QDCKan發(fā)送碼時鐘dn-1dn圖2-3差分編碼器3.3.2 相干解調法實驗原理2DPSK信號可以采用相干解調方式(極性比較法)，對2DPSK信號進行相干解調，恢復出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發(fā)送的二進制數(shù)字信息。解調器原理圖和解調過程各點時間波形如圖2-4(a)、(b)所示：其中碼反變換器即差分譯碼器組成如圖2-5所示。在差分譯碼器中：dn為差分編碼序列，

19、an為差分譯碼序列。D觸發(fā)器用于將序列延遲一個碼元間隔，在SystemView中此延遲環(huán)節(jié)一般可不使用D觸發(fā)器，而是使用操作庫中的“延遲圖符塊”。DQCK位同步時鐘dndn-1an 圖2-4 2DPSK信號相干解調器原理圖和解調過程各點時間波形圖2-5 差分譯碼器3.4 系統(tǒng)組成、圖符塊參數(shù)設置及仿真結果：總模型框圖（采用鍵控調制法和相干解調法）3.4.1鍵控法調制：采用鍵控法進行調制的組成如圖4所示。圖4 鍵控法調制的系統(tǒng)組成其中圖符2產生絕對碼序列，傳碼率為20kbit/s。圖符6和圖符3實現(xiàn)差分編碼；圖符0輸出正弦波，頻率為40k Hz；圖符1對正弦波反相；圖符7為鍵控開關。圖符7輸出2

20、DPSK信號。圖符的參數(shù)設置如表1所示。 表1：鍵控法圖符參數(shù)設置表編號庫/名稱參 數(shù)0Source: SinusoidAmp = 1 v，F(xiàn)req = 40e+3 Hz，Phase = 0 deg，Output 0 = Sine t4 t5 ，Output 1 = Cosine1Operator: Negate2Source: PN SeqAmp = 1 v，Offset = 0 v，Rate = 20e+3 Hz，Levels = 2，Phase = 0 deg3Operator: DelayNon-Interpolating，Delay = 50.e-6 sec，Output 0 = D

21、elay ，Output 1 = Delay - dT t26Logic: XORGate Delay = 0 sec，Threshold = 0 v，True Output = 1 vFalse Output = -1 v7Logic: SPDTSwitch Delay = 0 sec，Threshold = 500.e-3 v，Input 0 = t3 Output 0，Input 1 = t5 Output 0，Control = t2系統(tǒng)定時：起始時間0秒，終止時間800e-6秒，采樣點數(shù)500，采樣速率400e+3Hz，獲得的仿真波形如下圖所示。（a） 絕對碼序列（b） 相對碼序列（

22、c）未調載波信號（d）調制后（2DPSK）信號從圖（b）和（d）波形對比中可以發(fā)現(xiàn)，相對碼序列中的“1”使已調信號的相位變化相位；相對碼的“0”使已調信號的相位變化0°相位。主要信號的功率譜密度：圖10 調制信號的功率譜圖11 正弦載波的頻譜2DPSK的功率譜如圖12所示。圖12 2DPSK的功率譜由圖10可見，基帶信號的大部分能量落在第一個零點（20kHz）的頻率范圍之內，即基帶帶寬為20kHz。由圖11可見，載頻信號的頻譜位于40kHz，且頻譜較純。由圖12可見，已調信號的頻譜為DSB信號，因為調制信號為雙極性不歸零脈沖，用雙極性不歸零碼對載波進行相乘的調制，可以達到抑制載波的目

23、的，即已調信號的頻譜中，只有載頻位置，沒有載波分量，頻帶寬度為40kHz。3.4.2相干解調法實驗設計及結果：相干解調法的系統(tǒng)組成如圖16 所示。 圖 16 相干解調法的系統(tǒng)組成其中，圖符11為帶通濾波器，圖符13實現(xiàn)相干載波的提取，圖符12為乘法器，圖符15為低通濾波器，圖符16、17、18實現(xiàn)抽樣判決，圖符19、20實現(xiàn)差分解碼。圖符19輸出再生的絕對碼。圖符的參數(shù)設置如表3所示。表3：相干解調法圖符參數(shù)設置表編號庫/名稱參 數(shù)11Operator: Linear SysButterworth Bandpass IIR3 Poles，Low Fc = 20e+3 Hz，Hi Fc = 60

24、e+3 HzQuant Bits = None，Init Cndtn = Transient，DSP Mode Disabled，F(xiàn)PGA Aware = True，RTDA Aware = Full13Comm: CostasVCO Freq =40e+3 Hz，VCO Phase = 0 degMod Gain = 1 Hz/v，Loop Fltr =1Output 0 = Baseband InPhase ，Output 1 = Baseband Quadrature Output 2 = VCO InPhase ，Output 3 = VCO Quadrature t12 RTDA A

25、ware = Full15Operator: Linear SysBessel Lowpass IIR3 Poles，F(xiàn)c =22e+3 Hz，Quant Bits = None，Init Cndtn = TransientDSP Mode Disabled，F(xiàn)PGA Aware = True，RTDA Aware = Full16Operator: SamplerInterpolating ，Rate = 40e+3 Hz，Aperture = 0 sec，Aperture Jitter = 0 sec17Operator: HoldLast Value ，Gain = 1，Out Rate

26、 = 200e+3 Hz18Logic: BufferGate Delay = 0 sec，Threshold = 0 v，True Output = 1 vFalse Output = -1 v，Rise Time = 0 sec，F(xiàn)all Time = 0 sec19Logic: XORGate Delay = 0 sec，Threshold = 0 v，True Output = 1 vFalse Output = -1 v，Rise Time = 0 sec，F(xiàn)all Time = 0 sec20Operator: DelayNon-Interpolating，Delay = 50.e

27、-6 sec，Output 0 = Delay t19 Output 1 = Delay - dT調制信號為PN序列，碼速率Rb20kbit/s；正弦載波的頻率為40k Hz。系統(tǒng)定時：起始時間0秒，終止時間800e-6秒，采樣點數(shù)500，采樣速率400e+3Hz，獲得的仿真波形如圖17所示。（a）調制后（2DPSK）信號（b）帶通濾波器的輸出（c）提取的相干載波（d）乘法器的輸出（e）低通濾波器的輸出 （f）解調輸出的相對碼（g）解調輸出的絕對碼圖17相干解調過程的仿真波形從圖中可以看出，解調輸出的絕對碼和系統(tǒng)輸入的絕對碼波形一致，同時有一個碼元單位的延時，系統(tǒng)仿真和理論相符合。同時也發(fā)現(xiàn)，

28、解調輸出的相對碼和輸入的相對碼相比，有一個單位的延時，并且有碼元進行相反變換,0變1,1變0的現(xiàn)象.通常情況下,二進制碼元的解調有兩種方法,包括相干解調法和非相干解調法，相干解調法需要提取相干載波，還要進行碼反變換，即將相對碼變換為絕對碼；而非相干解調法不需要提取相干載波，也不需要進行碼反變換,需要利用包絡檢波器來完成。主要信號的功率譜密度：圖24 2DPSK的功率譜密度圖25 乘法器輸出信號的功率譜密度圖26 輸出PN序列的基帶譜第四章 實驗總結與心得體會 這次的通信原理課程設計主要有兩個任務，一個是AM超外差收音機的設計，另外一個是二進制差分相位鍵控（2DPSK）的調制和解調，從這兩個實驗設計中，我獲益匪淺，對通信原理這門課程的學習