基于SystemView的数字通信系统的仿真设计

基于SystemView的数字通信系统的仿真设计
引言
通信的根本任务是远距离传输信息，准确地传输数字通信中的一个重要环节。

设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的离散波形来表示数字信息。

这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。

由于未经调制的脉冲电信号所占据的频带通常从直流和低频开始，因而称为数字基带信号。

在某些有线信道中，数字基带信号可以直接传输，这种传输方式称为数字信号的基带传输；而在另外一些信道想，数字基带信号必须经过调制，将信号频谱搬移到高频段才能在信道中传输，然后在收端用解调器把信道中传输的已调信号还原成基带信号，这种传输方式称为数字信号的频带传输（或载波传输）。

基带传输包含着数字通信技术的许多问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此频带传输也存在基带问题，基带传输的许多问题，频带传输同样需考虑。

如果把调制与解调过程看做是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。

理论上还可证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总可以由一个等效的基带传输系统来代替。

下面我们将介绍一些解决数字通信系统中的实际问题的一些方法。

第1章课程设计目的和要求及原理
1.1 本课程设计的目的
（1）使学生掌握系统各功能模块的基本工作原理；
（2）培养学生掌握电路设计的基本思路和方法；
（3）能提高学生对所学理论知识的理解能力；
（4）能提高和挖掘学生对所学知识的实际应用能力和创新能力；
（5）提高学生的科技论文写作能力。

1.2 课程设计的任务及要求
1）基本要求：
（1）学习SystemView仿真软件；
（2）对需要仿真的通信系统各功能模块的工作原理进行分析；
（3）提出系统的设计方案，选择合适的模块；
（4）对所设计系统进行仿真；
（5）并对仿真结果进行分析。

2）创新要求：
在基本要求达到后，可进行创新设计，完善系统的性能。

3）课程设计论文编写要求：
（1）要按照书稿的规格打印誊写课程设计论文；
（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等；
（3）课程设计论文装订按学校统一要求完成。

1.3课程设计的原理
数字信号的传输方式可以分为基带传输和带通传输。

为了使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，以使信号与信道特性相匹配。

在这个过程中就要用到数字调制。

在通信系统中，利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，来实现数字调制，这种方法通常称为键控法，主要对载波的振幅，频率，和相位进行键控。

键控主要分为：振幅键控，频移键控，相移键控三种基本的数字调制方式。

第2章SystemView 软件基本介绍
SystemView是一个用于现代科学与科学系统设计及仿真打动态系统分析平台。

从滤波器设计、信号处理、完整通信系统打设计与仿真，到一般打系统数字模型建立等各个领域，SystemView在友好而功能齐全打窗口环境下，为用户提供啦一个精密的嵌入式分析工具。

进入SystemView后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件（File）、编辑（Edit）、参数优选（Preferences）、视窗观察（View）、便笺（NotePads）、连接（Connetions）、编译器（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11项功能菜单。

如下图所示。

系统视窗左侧竖排为图符库选择区。

图符块（Token）是构造系统的基本单元模块，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅是代表某一数学模型的图形标志（图符块），图符块的传递特性由该图符块所具有的仿真数学模型决定。

创建一个仿真系统的基本操作是，按照需要调出相应的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来。

这样一来，用户进行的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题，使用十分方便。

进入系统后，在图符库选择区排列着8个图符选择按钮创建系统的首要工作就是按照系统设计方案从图符库中调用图符块，作为仿真系统的基本单元模块。

可用鼠标左键双击图符库选择区内的选择按钮。

当需要对系统中各测试点或某一图符块输出进行观察时，通常应放置一个信宿（Sink）图符块，一般将其设置为“Analysis”属性。

Analysis块相当于示波器或频谱仪等仪器的作用，它是最常使用的分析型图符块之一。

在SystemView系统窗中完成系统创建输入操作（包括调出图符块、设置参数、连线等）后，首先应对输入系统的仿真运行参数进行设置，因为计算机只能采用数值计算方式，起始点和终止点究竟为何值？究竟需要计算多少个离散样值？这些信息必须告知计算机。

假如被分析的信号是时间的函数，则从起始时间到终止时间的样值数目就与系统的采样率或者采样时间间隔有关。

实际上，各类系统或电路仿真工具几乎都有这一关键的操作步骤，SystemView也不例外。

如果这类参数设置不合理，仿真运行后的结果往往不能令人满意，甚至根本得不到预期的结果。

有时，在创建仿真系统前就需要设置系统定时参数。

时域波形是最为常用的系统仿真分析结果表达形式。

进入分析窗后，单击“工具栏”内的绘制新图按钮（按钮1），可直接顺序显示出放置信宿图符块的时域波形，
对于码间干扰和噪声同时存在的数字传输系统，给出系统传输性能的定量分析是非常繁杂的事请，而利用“观察眼图”这种实验手段可以非常方便地估计系统传输性能。

实际观察眼图的具体实验方法是：用示波器接在系统接收滤波器输出端，调整示波器水平扫描周期Ts，使扫描周期与码元周期Tc同步（即Ts＝nTc，n为正整数），此时示波器显示的波形就是眼图。

由于传输码序列的随机性和示波器荧光屏的余辉作用，使若干个码元波形相互重叠，波形酷似一个个“眼睛”，故称为“眼图”。

“眼睛”挣得越大，表明判决的误码率越低，反之，误码率上升。

SystemView具有“眼图”这种重要的分析功能。

当需要观察信号功率谱时，可在分析窗下单击信宿计算器图标按钮，出现“SystemView信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮spectrum，完成功率谱的观察。

第3章二进制振幅键控（2ASK）
3.1 2ASK的调制与解调原理
3.1.1调制原理
振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。

在二进制振幅键控中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。

一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通-断键控（OOK）。

二进制振幅键控信号的产生通常有两种方法：模拟调制法和键控法，相应的调制器如图3-1所示。

图（a)就是一般的模拟幅度调制的方法，用相乘器实现；图（b）是一种数字键控法，其中的开关电路受s（t）控制。

本次课设用的是数字键控法。

（a）模拟相乘法
（b）数字键控法
图3-1 2ASK/OOK信号调制器原理框图
3.1.2 解调原理
与AM信号的解调方法一样。

2ASK/OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），相应的接收系统组成方框图如
图3-2所示。

与模拟信号的接收系统相比，这里增加了一个“抽样判决器”方框，这对提高数字信号的接收性能是必要的。

本次课设用的是相干解调。

e
d
输出
定时
脉冲
（a）非相干解调方式
e
d
输出
cosw c t定时
脉冲
（b）相干解调方式
图3-2 2ASK/OOK信号的接收系统组成方框图
3.2仿真模型及结果波形图
3.2.1 系统的调制部分
波形图如下：
3.2.2系统的调制与解调
波形图如下：
3.2.3 波形分析
参数设置：
1）载波频率设置为20HZ，调制信号为10HZ；2）低通滤波器的截至频率为10HZ，如下图：
波形说明：
1）载波波形：
2）调制波形：
3）已调波形：
4）解调波形：
第4章 二进制频移键控（2FSK ）
4.1 2FSK 的调制与解调原理
4.1.1 调制原理
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。

在2FSK 中，载波的频率随二
进制基带信号在f 1和f 2两个频率点间变化。

故其表达式为：
⎩
⎨⎧++=)cos()
cos()(212n n FSK t w A t w A t e ϕϕ
2FSK 信号的产生方法主要有两种。

一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种 可以采用键控法实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对 两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元Ts 期间输出f 1或f 2两个
载波之一，如图4-1所示。

本次课设用的是键控法实现。

图4-1 键控法产生2FSK信号的原理图
4.1.2 解调原理
2FSK信号的常用解调方法是采用如图4-2所示的非相干解调（包络检波）和相干解调。

其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。

这里的抽样判决时直接比较两路信号抽样值得大小，可以不专门设置门限。

判决规则应与调制规则相呼应，调制时若规定“1”符号对应载波
，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。

本次课频率f
1
设采用相干解调。

e
（a）非相干解调
e
(b)
（b）相干解调
4.2仿真模型及结果波形图
4.2.1系统的调制部分
波形图如下
4.2.2系统的调制与解调
波形图如下
4.2.3 波形分析
参数设置：
1）载波频率设置为20HZ，调制信号为10HZ；2）低通滤波器的截至频率为10HZ，如下图：
波形说明：
1）载波波形：
2）调制波形：
3）已调波形：
4）解调波形：
第5章 二进制相移键控（2PSK ）
5.1 2PSK 的调制与解调原理
5.1.1 调制原理
相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。

在 2PSK 中，通常用初始相位0和 π分别表示二进制“1”和“0”。

因此，2PSK 信 号的时域表达式为：
)cos()(2n c PSK t w A t e ϕ+=
2PSK 信号的调制原理框图如图5-1所示。

与2ASK 信号的产生方法相比较，只是对s(t)的 要求不同，在2ASK 中s(t)是单极性的，而在2PSK 中s(t)是双极性的基带信号。

图5-1 2PSK 信号的调制原理框图
5.1.2 解调原理
2PSK 信号的解调通常采用相干解调法：解调器原理框图如图5-2所示。

在相干 解调中，如何得到与接收的2PSK 信号同频同相的相干载波是个关键问题。

BPF
e2PSK(t)a
相乘器c
LPF
d
b
e
抽样
判决器输出
cos c t定时
脉冲
图5-2 2PSK信号的解调原理框图
5.2仿真模型及结果波形图
5.2.1系统的调制部分
波形图如下
5.2.2系统的调制与解调
波形图如下
5.2.3 波形分析
参数设置：
1）载波频率设置为20HZ，调制信号为10HZ；2）低通滤波器的截至频率为10HZ，如下图：
波形说明：
1）载波波形：
2）调制波形：
3）已调波形：
4）解调波形：
第6章二进制差分相移键控（2DPSK）
6.1 2DPSK的调制与解调原理
6.1.1 调制原理
2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。

2DPSK信号的产生方法：先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把数字信息序列的绝对码变换成相对码（差分码），然后再根据相对码进行绝对调相，从
而产生二进制差分相移键控信号。

2DPSK信号调制器原理框图如图6-1所示。

e2DPSK（t）
绝对码
开关电路
图6-1 2DPSK信号的调制原理框图
6.1.2 解调原理
2DPSK信号的解调方法之一是相干解调（极性比较法）加码反变换法。

其原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。

在解调过程中，由于载波相位迷糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位迷糊性带来的问题。

2DPSK的相干解调器原理框图如图6-2所示。

图6-2 2DPSK信号的解调原理框图
2DPSK信号的另一种解调方法是差分相干解调（相位比较法），其原理框图如图6-3所示。

用这种方法解调时不需要专门的相干载波，只需要由收到的2DPSK信号延时一个码元间
隔T，然后与2DPSK信号本身相乘。

相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码
元的相位差，经低通滤波器后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不
需要码反变换器。

本次课设采用差分相干解调方法。

c d e
e 2DPSK (t)
输出
b
定时脉冲 图6-3 2DPSK 差分相干解调器原理框图
6.2仿真模型及结果波形图
6.2.1系统的调制部分
延
相
波形图如下
6.2.2系统的调制与解调
波形图如下
6.2.3 波形分析
参数设置：
1）载波频率设置为100HZ，调制信号为50HZ；
2）低通滤波器的截至频率为50HZ，带通滤波器的频率为100HZ~1000HZ如下
图：
波形说明：
1）载波波形：
2）调制波形：
3）已调波形：
4）解调波形：
第7章 多进制振幅键控（4ASK ）
7.1 4ASK 的调制与解调原理
7.1.1 调制原理
振幅键控是利用载波的幅度变化传递数字信号，而其频率和初始相位保持不变。

在4ASK 中，载波的幅度只有四种变化状态，分别对应四进制信息“0”或“1”或“2”或“3”。

4ASK 信号的一般表达式为： t w t s t e c ASK cos )()(4
4ASK 信号的产生与2ASK 信号的产生一样。

本次课设用的
是模拟调制法。

7.1.2 解调原理
4ASK 信号的解调方法也与2ASK 信号的解调放法一样。

本次课设用的是相干解
调。

7.2仿真模型及结果波形图 7.2.1系统的调制部分
波形图如下
7.2.2系统的调制与解调
波形图如下
7.2.3 波形分析
参数设置：
1）载波频率设置为10HZ，调制信号为10HZ；2）低通滤波器的截至频率为10HZ，如下图：
波形说明：
1）载波波形：
2）调制波形：
3）已调波形：
4）解调波形：
总结
通过这次课程设计，不仅对System View操作系统的基本知识有了初步的
认识，而且在实践中对所学习的基本知识和原理方法有了进一步的深化，和形象具体的理解。

本次课设我选择了数字通信系统的2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、4ASK五个，通过对它们的调制与解调过程的实践达到课设的目的。

在这次课程设计的过程中，让我发现了很多问题，特别是理论与实际的差别。

虽然在理论方面，能够很好的理解这个知识点，并且在做的过程中也是按照这一思路去做，但最后却还是做不出来。

后来咨询同学后才知道虽然思路是对的，但是在参数的给值时不一定是按照书本来的，得靠自己再看图后去修正来使得解调后的图形能够与调制信号波形相同。

尽管如此，最后解调出来的波形还是会与调制信号波形有点差别，可能还是在滤波器滤波的时候没有滤干净，滤波器参数没有达到最好的值。

这次课程设计，我自我感觉收获很大，不仅仅让我掌握了Systemview的使用，还让我发现了有的时候不是仅仅你知道就能证明你最后能完成任务，而是要在实践中去验证自己的想法。

参考文献
[1] 通信原理樊昌信曹丽娜国防工业出版社
[2] SystemView系统设计及仿真入门与应用李东生电子工业出版社。