模拟调制系统中FM的调制与解调
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通信原理课程设计
3.2.1
FM 的调制与解调原理
1)调制原理: 角度调制是用调制信号去控制载波信号角度 （频率或相位） 变化的一种信号变换方式， 信号经过角度调制后，频率结构将发生变化。 也就是说，比如在调频信号中，载波信号的频率随着基带调制信号的幅度变化而变化。调 制信号幅度变大时，载波信号的频率也变大（或变小） ，调制信号幅度变小时，载波信号 的频率也变小（或变大） ；在角度调制中，载波的幅度保持不变。 在模拟调制中，一个连续波有三个参数可以用来携带信息而构成已调信号。当幅度和相位 保持不变时，改变载波的频率使之随未调信号的大小而改变，这就是调频的概念。 ①角度调制的一般原理: sm t A cos ct t 其中: ct t 为已调信号的瞬时相位（rad）
通信原理课程设计
1.绪论
1.1 模拟通信系统概述 随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求越来越高，通信，则承载着这个重要 的任务。通信中要进行消息的传递，必须有发送者和接收者，发送者和接收者可以是人也 可以是各种通信终端设备。换言之，通信可以在人与人之间，也可以在人与机器活机器与 机器之间进行。必须有三大部分：一是发送端；二是接收端；三是收发两端之间的信道。 通信系统主要分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统通常由模拟信息源，调制 器，信道，解调器与收信者组成。模型如下：
sFM t A cos c t k f
m t dt
t
其中，A 是载波的振幅， wc t t 是角度调制信号的瞬时相位，而 t 是瞬时相位偏 移; 频率偏移。 其框图如下图所示：
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为信号的瞬时频率，而
称为瞬时频率偏移，即相对于
t kd k f m t
其中： d 为鉴频器灵敏度 鉴频器的缺点是对信道噪声以及其他因素引起的已调信号幅度畸变有反应，故常在鉴 频器前加限幅器和带通滤波器。在小信噪比情况下，由于鉴频器的非线性解调作用，FM 信 号的解调存在门限效应。 FM 解调器就是所谓的积分鉴频器或积分检波器。如下图所示，
S (t) Mo(t)
限幅器及BPF
微分器
包络检波器 理想鉴频器
LPF
图 3-2 频率调制鉴频法原理图
s t k A k m t sin t k d c f c f m t dt r 过微分器：
解调输出： mo
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软件化,避开了复杂的硬件搭建 ,在不具备先进仪器的条件下同样也能完成复杂的通信系 统设计与仿真.本文利用 System View 软件设计模拟调制和解调电路,通过分析其输入输 出。 1.3.3 Multisim 简介 Multisim 软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。 作为 Windows 下运 行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。Multisim 计算机 仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学生可 以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技 术创造出真正属于自己的仪表。 1.3.4Multisim 软件特点 (1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和 仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪 器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看 到的一样。 (2)丰富的元器件库： Multisim 大大扩充了 EWB 的元器件库， 包括基本元件、 半导体器件、 运算放大器、TTL 和 CMOS 数字 IC、DAC、ADC 及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器 自行创建或修改所需元件模型，还可通过 liT 公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和 更新服务。 (3)丰富的测试仪器：除 EWB 具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频 仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、 频谱分析仪和网络分析仪。尤其与 EWB 不同的是：所有仪器均可多台同时调用。 (4)完备的分析手段：除了 EWB 提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分 析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分 析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批 处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分 析设计要求。
t 为已调信号的瞬时相位偏移（rad）
c
d t 为已调信号的瞬时角频率（rad/s） dt
d t 为已调信号的瞬时角频率偏移（rad/s） dt
频率调制（FM）即已调信号的瞬时角频率偏移随原始基带信号线性变化，亦即：
d t k f m t ，其中 k f 为调频灵敏度 rad / s V 或有 dt
信源 调制器 信道 信宿
解调器
噪声源
图 1-1 模拟通信系统模型图 模拟通信在信道中传输的信号频谱比较窄，因此可通过多路复用使信道的利用率提 高，但它的缺点是: 1)传输的信号是连续的，叠加噪声干扰后不易消除，即抗干扰能力较差; 2)不易保密通信; 3)设备不易大规模集成; 4)不适应飞速发展的计算机通信的要求 1.2 模拟信号调制解调 模拟通信系统中， 调制与解调是通信系统中的重要环节， 它使信号发生本质性的变化。 本文主要对线性调制（AM,DSB,SSB）与非线性调制(FM,NBFM)的信号产生（调制）与接受 （解调）的基本原理，方法技术加以讨论，并通过 System View 仿真验证常规双边带调幅 （AM） ，双边带调幅（DSB） ，单边带调幅（SSB） ，频率调制（FM） ，窄带频率调制（NBFM） 。 通过此软件观察信号的调制与解调过程，并对输出波形进行分析。 模拟调制和解调是实现是实现模拟通信系统的重要组成部分。调制是将原始电信号变 换成其频带适合信道传输的信号；解调是在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信
3.频率调制系统部分
3.1 角度调制基本概念
角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的 非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。 角度调制可分为频率调制（FM）和相位调制（PM）,即载波的幅度保持不变，而载波的频 率或相位随基带信号变化的调制方式。 如果载波的频率变化量与调制信号电压成正比，则称为调频（ FM） ；如果载波的相位变化 量与调制信号电压成正比，则称为调相（PM） 。由于载波频率的变化和相位的变化都表现 为载波总相角的变化，因此将调频和调相统称为调角。本节将介绍频率调制（FM） 。 3.2 频率调制（FM）
的瞬时
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X(t)
FM调制
Xc(t)
Xc(t)+N(t)
信道
BPF
FM解调
X(t)
C(t)
N(t)
图 3-1 频率调制系统框图 2)解调原理: ①频率调制的非相干解调（鉴频法） 鉴频器的作用是输出一个与输入信号频率成线性关系的信号，包括斜率鉴频器、锁相环鉴 频器、频率负反馈解调器等类型，理想鉴频器可以等效成带微分器的包络检波器。
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(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模 混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示 可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。
2.设计题目
2.1 模拟调制系统中 FM 的调制与解调 要求：实现系统级和电路级的仿真结果并同时给出过程分析和说明，并按照学校要求 撰写课程设计说明书，提交电子版和纸质的说明书及源程序代码或文件。 备注：此题为传统的广播，电视通信系统中主要通信技术的原理的验证及仿真，除了进 行 MATLAB 或 SystemView 环境下的系统仿真，还要进行 Multsim、Pspice 环境下的电路级 仿真。得分与仿真的数量的质量成正比。 2.2 PCM 编译码。 PCM 编译码原理和基带信号的形成过程 要求：实现系统级和电路级的仿真结果并同时给出过程分析和说明，并按照学校要求 撰写课程设计说明书，提交电子版和纸质的说明书及源程序代码或文件。 备注： 此为传统 PSTN 电话网中语音模拟信号数字化后的基带数字信号格式， 比较编译 码前后信号的差异，并和增量调制信号做比较。
4. 仿真模型
4.1 系统级仿真 本模型是将一个声音文件（.WAV）表示的信号通过 FM 调制，再经过一个具有高斯噪 声的信道传输，然后用延迟积分鉴频器将声音解调出来。 4.1.1 仿真电路原理图
图 4-1 4.1.2 模块说明及参数设置： (1) 模块 0：Source Library
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设计模型图
Baidu Nhomakorabea
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说明：该模块是一个信号源，通过外部文件输入一个.wav 的音频信号，然后被 系统重新采样 3 倍后输出。 WAV 1ch：Windows XP 16-bit WAV 1channel Audio Rate=22050Hz Audio Player=Off Pad=3 samples Pad with last value Start sample=1 Token=0 (2) 模块 5：Operator Library 说明：该模块是一个巴特沃思低通滤波器，截止频率为 5000Hz，将输入的波形 滤掉高频部分后输出。 Linear Sys Butterworth Lowpass IIR 3 Ploes Fc=5000Hz Quant bits=none Init cndtn=Transient Dsp mode disabled Toke5 (3) 模块 1：Function Library 说明：该模块是一个 FM 调制器，将输入的信号进行频率调制，从而获得 10 倍 的增益输出。 Freq mod Amp=1v Freq=5000Hz Phase=0 deg Mod Gain=10 Hz/v 调制增益为 10Hz/V 振幅为 1v 频率为 5000Hz 数字调制 截止频率为 5000Hz 电话拨入声.wav 16 位的 1 声道 wav 文件 音频 22050Hz 关闭播放器 每节拍 3 倍采样频率
k
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图 3-3 FM 解调器原理图 输入的调频信号被连接到乘法器的一个输入端。经过一个耦合电容与一个 LC 并联谐 振回路组成的移相电路产生正交信号，作为乘法器的另一个输入。电容及谐振回路的相移 可以用简单的延迟电路来产生。该延迟电路可以产生相当于载波信号四分之一周期的延 迟。
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号；经过调制后的信号成为已调信号;发送端调制前和接收端解调后的信号成为基带信号。 因此，原始电信号又称为基带信号，而已调信号又称为频带信号。 模拟信号的调制与解调是通信原理课程的经典内容，也是模拟通信时代的核心技术。 虽然当代技术已发展为数字通信新时代，但模拟信号的调制与解调理论仍然是通信技术中 的基础内容之一。 1.3 仿真软件简介 1.3.1 System View 软件介绍 1)System View 是美国 ELANIX 公司推出的，基于 Windows 环境的用于系统仿真分析的可视 化软件工具。它界面友好，使用方便。 2)System View 是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真， 是一个强有力的动态系统分析工具盒，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的 通信系统等不同层次的设计，仿真要求。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及 多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。 3)System View 以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的 Windows 窗口环境下，为用户提 供了一个嵌入式的分析引擎。使用 System View 你只需要关心项目的设计思想和过程，而 不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。用户只需要使用鼠标器点击图标即可完成 复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是 否存在编程错误。 1.3.2 System View 仿真系统的特点 1)能仿真大量的应用系统 2)快速方便的动态系统设计与仿真 3)在报告中方便地加入 System View 的结论 4)提供基于组织结构图方式的设计 5)多速率系统和并行系统 6)完备的滤波器和线性系统设计 7)先进的信号分析和数据块处理 8)可扩展性 9)完善的自我诊断功能。 System View 是一个用于电路与通信系统设计、仿真的动态分析工具,它实现了功能的
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FM 的调制与解调原理
1)调制原理: 角度调制是用调制信号去控制载波信号角度 （频率或相位） 变化的一种信号变换方式， 信号经过角度调制后，频率结构将发生变化。 也就是说，比如在调频信号中，载波信号的频率随着基带调制信号的幅度变化而变化。调 制信号幅度变大时，载波信号的频率也变大（或变小） ，调制信号幅度变小时，载波信号 的频率也变小（或变大） ；在角度调制中，载波的幅度保持不变。 在模拟调制中，一个连续波有三个参数可以用来携带信息而构成已调信号。当幅度和相位 保持不变时，改变载波的频率使之随未调信号的大小而改变，这就是调频的概念。 ①角度调制的一般原理: sm t A cos ct t 其中: ct t 为已调信号的瞬时相位（rad）
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1.绪论
1.1 模拟通信系统概述 随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求越来越高，通信，则承载着这个重要 的任务。通信中要进行消息的传递，必须有发送者和接收者，发送者和接收者可以是人也 可以是各种通信终端设备。换言之，通信可以在人与人之间，也可以在人与机器活机器与 机器之间进行。必须有三大部分：一是发送端；二是接收端；三是收发两端之间的信道。 通信系统主要分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统通常由模拟信息源，调制 器，信道，解调器与收信者组成。模型如下：
sFM t A cos c t k f
m t dt
t
其中，A 是载波的振幅， wc t t 是角度调制信号的瞬时相位，而 t 是瞬时相位偏 移; 频率偏移。 其框图如下图所示：
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为信号的瞬时频率，而
称为瞬时频率偏移，即相对于
t kd k f m t
其中： d 为鉴频器灵敏度 鉴频器的缺点是对信道噪声以及其他因素引起的已调信号幅度畸变有反应，故常在鉴 频器前加限幅器和带通滤波器。在小信噪比情况下，由于鉴频器的非线性解调作用，FM 信 号的解调存在门限效应。 FM 解调器就是所谓的积分鉴频器或积分检波器。如下图所示，
S (t) Mo(t)
限幅器及BPF
微分器
包络检波器 理想鉴频器
LPF
图 3-2 频率调制鉴频法原理图
s t k A k m t sin t k d c f c f m t dt r 过微分器：
解调输出： mo
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软件化,避开了复杂的硬件搭建 ,在不具备先进仪器的条件下同样也能完成复杂的通信系 统设计与仿真.本文利用 System View 软件设计模拟调制和解调电路,通过分析其输入输 出。 1.3.3 Multisim 简介 Multisim 软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。 作为 Windows 下运 行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。Multisim 计算机 仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学生可 以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技 术创造出真正属于自己的仪表。 1.3.4Multisim 软件特点 (1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和 仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪 器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看 到的一样。 (2)丰富的元器件库： Multisim 大大扩充了 EWB 的元器件库， 包括基本元件、 半导体器件、 运算放大器、TTL 和 CMOS 数字 IC、DAC、ADC 及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器 自行创建或修改所需元件模型，还可通过 liT 公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和 更新服务。 (3)丰富的测试仪器：除 EWB 具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频 仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、 频谱分析仪和网络分析仪。尤其与 EWB 不同的是：所有仪器均可多台同时调用。 (4)完备的分析手段：除了 EWB 提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分 析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分 析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批 处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分 析设计要求。
t 为已调信号的瞬时相位偏移（rad）
c
d t 为已调信号的瞬时角频率（rad/s） dt
d t 为已调信号的瞬时角频率偏移（rad/s） dt
频率调制（FM）即已调信号的瞬时角频率偏移随原始基带信号线性变化，亦即：
d t k f m t ，其中 k f 为调频灵敏度 rad / s V 或有 dt
信源 调制器 信道 信宿
解调器
噪声源
图 1-1 模拟通信系统模型图 模拟通信在信道中传输的信号频谱比较窄，因此可通过多路复用使信道的利用率提 高，但它的缺点是: 1)传输的信号是连续的，叠加噪声干扰后不易消除，即抗干扰能力较差; 2)不易保密通信; 3)设备不易大规模集成; 4)不适应飞速发展的计算机通信的要求 1.2 模拟信号调制解调 模拟通信系统中， 调制与解调是通信系统中的重要环节， 它使信号发生本质性的变化。 本文主要对线性调制（AM,DSB,SSB）与非线性调制(FM,NBFM)的信号产生（调制）与接受 （解调）的基本原理，方法技术加以讨论，并通过 System View 仿真验证常规双边带调幅 （AM） ，双边带调幅（DSB） ，单边带调幅（SSB） ，频率调制（FM） ，窄带频率调制（NBFM） 。 通过此软件观察信号的调制与解调过程，并对输出波形进行分析。 模拟调制和解调是实现是实现模拟通信系统的重要组成部分。调制是将原始电信号变 换成其频带适合信道传输的信号；解调是在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信
3.频率调制系统部分
3.1 角度调制基本概念
角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的 非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。 角度调制可分为频率调制（FM）和相位调制（PM）,即载波的幅度保持不变，而载波的频 率或相位随基带信号变化的调制方式。 如果载波的频率变化量与调制信号电压成正比，则称为调频（ FM） ；如果载波的相位变化 量与调制信号电压成正比，则称为调相（PM） 。由于载波频率的变化和相位的变化都表现 为载波总相角的变化，因此将调频和调相统称为调角。本节将介绍频率调制（FM） 。 3.2 频率调制（FM）
的瞬时
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X(t)
FM调制
Xc(t)
Xc(t)+N(t)
信道
BPF
FM解调
X(t)
C(t)
N(t)
图 3-1 频率调制系统框图 2)解调原理: ①频率调制的非相干解调（鉴频法） 鉴频器的作用是输出一个与输入信号频率成线性关系的信号，包括斜率鉴频器、锁相环鉴 频器、频率负反馈解调器等类型，理想鉴频器可以等效成带微分器的包络检波器。
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通信原理课程设计
(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模 混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示 可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。
2.设计题目
2.1 模拟调制系统中 FM 的调制与解调 要求：实现系统级和电路级的仿真结果并同时给出过程分析和说明，并按照学校要求 撰写课程设计说明书，提交电子版和纸质的说明书及源程序代码或文件。 备注：此题为传统的广播，电视通信系统中主要通信技术的原理的验证及仿真，除了进 行 MATLAB 或 SystemView 环境下的系统仿真，还要进行 Multsim、Pspice 环境下的电路级 仿真。得分与仿真的数量的质量成正比。 2.2 PCM 编译码。 PCM 编译码原理和基带信号的形成过程 要求：实现系统级和电路级的仿真结果并同时给出过程分析和说明，并按照学校要求 撰写课程设计说明书，提交电子版和纸质的说明书及源程序代码或文件。 备注： 此为传统 PSTN 电话网中语音模拟信号数字化后的基带数字信号格式， 比较编译 码前后信号的差异，并和增量调制信号做比较。
4. 仿真模型
4.1 系统级仿真 本模型是将一个声音文件（.WAV）表示的信号通过 FM 调制，再经过一个具有高斯噪 声的信道传输，然后用延迟积分鉴频器将声音解调出来。 4.1.1 仿真电路原理图
图 4-1 4.1.2 模块说明及参数设置： (1) 模块 0：Source Library
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Baidu Nhomakorabea
通信原理课程设计
说明：该模块是一个信号源，通过外部文件输入一个.wav 的音频信号，然后被 系统重新采样 3 倍后输出。 WAV 1ch：Windows XP 16-bit WAV 1channel Audio Rate=22050Hz Audio Player=Off Pad=3 samples Pad with last value Start sample=1 Token=0 (2) 模块 5：Operator Library 说明：该模块是一个巴特沃思低通滤波器，截止频率为 5000Hz，将输入的波形 滤掉高频部分后输出。 Linear Sys Butterworth Lowpass IIR 3 Ploes Fc=5000Hz Quant bits=none Init cndtn=Transient Dsp mode disabled Toke5 (3) 模块 1：Function Library 说明：该模块是一个 FM 调制器，将输入的信号进行频率调制，从而获得 10 倍 的增益输出。 Freq mod Amp=1v Freq=5000Hz Phase=0 deg Mod Gain=10 Hz/v 调制增益为 10Hz/V 振幅为 1v 频率为 5000Hz 数字调制 截止频率为 5000Hz 电话拨入声.wav 16 位的 1 声道 wav 文件 音频 22050Hz 关闭播放器 每节拍 3 倍采样频率
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通信原理课程设计
图 3-3 FM 解调器原理图 输入的调频信号被连接到乘法器的一个输入端。经过一个耦合电容与一个 LC 并联谐 振回路组成的移相电路产生正交信号，作为乘法器的另一个输入。电容及谐振回路的相移 可以用简单的延迟电路来产生。该延迟电路可以产生相当于载波信号四分之一周期的延 迟。
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号；经过调制后的信号成为已调信号;发送端调制前和接收端解调后的信号成为基带信号。 因此，原始电信号又称为基带信号，而已调信号又称为频带信号。 模拟信号的调制与解调是通信原理课程的经典内容，也是模拟通信时代的核心技术。 虽然当代技术已发展为数字通信新时代，但模拟信号的调制与解调理论仍然是通信技术中 的基础内容之一。 1.3 仿真软件简介 1.3.1 System View 软件介绍 1)System View 是美国 ELANIX 公司推出的，基于 Windows 环境的用于系统仿真分析的可视 化软件工具。它界面友好，使用方便。 2)System View 是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真， 是一个强有力的动态系统分析工具盒，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的 通信系统等不同层次的设计，仿真要求。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及 多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。 3)System View 以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的 Windows 窗口环境下，为用户提 供了一个嵌入式的分析引擎。使用 System View 你只需要关心项目的设计思想和过程，而 不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。用户只需要使用鼠标器点击图标即可完成 复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是 否存在编程错误。 1.3.2 System View 仿真系统的特点 1)能仿真大量的应用系统 2)快速方便的动态系统设计与仿真 3)在报告中方便地加入 System View 的结论 4)提供基于组织结构图方式的设计 5)多速率系统和并行系统 6)完备的滤波器和线性系统设计 7)先进的信号分析和数据块处理 8)可扩展性 9)完善的自我诊断功能。 System View 是一个用于电路与通信系统设计、仿真的动态分析工具,它实现了功能的