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通信原理设计.docx
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通信原理设计
1引言
通信就是信息的传输,在当今高度信息化的社会,信息和通信已经成为现代社会的“命脉”。
信息作为一种资源,应该得到很好地利用,因此我们必须对信息进行有效地传输。
通信的目的就是传递消息所包含的信息。
1837年莫尔斯发明的有线电报开创了利用电传输信息的新时代,从此,人类的信息的共享越来越好的得到了利用也是对于通信系统主要由以下几个模型组成:
模拟通信系统是用模拟信号来传递信息的通信系统,数字通信系统式利用数字信号来传递信息的通信系统,目前在无论是模拟通信还是数字通信,在现实中的通信业务都得到了广泛的应用,尤其是在通信系统的刚刚开始启蒙状态,模拟通信系统得到了比数字系统更为广泛的应用,但是在现在的数字通信系统的飞速发展,数字通信系统发展速度很明显超过模拟通信,成为数字当代通信技术的主流。
通信系统又具有很多的优点:
抗干扰能力强,噪声不积累,传输差错可控,易于加密处理,保密性好等等。
但是现实中存在的基本上都是模拟信号,所以我们通信要进行模数转换,装换成数字信号后,我们就要对数字信号序列进行数字传输。
数字通信系统虽然有这么多的优势,但是,模拟通信系统仍然得到了很好的利用,这是由于在模拟通信在一些通信地方仍然具有其自己的特点,如模拟通话,模拟通信系统占有的带款展,在通信的路数不需要很多的情况下,我们的模拟通信系统就具有数字通信系统的不具有的经济性。
在通信中有两大资源,一个是信道带宽,另一个是送源功率,能很好的减少这两种资源或者得到有效的利用,我们就认为这个通信系统在这种情况下就是较好的通信系统。
数字通信系统的模型如下:
数字调制与解调模块是我们这次课程设计的内容,课程设计是一次综合实验的检测,是对整个通信系统的更好的实际性的理解,在设计时遇到的问题,得到解决的同时,更好的理解了我们通信系统的设计的思路和对通信系统的印象的加深。
数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处,形成合适的在信道中传输带通信号。
基本的数字调制有振幅调制(ASK)、频移键控(FSK)、绝对相移键控(PSK)、相对相移键控(DPSK)。
在接受端可以采用相关解调和非相干解调还原数字基带信号。
数字解调就是还原基带信号。
本次课程设计就是基于Systemview的通信系统的仿真,也就是在Systemview软件环境下进行二进制振幅键控(2ASK)系统的设计、二进制移频键控(2FSK)系统的设计、二进制移相键控(2PSK)系统的设计、AM、DSB、SSB系统的设计,具体Systemview软件的应用和通信系统的设计与仿真下面会具体介绍。
2Systemview介绍
SystemView是美国ELANIX公司推出的,基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具,它使用功能模块(Token)去描述程序,无需与复杂的程序语言打交道,不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真,快速地建立和修改系统、访问与调整参数,方便地加入注释。
利用SystemView,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统,各种多速率系统,因此,它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。
用户在进行系统设计时,只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置,完成图标间的连线,然后运行仿真操作,最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。
SystemView的库资源十分丰富,包括含若干图标的基本库(MainLibrary)及专业库(OptionalLibrary),基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器,各种函数运算器等;专业库有通讯(Communication)、逻辑(Logic)、数字信号处理(DSP)、射频/模拟(RF/Analog)等;它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证,尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统;并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析,及对各种逻辑电路、射频/模拟电路(混合器、放大器、RLC电路、运放电路等)进行理论分析和失真分析。
详细的SystemView功能库介绍见附录一。
Systemview是用于现代工程与科学系统设计仿真的动态系统分析平台。
从滤波器设计、信号处理、完整通信系统设计与仿真,到一般系统的数学系统的模型的建立等各个领域。
Systemview在一个可视化功能齐全的窗口下,为我们提供了嵌入式的分析工具。
3数字调制
3.1二进制振幅键控调制(2ASK或OOK)
在振幅键控中载波幅度是随着调制信号而变化的,二进制振幅键控信号的产生方法(调制方法)有两种。
如图3所示。
图(a)就是一般的模拟幅度调制方法,不过这里的输入信号为二进制数字信号。
图(b)是最简单的形式,载波在二进制调制信号1或0的控制下通或断,这种二进制幅度键控方式故又称为通断键控(OOK)。
二进制振幅基本解调有两种方法:
相干解调和非相干解调。
相干解调也叫同步检测法,分相干解调通常用包络检波法。
其各有优点,在信噪比小时,包络检波发具有优势,因为其检波设备简单,性价比高,而在信噪比相对较大时,相干解调具有优势,因为这种解调方法导致最终的误码率低。
相干解调的原理图如图4所示:
非相干解调的原理图如图5所示:
3.1.12ASK系统仿真
(1)实现2ASK调制解调的仿真电路如图6所示:
(2)实现2ASK解调的仿真电路如图7所示:
由图7所示,基带信号经过乘法器与载波信号相乘,产生调制后的信号,即延时后的信号;调制信号再经过半频器和低通滤波器,则得解调后的信号(非相干解调);若调制信号经过乘法器与本地载波(与前载波同频同相)相乘,经低通滤波器滤波后得到原信号(相干解调)。
3.22FSK系统设计
3.2.12FSK调制与解调基本原理
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f1和f2两点间变化,其表达式为:
2FSK调制方法有两种,即调频法和键控法。
如图8所示:
2FSK解调方法有两种,即相干解调法和非相干解调法。
另外还有鉴频法、过零检测法、查分检测法。
相干解调法是利用载波与已调信号进行相乘后滤波输出得到,在上面的2FSK中要两个载波,所以解调也要两个载波,分别与已调信号相乘后利用低通,最后相加即可得到我们的滤波输出,最后判压输出得到解调信号。
非相干解调也是利用包络检波法检测得到的。
相干解调的原理图如图9所示:
非相干解调的原理图如图10所示:
3.2.22FSK系统仿真
(1)实现2FSK调制解调的仿真电路如图11所示:
(2)2FSK仿真波形如图12所示:
由图12所示,输入信号(基带信号)与80Hz的正弦信号相乘得到图中第一路信号波形;输入信号经反相器后与40Hz的正弦信号相乘得到第二路信号波形;两路信号相加得到经调制后的2FSK波形;2FSK信号分两路,分别用80Hz、40Hz的本地载波解调,再经过判决器得到解调信号,即80Hz表示“1”,40Hz表示“0”。
3.32PSK系统设计
3.3.12PSK调制与解调基本原理
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。
我们通常用0°表示二进制“0”,用π表示二进制“1”。
其表达式如下:
这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式,称为绝对相移方式。
调制部分原理比较简单,因为我们发送的码是双极性码(若为单极性,可以变为双极性),只需要将信号与原来的载波直接相乘就可以得到所需的调制信号,调制原理方框图如13所示。
解调部分只能用相干解调,不可以用包络检波法等非相干解调的方法,因为其频谱和抑制载波双边带的频谱一样,因此不能采用包络检波,而不可采用相干解调。
原理图如图14所示。
3.3.22PSK系统仿真
(1)实现2PSK调制解调的仿真电路如图15所示:
(2)2PSK仿真波形如图16所示:
零相位表示“0”,相位为表示“1”,则由
因为0°表示二进制“0”,用π表示二进制“1”,所以由2PSK波形可以得到解调后的波形(图中解调输出波形),与理论值相同。
3.4AM/DSB/SSB系统设计
3.4.1AM/DSB/SSB调制与解调基本原理
(1)AM调制
任意的AM已调信号可以表示为:
其中
是外加的直流分量,
是调制信号,
为载波信号的角频率,
为载波信号的起始相位,为简便起见,通常设为0,常规AM通常可以用图17所示的系统来实现。
(2)DSB调制
在标准调幅时,由于已调波中含有不携带信息的载波分量,故调制效率较低,为了提高调制效率,在标准调制的基础上抑制掉载波分量,使总功率全部包含在双边带中。
这种调制方式称为抑制载波双边带调制,简称双边带调制(DSB)。
双边带调制信号的时域表达式:
实现双边带调制就是完成调制信号的相乘运算。
(3)SSB调制
双边带信号虽然抑制了载波,提高了调制效率,但调制后的频带宽度仍是基带信号带宽的2倍,而且上、下边带是完全对称的,它们所携带的信息完全相同。
因此,从信息传输的角度来看,只用一个边带传输就可以了。
这种调制方式称为单边带抑制载波调制,简称为单边带调制(SSB)。
产生单边带信号的最简单方法,就是先产生双边带,然后让它通过一个边带滤波器,只传送双边带信号中的一个边带,即滤波法(如图18所示)。
此外,产生SSB信号的方法还有:
相移形成法,混合形成法。
为简便起见,设调制信号为单频信号,载波为,则调制后的双边带时域表达式为:
保留上边带,波形为:
保留下边带,波形为:
(4)AM/DSB/SSB解调原理
①相干解调,此方法适用于所有线性调制信号的解调,即对于AM、DSB、SSB都是适用的。
相干解调就是把在载频位置的已调信号的频谱搬回到原始基带位置,因此同样可以用相乘器和载波相乘来实现。
相干解调的一般模型示于图19中。
为了无失真地恢复原基带信号,接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步(同频同相)的本地载波。
②包络检波,是从已调波地幅度中提取原调制信号。
因此只有AM可使用此方法,且条件为。
包络检波器通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。
一个二极管峰值包络检波器如图20所示:
3.4.2AM/DSB/SSB系统仿真
(1)实现AM调制解调的仿真电路如图21所示:
(2)仿真结果如图22所示:
基带信号与载波信号相乘后,经过有噪声的信道,得到调制信号,在经过本地载波解调后得到图中解调信号波形,与原信号基本相同。
(3)实现DSB调制解调仿真电路如图23所示:
(4)DSB仿真结果如图24:
如图24所示20Hz的基带信号与500Hz载波信号相乘,得到调制信号;调制信号经过带通滤波器滤波之后,得到图t13的波形,在被500Hz本地载波解调出包络,即得原基带信号。
(5)实现SSB调制解调仿真电路如图25所示:
(6)仿真结果如图26
如图26所示,100Hz的基带信号与1000Hz的载波信号和移相后的同频率载波信号相乘得到调制信号,即上边频和下边频信号;上边频信号通过相干解调得到解调后的原基带信号。
3.5抽样/增量调制系统设计
3.5.1抽样/增量调制基本原理
如果对某一带宽的有限时间连续信号(模拟信号)进行抽样,且在抽样率达到一定数值时,根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号。
均匀抽样定理指出:
对一个频带限制在(0)内的时间连续信号,如果以的间隔对其进行等间隔抽样,则将被所得到得抽样值完全确定。
即抽样速率大于等于信号带宽的两倍就可保证不会产生信号的混迭。
是抽样的最大间隔,也称奈奎斯特间隔。
增量调制是一种把信号上一采样的样值作为预测值的单纯预测编码方式。
它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化,而且只对这个差值的符号进行编码,而不对差值的大小编码。
因此量化只限于正和负两个电平,因此数码“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减,不代表信号的绝对值。
3.5.2抽样/增量调制系统仿真
(1)抽样系统仿真电路如图27所示。
(2)仿真波形如图28所示:
由图28可以清楚看出1000Hz的抽样脉冲可以很好的输出原信号。
(3)实现增量调制系统的仿真电路如图29所示。
(4)仿真波形如图30所示:
输入信号与预测信号值相减得到预测误差,预测误差被50Hz的抽样冲激序列抽样,若抽样值为正则判决输出电压
(用“1”表示),若为负则判决输出电压
(用“0”表示)。
再送给积分器解调,积分器只要收到一个“1”码元就使其输出升高
,每收到一个“0”码元就使其输出降低
,这样就可以恢复出图中阶梯形电压。
这个阶梯电压通过低通滤波器平滑后,就得到十分接近原模拟信号,即图中的恢复波形。
4课设总结
本次课程设计主要有以下几个方面收获,以下全部都是在本次课程设计中的解决的问题和学到的东西:
(1)SystemView软件的学习。
以前没有接触这个软件,这个第一次接触这个软件,对于这个软件的了解及其熟悉是一个非常重要的方面。
SystemView在仿真软件中也是具有分出重要的地位的,作为我们通信工程的专业的人来说,熟悉使用一款以上的电路仿真软件是必须得。
电路仿真时我们通信系统在检测我们的设计是一个重要的工具,当我们设计的电路能够在电路上实现时,我们的设计的电路才有可能能够在实际中实现,也许实际更难实现,有很多的环境等因素我们在仿真时时很难考虑到得。
所以这次对于我来说是一个非常好的机会来学习这款软件,通过自己把这些电路图实现,能够基本掌握了其中一些常用的软件的相关知识。
对于以后进一步去掌握这款软件打下坚实的基础。
(2)提高了动手能力。
在这次课程设计中,我通过由不熟悉这款软件,到自学其中的知识,并且在网络上查找窗口中的界面的介绍,结合老师所给的参考的资料书目内容,自学这款软件,并独立完成全部的仿真的内容,仿真的结果与预想中的一样,符合我们所学的内容。
(3)提高了思维能力。
在这次课程设计中,老师虽然提供了全部的仿真图,但是通过自己的检测和利用我这学期在这一章的数字通信系统的学习的掌握。
我非常好的利用了课本的知识,结合课本的知识,把原来的电路做了很多的改进。
有些器件按照自己的设计的思维去做,最终实现了全部的结果的仿真。
学以致用,这次的课程设计是一个非常好的一门课程设计,同时,是对于课本的知识的更深的理解。
本次课程设计对于我这学期所学得2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK的调制和解调的原理的进一步熟悉,不仅如此,我们通过这次还学习到了利用SystemView的仿真,感谢老师布置这次的课程设计,使得我在学好理论知识的时候应用于实际中的去,在做课程设计的时候遇到问题,使得对于通信原理的知识更加的深刻,同时也增加了动手能力和独立思考能力,感谢高老师给予的这次机会,同时我的同学在软件的熟悉过程中的帮助,使得我快速完成这次的课程设计。
同时还感谢老师这学期让我在通信系统的这方面产生很好的兴趣。
参考文献
[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理.国防工业出版社.2001
[2]周炯槃等.通信原理(合订本).北京邮电大学出版社.2005
[3]卫兵.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计.安电子科技大学出版社.2001
[4]数字通信系统的SystemView仿真与分析.青松…等著.北京航空航天大学出版社.2001
附录
附录ASystemView图符功能表
基本库
SystemView的基本库包括信源库、算子库、函数库、信号接收器库等,它为该系统仿真提供了最基本的工具。
SourceSystemView为我们提供了16种信号源,可以用它来产生任意信号
Operator库是功能强大的算子库多达31种算子,可以满足您所有运算的要求
function库32种函数尽显函数库的强大库容
提供12种信号接收方式
扩展功能库
扩展功能库提供可选择的能够增加核心库功能的用于特殊应用的库。
它允许通信、DSP、射频/模拟和逻辑应用。
包含有大量的通信系统模块的通信库,是快速设计和仿真现代通信系统的有力工具。
这些模块从纠错编码、调制解调、到各种信道模型一应俱全。
DSP库
能够在你将要运行DSP芯片上仿真DSP系统。
该库支持大多DSP芯片的算法模式。
例如乘法器、加法器、除法器和反相器的图标代表真正的DSP算法操作符。
还包括高级处理工具:
混合的RadixFFT、FIR和IIR滤波器以及块传输等。
逻辑库
包括象与非门这样的通用器件的图标、74系列器件功能图标及用户自己的图标等。
射频/模拟库
支持用于射频设计的关键的电子组件,例如:
混合器、放大器和功率分配器等。
扩展用户库
包括有Elanix公司自己提供的扩展通信库2、IS95/CDMA、数字视频广播DVB。
另外其合作伙伴Entegra公司也提供了自适应滤波器库(http:
//www.entegra.co.uk)。
有能力的读者也可自己用C/C++语言自编所需的库,后加入即可。
通信库2:
主要对原来的通信库加了时分复用、OFDM调制解调、QAM编码与调制解调、卷积码收缩编解码、GOLD码以及各种衰落信道等功能。
4.5版中,通信库2已被合并到基本通信库中。
IS95库:
设计CDMA和个人通信系统提供了一个快捷的工具。
除了产生CDMA所需的信号发生器模型、调制解调信号模型外,还设计了复合IS95建议的CDMA所有信道模型,可按两种速率工作。
扫频信号(Freqsweep)
参数:
1.幅度2.起始频率fstart3.停止频率fstop4.扫描频率(秒)
5.相位
功能:
输出扫频正弦信号:
y(t)=Asin(2PIfstart+PI×R(tmod(T))2+*)R=(fstop-fstart)/T
附录BSystemView信号源介绍
PSK载波(PSKcarrier)
参数:
1.幅度2.频率(HZ)3.载波相位(deg)4.符号速率5.符号数量
功能:
产生一个u率相位调制载波信号y(t)=sin(2PIfct+*T(t)+*)其中*T(t)是具有u率相位值的PN序列(0-2PI),T是设置的符号周期(符号速率的倒数),*是载波相位。
脉冲串PulseTrain
参数:
1.幅度2.频率(HZ)3.脉冲宽度(秒)4.偏置5.相位
功能:
产生具有设定幅度和频率的周期性脉冲串,脉宽由设置决定。
y(t)=+-A*PT(t)+Bias有方波选项。
锯齿波Sawtooth
参数:
1.幅度2.频率3.偏置4.相位
功能:
产生周期性的锯齿波。
正弦波Sinusoid
参数:
1.幅度2.频率3.相位
功能:
产生一个正弦波:
y(t)=Asin(2PIfct+*)
高斯噪声Gaussnoise
参数:
1.标准差或功率谱密度(W/Hz)2.均值
功能:
产生一个具有高斯分布的随机信号。
伪随机序列PNSeq
参数:
1.幅度2.频率3.电平数4.偏置5.相位
功能:
产生一个按设定速率、由不同电平幅度脉冲组成的伪随机序列(PN)信号。
热噪声Thermal
参数:
1.阻抗(欧姆)2.温度(K)
功能:
产生一个设定温度下的热噪声:
y(t)=^4kTR其中k为波尔兹曼常数,T为温度,R为阻抗。
均匀噪声Unifnoise
参数:
1.最小值2.最大值
功能:
产生一个在最大值和最小值之间均匀分布的噪声。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 通信 原理 设计