基于PC机Windows平台的SystemView动态系统仿真文档格式.docx
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2软件SystemView的介绍
SystemView主界面如图2-1所示:
图2-1systemview主界面
使用SystemView,我们不用关心项目的设计思想和过程,而不用花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。
我们只用鼠标点击器图标即可完成系统的建模、设计和测试,而不用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。
SystemView仿真系统具有许多的优点:
1.能仿真大量的应用系统
能在DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。
具有大量的可选择的库,允许用户有选择地增加通讯、逻辑、DSP和射频/模拟功能模块。
特别适合于无线电话、无绳电话、调制解调器以及卫星通信系统等的设计;
课进行各种系统是与/频域分析和谱分析;
对射频/模拟电路进行理论分析和失真分析。
2.快速方便的动态系统设计与仿真
SystemView图标库包括几百种信号源、接收端、操作符合功能块,提供从DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等应用。
信号源和接收端图标允许在SystemView内部生成和分析信号,并提供可外部处理的各种文件格式和输入/输出数据接口。
3.在报告中方便地加入SystemView的结论
SystemView通过Notes(注释)很容易在屏幕上描述系统,生成的SystemView系统饿输出的波形图可以很方便地使用复制和粘贴命令插入微软word等文字处理器。
4.提供基于组织结构图方式的设计
通过利用SystemView中的图符和MetaSystem(子系统)对象的无限制分层结构功能,SystemView能很容易地建立复杂的系统。
5.多速率系统和并行系统
SystemView允许合并多种数据采样率输入的系统,以简化FIR滤波器的执行。
这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的痛ixnxitongd而设计于仿真,有利于提供整个系统的仿真速度,而在局部又不会降低仿真的精度。
同时还可以降低对计算机硬件配置的要求。
6.完备的滤波器和线性系统设计
SystemView包含一个功能强大的、很容易使用的图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境,还包含大量的FIR/IIR滤波类型和FFT类型,并提供易于用DSP实现滤波器或线性系统的参数。
7.先进的信号分析和数据块处理
SystemView提供的分析窗口是一个能够提供系统波形详细检查的交互式可视环境。
分析窗口还提供一个能岁仿真生成数据进行先进的块处理操作的接受计算器。
SystemView还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查系统波形。
内部数据的图形放大、缩小、滚动、谱分析、标尺以及滤波等,全部都是通过敲击鼠标器实现的。
8.可扩展性
SystemView允许用户插入自己用C/C++编写的用户代码库,插入的用户库自动集成到SystemView中,如同系统内建的库一样使用。
9.完善的自我诊断功能
SystemView能自动执行系统连接检查,通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。
这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。
总之,SystemView的设计者希望它成为一种强大有力的基于个人计算机的动态的通信系统仿真工具,以实现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。
3模拟调制系统的设计与分析
模拟调制系统可分为线性调制和非线性调制,本课程设计只研究线性调制系统的设计与仿真。
线性调制系统中,常用的方法有AM调制,DSB调制,SSB调制。
线性调制的一般原理:
载波:
。
调制信号:
式中
—基带信号。
线性调制器的一般模型如图3-1所示:
在该模型中,适当选择带通滤波器的冲击响应
,便可以得到各种线性调制信号。
线性解调器的一般模型如图3-2所示:
图3-2线性解调系统的一般模型
其中
—已调信号,
—信道加性高斯白噪声
3.1DSB调制解调系统
3.1.1DSB调制解调原理
设计的DSB调制及解调模型如图3-3所示。
图3-3DSB调制与解调模型
如果输入的基带信号没有直流分量,且
是理想带通滤波器,则得到的输出信号便是无载波分量的双边带信号,或称双边带抑制载波(DSB-SC)信号,简称DSB信号,其时域表示式为
3.1.2DSB调制解调仿真图
根据以上原理用SystemView软件仿真出来的电路图如图3-4所示:
图3-4DSB调制解调仿真图
具体参数如下:
基带信号幅度1V,频率100HZ,载波幅度1V,频率2000HZ,低通滤波器截止频率为300HZ。
3.1.3DSB调制解调仿真波形
仿真后的波形如图3-5所示:
图3-5DSB调制解调后仿真图
上图3-5中,w0为基带信号的波形,w1为载波信号的波形,w2为经过DSB调制后的波形,w3为经解调后的波形。
其中,基带信号,载波,调制信号和解调后信号的频谱分析图如图3-6所示:
图3-6DSB调制解调系统频谱分析图
3.1.4DSB调制解调仿真结果分析
DSB调制为线性调制的一种,由图3-5可以看出,在波形上,已调信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化;
由图3-6可以看出,在频谱结构上,它完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。
且由频普图可看出没有载波分量,从而实现发送功率的提高。
用相干解调法解调出的信号与基带信号基本一致,只是在时域上有一定的延时,但也实现了无失真传输。
3.2SSB调制解调系统
双边带已调信号包含有两个边带,即上、下边带。
由于这两个边带包含的信息相同,因而,从信息传输的角度来考虑,传输一个边带就够了。
所谓单边带调制就是只产生一个边带的调制方式。
3.2.1SSB调制解调原理
利用图3-4所示的调制器一般模型,同样可以产生单边带信号。
若加高通滤波器,能产生上边带信号;
若加低通滤波器,则产生下边带信号。
下边带时域表达式为
上边带SSB信号时域表达式为:
3.2.2SSB调制解调仿真图
根据以上原理可以得到如图3-7所示的SSB调制解调仿真图:
图3-7SSB调制解调系统仿真电路图
具体参数:
基带信号幅度1V,频率100HZ,载波频率2000HZ,幅度1V,低通滤波器截止频率300HZ。
3.2.3SSB调制解调仿真波形
利用SystemView对图3-7仿真图进行仿真得到的波形如图3-8所示:
图3-8SSB调制解调后得到的波形
上图3-8中,w0是经SSB调制后上边带信号波形,w1是经SSB调制后的下边带信号波形,w2是下边带信号经相干解调后得到的波形,w3是基带信号的波形。
其中对于SSB系统的基带信号,调制信号以及解调信号的频谱分析如图3-9所示:
图3-9SSB调制解调系统频谱分析图
上图3-9中,w7是基带信号的频谱波形图,w6是经SSB调制解调后恢复的波形的频谱波形图,w4是上边带信号频谱波形图,w5是下边带信号频谱波形图。
3.2.4SSB调制解调系统仿真结果分析
SSB线性调制的一种,由图3-8及图3-9可以看出,在波形上,已调信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化;
在频谱结构上,功率谱密度与理论相符,解调信号与原信号基本相同,实现无失真传输。
3.2.5SSB调制解调系统与DSB调制解调系统比较
假设所有系统在接收机输入端具有相等的输入信号功率
,且加性噪声都是均值为0、双边功率谱密度为
的高斯白噪声,基带信号
的带宽均为
假设
为正弦波信号。
1.抗噪声性能
由以上各调制波形及解调波形可以看出,DSB调制系统抗噪声性能优于SSB系统。
2.频带利用率
SSB的带宽最窄,和基带信号的带宽一致,即其频带利用率最高,而DSB调制系统的带宽是基带信号带宽的2倍。
3.特点与应用
DSB调制的优点是功率利用率高,且带宽是基带信号的2倍,但接受要求同步解调,设备较复杂。
应用较少,一般只用于点对点的专用通信。
SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高,抗干扰能力优于DSB,而带宽只有DSB的一半;
缺点是发送和接受设备都很复杂。
鉴于这些特点,SSB长用于频分多路复用系统中。
3.3AM超外差收音机的设计
3.3.1AM超外差接收机的工作原理
超外差接收技术广泛用于无线通信系统中。
图3-10所示的是一个基本的超外差收音机AM超外差收音机的原理方框图。
图3-10超外差收音机原理框图
通常的AM中波广播收音机覆盖的频率范围为540-1700KHz,中频IF频率为455KHz。
商业广播发射采用常规调幅,调制度为1,且发射功率大,因此收音机为节省成本、减小体积,一般解调器采用最佳简单的二极管包络检波。
本地振荡的典型设置都高于所希望的RF信号,即所谓的高边调谐。
输入滤波器用于拟止所不希望的信号和噪声,更重要的是去除与期望频率解调中频
有关的镜像频率2
信号。
实际电路使用陶瓷滤波器能得到很好的性能,增加一级增益后再检波。
3.3.2AM超外差收音机的SystemView仿真
一个基本的AM收音机的系统仿真框图如图3-11所示。
图3-11AM超外差收音机仿真图形
AM超外差收音机仿真波形图如图3-12所示:
图3-12AM差外差收音机仿真波形
本图主要说明超外差AM收音机的工作原理及信号解调过程。
为节省仿真时间,没有按实际的540-1700KHz的频率覆盖范围和455KHz中频频率设计,而采用了20KHz作为IF。
另外设了30KHz,40KHz,50KHz三个载波频率的发射信号(模拟三个电台),模拟调制信号的带宽为5KHz以下。
并设希望接受的频率为第二个电台的频率40KHz,收音机使用高边调谐,则本振应为40+20=60KHz,且存在一个镜像干扰频率为40+2*20=80KHz。
3.3.3AM超外差收音机仿真参数的分析
收音机仿真参数的测量,可以通过SystemView测量经过IF滤波器后输出的希望信号与非希望信号的功率比来求得。
但该测量必须通过两次特殊的仿真才能进行。
首先先关闭所有干扰滤波,即把30KHz和50KHz的信号源幅度设置为零,使用分析窗口的窗口统计功能求IF的输率。
3.4双路FM语音通信系统
3.4.1非线性调制
如果由调制信号去控制载波的角度参量,正弦载波的角度将与调制信号具有固定的相应关系,于是已调载波以角度参量“载荷”要传送的有用信息,此种调制方式称为角度调制。
由于它不像线性调制那样,调制后的频谱是基带信号频谱的线性位移。
它的调角波频谱与调制信号毫无共点,即呈非线性特征。
3.4.2FM调频信号
由载波
实施角度调制分两种具体方式——频率调制(FM)和相位调制(PM)。
FM方式是使载波在某一固定载频
条件下,以调制信号
去控制载波频率,在
基础上的增减“频偏”与信号
成正比变化。
即FM一般表达式为:
3.4.3调频信号的产生
产生调频波的方法通常有两种:
直接调频法和间接调频法。
1、直接法,直接法就是用调制信号直接控制振荡器的电抗元件参数,使输出信号的瞬时频率随调制信号呈线性变化。
目前人们多采用压控振荡器(VCO)作为产生调频信号的调制器。
振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器(VCO),它产生的输出频率正比于所加的控制电压。
直接法的主要优点是在实现线性调频的要求下,可以获得较大的频偏。
缺点是频率稳定度不高,往往需要附加稳频电路来稳定中心频率。
2、间接法,间接法又称倍频法,它是由窄带调频通过倍频产生宽带调频信号的方法。
其原理框图如图3-13所示。
图3-13间接产生WBFM的框图
3.4.4非相干解调
非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成,其方框图如图3-14所示。
限幅器输入为已调频信号和噪声,限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变;
带通滤波器的作用是用来限制带外噪声,使调频信号顺利通过。
鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波,然后由包络检波器检出包络,最后通过低通滤波器取出调制信号。
图3-14调频信号的非相干解调
3.4.5相干解调
由于窄带调频信号可分解成正交分量与同相分量之和,因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。
其原理框图如图3-15所示。
图中的带通滤波器用来限制信道所引入的噪声,但调频信号应能正常通过。
图3-15调频信号的非相干解调
3.4.6双路FM语音通信系统仿真
根据以上原理用SystemView仿真图如图3-16。
图3-16双路FM语音通信系统仿真
3.4.7双路FM语音通信系统仿真波形
经过双路FM语音通信系统仿真得到的波形如图3-17所示:
图3-17双路FM语音通信系统仿真波形图
仿真结果分析,上图3-16中,以语音波形文件(后缀名为“.wav”)作为信号源,频率调制直接使用SystemView函数库FM,解调使用延时相乘结构来实现,信道用高斯白噪声来模拟,接收端分别解调出相应的语音信号。
此次设计采用的两路信号频率均为22050Hz。
低通滤波器的截止频率分别为5000Hz和10000Hz,所对应的Fm分别为5000Hz和10000Hz,高斯噪声为10000Hz,延时器的参数分别为0.25ms和0.5ms,放大倍数均为200倍。
由于本次设计采用的是语音信号的双声道的信号,所以输入信号和接受信号的波形图相差较大,只接收到了其中一个声道的信号,但大致与理论值是相符的。
4数字调制系统的设计与分析
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。
然而,实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号,这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。
为了使数字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,以使信号与信道的特性相匹配。
这种用数字基带信号控制载波,把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。
数字调制技术有两种方法:
(1)利用模拟调制的方法去实现数字式调制,即把数字调制看成是模拟调制的一个特例,把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理;
(2)利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波,从而实现数字调制。
这种方法通常称为键控法。
对载波的幅度进行键控得到振幅键控信号;
对载波的频率进行键控得到频移键控信号;
对载波的相位进行键控得到相移键控信号。
4.1抽样定理的仿真与分析
抽样定理是模拟信号数字化的理论基础,它告诉我们:
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,也就是说,要传输模拟信号不一定传输模拟信号本身,只需要传输按抽样定理得到的抽样值就可以了。
根据要进行抽样的信号形式的不同,抽样定理可分为低通信号的抽样定理和带通信号的抽样定理。
本次课程设计主要介绍低通信号的抽样定理。
4.1.1低通信号的抽样定理
均匀抽样定理指出:
对一个带限在
内的时间连续信号
,如果以
的时间间隔对其进行等间隔抽样,则
将被所得到的抽样值完全确定。
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,也称为奈奎斯特间隔。
4.1.2信号的抽样与恢复仿真原理
如图4-1所示,是低通信号采样与恢复的原理图。
4.1.3信号的抽样与恢复仿真图
根据图4-2所示的原理图,对应的SystemView仿真图如图12所示:
图4-2信号抽样与恢复仿真电路
4.1.4信号的抽样与恢复仿真波形
信号的抽样与恢复仿真波形如图4-3所示:
图4-3抽样与恢复仿真波形
如上图4-3所示,w0为经过恢复后的波形,w1是经过抽样后的波形,w2是基带信号的波形,w3是抽样信号波形。
4.1.5信号的抽样与恢复仿真结果分析
由实验结果可以观察到,当采样频率小于奈奎斯特频率时,在接收端恢复的信号失真比较大,这是因为产生了信号混迭;
当采样频率大于或等于奈奎斯特频率时,恢复信号与原信号基本一致。
理论上,理想的抽样频率为2倍的奈奎斯特带宽,但实际工程应用中,带限信号绝不会严格限带,且实际滤波器特性并不理想,通常抽样频率为5~7倍的
以避免失真。
4.2增量调制的设计与分析
增量调制是可以看成PCM的一个特例,但是在PCM中,信号的代码表示模拟信号的抽样值,而且为了减小量化噪声,一般需要较长的代码和较复杂的编译设备。
而增量调制是将模拟信号变换成仅由一位二进制码组成的数字调制序列,并且在接受端也只需要一个线性网络,便可复制出原模拟信号。
另方面,可以从DPCM系统的角度看待增量调制,即当DPCM系统的量化电平取为2和预测器时一个延迟为
T的延迟时,该DPCM系统被称为增量调制系统。
4.2.1(ΔM或DM)增量调制原理
1.
M的译码问题
接收端只要收到一个“1”码就是输出上升一个
值,每收到一个“0“码就下降一个
值,连续收到“1”码(或“0”码)就是输出一直上升或下降,这样就可以近似的复制出阶梯波形。
这种功能的译码器可以由一个积分器来完成,积分器遇到一个“1”就上升一个
E,并让
E等于
,遇到“0”码所示的-E脉冲就下降一个
E.
2.
M的编码原理
一个简单的
M编码器由相减器,抽样判决器,发端译码器及抽样脉冲产生器组成。
抽样判决器将在抽样脉冲到来时刻对输入信号的变化做出判决,并输出脉冲。
这种编码器的工作过程如下:
将模拟信号
与发端译码器输出阶梯波形
进行比较,即先进行相减,然后在抽样脉冲作用下将相减结果进行抽样判决。
如果在给定时刻
有
则判决器输出为“1”码。
如果
则发“0”码。
从上述讨论可以看出,
M信号是按台阶
来量化的,因而同样存在量化噪声问题。
M系统中的量化噪声有两种形式:
一种称为过载量化噪声,另一种为一般量化噪声。
设抽样时间间隔
,则一个台阶上最大斜率K为
它被称为译码器最大跟踪斜率,当译码器实际斜率超过这个最大跟踪斜率时,则将造成过载噪声。
4.2.2增量调制解调仿真图
增量调制解调的仿真图如图4-4所示:
图4-4增量调制解调系统仿真电路图
经过增量调制解调后具体波形如图4-5所示:
图4-5增量调制解调后仿真波形图
在图4-4中,信号源为一个最大幅度为1V,最大频率为128000HZ的高斯噪声。
符号13显示的波形是信号源的波形图,符号12现实的波形图是信源经低通滤波器后再经过延时器后的波形图,符号2显示的是经过比较器得到的对信源的编码图形,符号14是经过增量调制系统后的调制波形图,符号4是经过解码器后的波形图。
4.2.3增量调制结果分析
由仿真结果,我们可以得出,增量调制要求的抽样频率达到几十kb/s以上,且在接收端阶梯电压如果通过一个理想的低通滤波器平滑后,就可以得到十分接近编码器原输入的模拟信号。
但它的缺点是当增量调制器的输入信号斜率超过阶梯波的最大可能斜率值时,将发生过载量化噪声。
所以,为了避免发生过载量化噪声,必须使量化台阶和抽样频率的乘积足够大,使信号的斜率不会超过这个值。
4.3数字基带传输系统的仿真
在数字传输系统中,其传输对象主要是二进制数字信息。
它可能来自计算机,网络或其他数字设备的各种数字代码,也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。
对于数字传输系统可以考虑选择一组有限的离散的波形来表示数字信息。
这些离散的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。
由于未经调制的的脉冲信号所占据的频带通常是从直流和低频开始,因而称为数字基带信号。
4.3.1数字基带信号传输无失真的条件
原始二进制数字基带信号波形多数都是矩形波,在画频谱图时通常只画出其能量最集中的范围,但这些基带信号在频域内实际上是无穷延伸的,如果直接采用矩形脉冲的基带信号作为传输码型,由于实际信道的频带是有限的,则传输系统接收端所得的信号频谱必定与发送端不同,这就会使接收端数字
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