基于Systemview软件的通信系统仿真毕业论文.docx
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基于Systemview软件的通信系统仿真毕业论文
毕业设计(论文)
专业通信技术
班次XXXXXXXX
姓名XXXXXXXX
指导老师XXXXXXXX
XXXXXXXX
XXXXXXXX年
申明书
尊敬的各位领导:
本人XXXXXXXX,为XXXXXXXX通信工程系XXXXXXXX班的同学。
毕业设计课题《基于SystemView软件的通信系统仿真》在XXXXXXXX老师的指导下独立完成,本人拥有自主知识产权,没有抄袭、剽窃他人成果,由此造成的知识产权纠纷由本人负责。
特此申明。
申明人:
XXXXXXXX
2012年4月3日
基于SystemView软件的通信系统仿真
摘要:
近年来,通信技术不断进步与发展,通信方式也越来越受到大家的重视。
该文简要的介绍了SystemView仿真软件的使用方法。
研究了模拟线性调制系统(AM振幅调制、DSB-SC双边带调制、SSB单边带调制)和模拟非线性调制系统(FM调频、PM调相)的调制与解调,针对调制和解调中问题做了一些分析和研究。
在基于SystemView动态仿真环境下,以实例阐述了建立模拟调制系统仿真模型的方法,结果表明,仿真模型能够反映模拟通信系统的动态工作情况。
并且可以根据通信系统仿真的结果预测出在实际运用中可能出现的问题,这样在仿真时就可以提前找出解调方案,为实际运用提供了方便。
[关键词]通信技术;通信系统仿真;SystemView;仿真模型
第1章绪论
1.1研究意义
SystemView是一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。
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。
尤具特色的是,它可以很方便地进行各种滤波器的设计。
SystemView备有通信、逻辑、数字信号处理(DSP)、射频/模拟、码分多址个人通信系统(CDMA/PCS)、数字视频广播(DVB)系统、自适应滤波器、第三代无线移动通信系统等专业库可供选择,适合于各种专业设计人员。
该系统支持外部数据的输入和输出,支持用户自己编写代码(C/C++),兼容MATLAB软件。
同时,提供了与硬件设计工具的接口,支持Xilinx公司的FPGA芯片和TI公司的DSP芯片,是一个用于现代工程和科学系统设计与仿真的动态系统分析工具平台。
SystemView已大量地应用于现代数字信号处理、通信及控制系统的设计与仿真等领域。
1.2国内外现状
SystemView是美国ELANIX公司推出的,它是一款信号级的系统仿真软件。
利用SystemView,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统,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目前主要用于通信系统的设计、仿真,是强有力的动态分析工具,能满足从数字信号的处理、滤波器的设计,到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求,所以SystemView在现今的通信工程设计方面起到了很大的作用。
同时,SystemView也广泛的运用于课堂教学中,被广大师生喜爱。
我们知道通信方面的课程,专业理论性很强,能否正确理解其概念和基本理论对后续的专业课程的学习非常关键。
由于课程公式和理论推导较多,学习起来相对乏味。
为了使学生能从动态上更加直观地形象地理解这些理论,采用动态系统仿真软件SystemView以增强课堂教学效果,从而使学生更好地掌握理解其基础理论。
1.3研究目标与研究内容
1.3.1研究目标
能够熟练运用SystemView软件,利用SystemView可以搭建出各种信号调制、解调系统,并能对其进行仿真分析。
最终能熟练掌握模拟信号的多种调制方法和解调方法,并设计出不同的调制、解调系统进行比较,最后总结出哪一个系统更适合现代通信技术的应用,最后能根据实验结果得出自己的观点。
1.3.2研究内容
首先要对SystemView这款系统仿真软件有个初步的认识,了解他的应用领域、软件自身的优、缺点。
其次就是要熟练掌握对SystemView软件的运用,能够用它构造各种模拟线性、非线性控制系统,并对其中的参数进行设置、各模块之间进行连线。
最后要求能够对系统的仿真结果进行分析,通过对比得出结论。
本文课题最主要的研究内容就是利用SystemView系统建立、设计模拟信号的调制,解调的系统,再对建立的系统进行各种波形仿真和对各种系统的仿真波行进行分析。
涉及的实验项目主要有AM信号的调制与解调、DSB-SC信号的调制与解调、SSB信号的调制与解调、FM信号的调制与解调、PM信号的调制与解调。
第2章SystemView软件简介
在通信知识的学习过程中,我们接触过很多其他的有关通信方面的仿真软件,如Protel、Matlab、Multisim、Protues等。
Protel主要用于电路板的绘制;Matlab主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算;Multisim适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作;Protues是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
而本文使用的SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析软件,它较之其它几款仿真软件,使用更简单、扩展性强、便于动态分析。
2.1SystemView软件特点
SystemView是ELANIX公司推出的一个完整的动态系统设计、模拟和分析的可视化软件。
它可以提供大量的信号源供系统分析使用;其丰富的算子图符和函数库便于设计和分析各种系统;其多种信号接受器为时域和频域的数值分析提供便捷的途径;其无限制的分层结构使建立大而复杂的系统变得容易;另外他还提供对于外部数据文件的接口,使信号分析更加灵活方便。
SystemView操作简单,使用方便,只要用鼠标从SystemView库中选择图符并将他们拖拽到设计窗口中连接起来创造线性和非线性,离散和连续,模拟、数字和混合模式的系统,SystemView的所有图符都有相似的参数定义窗口,我们所要做的只是修改各个图符的参数,无需编程即可实现系统的设计和模拟。
SystemView的界面直观,设计窗口中各功能模块都用形象直观的图符表示,分析窗口中分析结果以各种图形直观显示,使我们对系统的结构,功能和分析结果一目了然。
他的另一个重要特点是可扩展性,SystemView允许用户插入使用C++编写的用户代码库,插入的用户库自动集成到SystemView中,能够如同内建库一样使用。
SystemView提供了智能化的辅助设计。
在系统设计仿真时,SystemView能自动执行系统连接检查,给出连接错误的信息或者尚悬空的待连接端的信息。
通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。
并在编译时,给出系统运行的大约时间,方便了设计人员进行调试。
其带有的API功能可以利用VC环境,将系统编译成可脱离SystemView独立运行的可执行文件,大大提高了运行速度和仿真效率。
2.2使用SystemView进行系统仿真的步骤
使用SystemView进行系统仿真,一般要经过以下几个步骤:
(1)建立系统的数学模型根据系统的基本工作原理,确定总的系统功能,并将各部分功能模块化,找出各部分的关系,画出系统框图。
(2)从各种功能库中选取、拖动可视化图符,组建系统在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接受器图符库中选取满足需要的功能模块,将其图符拖到设计窗口,按设计的系统框图组建系统。
(3)设置、调整参数,实现系统模拟参数设置包括运行系统参数设置(系统模拟时间,采样速率等)和功能模块运行参数(正弦信号源的频率、幅度、初相,低通滤波器的截止频率、通带增益、阻带衰减等)。
(4)设置观察窗口,分析模拟数据和波形在系统的关键点处设置观察窗口,用于检查、监测模拟系统的运行情况,以便及时调整参数,分析结果。
2.3SystemView的工具栏
设计窗口中工具栏,如下图2-1所示,由十六个常用快捷功能按钮组成动作条,如图所示。
当鼠标移动到每个图标时,系统会自动显示该按钮的作用。
图2-1工具栏
从左到右依次为切换按钮、打开文件按钮、保存按钮、打印按钮、清除按钮、删除按钮、断开连接按钮、连接按钮、复制按钮、反转按钮、便笺按钮、创建嵌套系统按钮、观察嵌套系统按钮、根轨迹按钮、波特图按钮、重绘按钮、取消操作按钮、开始仿真按钮、系统定时按钮、分析窗口按钮。
2.4SystemView的图标库
图标是SystemView仿真运算,处理的基本单元,共分为三大类;第一类包括信号源库,它只有输出端没有输入端;第二个类包括观察窗库,它只有输入端没有输出端;第三类包括其他所有图表库,这类图标都有一定个数的输入端和输出端.。
在设计窗口的左边有一个图标库区,一组是基本库(MainLibraries),共8个。
另一组是可选择的专业库(OptionalLibraries),如通信库、数字信号处理库、逻辑库、射频/模拟库等,支持用户自己用C/C++语言编写源代码定义图标以完成所需自定义功能的用户自定义库(Custom),及可调用、访问MATLAB的函数的M-Link库,以及CDMA、DVB、自适应滤波器库等。
SystemView的图标如下图2-2所示。
图2-2基本库图标
在上述八个图符中,除双击加法器和乘法器图符按钮可直接使用外,双击其他按钮会出现相应的对话框,应进一步设置图符块的操作参数。
单击图符库选择区最上面的主库开关按钮“Main”,将出现选择开关按钮“Option”下的库(user)、通信库(comm)、DSP库、逻辑库(LOGIC)、射频/模拟库(RF/ANALOG)和数学库(MATALAB)选择按钮,可分别双击他们选择调用。
在设计窗口中间的大片区域就是工作区域,用户可以在这里放置、定义和连接各种图符,建立新的系统。
第3章AM信号的调制与解调
3.1AM信的原理号
常规双边带调制就是标准幅度调制,它用调制信号去控制高频载波的振幅,使已调波的振幅按照调制信号的振幅规律线性变化。
对于常规的双边带幅度调制系统,其时域表达式为
其中
为外加的直流分量。
为调制信号,可以是已知的确定信号,也可以是随机的信号,但是通常认为其数学期望认为
和
分别是载波信号的频率和初始相位。
其调制器模型如图3-1所示。
图3-1AM信号调制器模型
3.2AM信号的仿真内容
1、根据上面的原理图,可以在SystemView系统平台中建立普通双边带调制系统模型,如图3-2所示。
图3-2AM信号调制系统模型
2、本系统的时间设定,如图3-3所示。
图3-3AM信号调制系统时间设定
整个系统的各图符参数设置,如表3-1所示。
表3-1系统各图符参数设置
图符序号
库/图符名称
参数
0
Source:
Sinusoid
Amp=1v,Freq=10Hz,Phase=0deg
2
Adder
无
10
Multiplier
无
13
Source:
Sinusoid
Amp=1v,Freq=100Hz,Phase=0deg
16
Gain
Gain=2v,GainUnits=Liner
8,14,15
Sink:
Analysis
无
3、运行系统仿真可以得到该AM系统调制载波、调制信号和已调信号的波形分别如图3-4、图3-5、图3-6所示。
图3-4AM系统调制载波波形
图3-5AM系统调制信号波形
图3-6AM系统已调信号波形
以上是调制的过程,下面是解调步骤。
4、AM信号的包络与调制信号成正比,所以采用包络检波的方法进行解调。
为了保证无失真解调,也可以采用同步检波器。
AM信号的解调系统模型如图3-7所示。
图3-7AM信号解调系统模型
注意:
解调出来的AM信号有上、下两个边带信号,下边带是上边带的镜像。
图中的波形分别例举了上边带、下边带的波形。
5、其中11为低通滤波器,15为AM的调制子系统,19为半波整流,21、24为带通滤波器。
运行整个解调系统得到解调波形如图3-8、如图3-9、如图3-10、如图3-11所示。
图3-8AM信号相干解调(同步检波)解调信号波形
图3-9AM调制信号波形
图3-10AM信号非相干解调(包络检波)解调信号波形
图3-11AM系统已调波形
相干解调是利用乘法器,输入一路与载频相干(同频同相)的参考信号与载频相乘。
因此相干解调需要接收机和载波同步。
非相干解调是一种不需提取载波信息(或不需恢复出相干载波)的一种解调方法,非相干解调不使用乘法器,不需要接收机和载波同步。
非相干解调是通信原理中的一种重要的解调方法,无论在模拟系统和数字系统中都非常重要。
非相干解调的优点是可以较少的考虑信道估计甚至略去,处理复杂度降低,实现较为简单,但相比相干解调方法性能下降,从定量角度来看,普遍的结果是非相干解调性能上比相干解调差3dB。
在解调过程中最难的就是滤波器的设计,它直接关系到解调的结果,所以设计滤波器最重要。
部分参数如表3-2所示。
表3-2系统各图符参数设置
图符编号
库/图符名称
参数
11
Analog,Butterworth
LowCuttoff=30Hz
21
Analog,Butterworth
LowCuttoff=40Hz
24
Analog,Butterworth
LowCuttoff=30Hz,HiCuttoff=300Hz
19
HalfRctfy
ZeroPoint=0V
6、通过以上对AM信号的仿真与分析可知,AM信号的平均功率是由载波功率和边带功率组成的,而只有边带功率才与调制信号有关。
载波功率在AM信号中占有大部分能量,即使在满调制(ma=1)条件下,载波分量仍占据大部分功率,而含有用信息的两个边带占有的功率较小。
因此,从功率上讲,AM信号的功率利用率比较低。
第4章DSB-SC信号的调制与解调
4.1DSB-SC信号的原理
在常规AM调制中,载波不携带任何信息,信息是完全由边带携带的。
但是,对于常规AM调制,在没有过调制的情况下,载波最小也要占到总功率的2/3,也就是说最大调制效率只能达到33.3%,这就造成了发射功率的极大的浪费。
为了提高调制效率,就要把载波去掉,这就产生了抑制载波双边带调制,其时域表达式为:
当
已经确定时,高其频域表达式
,则已调信号的频谱为:
4.2DSB-SC信号的仿真内容
1、由抑制载波双边带调制的时域表达式可知,要实现该调制,只需将调制信号和载波信号相乘即可。
其SystemView仿真模型如图4-1所示。
图4-1DSB-SC信号调制系统模型
2、然后运行系统仿真,得到载波和已调信号的波形图,分别如图4-2、图4-3所示。
图4-2DSB-SC系统调制载波波形
图4-3DSB-SC系统调制已调信号波形
在DSB-SC信号的仿真与AM信号的仿真没有太多的本质上的区别。
只要注意设置系统定时中采样点数(一般设为128或者它的2至3倍,我们这里设置为256。
设置太低或太高,波形会很稀疏或太密而不宜观察)和采样频率就会成功地看到仿真结果了。
当系统定时中采样点数设置为10时,运行系统仿真,得到载波和已调信号的波形图,分别如图4-4、图4-5所示。
图4-4DSB-SC系统调制载波波形
图4-5DSB-SC系统调制已调信号波形
当系统定时中采样点数设置为2500时,运行系统仿真,得到载波和已调信号的波形图,分别如图4-6、图4-7所示。
图4-6DSB-SC系统调制载波波形
图4-7DSB-SC系统调制已调信号波形
通过对以上设置不同系统定时中采样点数所得的波形图进行比较可得:
当系统定时中采样点数为256时,可以成功的观察到仿真结果;当系统定时中采样点数为10时,所得的波形很稀疏;当系统定时中采样点数为2500时,波形密度太高不宜观察。
3、下面是DSB-SC信号的解调。
由于DSB信号的包络不再与调制信号灯的变化规律一致,因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号,需采用相干解调(同步检波),由波形可以看出非相干解调的波形有很大的失真!
以下是两种解调的模型,如图4-8所示。
图4-8DSB-SC信号解调系统模型
注意:
由于DSB信号的包络不再与调制信号灯的变化规律一致,因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号,需采用相干解调(同步检波),由波形可以看出非相干解调的波形有很大的失真!
10、18为低通滤波器,13、20为带通滤波器,17为半波整流,16是一个增益(可缺省)。
运行整个系统可得以下波形,分别如图4-9、如图4-10、如图4-11、如图4-12所示。
图4-9DSB-SC相干解调信号波形
图4-10DSB-SC已调信号波形
图4-11DSB-SC信号解调系统载波信号波形
图4-12DSB-SC非相干解调信号波形
图4-9中的解调信号(t11)波形为相干解调的波形,和图4-12中的解调信号(t19)波形为非相干解调的波形,两者有很大的差异。
通过对图4-9和图4-12的比较,可以看出非相干解调的波形有很大的失真,因此在实际中,都采用相干解调来解调DSB-SC信号。
11、通过以上对DSB-SC信号的仿真与分析可知:
(1)DSB信号虽然节省了载波功率,功率利用率提高了,但它的频带宽度仍是调制信号的两倍,与AM信号带宽相同。
(2)由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的,它们都携带了调制信号的全部信息,因此仅传输其中的一个边带即可,这就是单边带调制解决的问题。
第5章SSB信号的调制与解调
5.1SSB信号的原理
1.滤波法产生单边带信号
所谓滤波法,就是在双边带调制后接上一个边带滤波器,保留所需要的边带,滤除不需要的边带。
边带滤波器可用高通滤波器产生USB边带信号,也可用低通滤波器产生LSB信号。
用滤波法产生SSB信号的原理框图如图5-1所示。
图中乘法器是平衡调制器,滤波器是边带滤波器。
图5-1SSB信号调制器模型
2.移相法产生单边带信号
任一调制基带信号,可用n个余弦信号之和来表示,即
经双边带调制
如果通过上边带滤波器HUSB(ω),则得到USB信号
如果通过下边带滤波器HLSB(ω),则得到LSB信号
由上面式子可得到相移法实现单边带信号的原理框图如图5-2所示。
图5-2SSB信号原理框图
5.2SSB信号的仿真内容
1、根据原理图可以建立单边带的SystemView模型,如图5-3所示。
图5-3SSB信号调制系统模型
在该模型中利用SystemView在正弦信号源有正弦、余弦两个输出的特性来直接产生相差
的两个信号,在实际中要使用移相网络。
其中时间设置:
采样频率为10KHz,采样点为128,其他的数值由SystemView自动计算。
各图符的参数设置如表5-1所示。
表5-1系统各图符参数设置
图符编号
库/图符名称
参数
0
Source:
Sinusoid
Amp=1v,Freq=50Hz,Phase=0deg
1
Source:
Sinusoid
Amp=1v,Freq=500Hz,Phase=0deg
2、3
Multiplier
无
4
Operator:
Negate
无
5、6
Adder
无
7、8、10、12、15
Sink:
Analysis
无
2、运行系统仿真,可得到调制信号、载波、同相分量、正交分量、上边带和下边带的波形图,分别如图5-4、如图5-5、如图5-6、如图5-7、如图5-8所示。
图5-4SSB调制信号
图5-5SSB已调信号上边带
图5-6SSB已调信号下边带
图5-7SSB同相分量
图5-8SSB正交分量
说明:
两种解调的模型还是和上面两种模型是一致的,只是参数不一样而已。
SSB信号的产生主要是根据双边带调制的时域表达式得来的,所以在搭建系统时一定要注意正弦与余弦的区别,也就是调制信号与载波在乘法器相乘时的选择,用来产生正交分量和同相分量。
3、上面是SSB信号的调制阶段,下面是解调步骤。
由于单边带信号的解调和双边带一样,不能采用简单的包络检波,因为它的包络不能直接反映调制信号的变化,所以仍然需要采用相干解调。
如图5-9为解调系统模型。
图5-9SSB信号解调系统模型
4、运行整个系统,得到仿真波形分别如图5-10、如图5-11、如图5-12、如图5-13所示。
图5-10SSB解调信号上边带
图5-11SSB解调信号下边带
图5-12SSB相干解调信号
图5-13SSB非相干解调信号
图5-12中的解调信号(t13)波形为相干解调信号波形和图5-13中的解调信号(t27)为非相干解调波形,通过对比二者可得,最适合SSB信号的解调方式是相干解调。
5、通过以上对SSB信号的仿真与分析可知,单边带调制方式的优点是:
节省载波发射功率,同时频带利用率也高,它所占用的频带宽度仅是双边带的一半,和基带信号的频带宽度相同。
因此,它目前已成为短波中一种重要的调制方式。
第6章FM信号的调制与解调
6.1FM信号的原理
所谓频率调制,就是指瞬时频率偏移随调制信号x(t)作线性变化,相应的已调信号称为调频信号,调频信号的时域表示式为
产生调频信号的方法通常有两种:
直接法和间接法。
直接法就是用调制信号直接控制振荡器的频率,使其按调制信号的规律线性变化。
直接法的主要优点是可以得到较大的频偏,主要缺点是频率稳定度不高,因而需要附加稳频措施。
间接法是先对调制信号积分后再对载波进行相位调制,从而产生窄带调频(NBFM)信号,然后,利用倍频器把窄带调频(NBFM)信号变换成宽带调频(WBFM)信号,其原理图如图6-1所示。
图6-1FM信号调制器模型
间接法的优点是频率稳定度好,缺点是需要多次倍频和混频,因而电路较为复杂。
6.2FM信号的仿真内容
1、根据调频信号的时域表达式建立SystemView的仿真系统,如图6-2所示。
图6-2FM信号调制系统模型
2、运行调频系统得到仿真波形,分别如图6-3、如图6-4所示。
图6-3FM信号调制系统输入信号波形
图6-4FM信号调制系统输出信号波形
在FM信号产生的过程中,没有什么需要注意的问题,只要让FM器的频率远远大于调制信号的频率,以及增益的大小,结果就会很明显的看到正确的波形。
3、搭建FM信号的解调模型。
在角度调制中,能比较准确的解调出原始信号的方法就是锁相环解调,这也是最常用的方法之一。
FM锁相环解调系统如图6-5所示。
图6-5FM锁相环解调系统模型
角度调制信号可以用相干解调方法进行解调
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