简单通信系统调制解调讲解.docx
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简单通信系统调制解调讲解
1前言
自从因特网把我们领入信息时代开始，人类的历史翻开了崭新的一页。
通信按照传统的理解就是信息的传输，信息的传输离不开它的传输工具，通信系统应运而生，我们此次课题的目的就是要对调制解调的通信系统进行仿真研究。
有调制器，接收端要有解调器，这就用到了调制技术，调制可分为模拟调制和数字调制，模拟调制。
模拟调制常用的方法有AM调制、DSB调制、SSB调制；数字调制常用的方法有2FSK调制等。
经过调制不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响。
调制方式往往决定着一个通信系统的性能。
随着通信技术的发展日新月异，通信系统也日趋复杂。
因此，在通信系统的设计研发过程中，通信系统的软件仿真已成为必不可少的一部分。
目前，电子设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomatic）已成为通信系统设计的主潮流。
为了使复杂的设计过程更加便捷高效，使得分析与设计所需的时间和费用降低。
美国Elanix公司推出的基于PC机Windows平台的SystemView动态系统仿真软件，是一个比较流行的，优秀的仿真软件。
SystemView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、能满足从信号处理、滤波器设计，到复杂的通信系统等要求。
SystemView借助大家熟悉的Windows窗口环境，以模块化和交互式的界面，为用户提供一个嵌入式的分析引擎。
SystemView仿真系统的主要特点有：
能仿真大量的应用系统；能快速方便地进行动态系统设计与仿真；在本文中可以方便地加入SystemView的结果；完备的滤波和线性设计；先进的信号分析和数据处理；完善的自我诊断功能等。
SystemView由两个窗口组成，分别是系统设计窗口的分析窗口。
系统设计窗口，包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计工作区。
所有系统的设计、搭建等基本操作，都是在设计窗口内完成。
分析窗口包括标题栏、菜单栏、工具条、流动条、活动图形窗口和提示信息栏。
提示信息栏显示分析窗口的状态信息、坐标信息和指示分析的进度；活动图形窗口显示输出的各种图形，如波形等。
分析窗口是用户观察SystemView数据输出的基本工具，在窗口界面中，有多种选项可以增强显示的灵活性和系统的用途等功能。
在分析窗口最为重要的是接收计算器，利用这个工具我们可以获得输出的各种数据和频域参数，并对其进行分析、处理、比较，或进一步的组合运算。
例如信号的频谱图就可以很方便的在此窗口观察到。
2SystemView软件介绍
2.1SystemView软件简介
SystemView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。
SystemView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，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。
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SystemView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。
SystemView仿真系统的特点：
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。
2快速方便的动态系统设计与仿真
使用用户熟悉的Windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），SystemView可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。
只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP滤波器，并输入／输出基于真实系统模型的仿真数据。
不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（MetaSystem）。
3在报告中方便地加入SystemView的结论
SystemView通过Notes（注解）很容易在屏幕上描述系统；生成的SystemView系统和输出的波形图可以很方便地使用复制（copy）和粘贴（paste）命令插入微软word等文字处理。
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通信系统的设计与仿真，有利于提高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对仿真生成数据进行先进的块处理操作的接收计算器。
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。
2.3SystemView软件使用环境
SystemView的用户环境包括两个常用的界面：
设计窗口和分析窗口。
1.设计窗口
进入SystemView后，屏幕上首先出现设计窗口，如图2-1所示：
图2-1设计窗口
所有系统的设计、搭建等基本操作，都是在设计窗口内完成的。
在设计窗口中间的大片区域就是设计区域，也就是供用户搭建各种系统的地方。
在设计窗口的最上端一行是下拉式命令菜单行，通过调用这些菜单可以执行SystemView的各项功能。
设计窗口中菜单行的下面，紧邻在设计区域上端一行是工具栏，它包含了在系统设计、仿真中可能用到的各种操作按钮。
在工具栏的最右端是提示信息，当鼠标置于某一工具按钮上时，在该处会显示对该按钮的说明和提示信息。
紧邻在设计区域左端是各种器件图标库。
设计区域的底部有一个消息显示区，用来显示系统仿真状态信息。
在设计窗口内，只须点击鼠标及进行必要的参数输入，就可以通过设置图标、连接图标等操作完成一个完整系统的基本搭建工作，创建各种连续域或离散域的系统，并可极其方便地给系统加入要求的注释。
2.分析窗口
分析窗口是观察用户运行结果数据的基本载体。
利用它可以观察某一系统运行的结果及对该结果进行的各种分析。
当系统运行后，在系统设计窗口中单击分析窗口按钮
，即可访问分析窗口。
在分析窗口中单击系统按钮
，即可返回系统设计窗口。
与设计窗相似，在分析窗的最顶端是下拉式命令菜单和工具栏。
分析窗下端有这样一个显示表示当前窗口中的图形颜色。
在将几个图形置于同一坐标窗口时， 通过这一显示，可很容易地区分出各种颜色的图形分别代表哪一个窗口。
3模拟调制系统的设计与分析
所谓调制，是指按调制信号的变化规律去控制高频载波的某个参数的过程。
其作用和目的有三个，分别为：
将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号，实现信道的多路复用，改善系统抗噪声性能。
线性调制系统中，常用的方法有AM调制，DSB调制，SSB调制。
它们均属于幅度调制，幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。
线性调制的一般原理：
载波：
调制信号：
式中
为基带调制信号。
3.1AM调制与解调系统
3.1.1AM调制与解调原理
图3-1调幅调制模型
如图3-1所示为调幅调制基本模型，假设调制信号
平均值为0，将其叠加一个直流偏量
后与载波相乘，即可形成调幅信号。
调幅信号时域表达式为
当满足条件
时，调幅波的包络与调制信号波形完全一致，因此用包络检波法将会很容易恢复出原始调制信号。
如未满足前述条件，将出现“过调幅”现象，此时用包络检波将发生失真、无法准确恢复原始波形，应当采用其他的解调方法解调，如同步检波。
图3-2调幅解调模型
3.1.2AM基于SystemView建模
针对AM调制解调这一基本内容，基于SystemView建立统一的调制解调系统模型，选定原始基带信号：
幅值2V、频率500Hz；
载波信号：
幅值2V、频率4000Hz；
信道噪声为高斯白噪声：
最大幅值为0.03V。
基于SystemView建立的AM调制解调系统模型如图3-3所示：
图3-3AM调制解调模型
调幅调制解调系统由三部分组成：
AM调制，信道加噪，解调。
图3-4，3-5分别是仿真产生的解调后产生的信号，调制信号，已调波，载波信号。
要使输出已调信号的幅度与输入调制信号呈线性关系，应满足
，否则会出现过调制现象。
由于
，本设计中取
。
仿真得到的波形：
图3-4已调波与调制信号
图3-5载波信号与解调后的信号
仿真结果分析：
AM调制为线性调制的一种，由以上各图可以看出，在波形上，已调信号（AM调制信号）的幅值随基带信号（调制信号）变化而呈正比地变化；用相干解调法解调出来的信号与基带信号基本一致，实现了无失真传输。
3.2DSB调制与解调系统
3.2.1DSB调制解调原理
在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。
在图3-3中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
设计的DSB调制及解调模型如图3-6所示：
图3-6DSB调制与解调模型
3.2.2DSB系统基于SystemView建模
针对DSB调制解调这一基本内容，基于SystemView建立统一的调制解调系统模型，选定原始基带信号：
幅值2V、频率500Hz；
载波信号：
幅值2V、频率1000Hz；
信道噪声为高斯白噪声：
最大幅值为0.03V。
基于SystemView建立的DSB调制解调系统模型如图3-7所示：
图3-7DSB调制解调模型
仿真得到的波形：
图3-8载波信号与解调后的信号
图3-9已调波与调制信号
仿真结果分析：
DSB调制为线性调制的一种，由图可以看出，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。
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。
3.3SSB调制与解调系统
3.3.1SSB调制解调原理
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。
产生SSB信号的方法有滤波法和相移法。
我们这里主要介绍相移法。
使用滤波法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：
设计的SSB调制及解调模型如图3-10所示：
图3-10SSB调制及解调模型
3.3.2SSB系统基于SystemView建模
针对SSB调制解调这一基本内容，基于SystemView建立统一的调制解调系统模型，选定原始基带信号：
幅值2V、频率500Hz；
载波信号：
幅值2V、频率4000Hz；
信道噪声为高斯白噪声：
最大幅值为0.01V。
基于SystemView建立的SSB调制解调系统模型如图3-11所示：
图3-11SSB调制解调模型
仿真得到的波形：
图3-11载波信号与解调后信号
图3-12已调波与调制信号
仿真结果分析：
SSB调制是线性调制的一种，由以上各图看出，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。
解调信号与原信号基本相同，实现无失真传输。
SSB信号只传输了DSB信号中的一个边带，所以频谱最窄效率最高。
4数字调制方式设计
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。
（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（ASK）信号；对载波的频率进行键控得到频移键控（FSK）信号；对载波的相位进行键控得到相移键控（PSK）信号。
4.12ASK调制与解调系统
4.1.12ASK调制解调原理
在幅移键控中，载波幅度是随着调制信号而变化的。
一种是最简单的形式是载波在二进制调制信号1或0控制下通或断，这种二进制幅度键控方式称为通断键控（OOK）。
表达式为：
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，非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。
相干解调的原理框图如图4-1所示：
图4-12ASK相干解调原理图
非相干解调的原理框图如图4-2所示：
图4-22ASK非相干解调原理图
4.1.22ASK信号基于SystemView建模
针对2ASK信号调制解调这一基本内容，基于SystemView建立统一的调制解调系统模型，选定原始基带信号：
幅值2V、频率20Hz；
载波信号为：
幅值2V、频率50Hz；
信道噪声为高斯白噪声：
最大幅值为0.01V。
基于SystemView建立的2ASK信号调制解调系统模型如图4-3所示：
图4-32ASK调制解调模型
仿真得到的波形：
图4-4载波与随机序列
图4-5解调后的信号与调制信号
仿真结果分析：
输入的基带信号为二进制单极性伪随机码（即PN序列）。
由以上各图可以看出2ASK调制的调制的结果，当发送的基带的码元为“1”时有载波进行调制，为“0”则没有，相应输出地调制信号为“0”，因为2ASK是单极性码；2ASK相干解调、非相干解调出来的波形与输入的原基带信号基本保持一致，有一点延迟，但在允许范围内，实现无失真传输。
4.22FSK调制解调系统
4.2.12FSK调制解调原理
采用键控法产生的二进制频移键控信号，即利用矩形脉冲序列控制的开关电力对两个不同的独立频率源进行选通。
频移键控FSK是用数字基带信号去调制载波的频率。
因为数字信号的电平是离散的，所以载波频率的变化也是离散的。
在实验中，二进制基带信号是用正负电平表示的，载波频率随着调制信号为1或-1而变化，其中1对应于载波频率f1，-1对应于载波频率f2。
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。
过零检测法是基于2FSK信号的过零点数随不同频率而异，通过检测零点数目多少，从而区分两个频率的码元。
其非相干解调的原理框图如图4-6所示：
图4-62FSK信号非相干解调的原理框图
其相干解调的原理框图如图4-7所示：
图4-72FSK信号相干解调的原理框图
4.2.22FSK信号基于SystemView建模
针对2FSK信号调制解调这一基本内容，基于SystemView建立统一的调制解调系统模型，选定原始基带信号：
幅值2V、频率50Hz；
载波信号1为：
幅值2V、频率100Hz；
载波信号2为：
幅值2V、频率300Hz：
信道噪声为高斯白噪声：
最大幅值为0.01V。
基于SystemView建立的2FSK信号调制解调系统模型如图4-3所示：
图4-82FSK调制解调模型
仿真得到的波形：
图4-9随机序列与载波1信号
图4-10载波2信号与解调后的信号
图4-11已调波
仿真结果分析：
由以上各图可以看出2FSK调制的调制的结果，当发送的基带的码元为“1”时有300HZ的载波进行调制，为“0”则有100HZ的载波频率进行调制；2FSK相干解调出来的波形与输入的原基带信号基本保持一致，有一点延迟，但在允许范围内，可实现无失真传输。
4.32PSK调制解调系统
4.3.12PSK调制解调原理
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。
调制原理方框图如图4-12所示：
图4-122FSK信号调制原理方框图
2FSK信号的解调通常采用相干解调法，解调原理框图如图4-13所示：
图4-132FSK信号解调原理方框图
4.3.22PSK信号基于SystemView建模
针对2PSK信号调制解调这一基本内容，基于SystemView建立统一的调制解调系统模型，选定原始基带信号：
幅值2V、频率50Hz；
载波信号为：
幅值2V、频率100Hz；
信道噪声为高斯白噪声：
最大幅值为0.01V。
基于SystemView建立的2PSK信号调制解调系统模型如图4-14所示：
图4-142PSK调制解调模型
仿真得到的波形：
图4-15随机序列、解调后的信号与已调波
仿真结果分析：
输入的基带信号是二进制双极性伪随机码（即PN序列）。
由以上各图可以看出2PSK调制的调制的结果，当发送的双极性基带的码元为“1”时有相位为0的载波为其进行调制，当发送的双极性基带的码元为“-1”时有相位为π的载波为其进行调制；2PSK解调出来的波形与输入的原基带信号基本保持一致，有一点延迟，但在允许范围内，可实现无失真传输。
5抽样定理、增量调制系统
5.1抽样定理系统
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。
5.1.1抽样定理
抽样定理指出：
设一个连续模拟信号
中的最高频率
，则以间隔时间为
的周期性冲激脉冲对它抽样时，
将被这些抽样值所完全确定。
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。
其系统的原理模型如图5-1所示：
图5-1抽样定理原理图
5.1.2信号抽样与恢复基于SystemView建模
抽样定理系统在SystemView软件上的仿真原理图如图5-2所示。
基带信号：
幅值2V，频率500Hz；
抽样脉冲：
幅值2V，频率2000Hz。
图5-2抽样定理调制解调
仿真得到的波形：
图5-3输入源信号与抽样后波形
图5-4抽样恢复后波形与脉冲信号
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。
5.2增量调制系统
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。
5.2.1增量调制原理
1.
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。
2.
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。
5.2.2增量调制基于SystemView建模
增量调制系统在SystemView软件上的仿真原理图如图5-5所示。
基带信号：
幅值2V，频率500Hz；
图5-5增量调制解调模型
仿真得到的波形：
图5-6增量调制后输出信号、增量解调输出波形与信号源
仿真结果分析：
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。
6心得体会
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