北理工通信电路与系统软件实验.docx
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北理工通信电路与系统软件实验
实验1简单基带传输系统分析举例
一、分析内容
构造一个简单示意性基带传输系统。
以双极性PN码发生器来模拟一个数据信源，码速率为100bit/s，低通型信道噪声为加性高斯噪声（标准差=0.3V）。
要求：
1.观测接收输入和滤波输出的时域波形；
2.观测接收滤波器输出的眼图。
二、分析目的
掌握观察系统时域波形，重点学习和掌握观察眼图的操作方法。
三、系统组成及原理
简单的基带传输系统原理框图如下所示，该系统并不是无码间干扰设计的，为使基带信号能量更集中，形成滤波器采用高斯滤波器。
图1-1简单基带传输系统组成框图
四、创建分析
第1步：
进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：
①运行时间：
StartTime:
0秒；StopTime:
0.5秒。
②采样频率：
SampleRate:
10000Hz。
第2步：
调用图符块创建如下图所示的仿真分析系统：
图1-2创建的简单基带传输仿真分系统
系统中各图符块的设置如表1-1所示：
表格1-1
Token编号
Attribute属性
Type
类型
Parameters
参数设置
0
Source
PNSeq
Amp=1V，Offset=0V，Rate=100Hz，Levels=2，Phase=0deg
1
Comm
PulseShape
Gaussian，TimeOffset=0，
PhlseWidth=0.01sec，StdDev=0.15V
2
Adder
--
--
3
Source
GaussNoise
StdDev=0.3V，Mean=0V
4
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR，5Poles，Fc=200Hz
5
Operator
Sampler
Interpolating，Rate=100Hz，
Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec
6
Operator
Hold
LastValue，Gain=2
7
Operator
Compare
a>=b，TrueOutput=1V，FalseOutput=1V，Ainput=token6Output0，
Binput=token8Output0
8
Source
Sinusoid
Amp=0V，Freq=0Hz，Phase=0deg
9
Sink
Analysis
Inputfromtoken0OutputPort0
10
Sink
Analysis
Inputfromtoken1OutputPort0
11
Sink
Analysis
Inputfromtoken4OutputPort0
12
Sink
Analysis
Inputfromtoken7OutputPort0
其中，Token1为高斯脉冲形成滤波器；Token3为高斯噪声发生器，设标准偏差StdDeviation=0.3V，均值Mean=0V；Token4为模拟低通滤波器，它来自操作库中的“LinearSys”图符按钮，在设置参数时，将出现一个设置对话框，在“Design”栏中单击Analog按钮，进一步点击“FilterPassBand”栏中Lowpass按钮，选择Butterworth型滤波器，设置滤波器极点数目：
No.ofPoles=5（5阶），设置滤波器截止频率：
LoCuttoff=200Hz。
第3步：
单击运行按钮，运算结束后按“分析窗”按钮，进入分析窗后，单击“绘制新图”按钮，则Sink9-Sink12限时活动窗口分别显示出“PN码输出”、“信道输入”、“信道输出”和“判决比较输出”时域波形。
如下列波形图所示：
图1-3Sink9_代表信源的PN码输出波形
图1-4Sink10_经高斯脉冲形成滤波器后的码序列波形
图1-5Sink11_信道输出的接收波形
图1-6Sink12_判决比较输出波形
第4步：
观察信源PN码和波形形成输出的功率谱。
通过两个信号的功率谱可以看出，波形形成后的信号功率谱主要集中在低频端，能量相对集中，而PN码的功率谱主瓣外的分量较大。
在分析窗下，单击信宿计算器按钮，在出现的“SystemSinkCalculator”对话框中单击Spectrum按钮，分别得到Sink9和Sink10的功率谱窗口（w4:
和w5:
）后，可将这两个功率谱合成在同一个窗口中进行对比，具体操作为：
在“SystemSinkCalculator”对话框中单击Operators按钮和OverlayPlots按钮，在右侧窗口内按住左键选中w4和w5两个信息条，单击OK按钮即可显示出对比功率谱。
如下图所示：
图1-7PN码和波形形成器输出功率谱对比
第5步：
观察信道输入和输出信号眼图。
眼图仍然是时域波形，它是衡量基带传输系统性能的重要实验手段。
当屏幕上出现波形显示活动窗口（w1:
Sink10和w2:
Sink11）后，点击“SystemSinkCalculator”对话框中的Style和TimeSlice按钮，设置好“Starttime[sec]”和“Length[sec]”栏内参数后单击该对话框内的OK按钮即可。
两个眼图如下图所示：
图1-8信道输入眼图
图1-9信道输出眼图
从上述仿真分析可以看出：
经高斯滤波器形成处理后的基带信号波形远比PN码信号平滑，信号能量主要集中于10倍码率以内，经低通型限带信道后信号能量损失相对较小，由于信道的不理想和叠加噪声的影响，信道输出眼图将比输入的差些，改变信道特性和噪声强度（如StdDev=1V），眼图波形将发生明显畸变，接收端误码率肯定相应增大。
由此可见，基带传输系统中不应直接传送方波码序列信号，应经过波形形成，从而使信号能量更为集中，并通过均衡措施达到或接近无码间干扰系统设计要求。
另外，眼图观察法的确是评测基带系统传输质量的简便有效实验方法。
实验2利用Costas环解调2PSK信号分析举例
一、分析内容
Costas环是一个由同相及正交支路构成的锁相环路，对2PSK信号进行解调是其主要功能之一。
构造一个2PSK信号调制解调系统，利用Costas环对2PSK信号进行解调，以双极性PN码发生器模拟一个数据信源，码速率为50bit/s，载波频率为100Hz。
以PN码作为基准，观测环路同相支路输出和正交支路输出的时域波形。
二、分析目的
通过分析理解Costas环的解调功能和特点。
三、系统组成及原理
2PSK调制和Costas环解调系统组成如图2-1所示。
图2-12PSK调制和Costas环解调系统
其中：
经过低通滤波器后，得到的同相分量和正交分量分别为：
通常，环路锁定后
很小（在仿真分析时可设为0）。
显然，同相分量
，正交分量近似为0，这就是说，只有同相输入分量才包含解调信息。
实际上，Costas环可以同时完成载波同步提取和2PSK信号解调，这及常用的平方环有所不同。
四、创建分析
第1步：
进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：
①运行时间：
StartTime:
0秒；StopTime:
1秒。
②采样频率：
SampleRate:
5000Hz。
第2步：
调用图符块创建如图2-2所示的仿真分析系统。
及前边创建的仿真系统比较，出现了几个“图符参数便签”。
生成“图符参数便签”的操作方法如下：
在全部图符块参数确定后，执行“NotePads>>CopyTokenParameterstoNotePad”菜单命令，再用附着了“Select”条框的鼠标单击某个图符块，立刻生成该图符块的“图符便签参数”。
单击便签框使之激活，拉动四边上的“操作点”可调节其几何尺寸；用鼠标压住便签框，使之显示略微变暗，可移动其位置。
图2-2创建的简单基带传输仿真分析系统
系统中各图符块的设置如下表所示：
表2-1
Token编号
Attribute属性
Type
类型
Parameters
参数设置
0
Source
PNSeq
Amp=1V，Offset=0V，Rate=100Hz，Levels=2，Phase=0deg
1,2,3,11
Multiplier
--
--
4,5
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR，4Poles，Fc=100Hz
6
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR，1Poles，Fc=100Hz
7
Function
FM
Amp=1V，Freq=1000Hz，Phase=0deg
ModGain=5Hz/V
8
Sink
Analysis
Inputfromtoken0OutputPort0
9
Sink
Analysis
Inputfromtoken4OutputPort0
10
Sink
Analysis
Inputfromtoken5OutputPort0
12
Source
Sinusoid
Amp=1V，Freq=1000Hz，Phase=0deg
第3步：
创建完仿真系统后，单击运行按钮，分别由Sink8、Sink9和Sink10显示PN码、同相分量和正交分量的时域波形，如下图所示。
图2-3Sink8_PN码的时域波形
图2-4Sink9_同相分量的时域波形
图2-5Sink10_正交分量的时域波形
由仿真结果明显看出，Costas环的同相分量（同相支路低通滤波器输出）即为数据解调输出，而正交分量（正交支路低通滤波器输出）中没有解调信息。
实验3二进制差分编码/译码器分析举例
一、分析内容
创建一对二进制差分编码/译码器，以PN码作为二进制绝对码，码速率100bit/s。
分析观测绝对码序列、差分编码序列、差分译码序列，并观察差分编码是如何克服绝对码全部反向的，以便为第三部分中2DPSK原理分析的实验做铺垫。
二、分析目的
通过分析理解差分编码/译码的基本工作原理。
三、系统组成及原理
二进制差分编码器和译码器组成如图3-1所示，其中：
{
}为二进制绝对码序列，{
}为差分编码序列。
在实际差分编/译码器中，将码序列延迟一个码元间隔通常是利用D触发器完成的。
图3-1
应当说明，在SystemView中，差分编码器中的延迟环节不直接使用D触发器反而更为方便，而差分译码器中的延迟环节最好利用操作库中的“数字采样延迟图符块”。
四、创建分析
第1步：
进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：
①运行时间：
StartTime:
0秒；StopTime:
0.3秒。
②采样频率：
SampleRate:
10000Hz。
第2步：
首先创建如图3-2所示的二进制差分编码/译码器仿真分析系统。
系统中各符块参数设置如表3-1所示。
图3-2二进制差分编码/译码器仿真分析系统
表3-1
Token编号
Attribute属性
Type
类型
Parameters
参数设置
0
Source
PNSeq
Amp=1V，Offset=0V，Rate=100Hz，Levels=2，Phase=0deg
1
Operator
Sampler
Interpolating，Rate=100Hz，Aperture=0，Jitter=0
2,7
Operator
XOR
Threshold=0V，True=1，False=-1
3
Operator
Gain
GainUnits=Linear，Gain=1
4,9
Operator
Hold
LastValue，Gain=1
5,8
Operator
Sampler
Interpolating，Rate=10000Hz，Aperture=0，Jitter=0
6
Operator
SmplDelay
FillLastRegister，Delay=100Samples
10
Sink
Analysis
Inputfromtoken0OutputPort0
11
Sink
Analysis
Inputfromtoken4OutputPort0
12
Sink
Analysis
Inputfromtoken9OutputPort0
由于系统中的数字采样延迟符块（Token6）的输入接采样器图符块（Token5）输出，Token5的采样频率为10000Hz，绝对码时钟频率为100Hz，Token6的作用是将码序列延迟一个码元并及前边采样块的采样频率相关，故延迟的采样点数目应设置为100。
第3步：
观察编、译码结果。
在分析窗下，差分编码器输入（绝对码）、差分编码器输出及差分译码器输出分别由Sink10、11、12给出，如图所示。
显然，此时差分编码的基本规律是：
逢绝对码1时逻辑电平反转，逢绝对码0时逻辑电平不变。
图3-3Sink10_差分编码器输入波形
图3-4Sink11_差分编码器输出波形
图3-5Sink12_差分译码器输入波形
第4步，得到仿真结果后，将差分编码器及差分译码器之间插入一个非门（NOT），再看仿真结果。
可以观察到，差分编码和译码方式可以克服编码输出序列的全反相，差分译码序列及不反相的相同。
充分理解了这一原理，就能很快理解2DPSK是如何解决载波1800相位模糊问题的，同时将有助于自行创建包含差分编码及译码的2DPSK系统。
实验4相干接收2ASK系统分析
一、系统组成及原理
相干接收2ASK系统组成如图4-1所示：
图4-1相干接收2ASK系统组成
二、创建分析
第1步：
根据图4-2所示系统，在SystemView系统窗下创建仿真系统，首先设置时间窗，运行时间：
0-0.3秒，采样速率：
10000Hz。
图4-2仿真系统组成系统
第2步：
调用图符块创建如下图所示的仿真分析系统：
表4-1系统图符块参数设置
Token
编号
Attribute属性
Type
类型
Parameters
参数设置
0
Source
PNSeq
Amp=0.5V，Offset=0.5V，Rate=100Hz，Levels=2，Phase=0deg
1,5
Multiplier
--
--
2,6
Source
Sinusoid
Amp=1V，Freq=3000Hz，Phase=0
3
Adder
--
--
4
Source
GaussNoise
Std=0.3V，Mean=0V
7
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR，5Poles，Fc=200Hz
8
Operator
Sampler
Interpolating，Rate=100Hz，
Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec
9
Operator
Hold
LastValue，Gain=1
10
Operator
Compare
a>=b，True=1，False=0
11
Source
StepFct
Amp=0.3V，Starttime=0，Offset=0V
12,13,14,15,16,17
Sink
Analysis
/
第3步：
在系统窗下创建仿真系统，观察指定分析点的波形、功率谱及谱零点带宽，如下图所示：
图4-3Token12-17波形图
图4-4Token12功率谱
图4-5Token13功率谱
图4-6Token14功率谱
图4-7Token15功率谱
图4-8Token16功率谱
图4-9Token17功率谱
第4步：
修改PN码为双极性极性码（Amp=1V，Offset=0V），并重新观测如下图：
图4-10修改PN码后的Token12-17波形图
第5步：
改变噪声强度后，观察解调波形的变化，体会噪声对数据传输质量的影响。
图4-11改变噪声强度后的波形图
实验52FSK系统分析
一、系统组成及原理
以话带调制解调器中CCITTV.23建议规定的2FSK标准为例，该标准为：
码速率1200bit/s；
及
。
要求创建符合CCITTV.23建议的2FSK仿真系统，调制采用“载波调频法”产生CP-2FSK信号，解调采用“锁相鉴频法”。
为了提高接收端的抗干扰能力，对于滤波器输出的电压采用“采样+判决”的处理。
在本实验中，可在同样噪声干扰时比较仅采用“判决”的波形整形方式及“采样+判决”的处理方式的效果。
图5-12FSK仿真系统组成
二、创建分析
在SystemView系统窗下创建仿真系统，设置时间窗，运行时间：
0-0.1秒，采样速率：
10000Hz。
组成系统如图5-2，各元件参数如表5-1所示。
图5-22FSK仿真系统组成
表5-12FSK仿真系统中各图符块的参数设置
Token
编号
Attribute属性
Type
类型
Parameters
参数设置
0
Source
PNSeq
Amp=1V，Offset=0V，Rate=1200Hz，Levels=2
1
Function
FM
Amp=1V，F=1700Hz，
ModGain=400Hz/V
2
Adder
--
--
3
Source
GaussNoise
Std=0.1V，Mean=0V
4
Operator
LinearSys
ButterworthBandpassIIR，5Poles，LowFc=200Hz，HiFc=3400Hz
5
Multiplier
--
--
6
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR，1Poles，Fc=600Hz
7
Function
FM
Amp=2V，F=1700Hz，
ModGain=800Hz/V
8
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR，9Poles，Fc=1200Hz
9
Sink
Analysis
Inputfromtoken0
10
Sink
Analysis
Inputfromtoken1
11
Sink
Analysis
Inputfromtoken4
12
Sink
Analysis
Inputfromtoken6
13
Sink
Analysis
Inputfromtoken8
14
Operator
Sampler
Interpolating，Rate=1200Hz，
Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec
15
Operator
Hold
LastValue，Gain=2，
OutRate=10000Hz
16
Sink
Analysis
Inputfromtoken15
17
Operator
Compare
a>=b，True=1V，False=-1V，
Ainput=token15，Binput=token18
18
Source
Sinusoid
Amp=1V，F=0Hz
19
Sink
Analysis
Inputfromtoken17
20
Operator
Compare
a>=b，True=1V，False=-1V，
Ainput=token8，Binput=token18
21
Sink
Analysis
Inputfromtoken20
在系统窗下创建仿真系统，观察各接收分析器的时域波形，以及Token10的功率谱，如下图所示：
图5-3各接收分析器的时域波形
图5-4Token10的功率谱
在高斯噪声强度较小时，观察各接收分析器的时域波形：
图5-5高斯噪声强度较小时各接收分析器的时域波形
将Token3的标准偏差（StdDeviation）加大到0.4V，再观察Token19和Token21的时域波形：
图5-6Token19的波形图
图5-7Token21的波形图
实验6相干接收2PSK系统分析
一、系统组成及原理
本实验安排了2PSK和2DPSK系统分析内容。
在分析中，除巩固二进制移相键控系统的工作原理外，应特别注意2DPSK系统是如何解决同步载波180°相位模糊问题的。
图6-12PSK仿真系统组成
对2PSK信号相干接收的前提是首先进行载波提取，可采用平方环或科斯塔斯环来实现。
为分析方便起见，在本实验中可直接在接收端设置一个及发送端同步的本地载波源（直接复制图符块）。
另外，本实验中暂不考虑同步提取问题。
二、创建分析
在SystemView系统窗下创建仿真系统，设置时间窗，运行时间：
0-0.3秒，采样速率：
10000Hz。
组成系统如图6-2，各元件参数如表6-1所示。
图6-22PSK仿真系统组成
表6-12PSK仿真系统中各图符块的参数设置
Token
编号
Attribute属性
Type
类型
Parameters
参数设置
0
Source
PNSeq
Amp=1V，Offset=0V，Rate=100Hz，Levels=2
1,5
Multiplier
--
--
2,6
Source
Sinusoid
Amp=1V，Freq=3000Hz，Phase=0，
Output1=Cosin
3
Adder
--
--
4
Source
GaussNoise
StdDev=0.5V，Mean=0V
7
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR，5Poles，Fc=200Hz
8
Operator
Sampler
Interpolating，Rate=100Hz，
Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec
9
Operator
Hold
LastValue，Gain=1，
10
Operator
Compare
a>=b，True=1V，False=-1V，
11
Source
Sinusoid
Amp=0V，Freq=0Hz
12-17
Sink
Analysis
/
在系统窗下创建仿真系统，分别观察Token12、13、14、15、16、17的时域波形，以及Token13的2PSK信号功率谱结构及谱零点带宽，如下图所示：
图6-3各接收分析器的时域波形
图6-4Token13的功率谱
将高斯噪声源的标准差增大到1V，将两种系统的输入码序列及解调码序列进行对比，观察各接收分析器的时域波形：
图6-5高斯噪声强度较大时Token12输入码序列的时域波形
图6-6高斯噪声
升级会员 