通信系统仿真实验报告.docx
《通信系统仿真实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信系统仿真实验报告.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
通信系统仿真实验报告
基于SystemView的
通信系统仿真
实验报告
学号：
姓名：
指导教师：
2012年8月30日
实验一模拟调制系统设计分析…………………………………2
Ø以振幅调制（AM）系统为例
实验二模拟信号的数字传输系统设计分析……………………10
Ø以脉冲振幅调制（PAM）系统为例
实验三数字载波通信系统设计分析……………………………15
Ø以二进制相移键控（2FSK）系统为例
实验感想……………………………………………………………26
参考文献……………………………………………………………26
实验一模拟调制系统设计分析
一、实验内容
振幅调制系统（常规AM）
二、实验要求
1、根据设计要求应用软件搭建模拟调制、解调（相干）系统；
2、运行系统观察各点波形并分析频谱；
3、改变参数研究其抗噪特性。
三、实验原理
任意的AM已调信号可以表示为
，
且
不等于0时，称为常规调幅，其时域表达式为：
其中
是外加直流分量，f（t）是调制信号，它可以是确知信号也可以是随机信号。
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1所示的系统来实现。
图1常规AM调制系统框图
要使输出已调信号的幅度与输入调制信号f（t）呈线性对应关系，应满足
，否则会出现过调制现象。
解调可以用相干解调也可以用包络检波（非相干）。
对于相干解调，
，因此只需要用一个跟载波信号同频同相的正弦波跟接受信号相乘再通过低通滤波器滤波即可以将原信号解调出来。
而对于非相干解调，从
的表达式可以看出只需要对它进行包络检波即可将原信号解调出来。
当然，用非相干解调时不可以过调制，而相干解调则可以。
这两种方法相比而言，非相干解调更经济，设备简单，而相干解调由于需要跟载波同频同相的信号，因此设备比较复杂。
四、实验步骤与结果
1、实验原理图
根据AM已调信号的公式
，其中
。
通过有噪声的信号后，接收并利用相干解调方法进行解调，这样就可以获得如下的原理图。
其中正弦信号源信号（图符2）幅度为1v，频率为100Hz；载波信号（图符0）幅度为1v，频率为1KHz。
解调部分的本振源（图符8）与载波信号源的设置相同，幅度为1v，频率为1KHz。
低通滤波器的截止频率为200Hz，保留正弦信号源的频率100Hz，并滤除了高频的分量，这样得到的输出信号的幅值是输入信号的二分之一。
图2AM调制原理图
2、首先设置的总体的定时，如下图所示。
采样的速率要相对高一点，否则会出现错误。
首先设置高斯噪声为0。
图3定时设置
3、实验的波形及分析
（1）输入与载波波形
正弦信号源信号（图符2）幅度为1v，频率为100Hz。
载波信号（图符0）幅度为1V，频率为1KHz。
其波形和频谱如下图所示，可见输入频谱集中在100Hz左右，载波频谱集中在1KHz左右。
图4输入波与载波的波形与频谱
（2）调制与输出波形
调制后，波形如下图所示。
波形的包络与正弦信号一致，由于直流分量的存在，在信号的频谱中会出现三个尖顶。
分别对应载波频率，载波频率与原始信号频率之差以及载波频率与原始信号频率之和。
图5已调波与输出波的波形与频谱
（3）输出信号
下图是输入的波形与输出的波形在时域与频域的比较，易见二者在幅度上相差两倍，即输出波形的幅度是输入波形的二分之一。
这是因为在解调过程中，载波信号与本振信号相乘得到一个1/2，所以导致了幅度的变化。
如果添加一个两倍的增益，则二者的幅度相同。
但是由频谱对比来看，二者在波形上还有一些细微的差别，这是由于噪声的影响，后面会进一步分析。
图6输入与输出波的波形与频谱对比
4、抗噪声性能分析
上面加的高斯噪声为0，即信道无噪声，这里增加噪声，并观察输出波形与输入波形的差别。
（1）噪声为0.2V时
图7噪声为0.2V
（2）噪声为0.5V时
图8噪声为0.5v
（3）噪声为0.7V时
图9噪声为0.7V
（4）噪声为1V时
图10噪声为1V
5、频谱分析
理论上正弦信号的频谱为单一频率，但是由图中可见，该正弦的频率是一个范围，在特定的频率上有一个尖顶。
而已调信号的频谱如前面所说，是由三个分量构成，这可由公式推导出：
即调制信号与本振信号相成之后会有三个分量。
而经过解调后得到频谱理论上也是单一的频率，与输入信号的频率相同，但实际上也只是一个尖顶。
下图是输入频谱与输出频谱的对比，可见在高斯噪声为1V时，输入与输出信号的频谱大致相同，但是由于噪声较大，输出信号受噪声的影响较大，故而会出现一些较大的波动。
6、抗造性能分析
由图7到图10可见，当输入信号一定时，随着噪声的加强，接收端输入信号被干扰得越严重，而相应的输出波形相对于发送端的波形误差也越大。
而当噪声过大时，信号几难分辨。
这是信噪比变小导致的，在实际的信号传输过程中，当信道噪声过大将会导致幅度相位等各种失真，当然由于非线性元件如滤波器等的存在。
非线性失真也会随噪声加大而变大。
实验二模拟信号的数字传输系统设计分析
一、实验内容
脉冲振幅调制（PAM）系统
二、实验要求
1、根据设计要求应用软件搭建模拟信号的数字传输（调制、解调）系统；
2、运行系统观察各点波形并分析频谱等。
三、实验原理
脉冲振幅调制（PAM）是利用冲击函数对原始信号进行抽样，它是一种最基本的模拟脉冲调制，它往往是模拟信号数字化过程中的必经之路。
设基带脉冲信号的波形为m（t），其频谱为M（f）；用这一信号对一个脉冲载波s（t）调幅。
s（t）的周期为
，其频谱为S（f）；脉冲宽度为
，幅度为A；并设抽样信号
是m（t）和s（t）的乘积。
则抽样信号
的频谱就是二者频谱的卷积：
其中
图1中示出PAM调制过程的波形与频谱。
s（t）的频谱包络|S（f）|的包络呈|sinx/x|形，并且PAM信号
的频谱
包络|
|的包络也呈|sinx/x|形。
若s（t）的周期T
，则采用一个截止频率
的低通滤波器仍可以分离原模拟信号。
图1脉冲振幅调制
实验总体的电路如下图图2所示，把输入信号与脉冲信号通过相乘器相乘，这样在频域就达到了卷积的效果。
这样频谱就会在频谱分开，如图1所示，通过信道传输后再通过低通滤波器，只要低通滤波器的截止频率
就可以实现解调。
图2PAM原理
四、实验步骤与结果
1、实验总体电路
如下图所示，图中采用的是高斯信号源（图符0），其幅值为1V。
两个低通滤波器（图符1与图符7）的截止频率均为300Hz，脉冲（图符2）的频率为5KHz，而脉冲宽度为周期的一半，即
。
增益（图符6）的大小为2，与
相乘后幅值为1，即与输入相同，信道噪声（图符3）先设置为0。
图3实验总体电路
2、各点信号与频谱
（1）输入的高斯信号
这个实验是以高斯信号为蓝本，滤波后作为输入信号进行实验。
高斯信号幅值为1V。
图4输入的高斯信号与滤波后波形与频谱
（2）低通后信号
高斯信号通过低通滤波器后信号变化趋于平缓，这是因为高频的分量大致被滤除，如图4所示，可见，虽然频率较高的分量被抑制，但是由于低通滤波器并不理想，所以高频分量依然存在，表现为在滤波后的波形上会有跳变。
（3）脉冲信号
这里脉冲信号的频率为5KHz，满足T
的条件。
（4）调制后信号
经调制后，信号的波形如图5所示。
调制信号的包络与原信号一致，只是变得离散。
由频谱可以看出，相邻的频谱几乎不重叠，除了应该被滤除的高频分量有些重叠，因此调制后的信号可以经过低通滤波器进行恢复。
图5调制信号与输出信号波形与频谱
（5）输出信号
如图5所示，是经过信道传播后再通过低通滤波器恢复信号获得波形，可见其波形大致与原信号相同，其频谱是调制信号频谱经低通滤波得到的，大致与原信号的频谱相同。
3、波形分析与频谱分析
（1）波形分析
经过低通滤波器恢复的信号与原信号对比如图7所示，可见波形在时间上有一定的延时，这是由于采用滤波器的缘故。
此外细看上去，在一些部分波形出现不一致，输出的波形较为平缓，这是因为低通滤波器的非理想造成的，高频分量不能完全的被滤除。
图7高斯滤波后信号与输出信号波形与频谱对比
（2）频谱分析
高斯信号经低通滤波后频率被带限在300Hz以内，如图5所示。
而后经过与脉冲信号相乘进行PAM调制。
由之前的分析可知，抽样信号
是m（t）和s（t）的乘积。
则抽样信号
的频谱就是二者频谱的卷积：
理论上信号的频谱是Sa函数的波形，但是由于采样周期较大，这里只显示了部分，看到的两个大致是相同的，实际上当频率范围变大时，频谱包络应该是呈Sa函数的波形。
而后的低通滤波器恢复频谱在之前已讨论过，不再赘述。
实验三数字载波通信系统设计分析
一、实验内容
二进制频移键控（2FSK）系统
二、实验要求
1、根据设计要求应用软件搭建数字载波通信系统（调制、解调）；
2、运行系统观察各点波形并分析频谱、眼图等；
3、改变参数研究其抗噪特性；
4、分析BER曲线等。
三、实验原理
数字调频又称移频键控，简记为FSK，它是载波频率随数字信号而变化的一种调制方式。
利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。
除具有两个符号的二进制频移键控之外，尚有代表多个符号的多进制频移键控，简称多频调制。
一种用多个载波频率承载数字信息的调制类型。
最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统。
本实验采用2FSK调制，利用键控法产生2FSK信号。
其实验原理图如图1所示，即通过二进制数据的0值与1值控制开关与哪一路频率信号接通，这样0值与1值对应不同的频率，达到调制的目的。
图1键控法产生信号
FSK信号的解调方法有相干解调，非相干解调等。
在高斯白噪声信道环境下FSK滤波非相干解调性能较相干FSK的性能要差，但在无线衰落环境下，FSK滤波非相干解调却表现出较好的稳健性。
在这个实验里我们采用的是高斯信道，故而用相干解调方法。
FSK相干解调要求恢复出传号频率与空号频率，恢复出的载波信号分别与接收的FSK调制信号相乘，然后通过低通滤波器滤除相乘后得到的高频分量，保留低频近乎直流的分量。
相干FSK解调框图如图2所示。
图2相干解调
四、实验结果
1、实验主体
（1）原理图
原理图如下图3，利用键控法产生2FSK信号FSK相干解调恢复信号。
其中低频正弦信号为1000Hz，高频正弦信号为2000Hz，随机码为500Hz。
上支路带通滤波器为500Hz到1500Hz，下支路带通滤波器为1500Hz到2500Hz，上下支路的低通滤波器均为500Hz，各参数如图所示。
图3实验原理图
2、波形与频谱
按图3的实验原理图连接好元器件，然后进行仿真。
可获得如下的波形与频谱
（1）输入随机码波形与输出波形
以下是随机信号原波形与通过判决器波形后，恢复的原始信号波形，由图中可见，该信号是有一定的时延，这是因为示波器的非理想等原因导致的。
图4输入随机波形与输出波形
（2）调制后信号与频谱
调制后的波形如图5所示，由图中可以看出，原始信号高电平时，调制信号频率较高，反之频率则较低。
图5调制后信号波形
（3）滤波后信号
带通滤波时，上支路信号是通过带通获得频率较低的分量，对应原始信号的低电平，如下图所示。
通过500Hz到1500Hz的带通滤波后，1000Hz的低频分量被滤出来，而2000Hz对应的量幅度则接近于零。
下支路信号是通过带通获得频率较高的分量，对应原始信号的高电平，如下图所示。
通过1500Hz到2500Hz的带通滤波后，2000Hz的低频分量被滤出来，而1000Hz对应的量幅度则接近于零。
低通滤波后，导致幅度突变的高频分量被滤除掉了，幅度变换区域平缓，得到下图是所示的时域波形。
当原始信号电平为0时，下图信号的对应值为1；而当原始信号电平为1时，下图信号的对应值为0。
而通过低通滤波后，频谱也集中在500Hz以内。
同样的，低通滤波后，导致幅度突变的高频分量被滤除掉了，幅度变换区域平缓，得到下图是所示的时域波形。
当原始信号电平为0时，下图信号的对应值为0；而当原始信号电平为1时，下图信号的对应值为1。
而通过低通滤波后，频谱也集中在500Hz以内。
图6两支路通过滤波器后信号波形
3、眼图与抗噪性能
（1）原理图
图7眼图观测原理图
（2）眼图的观测
在低通滤波器之后，接收器图符之前加了一个抽样器图符，用来调整采样率以配合SystemView接收计算器的时间切片绘图功能来观察眼图。
时间切片功能可以把接收计算器在多个时间段内记录到的数据重叠起来显示。
时间段的起始位置和长度都可以由计算器窗口设置。
为满足时间切片周期和码元同步并且能完整地观察到一个眼图的要求，一般将时间切片的长度设置为当前采样率下采样周期的两倍长。
这里将采样频率设置为100Hz，采样周期为10ms，则时间切片应设为20ms。
时间切片的设置如下图所示，在接受计算器窗口下选择“Style”项，再输入“TimeSlice”的参数。
确定退出后即可看到眼图。
图8时间切片设置
（3）眼图与分析
如下图所示，在没有高斯噪声时，眼图是清晰简洁的眼形状，而随着噪声的加大，眼图线条愈加凌乱，观察到眼图的“眼睛”张开的幅度变小，即噪声容限下降，对应输出波形，就是信号受噪声的影响加大，愈加不容易分辨。
图9无高斯噪声图100.2V高斯噪声
图110.5V高斯噪声图120.8V高斯噪声
4、BER曲线
（1）总体原理图
BER分析的原理图如下图所示，由图可见，实验在原原理图基础上增加了一些模块，如比特误码率延迟BER模块、延迟模块等，以下就实验步骤和各部分模块进行分析。
图13BER分析原理图
（2）步骤
①首先设置高斯噪声，如下图所示。
由于信号幅度为1V，故而相应的值不能设置太大，否则不能出结果。
图14高斯噪声设置
②添加BER计算器，并作如下设置。
No.TRIALS为对比试验的比特数，通常这个取值具有一定的要求。
如果希望测出1e-4的BER，则至少进行1e+5的对比试验，这样经过统计得到的BER才比较可信。
同时也必须将系统定时中每个仿真循环的采样数设得足够大。
在这个仿真实验中，我们设“No.TRIALS”为100000，系统定时中的每个循环采样点数为40000，循环次数设置为十次。
注意，系统定时中的采样点数必须大于No.TRIALS的值。
图中“Threshold”值为参考信号与解调信号差异的门限值，这里设为0.5，当二者之差大于该值判为错，BER计数器累计0.5，小于该值时则判为正确。
“Offset”为时间偏移量，该值决定系统从什么时候开始进行比较试验。
通常无延时置为0，但是对某些具有滤波器、寄存器延时的系统则需要队员是信号进行精确延时后才能与解调信号进行比较，因此必须在延时结束后才能进行对照比较。
图15BER计算器设置
连接BER计数器的输出到接收计算器图符时，必须选择三种输出之一，其中选择0：
BER为实时BER值，选择1：
CummulativeAvg为BER的累计均值，选择2：
TotalErrors为错误总数。
图符30为停止接收计数器图符。
它的功能是当输入超过设定的门限值时，停止本次仿真，如果系统设置为多循环则进入下一循环的仿真运算。
这里设置为多次循环，并将系统定时中的No.ofSystemloops设置为9。
在BER仿真原理图中，还有一个终值接收计算器（图符25），它与BER计数器的累计均值输出（输出1）端连接，当仿真进行时，每一个循环结束时会显示本次循环的BER均值，该值也是用于计算BER/SNR曲线的基础，只有利用该计算器的数据才能绘出所需的BER曲线。
图16停止计数器设置
③全局变量的关联与BER曲线的生成
通过上述设置，一个简单的高斯噪声信道的BER测试模型就基本设置完毕。
但是此时并不能绘出完整正确的BER/SNR曲线，还必须将噪声增益控制与系统循环次数进行全局变量关联，使信道的信噪比（SNR）由0dB开始逐步加大，即噪声逐步减小。
每次减小的步长与循环次数有关。
设置全局变量的方法是，单击主菜单的“Tools”选项，选择“GlobalParameterLinks”。
这时出现下图的界面。
图17全局关联设置
点击AllTokens出现所有选项，选择增益（Gain），设置每次信噪比递增1dB，即噪声减小1dB，则在相应的定义栏将F[Gi,Vi]的值置为-cl。
这里的cl为系统变量“currentsystemloop”系统循环次数。
下面求BER/SNR曲线，进行如下设置。
选择“Style”功能中的“BERPlot”。
设置起始信噪比为1dB，增量“Increment”值为1（必须与预先设置的增益关联一致）。
在选择计算窗口“Selectonewindow”中，选择刚刚获得的系统累计误码率均值相对时间的关系曲线的窗口，单机确定后，即可获得所需的BER/SNR曲线。
图18BER绘图设置
图19BER/SNR曲线
④与标准值比较
首先使用计算器功能“Comm”中的“TheoreticalBERPlots”功能，选择允许覆盖曲线窗口，并选中需要对比的标准理论曲线类型。
将起始信噪比设置为1dB，终止信噪比为10dB。
点击确认后便可获得所需的曲线图。
图20BER与理论比较设置
图21BER曲线与理论曲线比较
⑥由上图可见，随着信噪比的提高，误码率单调下降，但是与理论值有一定的差异。
而随着信噪比的越来越高，差异似乎更大，这个是因为在实际的系统中滤波器不是理想的，像带通滤波器和低通滤波器是巴特沃斯滤波器，并非理想的方形，会附加一定频带外噪声。
同时，之前获得延时也不是完全准确的，也会造成一定的附加噪声。
实验体会
开始接触SystemView系统时，通过了两个小实验了解并熟悉了其运用以及该系统的基本功能与基础模块。
对于实验一，该实验原理极为简单，是常规的振幅调制，老师也提供了详细的实例分析，因此做起来很容易上手，这个实验完成得比较快，并不占用时间，但是通过这个实验更加掌握了对SystemView系统的运用。
数字调频又称移频键控，简记为FSK，它是载波频率随数字信号而变化的一种调制方式。
利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。
除具有两个符号的二进制频移键控之外，尚有代表多个符号的多进制频移键控，简称多频调制。
一种用多个载波频率承载数字信息的调制类型。
最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统。
实验二采用2FSK调制，利用键控法产生2FSK信号，并用相干解调的方法得出原波形。
实验三与前两个相比难度加大了许多，首先是刚开始的主体电路，本身的系统较为复杂，但这并不是本实验的难点所在。
本实验的难点在于眼图和BER曲线的分析。
主体电路花费的时间还是比较小的，但是做到眼图时，十分不顺利，一直做不出结果，结果好像一直是理想的眼图模样，后来同学看书才发现，眼图是要在低通滤波器之后接示波器观测的，而非在抽样判决之后，受益匪浅。
而随后的BER更复杂了，对着14章的教材一点点看，不段的调参数，最后终于在高斯噪声的调整下出现了下降平滑的BER曲线。
总之，这次实验收获颇多，通过运用SystemView系统仿真，直观的展现了调制解调系统的过程，对通信原理这门课有了更深的感悟。
同时，对通信这个专业有了进一步了解。
参考文献
[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第6版）.国防工业出版社，2006.
[2]罗卫兵，孙桦，张捷.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计，西
安：
西安电子科技大学出版社，2001.
[3]青松，等.数字通信系统的SystemView仿真与分析，北京：
北京航空航天大学出版社，2001.
升级会员 