浙理通信原理报告课程设计要点.docx
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浙理通信原理报告课程设计要点
《通信原理》课程设计报告
专业班级：
11通信工程
（1）班
姓名：
学号：
指导老师：
高法钦、汪弘
日期：
2014年1月9号
目录
引言1
第一章课程设计内容概述1
1.1Systemview简述1
1.2AM超外差收音机简述
1.32DPSK简述3
第二章任务一AM超外差收音机的设计4
2.1实验目的4
2.2实验内容4
2.3实验原理4
2.4超外差接收机构造5
2.5实验结果及分析5
2.5.1AM超外差收音机仿真模型参数设置
2.5.2系统各部分仿真波形
第三章任务二二进制差分相位键控（2DPSK）的调制和解调9
3.1实验目的9
3.2实验内容9
3.3实验原理10
3.3.12DPSK键控法调制原理
3.3.2相干解调法实验原理
3.4系统组成、图符块参数设置及仿真结果12
3.4.1键控法调制13
3.4.2相干解调法实验设计及结果16
第四章实验总结与心得体会20
参考文献21
引言
第一章课程设计内容概述
1.1Systemview简述[2]
SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行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。
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的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（MainLibrary）及专业库（OptionalLibrary），基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。
SystemView能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。
这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。
SystemView的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标—如幅频特性（伯特图）、传递函数、根轨迹图等之间的转换。
在系统设计和仿真分析方面，SystemView还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。
在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。
另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。
SystemView还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。
提供了与编程语言VC++或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。
还具备与硬件设计的接口：
与Xilinx公司的软件CoreGenerator配套，可以将SystemView系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，SystemView还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。
1.2AM超外差收音机简述
超外差式收音机是指输入信号和本机振荡信号产生一个固定中频信号的过程。
如果把收音机收到的广播电台的高频信号，都变换为一个固定的中频载波频率（仅是载波频率发生改变，而其信号包络仍然和原高频信号包络一样），然后再对此固定的中频进行放大，检波，再加上低放级，功放级，就成了超外差式收音机。
超外差式是与直放式相对而言的一种接收方式，超外差式收音机能把接收到的频率不同的电台信号都变成固定的中频信号（465kHz）,再由放大器对这个固定的中频信号进行放大。
它的优点是灵敏度高，选择性好，音质好（通频带宽）工作稳定（不容易自激），它的缺点是镜像干扰（比接收频率高两个中频的干扰信号）较大，存在假响应（变频电路的非线性），但这并不影响它的广泛应用，现在大部分的收音机都是超外差的。
1.32DPSK简述
现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。
作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。
从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。
在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控（2PSK）信号。
因为在调制过程中，2PSK调制容易出反向工作问题，影响2PSK信号长距离传输。
为克服此缺点，并保持2PSK信号的优点，将2PSK体制改进为二进制差分相移键控体制[1]。
二进制差分相移键控简称为二相相对调相，记作2DPSK。
它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。
所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。
与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。
这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。
这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。
由于相对移相调制无“反问工作”问题，因此得到广泛的应用。
单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的。
这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。
这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。
第二章任务一AM超外差收音机的设计
2.1、实验目的：
（1）了解超外差收音机的电路组成、工作原理和特点；
（2）分别从时域、频域视角观测超外差收音机中的基带信号、载波及已调信号；
（3）熟悉系统中信号功率谱的特点。
2.2、实验内容：
以扫频信号作为系统输入信号。
（1）采用调幅实现信号的传递；分别观测接收机输入端（混频前）、混频后、检波后的信号波形和频谱；比较输入基带信号和检波输出信号的波形和频谱。
（2）获取主要信号的功率谱密度。
2.3、实验原理：
超外差接收技术广泛用于无线通信系统中。
图1-1所示的是一个基本的超外差收音机的原理框图。
图1-1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。
输入滤波器用于滤除干扰信号和噪声、以及镜像频率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。
2.4超外差接收机构造
超外差接收机主要由下列几个部分组成
前置放大器
前置放大器的作用是放大调变的频率信号，过滤其他频率的信号。
通常由一个可变电容和固定电感组成的滤波电路和一个电晶体放大线路组成。
收音机的前置放大器的调幅波段通常是540千赫兹（KHz）至1600千赫兹（KHz）。
可变振荡器
可变振荡器由一个固定电感和可变电容加电晶体组成的一个可变频率的振荡器。
可变振荡器的可变电容和前置放大器的可变电容，必须同步地变化。
同步功能是依靠双联可变电容器形成的。
当收音机的前置放大器的波段通常是540千赫兹（KHz）至1600千赫兹（KHz）时，内部振荡器的频率范围是995千赫兹（KHz）到2075千赫兹（KHz）。
可变电容有机械式可变电容，压电式可变电容等。
中频放大器
中频放大器的作用是将前置放大器和可变振荡器混合后产生的其他频率的信号过滤，仅将以中频=455千赫兹（KHz）为中心的频带放大。
中频放大器的主要元件是两个455千赫兹（KHz）的中频带通滤波器。
中频带通滤波器（有时也叫中频变压器）对于以455千赫兹为中心的频带以外的信号有不错的滤波。
一般中频放大器的放大倍率为30-60分贝（dB），如不采取适当的屏蔽，过高的放大倍率可能会引起正回授振荡。
较高阶的接收机的有时利用到二级的中频放大器以加强放大倍率和选择性，第一级中频放大器将信号变为较高的中频，然后经过第二级中频放大器（带有另一个振荡器）变为低的中频。
这种架构的中频放大器具有很高的放大倍率。
音频放大器
经过中频放大器过滤和放大的信号，由检波二极体检波后（实际上就是把信号进行半波整流）剩下音频的信号，再经功率放大器放大送入扬声器发出声音。
2.5.实验结果及分析
2.5.1AM超外差收音机仿真模型参数设置：
为节省仿真时间，本任务不要求按实际的540-1700KHz的频率覆盖范围和455KHz中频频率设计，而是可以采用20KHz作为IF。
另外设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。
设希望接受的频率为第二个电台的频率40KHz，则本振应为40+20=60KHz。
带通滤波器通带范围为15K~25KHz，低通滤波器截止频率为5KHz。
图1-2AM超外差收音机仿真模型
收音机仿真结果及其性能的分析，可以通过SystemView测量
2.5.2系统各部分仿真波形如下：
混频前信号波形
混频前信号频谱（载波分别为30kHz、40kHz、50kHz，调制信号分别对应2K、3K、4K）
混频前信号功率谱密度
混频后信号波形
混频后信号频谱（本地混频载波为60KHZ，故混频后各中心调制载波为30K,20K,10K）
混频后信号功率谱密度
混频后信号频谱分为上边频和下边频，实验中带通滤波器通带范围取15K-25K，故取下边频。
过带通滤波器后的信号波形，带通范围为15K~25K，故中心频率为20K的已调信号能通过
过带通滤波器后的信号频谱，中心频率20K，基带信号频率3KHZ
基带信号波形
基带信号频谱
检波输出波形
检波输出信号频谱
可知，基带信号和检波后输出波形基本一致，没有出现噪声干扰及失真现象，频谱也满足3khz范围之内，满足信号传输要求
第三章任务二二进制差分相位键控（2DPSK）的调制和解调
3.1、实验目的：
（1）了解2DPSK系统的电路组成、工作原理和特点；
（2）分别从时域、频域视角观测2DPSK系统中的基带信号、载波及已调信号；
（3）熟悉系统中信号功率谱的特点。
3.2、实验内容：
以PN码作为系统输入信号，码速率Rb＝20kbit/s。
（1）采用键控法实现2DPSK的调制；分别观测绝对码序列、差分编码序列，比较两序列的波形；观察调制信号、载波及2DPSK等信号的波形。
（2）采用相干解调法实现2DPSK的解调，分别观察系统各点波形。
（3）获取主要信号的功率谱密度。
3.3、实验原理：
3.3.12DPSK键控法调制原理
2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。
假设前后相邻码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为
则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下表所示
数字信息与之间的关系也可以定义为
2DPSK信号调制过程波形如图1所示。
10010110
2
图2-12DPSK信号调制过程波形
可以看出，2DPSK信号的实现方法可以采用：
首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。
2DPSK信号调制器原理图如图2所示。
图2-22DPSK信号调制器原理图
其中码变换即差分编码器如图2-3所示。
在差分编码器中：
{an}为二进制绝对码序列，{dn}为差分编码序列。
D触发器用于将序列延迟一个码元间隔，在SystemView中此延迟环节一般可不采用D触发器，而是采用操作库中的“延迟图符块”。
图2-3差分编码器
3.3.2相干解调法实验原理
2DPSK信号可以采用相干解调方式（极性比较法），对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。
解调器原理图和解调过程各点时间波形如图2-4（a）、（b）所示：
其中码反变换器即差分译码器组成如图2-5所示。
在差分译码器中：
dn为差分编码序列，an为差分译码序列。
D触发器用于将序列延迟一个码元间隔，在SystemView中此延迟环节一般可不使用D触发器，而是使用操作库中的“延迟图符块”。
图2-42DPSK信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形
图2-5差分译码器
3.4系统组成、图符块参数设置及仿真结果：
总模型框图（采用键控调制法和相干解调法）
3.4.1键控法调制：
采用键控法进行调制的组成如图4所示。
图4键控法调制的系统组成
其中图符2产生绝对码序列，传码率为20kbit/s。
图符6和图符3实现差分编码；图符0输出正弦波，频率为40kHz；图符1对正弦波反相；图符7为键控开关。
图符7输出2DPSK信号。
图符的参数设置如表1所示。
表1：
键控法图符参数设置表
编号
库/名称
参数
0
Source:
Sinusoid
Amp=1v，Freq=40e+3Hz，Phase=0deg，
Output0=Sinet4t5，Output1=Cosine
1
Operator:
Negate
2
Source:
PNSeq
Amp=1v，Offset=0v，Rate=20e+3Hz，
Levels=2，Phase=0deg
3
Operator:
Delay
Non-Interpolating，Delay=50.e-6sec，Output0=Delay，
Output1=Delay-dTt2
6
Logic:
XOR
GateDelay=0sec，Threshold=0v，TrueOutput=1v
FalseOutput=-1v
7
Logic:
SPDT
SwitchDelay=0sec，Threshold=500.e-3v，
Input0=t3Output0，Input1=t5Output0，Control=t2
系统定时：
起始时间0秒，终止时间800e-6秒，采样点数500，采样速率400e+3Hz，获得的仿真波形如下图所示。
（a）绝对码序列
（b）相对码序列
（c）未调载波信号
（d）调制后（2DPSK）信号
从图（b）和（d）波形对比中可以发现，相对码序列中的“1”使已调信号的相位变化π相位；相对码的“0”使已调信号的相位变化0°相位。
主要信号的功率谱密度：
图10调制信号的功率谱
图11正弦载波的频谱
2DPSK的功率谱如图12所示。
图122DPSK的功率谱
由图10可见，基带信号的大部分能量落在第一个零点（20kHz）的频率范围之内，即基带带宽为20kHz。
由图11可见，载频信号的频谱位于40kHz，且频谱较纯。
由图12可见，已调信号的频谱为DSB信号，因为调制信号为双极性不归零脉冲，用双极性不归零码对载波进行相乘的调制，可以达到抑制载波的目的，即已调信号的频谱中，只有载频位置，没有载波分量，频带宽度为40kHz。
3.4.2相干解调法实验设计及结果：
相干解调法的系统组成如图16所示。
图16相干解调法的系统组成
其中，图符11为带通滤波器，图符13实现相干载波的提取，图符12为乘法器，图符15为低通滤波器，图符16、17、18实现抽样判决，图符19、20实现差分解码。
图符19输出再生的绝对码。
图符的参数设置如表3所示。
表3：
相干解调法图符参数设置表
编号
库/名称
参数
11
Operator:
LinearSys
ButterworthBandpassIIR
3Poles，LowFc=20e+3Hz，HiFc=60e+3Hz
QuantBits=None，InitCndtn=Transient，
DSPModeDisabled，FPGAAware=True，
RTDAAware=Full
13
Comm:
Costas
VCOFreq=40e+3Hz，VCOPhase=0deg
ModGain=1Hz/v，LoopFltr=1
Output0=BasebandInPhase，
Output1=BasebandQuadrature
Output2=VCOInPhase，Output3=VCOQuadraturet12
RTDAAware=Full
15
Operator:
LinearSys
BesselLowpassIIR
3Poles，Fc=22e+3Hz，QuantBits=None，InitCndtn=Transient
DSPModeDisabled，FPGAAware=True，RTDAAware=Full
16
Operator:
Sampler
Interpolating，Rate=40e+3Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec
17
Operator:
Hold
LastValue，Gain=1，OutRate=200e+3Hz
18
Logic:
Buffer
GateDelay=0sec，Threshold=0v，TrueOutput=1v
FalseOutput=-1v，RiseTime=0sec，FallTime=0sec
19
Logic:
XOR
GateDelay=0sec，Threshold=0v，TrueOutput=1v
FalseOutput=-1v，RiseTime=0sec，FallTime=0sec
20
Operator:
Delay
Non-Interpolating，Delay=50.e-6sec，Output0=Delayt19
Output1=Delay-dT
调制信号为PN序列，码速率Rb＝20kbit/s；正弦载波的频率为40kHz。
系统定时：
起始时间0秒，终止时间800e-6秒，采样点数500，采样速率400e+3Hz，获得的仿真波形如图17所示。
（a）调制后（2DPSK）信号
（b）带通滤波器的输出
（c）提取的相干载波
（d）乘法器的输出
（e）低通滤波器的输出
（f）解调输出的相对码
（g）解调输出的绝对码
图17相干解调过程的仿真波形
从图中可以看出，解调输出的绝对码和系统输入的绝对码波形一致，同时有一个码元单位的延时，系统仿真和理论相符合。
同时也发现，解调输出的相对码和输入的相对码相比，有一个单位的延时，并且有码元进行相反变换,0变1,1变0的现象.
通常情况下,二进制码元的解调有两种方法,包括相干解调法和非相干解调法，相干解调法需要提取相干载波，还要进行码反变换，即将相对码变换为绝对码；而非相干解调法不需要提取相干载波，也不需要进行码反变换,需要利用包络检波器来完成。
主要信号的功率谱密度：
图242DPSK的功率谱密度
图25乘法器输出信号的功率谱密度
图26输出PN序列的基带谱
第四章实验总结与心得体会
这次的通信原理课程设计主要有两个任务，一个是AM超外差收音机的设计，另外一个是二进制差分相位键控（2DPSK）的调制和解调，从这两个实验设计中，我获益匪浅，对通信原理这门课程的学习也更加深入。
首先,学会SystemView软件的使用方法，掌握一种通信系统的模拟仿真的方法。
通过该软件，我可以清晰的了解到系统各部分的组成及产生的相应波形。
此外，从两个课程任务中，我对通信的系统模块也有了更加深刻的认识。
在任务一中，AM超外差收音机系统主要是由输入调谐回路、混频电路、中频放大、检波模块、功率放大等几个模块组成。
而超外差的实质就是将调制波不同频率的载波，变成固定的且频率较低的中频载波。
所谓超外差接收，就是不论接收什么频率的信号，首先都把它的频率变换成某一特定的频率。
为了提高稳定性，这个频率选得相对低一些，通常把它称为“中频”，我国的工业标准规定调幅收音机的中频为465kHz。
放大中频相对来说就容易多了，而且，为了提高选择性完全可以多加几个LC回路，因为被放大的频率时固定不变的，所以LC回路仅仅只需要在装机时一次调准就可以了，以后改换电台时，这个中频是不变的，相应的中频调谐回路自然就无须重复调整了。
在任务二中，即二进制数字调制，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变时，则产生二进制移相键控（2PSK）信号。
因为在调制过程中，2PSK调制容易出反
向工作问题，影响2PSK信号长距离传输。
为克服此缺点，并保持2PSK信号的优点，将2PSK体制改进为二进制差分相移键控体制。
二进制差分相移键控2DPSK，它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。
这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。
这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。
由于相对移相调制无“反问工作”问题，因此得到广泛的应用。
在整个实验过程中，我也遇到了一些问题。
首先是SystemView软件的使用，起初对软件不是很熟悉，因此操作比较不熟练，在经过老师的讲解后也逐渐入门。
然后就是在刚开始对实验原理理解不是很透彻，因此参数设置有些问题，导致波形与理论不相符。
在经过仔细研究以及和同学讨论后，终于得到正确波形，仿真结果也是相当成功的。
在这次课程设计中，我学到了很多东西，也发现了自己的不足之处，希望在今后更加努力学习，再接再厉！
参考文献
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