通信課程設計---數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真電路

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　首先對SystemView動態(tài)仿真軟件進行了簡單的功能介紹及特點，對抽樣定理仿真電路的系統(tǒng)設計的實驗目的和內(nèi)容，以及抽樣定理的運行結(jié)果和系統(tǒng)分析。</p><p>　　同時設計了數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真電路；對基帶傳輸系統(tǒng)進行分析，驗證乃夸斯特第一準則； 畫出基帶傳輸系統(tǒng)中各信號波形。</p>

2、<p>　　關鍵詞：SystemView軟件、抽樣定理、數(shù)字基帶傳輸、仿真電路、乃夸斯特第</p><p><b>　　一準則</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.SystemView動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件1</p><p>　　1.1SystemVi

3、ew動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件簡介1</p><p><b>　　1.2特點：1</b></p><p>　　1.3 快捷功能按鈕2</p><p>　　1.4 圖符庫選擇按鈕2</p><p>　　2.抽樣定理仿真電路的系統(tǒng)設計2</p><p>　　2.1 信號的采樣與恢復仿真實驗目的

4、2</p><p>　　2.2 信號的采樣與恢復仿真實驗內(nèi)容3</p><p><b>　　2.3抽樣定理3</b></p><p>　　2.3.1低通信號的抽樣定理3</p><p>　　2.3.2信號的采樣與恢復仿真分析3</p><p>　　2.4 SystemView仿真系統(tǒng)實

5、驗原理圖信號的采樣與恢復仿真設計的運行步驟4</p><p>　　2.5信號的采樣與恢復仿真實驗的運行結(jié)果及參量解析4</p><p><b>　　2.6設計總結(jié)7</b></p><p>　　3.數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)分析7</p><p>　　3.1分析內(nèi)容:7</p><p>　　3.

6、2分析目的:8</p><p>　　3.3系統(tǒng)組成及原理：8</p><p><b>　　3.4創(chuàng)建分析8</b></p><p>　　3.4.1進入SystemView系統(tǒng)視窗，設置“時間窗”參數(shù)如下：8</p><p>　　3.4.2：仿真分析系統(tǒng)8</p><p>　　3.4.3仿

7、真圖分析10</p><p>　　3.4.4實驗結(jié)果分析12</p><p>　　4.驗證奈奎斯特第一準則12</p><p>　　4.1分析目的：12</p><p>　　4.2分析內(nèi)容：12</p><p>　　4.3頻譜分析14</p><p>　　4.4仿真波形15<

8、;/p><p>　　4.5分析結(jié)論：16</p><p>　　5.參考文獻17</p><p>　　6.設計總結(jié)：18</p><p>　　SystemView動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件</p><p>　　1.1SystemView動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件簡介</p><p>　　SystemView基本

9、屬于一個系統(tǒng)級工具平臺，可進行包括數(shù)字信號處理（DSP）系統(tǒng)、模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的仿真分析，并配置了大量圖符塊（Token）庫，用戶很容易構造出所需要的仿真系統(tǒng)，只要調(diào)出有關圖符塊并設置好參數(shù)，完成圖符塊間的連線后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜、星座圖和各類曲線形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。SystemView的庫資源十分豐富，主要包括：含若干圖符庫的主庫（Main Library）、通信庫（Commu

10、nications Library）、信號處理庫（DSP Library）、邏輯庫（Logic Library）、射頻/模擬庫（RF Analog Library）和用戶代碼庫（User Code Library）。</p><p><b>　　1.2特點：</b></p><p>　　在對SystemView的應用展開系統(tǒng)論述之前，我們首先建安介紹一下SystemV

11、iew仿真系統(tǒng)的特點：</p><p>　?。?）能仿真大量的應用系統(tǒng)；</p><p>　?。?）快速方便的動態(tài)系統(tǒng)設計與仿真；</p><p>　　（3）在報告中方便地加入SystemView的結(jié)論；</p><p>　　（4）提供基于組織結(jié)構圖方式的設計；</p><p>　?。?）多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng)；<

12、/p><p>　　（6）完備的濾波器設計和線性系統(tǒng)設計；</p><p>　　（7）先進的信號分析和數(shù)據(jù)塊處理；</p><p><b>　?。?）可擴展性；</b></p><p>　?。?）完善的自我診斷功能。</p><p>　　下面對是SystemView的系統(tǒng)仿真軟件的應用做詳細地介紹：&l

13、t;/p><p>　　1.3 快捷功能按鈕</p><p>　　在主菜單欄下，SystemView為用戶提供了16個常用快捷功能按鈕，按鈕功能如下：</p><p>　　清除系統(tǒng) 運行系統(tǒng) 復制圖符</p><p>　　連接模塊 系統(tǒng)定時 根軌跡</p>

14、<p>　　刪圖符塊 分析窗口 重畫圖</p><p>　　切斷連線 波特圖 終止運行</p><p>　　進亞系統(tǒng) 圖符翻轉(zhuǎn) 建亞系統(tǒng)</p><p>　　1.4 圖符庫選擇按鈕</p><p>　　進

15、入系統(tǒng)后，在圖符庫選擇區(qū)排列著8個圖符選擇按鈕，即：</p><p>　　信源庫 亞器件庫 加法器 輸入輸出</p><p>　　抽樣定理仿真電路的系統(tǒng)設計</p><p>　　2.1 信號的采樣與恢復仿真實驗目的</p><p>　　1. 掌握SystemView軟件的通信系統(tǒng)仿真功能，學習基本通信動態(tài)系統(tǒng)的設

16、計與仿真。</p><p>　　2. 掌握利用SystemView軟件來分析抽樣定理仿真電路的系統(tǒng)設計，畫出輸入信號波形，恢復信號波形，抽樣脈沖信號波形，并將其比較分。</p><p>　　2.2 信號的采樣與恢復仿真實驗內(nèi)容</p><p>　　在本次實驗中被采樣的模擬信號源為幅度1V頻率100Hz的正弦波，抽樣脈沖為窄脈寬矩形脈沖，脈寬為1微妙。抽樣器采用乘

17、法器代替。用于恢復信號的低通濾波器采用三階巴特沃茲（Butterworth）低通濾波器。為觀察信號抽樣與恢復不失真的條件和引起是真的原因，分別選取100Hz、200Hz、500Hz等幾種不同的抽樣頻率。</p><p><b>　　2.3抽樣定理</b></p><p>　　2.3.1低通信號的抽樣定理</p><p>　　抽樣定理是模擬信號數(shù)

18、字化傳輸?shù)睦碚摶A，它告訴我們：如果對某一帶寬的有限時間連續(xù)信號（模擬信號）進行抽樣，且在抽樣率達到一定數(shù)值時，根據(jù)這些抽樣值可以在接收端準確的恢復原信號。也就是說，要傳輸模擬信號不一定傳輸模擬信號本身，只需傳輸按抽樣定理得到的抽樣值就可以了。</p><p>　　均勻抽樣定理指出：對一個帶限在內(nèi)的時間連續(xù)信號，如果以的時間間隔對其進行等間隔抽樣，則將被所得到的抽樣值完全確定。即抽樣速率大于等于信號帶寬的兩倍就可

19、保證不會產(chǎn)生信號的混迭。是抽樣的最大間隔，也稱為奈奎斯特間隔。 </p><p>　　2.3.2信號的采樣與恢復仿真分析</p><p>　　如圖2.1是低通信號采樣和恢復的原理圖。對應的SystemView仿真系統(tǒng)原理圖2.2。圖中被采樣的模擬信號源為幅度1v頻率100HZ的正弦波，抽樣脈沖為窄脈寬矩形脈沖，脈寬為1微秒，抽樣采用乘法器代替。用于恢復信號的低通濾波器采用三階巴特沃茲低通濾

20、波器。</p><p>　　圖2.1信號采樣和恢復的原理圖</p><p>　　2.4 SystemView仿真系統(tǒng)實驗原理圖信號的采樣與恢復仿真設計的運行步驟</p><p>　　圖2.2 SystemView仿真系統(tǒng)原理圖</p><p>　　2.5信號的采樣與恢復仿真實驗的運行結(jié)果及參量解析</p><p>　

21、　輸入信號源，對信號源進行預處理。同時輸入抽樣頻率，信號源和抽樣頻率通過抽樣器(乘法器)處理后得到信號采樣仿真電路圖。再將信號源預處理后的波形進行低通濾波器處理后恢復原來的波形圖，及正弦圖。</p><p><b>　　100Hz的配置:</b></p><p>　　Sinusoid中的:</p><p>　　Amplitude=1v、Freq

22、uency=100Hz、phase=0</p><p>　　SystemwiewOperatorLibrary中的:</p><p>　　Filters/systems-Butterworth-parameters-analog </p><p>　　Filter Library-LowCuttoff=100</p><p>　　Syste

23、mwiewOperatorLibrary中的:</p><p>　　Gain/Scale-Gain-Linear-Gain=100</p><p>　　圖2.3 100Hz信號源運行結(jié)果圖</p><p>　　圖2.4 100Hz抽樣脈沖運行結(jié)果圖</p><p>　　圖2.5 100Hz信號采樣運行結(jié)果圖</p><p&

24、gt;　　圖2.6100Hz 回復信號源運行結(jié)果圖</p><p>　　200Hz的配置: </p><p>　　Sinusoid中的:</p><p>　　Amplitude=1v、Frequency=200Hz、phase=0</p><p>　　SystemwiewOperatorLibrary中的:</p><p&

25、gt;　　Filters/systems-Butterworth-parameters-analog Filter </p><p>　　Library-LowCuttoff=200</p><p>　　SystemwiewOperatorLibrary中的:</p><p>　　Gain/Scale-Gain-Linear-Gain=200</p>

26、<p>　　200Hz 信號源運行結(jié)果圖</p><p>　　200Hz抽樣脈沖運行結(jié)果圖</p><p>　　200Hz信號采樣運行結(jié)果圖</p><p>　　200Hz回復信號源運行結(jié)果圖 </p><p>　　500Hz的配置: </p><p>　　Sinusoid中的Amplitude=1v、

27、Frequency=500Hz、phase=0</p><p>　　SystemwiewOperatorLibra中的</p><p>　　Filters/systems-Butterworth-parameters-analog-Filter Library-LowCuttoff=500</p><p>　　SystemwiewOperatorLibrary中的

28、Gain/Scale-Gain-Linear-Gain=500</p><p>　　500Hz信號源運行結(jié)果圖</p><p>　　500Hz抽樣脈沖運行結(jié)果圖</p><p>　　500Hz信號采樣運行結(jié)果圖</p><p>　　500Hz回復信號源運行結(jié)果 </p><p><b>　　2.6設計總結(jié)&l

29、t;/b></p><p>　　本次設計掌握了SystemView軟件的通信系統(tǒng)仿真功能，學習基本通信動態(tài)系統(tǒng)的設計與仿真。并將其進行了比較。由實驗結(jié)果可以觀察到，當采樣頻率小于奈奎斯特頻率時，在接收端恢復的信號失真比較大，這是因為產(chǎn)生了信號混迭；當采樣頻率大于或等于奈奎斯特頻率時，恢復信號與原信號基本一致。理論上，理想的抽樣頻率為2倍的奈奎斯特帶寬，但實際工程應用中，帶限信號絕不會嚴格限帶，且實際濾波器特

30、性并不理想，通常抽樣頻率為5～7倍的fH以避免失真。</p><p>　　數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)分析</p><p><b>　　3.1分析內(nèi)容:</b></p><p>　　構造一個簡單示意性基帶傳輸系統(tǒng)。以雙極性PN碼發(fā)生器模擬一個數(shù)據(jù)信源，碼速率為100bit/s，低通型信道噪聲為加性高斯噪聲（標準差＝0.3v）。要求：</p>

31、<p>　　3.1.1觀測接收輸入和濾波輸出的時域波形；</p><p>　　3.1.2 碼間干擾的原因:</p><p>　　根據(jù)頻譜分析的基本原理，任何信號的頻域受限和時域受限不可能同時成立。因此基帶信號要滿足在頻域上的無失真?zhèn)鬏?，信號其波形在時域上必定是無限延伸的，這就帶來了各碼元間相互串擾問題。造成判決錯誤的主要原因是噪聲和由于傳輸特性（包括發(fā)、收濾波器和信道特性）不良引

32、起的碼間串擾。基帶脈沖序列通過系統(tǒng)時，系統(tǒng)的濾波作用使脈沖拖寬，在時間上，它們重疊到鄰近時隙中去。接收端在按約定的時隙對各點進行抽樣，并以抽樣時刻測定的信號幅度為依據(jù)進行判決，來導出原脈沖的消息。若重疊到鄰接時隙內(nèi)的信號太強，就可能發(fā)生錯誤判決。若相鄰脈沖的拖尾相加超過判決門限，則會使發(fā)送的“0”判為“1”。實際中可能出現(xiàn)好幾個鄰近脈沖的拖尾疊加，這種脈沖重疊，并在接收端造成判決困難的現(xiàn)象叫做碼間串擾。</p><p

33、><b>　　3.2分析目的:</b></p><p>　　掌握觀察系統(tǒng)時域波形</p><p>　　3.3系統(tǒng)組成及原理：</p><p>　　簡單的基帶傳輸系統(tǒng)原理框圖如圖2-1-1所示，該系統(tǒng)并不是無碼間干擾設計的，為使基帶信號能量更為集中，形成濾波器采用高斯濾波器。</p><p><b>　　3

34、.4創(chuàng)建分析 </b></p><p>　　3.4.1進入SystemView系統(tǒng)視窗，設置“時間窗”參數(shù)如下：</p><p>　　運行時間：Start Time: 0秒； Stop Time: 0.5秒； </p><p>　　采樣頻率：Sample Rate：10000Hz。</p><p>　　3.4.2：仿真分析系統(tǒng)&

35、lt;/p><p>　　調(diào)用圖符塊創(chuàng)建如圖4.2所示的仿真分析系統(tǒng)：</p><p>　　圖3.2 創(chuàng)建的簡單基帶傳輸仿真分析系統(tǒng)</p><p><b>　　參數(shù)設置：</b></p><p>　　Token0：Source――Noise/PN――Pn Seg（幅度1V，頻率10HZ，電平數(shù)2，偏移0V，產(chǎn)生單極性不歸零

36、碼，隨機產(chǎn)生）</p><p>　　Token3：在專業(yè)庫中選擇Comm——Processors——P shape（Select pulse Shape＝Rectangular，Time offset＝0，Width＝0.01s，產(chǎn)生矩形脈沖基帶信號）</p><p>　　Token2：Source――Noise/PN――Gauss Noise（均值為0，均方差為0.1的高斯白噪聲）<

37、;/p><p>　　Token6：Operator――Filters/systems――Liner Sys Filters（comm--Raised cosine，design,Symbol Rate=10.e-3;Decimate By1,Quant Bit=None;Roll-off Factor=0.5,Tap=512）</p><p>　　Token7：Operator――Sample

38、/Hold――Sample（Sample rate=10HZ，用于對濾波后的波形進行抽樣，抽樣速率等于碼元速率）</p><p>　　Token5：Operator――Sample/Hold――Hold（Hold Value=Last Sample，Gain＝1，對抽樣后的值延時一段時間，得到恢復后的數(shù)字基帶信號）</p><p>　　Token12：Operator——Logic——Co

39、mpare（Select comparison：a>=b True Output=1V，F(xiàn)alse Output＝-1V，對抽樣值進行判決比較，得到輸出碼元波形）</p><p>　　Token9：產(chǎn)生正弦信號，作為比較器的另一個比較輸入（振幅＝0V，頻率＝10Hz）</p><p>　　眼圖參數(shù)設置：Sink Calculator――style――slice――start＝0，Le

40、ngth＝0.25</p><p>　　系統(tǒng)定時設置：Start Time：0 ，Stop Time：0.5， Sample Rate：10000Hz</p><p>　　3.4.3仿真圖分析</p><p>　　單擊運行按鈕，運算結(jié)束后按“分析窗”按鈕，進入分析窗后，單擊“繪制新圖”按鈕，則Sink9～Sink12顯示活動窗口分別顯示出“噪聲干擾的信號”、“輸入的

41、原信號”、“過濾信號”和“判決的信號”時域</p><p>　　波形，如圖4.3所示：</p><p>　　圖3.4加入噪聲后的基帶信號（高斯白噪聲，方差＝0.01）</p><p>　　圖3.5（b） 原始基帶信號</p><p>　　圖3.6 （c）經(jīng)過根升余弦濾波器后的輸出波形</p><p>　　圖3.7（d

42、）經(jīng)過抽樣判決后的輸出波形</p><p>　　圖3.8（e）噪聲為0.1導出的眼圖</p><p>　　從上述圖可以看出，經(jīng)高斯濾波器形成處理后的基帶信號遠比PN碼信號平滑，信號能量主要集中于10倍碼率以內(nèi)，經(jīng)低通型信道后信號能量損失相對小一些。由于信道的不理想和疊加噪聲的影響，信道輸出眼圖將比輸入的差些，改變信道特性和噪聲強度，眼圖會發(fā)生明顯變化，甚至產(chǎn)生明顯的接收誤碼。</p&

43、gt;<p>　　3.4.4實驗結(jié)果分析</p><p>　　信道中加入的噪聲干擾越大，眼圖越不清晰，越雜亂。當信道中噪聲方差為0.5時，根升余弦濾波器輸出信號波形的眼圖如圖所示：</p><p>　　與之前噪聲方差為0.1的眼圖比較，可以看出，噪聲越大，線條越粗，越模糊，“眼睛”小。</p><p>　　抽樣判決后的輸出碼元波形與原始基帶信號相比，有

44、0.01秒的延時。原因：由抽樣判決器延時所引起的。當抽樣速率越大時，誤差越小。當噪聲增大時，會引起誤碼。</p><p>　　驗證奈奎斯特第一準則</p><p><b>　　4.1分析目的：</b></p><p>　　為加深對數(shù)字信號基帶波形串擾以及升余弦滾將濾波特性的認識。</p><p><b>　　4

45、.2分析內(nèi)容：</b></p><p>　　系統(tǒng)的采樣頻率為1KHz,該電路中信號源為幅度1V，碼速率為100bps的偽隨機信號。用一個抽頭數(shù)為259的FIR低通濾波器來近似模擬理想的傳輸信道，濾波器的截止頻率設為50Hz，在60Hz處有-60dB的衰落。因此，信道的傳輸帶寬可近似等價于50Hz，該頻率正好是傳輸信號的奈奎斯特帶寬?；鶐?shù)據(jù)在輸入信道以前，先通過一個升余弦滾將濾波器（圖1）整型，以保證

46、信號有較高的功率而無碼間干擾。滾降系數(shù)設置為0.3，信道的噪聲用高斯噪聲（圖13）表示。圖8、9、11完成接收端信號的抽樣判決和整型輸出。抽樣起的抽樣頻率與數(shù)據(jù)信號的數(shù)據(jù)率一致，設為100Hz。為比較發(fā)送端和接收端的波形，在在發(fā)送端接收器（圖3）前和升余弦滾將濾波器后加入一個延遲圖符。</p><p>　　圖4.1波形無失真?zhèn)鬏敆l件的仿真原理圖</p><p><b>　　參數(shù)設

47、置：</b></p><p><b>　　載波信號：</b></p><p>　　Source:Gauss Noise</p><p>　　Std Dev=100e-3v</p><p><b>　　Mean=0v</b></p><p><b>　　基

48、帶信號：</b></p><p>　　Source: PN Seq</p><p><b>　　Amp=1v</b></p><p><b>　　Offset=0v</b></p><p>　　Rate=100Hz</p><p><b>　　Level

49、s=2</b></p><p>　　Phase=0 deg</p><p><b>　　系統(tǒng)時間指定：</b></p><p>　　No.of Samples=512</p><p>　　Sample Rate(Hz)=1000Hz</p><p><b>　　4.3頻譜分析

50、</b></p><p>　　圖4.2經(jīng)過升余弦濾波器整型后的信號與原信號的疊加波形</p><p>　　圖4.3輸入信號與輸出信號的波形疊加</p><p>　　圖4.4不滿足奈奎斯特第一準則時輸出信號中的錯誤脈沖</p><p><b>　　4.4仿真波形</b></p><p>

51、<b>　　如圖4.5</b></p><p><b>　　4.5分析結(jié)論：</b></p><p>　　實驗前，先關閉噪聲信號。由圖3.2和圖3.3可觀察到收發(fā)波形基本一致，加入一定幅度的噪聲仍然能正常傳輸。奈奎斯特第一準則得到驗證。將輸入信號的波特率由100bps改為110bps，此時的條件已不滿足奈奎斯特第一準則，重新運行系統(tǒng)，可觀察到信號

52、傳輸錯誤，如圖4.4所示。改變噪聲幅度，錯誤波形可能增多。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 嚴曉華.現(xiàn)代通信技術[M]清華大學出版社，2008年9月 第二版</p><p><b>　　設計總結(jié)：</b></p><p>　　通過本次課程設計，我對通信現(xiàn)

53、代技術基礎課程又有了更深刻的理解。學會了用SystemView仿真系統(tǒng)模擬簡單的數(shù)據(jù)通信實驗，同時能對系統(tǒng)實驗做簡單的分析和介紹。</p><p>　　本次的課程設計，培養(yǎng)了我綜合應用現(xiàn)代通信技術課程及其他課程的理論知識和理論聯(lián)系實際，應用生產(chǎn)實際知識解決實際題目的能力；在設計的過程中，在老師和同學的幫助下，順利的完成了各個系統(tǒng)實驗。同時還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，和同學們共同協(xié)作，解決了很多個人無法解決的題目；在

54、今后的學習過程中我們會更加努力和團結(jié)。讓每一次地課程設計都能順利地優(yōu)秀的完成我認為,不僅培養(yǎng)了我獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實踐課上，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以

55、在實驗結(jié)束之后變的更加成熟，會面對需要面對的事情。經(jīng)過一周的通信原理的仿真實習，從初識到應用SystemView仿真軟件獲益匪淺，與此同時也使我對通信原理系統(tǒng)的組成以及不同的通信系統(tǒng)有不同的應用有了更深刻的了解。通過這次的通信原理課設，加深了我對通信原理理論知識的理解，不單單是從課本上去記憶，而</p><p>　　通過結(jié)合課本上的原理，利用仿真軟件，使得結(jié)論都一一從SystemView仿真出來的相應通信系統(tǒng)中得

56、到印證。例如利用SystemView仿真連續(xù)信號的采樣與恢復系統(tǒng)，使得抽象的抽樣定理變得直觀具體，更加便于我們理解模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號及其恢復的過程。通過改變抽樣頻率，可以驗證不產(chǎn)生信號混迭的條件，即抽樣頻率虛大于或等于2倍的。同樣的，利用SystemView仿真增量調(diào)制解調(diào)電路，也驗證了相關結(jié)論。特別是在設計雙FM電路時遇到的困難很多，經(jīng)過多方面的查找資料，更離不開老師的幫助才完成。</p><p>　　在設