模拟调制解调系统的设计与仿真.doc

1、课程设计说明书目 录1引言12 SystemView软件介绍23 模拟调制解调系统的设计与仿真43.1 AM调制解调系统43.1.1 AM调制解调原理43.1.2 AM调制解调仿真电路及分析43.2 DSB调制解调系统63.2.1 DSB调制解调原理63.2.2 DSB调制解调仿真电路及分析63.3 SSB调制解调系统73.3.1 SSB调制解调原理73.3.2 SSB调制解调系统仿真电路及分析84 数字调制解调系统的设计与仿真104.1 2ASK调制解调系统104.1.1 2ASK调制解调原理104.1.2 2ASK调制解调仿真电路及分析104.2 2FSK调制解调系统124.2.1 2FS

2、K调制解调原理124.2.2 2FSK调制解调仿真电路及分析134.3 2PSK调制解调系统144.3.1 2PSK调制解调原理144.3.2 2PSK调制解调仿真电路及分析145 抽样定理及增量调制系统175.1 抽样定理系统175.1.1 抽样定理原理175.1.2 抽样定理仿真电路及分析175.2 增量调制系统185.2.1 增量调制原理185.2.2 增量调制仿真电路及分析196 总结217 参考文献221引言在当今信息社会，通信已经成为整个社会的高级神经中枢，通信技术变得越来越重要，没有通信的人类社会将是不堪设想的。通信按传统的理解就是信息的传递与交换。一般来说，通信系统是由信源、发

3、送设备、信道、接收设备、信宿组成。一般发送端要有调制器，接收端要有解调器，这就用到了调制与解调技术。调制可分为模拟调制和数字调制，模拟调制常用的方法有AM调制、DSB调制及SSB调制等。数字调制常用的方法有2ASK调制、2FSK调制、2PSK调制及2DPSK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。本次课程设计主要对常见的模拟和数字调制解调、抽样定理、增量调制系统和数字基带传输系统进行设计与仿真分析，并进一

4、步设计和仿真AM超外差收音机以熟练SystemView软件的运用。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。SystemView动态系统仿真软件，是一个比较流行的，优秀的仿真软件，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。本次课程设计就是基于SystemView的通信系统的仿真，也就是在SystemView软件环境下进行模拟调制设计，即AM调制系统设计、DSB调制系统设计、SSB调制系统设计；数字调制设计，即2ASK调制系统设计、2FSK调制系统设计、2PSK调制系

5、统设计；抽样定理系统设计及增量调制系统设计。2 SystemView软件介绍SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台，从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真直到一般的系统数学模型建立等各个领域。SystemView在友好而且功能齐全的窗口环境下为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。它是由美国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。Syst

6、emView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

7、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。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（Main Library）及专业库(Optional Library)，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

8、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。进入SystemView后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件（File）、编辑（Edit）、参数优选（Preferences）、视窗观察（View）、便笺（Not

9、ePads）、连接（Connetions）、编译器（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11项功能菜单。图2-1 SystemView的主界面系统视窗左侧竖排为图符库选择区。图符块（Token）是构造系统的基本单元模块，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅是代表某一数学模型的图形标志（图符块），图符块的传递特性由该图符块所具有的仿真数学模型决定。创建一个仿真系统的基本操作是，按照需要调出相应的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来。这样一来，用户进行的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题

10、，使用十分方便。进入系统后，在图符库选择区排列着8个图符选择按钮，即：信源库、亚器件库、加法器、输入/输出、操作库、函数库、乘法器、信宿库。在上述8个按钮中，除双击“加法器”和“乘法器”图符按钮可直接使用外，双击其它按钮后会出现相应的对话框，应进一步设置图符块的操作参数。单击图符库选择区最上边的主库开关按钮 main ，将出现选择库开关按钮 Option下的用户库（User）、通信库（Comm）、DSP库（DSP）、逻辑库（Logic）、射频模拟库（RF/Analog）和数学库（Matlab）选择按钮，可分别双击选择调用。3 模拟调制解调系统的设计与仿真3.1 AM调制解调系统3.1.1 AM

11、调制解调原理（1）调制原理标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅(AM)。假设调制信号的平均值为0，将其叠加一个直流分量后与载波相乘，即可形成调幅信号。其时域表达式为：式中：为外加的直流分量；可以是确知信号，也可以是随机信号。若为随机信号已调信号频域需用功率谱描述。当满足条件：时，AM包络检波与调制信号的波形完全一样，则用包络检波很容易恢复出原始调制信号。（2）解调原理通常AM信号可以用相干解调（同步检测）和非相干解调（包络检波）两种方法进行解调。由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实

12、现。将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，可得：由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号：3.1.2 AM调制解调仿真电路及分析AM调制解调在SystemView软件上的仿真原理图如图3-3所示，主要参数：基带信号幅值：2V；频率：500；载波信号频率：4000HZ。根据以上设计参数用SystemView软件设计的AM仿真电路如下图所示：图3-2 AM调制与解调系统的仿真设计由以上设计的AM调制解调系统进行仿真后的波形如下图所示：图3-3 基带信号波形图3-4 载波信号波形图3-5 AM信号波形图3-6 相干解调信号波形AM调制为线性调制的

13、一种，由以上各图可以看出， AM信号是有载波分量的双边的信号，它的带宽是基带信号的2倍；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来的信号与基带信号基本一致，实现了无失真传输。3.2 DSB调制解调系统3.2.1 DSB调制解调原理（1）调制原理如果输入的基带信号没有直流分量，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：（2）解调原理DSB信号只能用相干解调的方法进行解调，DSB信号的解调模型与AM信号相干解调时完全相同，其组成方框图如图2。此时，乘法器输出为：经低通滤波器滤除高次项，得：3.

14、2.2 DSB调制解调仿真电路及分析DSB信号幅值：2V；频率：500；载波信号频率：4000HZ。根据以上设计参数用SystemView软件设计的DSB仿真电路如下图所示：图3-7 DSB调制与解调系统的仿真设计由于DSB的基带信号幅值和频率与AM的相同，故它们的波形一样如图3-3所示,载波信号的频率也一样同时自己设的幅值也和AM信号的幅值一样，故它们的波形也一样，如图3-4所示，其他波形如下所示：图3-8 DSB信号波形图3-9 相干解调信号波形DSB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，

15、只是在时域上有一定的延时，但也实现了无失真传输。DSB信号抑制了AM信号中的载波分量，调制效率增高。3.3 SSB调制解调系统3.3.1 SSB调制解调原理（1）调制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，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，故易知在DSB调制后加适当截止频率的高通或低通滤波器便可产生相应SSB信号。通过低通滤波器后产生的下边带SSB信号，表达式为：通过高通滤波器后产生的上边带SSB信号，表达式为：但是由于滤波器的截止特性不理想，这里采用移相法来设计。设调制信号的单频信号，载波为，则调制

16、后的双边带时域波形为：保留上边带，波形为：保留下边带，波形为：上两式中的第一项与调制信号和载波信号的乘积成正比，称为同相分量；而第二项的乘积则是调制信号与载波信号分别移相90后相乘的结果。（2）解调原理SSB调制信号只能用相干解调方法解调。解调原理和AM的线性解调原理相同。3.3.2 SSB调制解调系统仿真电路及分析SSB信号幅值：2V；频率：500；载波信号频率：4000HZ的是高斯白噪。根据以上设计参数用SystemView软件设计的SSB仿真电路如下图所示：图3-10 SSB调制与解调系统的仿真设计由于SSB的基带信号幅值和频率与AM的相同，故它们的波形一样如图3-4所示,载波信号的频率

17、也一样同时自己设的幅值也和AM信号的幅值一样，故它们的波形也一样，如图3-5所示，其他波形如下所示：图3-11上边带调制信号波形图3-12下边带调制信号波形图3-13上边带解调信号波形图3-14下边带解调信号波形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。频谱结构与原信号基本相同。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 数字调制解调系统的设计与仿真数字调制技术有两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制；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

18、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。4.1 2ASK调制解调系统4.1.1 2ASK调制解调原理振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息的，而其频率和初始相位宝石不限，在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制的信息“0”和“1” 。其表达式为： F(t) = Acos wc t ， 以概率P发送1时 0 ， 以概率1-P发送0时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

19、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：低通滤波器二进制基带信号载波噪声载波抽样判决器定时脉冲 图4-1 2ASK相干解调原理图低通滤波器二进制基带信号载波噪声整流抽样判决器定时脉冲非相干解调的原理框图如图4-2所示：图4-2 2ASK非相干解调原理图4.1.2 2ASK调制解调仿真电路及分析2ASK调制解调具体参数：调制信号幅值：2V，频率：50；载波信号频率：50HZ。图4-3 2ASK调制与解调系统的仿真设计图4-4 基带信号波形图4-5 载波信号波形图4-6 2A

20、SK信号波形图4-7 非相干解调波形图4-8 相干解调波形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。4.2 2FSK调制解调系统4.2.1 2FSK调制解调原理Ffsk（t）=Acos（w1+o1） 当发送“1”时Acos（w2+o2） 当发送“0”时频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频

21、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。4.2.2 2FSK调制解调仿真电路及分析2FSK调制解调具体参数：调制信号幅值：2V，频率：50；载波信号频率f1：

22、100HZ，载波信号频率f2：300HZ。图4-9 2FSK调制与解调系统的仿真设计图4-10载波f1信号波形图4-11 载波f2信号波形图4-12 基带信号波形图4-13 2FSK信号波形图4-14 相干解调波形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。4.3 2PSK调制解调系统4.3.1 2PSK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

23、表示二进制“0”，用表示二进制“1”。其表达式如下：Fpsk（t）=Acos wct 发送0时-Acos wct 发送1时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。4.3.2 2PSK调制解调仿真电路及分析2PSK调制解调具体参数：调制信号幅值：2V，频率：50；载波信号频率100HZ。图4-15 2PSK调制与解调系统的仿真设计图4-16 基带信号波形图4-17 载波信号波形图4-18 2PSK信号波形图4-19 相干解

24、调波形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 抽样定理及增量调制系统5.1 抽样定理系统5.1.1 抽样定理原理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

25、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。5.1.2 抽样定理仿真电路及分析图5-1 抽样定理仿真电路设计图5-2 输入信号的仿真波形图5-3 抽样信号的仿真波形图5-4 抽样后输入信号的仿真波形图5-5 恢复信号的仿真波形由以上各图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

26、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57倍的最高频率以避免失真。5.2 增量调制系统5.2.1 增量调制原理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。（1）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

27、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。（2）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。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。5.2

28、.2 增量调制仿真电路及分析图5-6 增量调制仿真电路设计 图5-7输入模拟信号仿真波形图5-8 抽样判决后信号仿真波形图5-9 输出信号仿真波形由以上各图仿真结果，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。但它有可能发生过载量化噪声。所以为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。6 总结经过一周的通信原理的仿真实习，从初识到应用SystemView仿真软件获益匪浅，与此同时也使我对通信原理系统的组成以及不同的通信系统有不同的应用有了更深刻的了解。通过这次的通信原

29、理课设，加深了我对通信原理理论知识的理解，不单单是从课本上去记忆，而是通过实践来验证结论的正确性，并锻炼了实践动手能力。从理论到实践，学到很多很多的的东西，同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过结合课本上的原理，利用仿真软件，使得结论都一一从SystemView仿真出来的相应通信系统中得到印证。例如利用SystemView仿真连续信号的采样与恢复系统，使得抽象的抽样定理变得直观具体，更加便于我们理解模拟信号转换为数字信号及其恢复的过程。通过改变抽样频率，可以验证不产生信号混迭的条件，即抽样频率虚大于或等于2倍的最高频率。同样的，利用SystemView仿

30、真增量调制解调电路，也验证了相关结论。特别是在设计双FM电路时遇到的困难很多，经过多方面的查找资料，更离不开老师的帮助才完成。通过此次课程设计使我对这学期所学的模拟调制：AM、DSB、SSB的调制解调，数字调制：2ASK、2FSK、2PSK的调制解调，抽样定理，增量调制的原理有了更进一步的了解与掌握；使我对通信系统的模型有了系统、全面的认识；学习并熟练掌握了SystemView软件的使用方法；掌握了不同参数对各种调制方式的影响；培养了我的耐性与独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够

31、牢固。我会在以后的学习中充实自己,争取把知识掌握牢固,并灵活运用。总之，经过这一个星期的仿真实习，我对通信原理的基础知识有了更深刻的了解，要感谢学校和老师能给予我们这样一个难得实习机会，还要感谢老师和同学在实习过程中给予我的细心的帮助。7 参考文献1 樊昌信等编著.通信原理.国防工业出版社,2001 2 周炯槃等编著.通信原理(合订本).北京邮电大学出版社,20053 卫兵. SystemView 动态系统分析及通信系统仿真设计.安电子科技大学出版社,20014 青松等著.数字通信系统的SystemView仿真与分析.北京航空航天大学出版社5 罗伟雄,韩力,原东昌编著. 通信原理与电路,北京理工大学出版社6 李哲英主编. SystemView动态系统分析与设计软件学习版中文手册,内部资料,199722