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1、通信原理课程设计通信原理课程设计11 前言通信按照传统的理解就是信息的传输，信息的传输离不开它的传输工具，通信系统应运而生，我们此次课题的目的就是要对调制解调的通信系统进行仿真研究。有调制器，接收端要有解调器，这就用到了调制技术，调制可分为模拟调制和数字调制，模拟调制。模拟调制常用的方法有 AM 调制、DSB 调制、SSB 调制；数字调制常用的方法有 BFSK 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。随着
2、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。目前，电子设计自动化 EDA(Electronic Design Automatic)已成为通信系统设计的主潮流。为了使复杂的设计过程更加便捷高效，使得分析与设计所需的时间和费用降低。美国Elanix 公司推出的基于 PC 机 Windows 平台的 SystemView 动态系统仿真软件，是一个比较流行的，优秀的仿真软件。SystemView 是一个信号级的系统仿真软件，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。SystemV
3、iew借助大家熟悉的 Windows 窗口环境，以模块化和交互式的界面，为用户提供一个嵌入式的分析引擎。SystemView 仿真系统的主要特点有：能仿真大量的应用系统；能快速方便地进行动态系统设计与仿真；在本文中可以方便地加入 SystemView 的结果；完备的滤波和线性设计；先进的信号分析和数据处理；完善的自我诊断功能等。SystemView 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。
4、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。通信原理课程设计通信原理课程设计2tmtsmtccos乘法器th图 2-1 线性调制系统的一般模型2 模拟调制系统的设计与分析模拟调制系统可分为线性调制和非线性调制，本课程设计只研究线性调制系统
5、的设计与仿真。线性调制系统中，常用的方法有 AM 调制，DSB 调制，SSB 调制。线性调制的一般原理：载波：)cos()(0tAtsc调制信号：)cos()()(0ttAmtscm式中基带信号。tm线性调制器的一般模型如图 3-1在该模型中，适当选择带通滤波器的冲击响应，便可以得到各种线性调制th信号。线性解调器的一般模型如图 3-2图 2-2 线性解调系统的一般模型其中已调信号，信道加性高斯白噪声tsmtn2.1 AM 调制2.1.1 AM 调制解调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tm为 0，将其叠加一个直流分量后载波相乘(图 3-3)，即可形成调幅信
6、号。其时域0Atmtsmtn解调器带通滤波器加法器通信原理课程设计通信原理课程设计3表达式为 00coscoscosAMcccSAm ttAtm tt 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。0Atm设计的 AM 调制模型如图 3-3tmtSAM0Atccos 图 2-3 AM 调制模型本电路采用了相干解调的方法进行解调，其组成方框图如图 2-42.1.2 AM 调制解调仿真电路根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图 2-5具体参数：调制信号幅值：1V调制信号频率：10HZ 图 2-4 AM 调制系统的仿真图加法器乘法器图 2-5 相干解调法组成框图乘法器
7、低通滤波器tsmtmts通信原理课程设计通信原理课程设计4载波频率：450HZ信道高斯白噪声，幅值为 1V。2.1.3 AM 调制解调仿真仿真波形仿真后的波形如图 2-6图 2- 6 AM 调制系统仿真波形其中基带信号频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱如下图 2-7 所示 图 2-7 频谱比较图2.1.4 AM 调制系统仿真结果分析AM 调制为线性调制的一种，由图 2-6 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；由图 2-7 可以看出，在频谱结构上，它完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。用相干解调法解调出来的信号与基带信号有一定差别，说明 AM 调制系统的抗噪能力
8、较差。通信原理课程设计通信原理课程设计52.2 DSB 调制2.2.1 DSB 调制解调原理在图 2-3 中如果输入的基带信号没有直流分量，且是理想带通滤波器，则th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 0costAtscm 设计的 DSB 调制及解调模型如图 3-8tmtSDSBtSDSBtm0tnitccostntccos图 3-8 DSB 调制与解调模型2.2.2 DSB 调制解调仿真电路根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图 2-9图 2-9 DSB 调制系统的仿真图具体参数为：基带信号
9、幅值：1V，基带信号频率：300，载波频率：1000。在此设计的通信系统中，信道内加入的是高斯白噪声，幅值为 1V。乘法器信道BPF乘法器低通滤波器通信原理课程设计通信原理课程设计62.2.3 DSB 调制解调仿真波形仿真后的波形如图 2-10图 2-10 DSB 调制仿真后波形其中基带信号频谱、已调信号频谱及解调后信号频谱图如下 2-11 所示图 2-11 DSB 调制过程中的各信号的频谱比较图2.2.4 DSB 调制解调仿真结果分析DSB 调制为线性调制的一种，由图 2-10 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；由图 2-11 可以看出，在频谱结构上，它完全是基
10、带信号频谱结构在频域内的简单搬移。且由频普图可看出没有载波分量，从而实现发送功率的提高。用相干解调法解调出的信号与基带信号基本一致，比 AM通信原理课程设计通信原理课程设计7调制波形要好，只是在时域上有一定的延时，但也实现了无失真传输。2.3 SSB 调制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，因而，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。2.3.1 SSB 调制解调原理利用图 2-8 所示的调制器一般模型，同样可以产生单边带信号。若加高通滤波器，能产生上边带信号；若加低通滤波器，则产生下边带信号。下边带时域表
11、达式为 ttmttmtsccmsin5 . 0cos5 . 0上边带 SSB 信号时域表达式为： ttmttmtsccmsin5 . 0cos5 . 02.3.2 SSB 调制解调仿真电路根据以上原理用 SystemView 仿真出来的电路图如图 2-12图 2-12 SSB 调制系统仿真图通信原理课程设计通信原理课程设计82.3.3 SSB 调制解调仿真波形如仿真图 2-13 所示的时域波形及频谱波形图2-13(a)SSB 调制系统时域仿真波形图 2-13(b)SSB 调制系统频域仿真波形2.3.4 SSB 调制解调仿真结果分析SSB 线性调制的一种，由图 3-13 可以看出，在波形上，已调
12、信号的幅值随基带信号变化而呈正比地变化；在频谱结构上，功率谱密度主要集中在 50HZ,与理论相符.解调信号与原信号基本相同,实现无失真传输。2.4 三种幅度调制系统的比较通信原理课程设计通信原理课程设计9假设所有系统在接收机输入端具有相等的输入信号功率，且加性噪声都tsi是均值为 0、双边功率谱密度为的高斯白噪声，基带信号的带宽均为。2/0ntmmf假设为正弦波信号。tm1.抗噪声性能由以上各调制波形及解调波形可以看出，DSB 调制系统抗噪声性能最好。最差的是 AM 调制系统。2.频带利用率SSB 的带宽最窄，和基带信号的带宽一致，即其频带利用率最高，而 AM 和DSB 调制系统的带宽都是基带
13、信号带宽的 2 倍。3.特点与应用AM 调制的优点是设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。AM 制式主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB 调制的优点是功率利用率高，且带宽与 AM 相同，但接受要求同步解调，设备较复杂。应用较少，一般只用于点对点的专用通信。SSB 调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力优于 AM，而带宽只有 AM 的一半；缺点是发送和接受设备都很复杂。鉴于这些特点，SSB 长用于频分多路复用系统中。通信原理课程设计通信原理课程设计103 数字调制系统的设计与分析数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。然而，实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基
14、带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。数字调制技术有两种方法：(1)利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；(2)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信号；对载波的频率进行键控得到频移键控信号；对载波的相位进行键控得到相移键控信号。 3.1 抽样定理的仿
15、真与分析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。3.1.1 低通信号的抽样定理均匀抽样定理指出：对一个带限在内的时间连续信号，如果以H0f，tm的时间间隔对其进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。Hf2/1tm即抽样速率大于等于信号带宽的两倍就可
16、保证不会产生信号的混迭。是抽Hf2/1样的最大间隔，也称为奈奎斯特间隔。3.1.2 信号的采样与恢复仿真原理如图 3-1 所示，是低通信号采样与恢复的原理图。通信原理课程设计通信原理课程设计113.1.3 信号的采样与恢复仿真电路根据图 4-1 所示的原理图，对应的 SystemView 如图 3-2 所示：图 3-2 验证抽样定理的仿真图3.1.4 信号的采样与恢复仿真波形图 3-3 原始信号、恢复信号与抽样信号波形图 3-1 信号的采样与恢复原理图信号源信号处理器抽样定理低通滤波器恢复信号相乘器通信原理课程设计通信原理课程设计123.1.5 信号的采样与恢复仿真电路结果分析由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
