通信原理软件实验报告.docx

一、实验目的（1）深入理解2PSKPCM通信系统的工作原理、电路组成和信息传输特点；（2）熟悉上述通信系统的设计方法与参数选择原则；（3）掌握在SYSTEMVIEW环境中使用参数化图符模块构建通信系统模型的设计仿真方法；（4）熟悉系统中各信号时域波形特点；（5）熟悉系统中各信号频域的功率谱特点。二、实验内容（1）使用m序列为数字系统输入调试信号，码速率参见附表；（2）采用模拟调制或数字键控实现2PSK调制；（3）通过相关解调完成2PSK解调，恢复初始m序列；（4）从时域观测各信号点波形，获得接收端信号眼图；（5）观测各信号功率谱；（6）通过不少于三个频率正弦信号叠加而成的模拟信号作为系统真实输入信号，并采用PCM编码方法实现数模转换；（7）模拟输入信号转换形成的数字信号通过2PSK调制解调系统实现数字频带传输；（8）通过PCM解码恢复初始模拟信号；（9）从时域重点观测模拟信号点波形；（10）从频域重点观察模拟信号功率谱。三、实验原理模拟信号的数字传输通信系统的组成框图如下图所示。系统输入的模拟随机信号m(t),经过该通信系统后要较好地得到恢复。Mf)sk%m(0模拟随机信号数字随机序列数字随机序列模拟随机信号本电路设计分为两部分，首先是2PSK调制与解调的设计，在确保调制与解调无误后，设计PCM编码与译码电路，然后将二者联合起来，实现模拟信号的数字传输。即PCM+2PSKo1、2PSK调制与解调的原理2PSK,即二进制相移键控，用输入信号控制载波的相位随之变化,一般情况下，用载波的“0。”表示二进制基带信号的“0”，”180。”表示二进制基带信号的“1”，也可反过来。输入信号的形式一般为SC)=Ea回LnTC,出以概率P取“1”，以1-P取“0”，g(t)一般是脉宽为TS,高为1的方波(也可取三角波等)。(1) 2PSK调制2PSK调制采用数字键控两种方式，调制原理如下：开关电路2ps(t)-S(t)COSWct若输入不是双极性不归零波形，我们可以通过码型变化将其转换为双极性不归零波形。调制波形如下所示：1：0：1：1:SG)I一t")WVYWWi018000通过观察波形，我们可以得到，当输入为“1”时，已调载波相位为0；当输入为“0”时，已调载波相位为180。(2) 2PSK解调2PSK解调一般采用相干解调法，原理如下：.e2PS(t)e»解调时各点波形如下所示:1O11aWJVYWvLbWvWWLCfYYYYYYY1IoII通过对以上波形的分析，我们可以看出，当恢复载波相位差180。时，输出波形刚好与输入的波形相反。通过对理论的学习，我们称之为180。相位模糊，可以通过采用2DPSK来解决这个问题。2、PCM编码与译码实验原理PCM,即脉冲编码调制，用一组二进制代码代替连续信号的抽样值，原理框图如下：抽样刊量化p编码上信道¾A/陵换；T；D/A变换W）(1) PCM编码首先，对输入的模拟信号进行抽样，使其成为时域离散信号，此处必须满足采样定理，然后通过模数转换将时域离散信号用一组二进制代码来表示，具体有两步：量化、编码。D量化量化即用有限电平来表示抽样得到的离散值。具体的量化方法有均匀量化和非均匀量化。均匀量化相对比较简单，但是它的量化信噪比随信号电平的减小而下降，因此当输入信号较小时，会产生较大的量化误差。因此，我们引入非均匀量化，使得量化电平集中在幅度密度高的区域。常用的方法为A律压扩和U律压扩。本实验中采用的为A律压扩，但由于A律压缩较为复杂，一般常用A律13折线，其压号时，量化间隔较小，大信噪比时，量化间隔较大，改善了量化信噪比。2)编码编码即把量化后的电平用二进制来表示，本实验中采用8位二进制码，从高到低分别为极性码、段落码、段内码，采用的是逐次比较性编码，具体方法可查阅相关资料。(2) PCM译码译码即把收到的PCM信号还原成相应的PAM样值信号，即进行D/A变换，此处需要用解压扩器对其进行解压扩，然后通过低通滤波器即可得到输入的模拟信号。译码可以看作是编码的逆过程。四、仿真电路设计1、2PSK数字键控调制和相干解调系统仿真解调系统如下图所示:各图符参数设置如下表所示:编号库/名称参数21Comm:PNGenRegLen=5Taps=2-5Seed=-1Threshold=0True=1False=-1MaxRate=800e+3Hz22Source:PulseTrainAmp=IvFreq=20e+3HzPulseW=25e_6secOffset=-500e-3vPhase=0degMaxRate=800e+3Hz25Logic:SPDTSwitchDelay-0secThreshold=500e-3vInput0=t26Output0Input1=tl5Output0Control=t21Output0MaxRate=800e+3Hz26Operator:NegateMaxRate=800e÷3Hz28Source:Sinusoidmp=IvFreq=80e+3HzPhase=0degOutputO=Sinet6Output1=CosineMaxRate(PortO)=800e+3Hz3Operator:1.inearSysButterworthBandpassIIR3PolesLowFc=60e+3HzHiFc=100e+3HzQuantBits=NoneInitCndtn=TransientDSPModeDisabledMaxRate=800e+3Hz4Adder:NonParametricInputsfromt25pt5pOutputsto323MaxRate=800e+3Hz5Source:GaussNoiseStdDev=OvMean=OvMaxRate=800e+3Hz6Multiplier:NonParametricInputsfromt28pt3pOutputsto824MaxRate=800e+3Hz8Operator:1.inearSysButterworth1.owpassIIRFc=20e+3HzQuantBits=NoneInitCndtn=TransientDSPModeDisabled3PolesMaxRate=800e+3Hz9Operator:SamplerInterpolatingRate=800e÷3HzAperture=0secApertureJitter=0sec10Operator:DelayNon-InterpolatingDelay=0secOutput0=Delayt9Output1=Delay-dT11Operator:HoldLastValueGain=1OutRate=800e+3Hz12Logic:BufferGateDelay=0secThreshold=OvTrueOutput=IvFalseOutput=OvRiseTime=0secFallTime=0sec15Source:SinusoidAmp=IvFreq=80e+3HzPhase=0degOutput0=Sinet26t25Output1=CosineOutput 1 = Cosine各图符参数设置如下表所示:编号库/名称参数71Source:SinusoidAmp=2vFreq=100HzPhase=0degOutput0=Sinet3Output1=Cosine72Source:Sinusoidmp=2vFreq=200HzPhase=0degOutput0=Sinet3Output1=Cosine73Source:SinusoidAmp=2vFreq=400HzPhase=0degOutput0=Sinet3Output1=Cosine3Adder:NonParametricInputsfrom717273Outputsto466Comm:CompanderA-LawMaxInput=±58Logic:ADCTwo,sComplementGateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=IvFalseOutput=OvNo.Bits=8MinInput=-5vMaxInput=5vRiseTime=0secAnalog=t6Output0Clock=tl4Output014Source:PulseTrainmp=2vFreq=2.5e+3HzPulseW=50e6secOffset=-1vPhase=0deg40MetaSystemrUntNotAuto-Linkeditledl41Comm:TDMuxNo.Inputs=8TimeperInput=400e-6secTimeSlotO=t32OutputOTimeSlot1=t33OutputOTimeSlot2=t34OutputOTimeSlot3=t35OutputOTimeSlot4=t36OutputOTimeSlot5=t37OutputOTimeSlot6=t38OutputOTimeSlot7=t39OutputO43Operator:HoldLastValueGain=1OutRate=800e+3Hz74MetaSystem:2pskE:学习资料大三上通信原理通原2psk.mtaAuto-Linked96Operator:DelayNon-InterpolatingDelay=350e_6secOutputO=Delayt45Output1=Delay-dT45Comm:TDNo.Outputs=8DeMuxTimeperOutput=400e-6secOutputO=TimeSlotOt9Output1=TimeSlot1t9Output2=TimeSlot2t9Output3=TimeSlot3t9Output4=TimeSlot4t9Output5=TimeSlot5t9Output6=TimeSlot6t9Output7=TimeSlot7t99Logic:DACTwo,sComplementGateDelay=OsecThreshold=500e-3vNo.Bits=8MinOutput=一5vMaxOutput=5vD-O=t45Output0D-I=t45Output1D-2=t45Output2D-3=t45Output3D-4=t45Output47Comm:DeCompandA-LawMaxInput=±512Operator:Fc=300HzLinearSysQuantBits=NoneButterwortInitCndtn=TransienthLowpassIIRDSPModeDisabled3Poles五、仿真结果及对应的结果数据分析（一）2PSK仿真结果1.各点时域波形（1）输入111序列波形Sink13400e-800e<e1.2e316e-32e-32.4e-3*e<eaSystemView根据Comm库里的PNGen器件生成长度为5的一串伪随机序列，并将其设置为适合用PCM编码的双极性不归零波形。（2）未调载波波形未调载波为4倍的基带速率（3）2PSK数字调制波形Sink27由图知，经过数字键控，实现了由输入的m序列来控制相位的目的，即当输入为“1”时，已调载波相位为0；当输入为“0”时，已调载波相位为180。，输出为为调制的2PSK波形。（4）带通滤波输出波形9 MH 二号带通滤波器带宽为2倍的基带速率，允许有用信号通过，滤除带外噪声。（5）本地载波波形2PSK信号的解调通常都用相干解调这种方式。从上图以及未调载波图可看出，解调器中本地参考波的相位必须和发送端解调器的载波同频同相。(6)解调端乘法器输出波形50071.053TimQ Xn Socond;1 253500« 3上图为2PSK信号与载波相乘的波形，由于调制波形通过了调制信道，叠加了噪声，并且通过恢复载波，最后的波形就变成了上面的图形。这是因为经过了恢复载波乘法器之后，2PSK叠加噪声之后的波形与恢复载波相乘，正正得正，正负得负，所以才形成了上下不一的图形。(7)低通滤波输出波形OoOa32002-200e-34007-000÷3500e1e31.5e-32/3Tint in Seconds 8yifHlVr上图为低通滤波后的波形，通过低通滤波器之后相当于载波提取后的波形与低通滤波器的波形相互卷积，最后得出了下图。并且下图的大概包络与载波提取后的波形包络大概相同，而且还有噪声的滤波器的一些不理想因素造成了滤波后的波形出现了波纹幅度。(8)解调输出波形Sink14400e800e1.2-31.632-32.4-3llllllll*Sl>BII上图为抽样判决的波形，此图把滤波器输出波形大于0的部分判决成了+1电平，把小于0的判成了T电平，为解调输出波形。2、加入不同噪声的接收端眼图(1)无噪时的眼图由上图可以看出，在不加入噪声时，眼图呈现“单眼皮大眼睛”,噪声容限也较大，说明信号传输过程中干扰较小。(2)低噪(0.5v)时的眼图当加入低噪声(05v)时，我们可以很清楚的看到眼图相比无噪时变模糊了，说明噪声对信号传输产生了一定的干扰。(3)高噪声(Iv)时的眼图当加入Iv的高噪声时，眼图已经变得十分混乱模糊，说明噪声对信号传输的影响非常大。3、输入In序列和解调输出的瀑布图SOoy上：输入，下：输出17 T>ne in SecondsIUSrfftn Flot of "12通过对波形对比分析可知2PSK信号解调很成功。但是输出相对于输入大约有50e-6的一个延时，但是这个是正常的。4、各信号的功率谱图(1)输入m序列的功率谱(2)未调载波的功率谱载波为20khz*4=80khz,如图在频域80khz处有一峰值，能量集中在80khz附近。(3)2PSK信号的功率谱通过调制信号、高频载波以及2PSK信号，我们可以看出2PSK信号在载波频率附近的功率谱有明显的变化。(4)带通滤波器输出功率谱二进制相移键控信号的带宽B2PSK是基带信号波形带宽B的两倍。由图知，调制后经过带通滤波器的信号的功率仍然集中在载波为中心，基带的两倍范围。(5)乘法器输出功率谱已调信号与恢复载波相乘后，既有高频分量又有低频分量，分别为差频和和频。(6)低通滤波后波形的功率谱经过低通滤波器后，我们只保留了我们需要的低频分量，去除了高频分量Q(7)解调输出信号的功率谱输出信号频谱与输入信号频谱基本一样，说明我们成功的实现了2PSK的调制与解调。5、滤波器的幅频特性曲线(1)带通滤波器的幅频特性曲线FrequencyResponse:GainindBvsFreqinHz(dF=97.7Hz)通带为(载波-基带，载波加基带)，即为(60khz,100khz),带宽为2*基带=40khz0(2)低通滤波器的幅频特性曲线低通滤波器允许基带(2OkhZ)信号通过，滤除带外噪声。(二)PCM仿真结果1 .各点时域波形(1)输入模拟信号波形TimeinSeconds输入的三个频率分别为100hZ,200hz,350hz的正弦信号叠加的时域波形2 2)A律压扩后波形Sink5经过A率压缩，对于小信号量化间隔较小，大信号量化间隔较大,使量化性能更好。(3)模数转换、串并转换后波形200o1通过PCM编码，将输入的模拟信号转换为数字信号，实现数字传输。(4) 2PSK调制解调后波形Time in Secondsa-r4SystemView对比分析知，成功实现了2PSK调制与解调。(5) D/A转换后波形Sink102e»34-3e-38e-310e-312-3lPlr 口IiiiI>III2343638710312BTimeinSecondsSyatemV>将数字信号经PCM译码转换为模拟信号(6)A律解压扩后波形Sink 11 5e-3Tine in Seconds对应于编码过程的A律压缩(7)低通滤波输出波形10e-3最终输出波形。（8）输入输出信号瀑布图调。2.各信号的功率谱图（1）输入模拟信号功率谱图PrerSpectrvmo£sourcesignal(dBm50OhAS)MixedF200,400600020040000FrequencyinHz(dF三71.42能量主要集中在输入的三个频率（100hZ,200hz,350hz）处。（3）低通滤波输出信号功率谱PwerSp»Ctrunofsinksignal(dE50ohns)Nixedi调制解调后能量仍然主要集中在输入的三个频率（100hz,200hz,350hz）处。（2）输入输出信号功率谱瀑布图输出与输入很相似，成功地实现了调制解调。3、低通滤波器的幅频特性FrequencyResponse:GainindBv$FreqinHz(dF=12.2Hz)结果数据分析：通过对以上输入信号与输出信号时域波形以及功率谱图的分析比较，我们可以看出该模拟信号数字传输系统较好地实现了2PSK调制与解调。其中，由于低通滤波器不是理想的低通滤波器，导致有频谱的泄漏，使得频谱模糊，谱的分辨率降低。该设计中，我们选择的是巴特沃斯低通滤波器，我们可以通过改变窗函数的形状，提高主板能量，压低旁瓣幅度，减小谱间干扰。六、本系统存在的问题及改进措施1、刚开始很茫然，一看这个题目就觉得很难，浪费了很多时间，在指导老师的提点下，明白了自己要完成的部分，对题目有了更深的理解，也有思路了。遇到问题不能怕难，要明确自己的任务，将目标分解，一步步完成。2、最初是软件的使用有困难，初次接触，不会使用，通过老师的讲解，周围同学的帮助，及自己的不断摸索，查看老师给发的资料等终于会使用了，知道了怎么让波形重叠，怎么让对齐波形，怎么调整横纵坐标，怎么画出功率谱，眼图等等。3、2psk的带通滤波器和低通滤波器的参数不会设，通过同学讲解，知道了方法，才将参数设对，与理论知识联系起来。4、刚开始不会将子系统加到总系统中，通过自己在样例的参考及摸索，解决了这个问题。5、本来已经调好各参数，但拷到优盘里换个电脑就不行了，才发现PCm自动匹配子系统，要将子系统与总系统放到一起。6、输出波形比较短，通过询问老师，得知增加系统时间便可以解决。7、输出功率谱有点平，经过周围同学的帮助及老师的讲解得知是采样率不够，通过减小三个输入信号的频率，解决了这个问题。七、心得体会此次通信原理课软件实验我收获到了很多原来没有体验过的东西。这次实验使我学会了用SYSTEMVIEW系统初步的设计方法，初步了解了如何用SYSTEMVIEW这个仿真软件进行2PSKPCM调制与解调系统的设计。通过对2PSK及PCM通信系统的设计仿真，我对通信领域的知识得到了更深一步的了解，深入理解2PSKPCM通信系统的工作原理、电路组成和信息传输特点，更加加深了理论知识的理解。本来课本上学习已经觉得自己学会了，理解了，只有当自己真正去实验仿真时才发现困难重重。特别是在滤波器参数设置时，刚开始不知道怎样设置,请教同学后，明白了，这时候恍然大悟，原来自己其实也应该是知道的，却没有与自己所学知识联系起来。通过这次实验，我对2PSKPCM通信系统有了直观的认识，更加清楚了具体实现过程，特别是对功率谱的分析中，直观地看到了能量的分布与信号传输过程的联系。团队合作中每个人的任务分工及时间分配很重要，还要善于听取不同的观点，每个人的意见都有价值，互相学习可以加深自己的理解,还可以注意到一些个人没有注意的问题。八、分工本次系统实验我主要负责2PSK中解调部分及PCM解调部分，以及仿真波形的调试。