通信电路及系统软件实验报告.docx

通信电路及系统软件实验报告

本科实验报告

实验名称： 通信电路及系统软件实验

课程名称：
通信电路及系统
实验时间：

任课教师：

实验地点：
4-342
实验教师：

实验类型：
□ 原理验证
□ 综合设计
□ 自主创新
学生姓名：

学号/班级：

组 号：

学 院：
信息及电子学院
同组搭档：

专 业：
信息工程
成 绩：

实验一 数字通信系统仿真
（一）简单基带传输系统分析
一、实验目的
掌握利用system view仿真软件观察系统时域波形，重点学习和掌握观察眼图的操作方法。
二、实验原理
该系统并不是无码间干扰设计的，为使基带信号能量更为集中，形成滤波器采用高斯滤波器，系统框图如下：
加性高斯低通型信道
低通
接受判决

形成滤波器
＋
PN码发生器

高斯噪声源

三、实验内容
构造一个简单示意性基带传输系统。以双极性PN码（伪噪声Pseudo-Noise: PN）发生器模拟一个数据信源，码速率为100bit/s，低通型信道噪声为加性高斯噪声（标准差＝0.3v）。要求：
1.观测接受输入和滤波输出的时域波形。
2.观测接收滤波器输出的眼图。
四、系统参数及系统框图

五、实验结果
各分析窗的输出波形如下：

功率谱合成如下：

输入信号眼图：

输出信号眼图：

从上述仿真分析可以看出：经高斯滤波器形成处理后的基带信号波形远比ＰＮ码信号平滑，信号能量主要集中在１０倍码率以内，经低通型限带信道后信号能量损失相对较小。由于信道的不理想和叠加噪声的影响，信道输出眼图将比输入的差些，改变信道特性和噪声强度，眼图波形将发生明显畸变，接收端误码率肯定相应增大。
由此可见，基带传输系统中不应直接传送方波序列信号，应经过波形形成，从而使信号能量更为集中，并通过均衡措施达到或接近无码间干扰系统设计要求。
（二）利用Costas环解调2PSK信号分析
一、实验目的
1.通过system view仿真分析和理解Costas环解调系统功能和特点；
2.进一步熟悉仿真软件的操作及使用。
二、实验原理
2PSK调制和Costas环解调系统组成如下：

低通
×
u1t uIt

PN码产生器
cosωct+θe
×
LF
VCO
×
m（t） x（t）
低通
×
载波产生器

cosωct sinωct+θe

u2t uQt

其中： xt=mtcosωct
u1t=mtcosωct·cosωct+θe=12mt[cosθe+cos⁡(2ωct+θe)]
u2t=mtcosωct·sinωct+θe=12mt[sinθe+sin⁡(2ωct+θe)]
经过低通滤波器后，得到的同相分量和正交分量分别为：
uIt=12mtcosθe
uQt=12mtsinθe
通常，环路锁定后，θe很小（在仿真分析是可设为0）。显然，同相分量uIt=0.5mt，正交分量uQt=0，这就是说，只有同相输出分量才包含解调信息。实际上，Costas可以同时完成载波同步提取和2PSK信号解调，这及常用的平方环有所不同。
三、实验内容
Costas环是一个由同相及正交支路构成的锁相环路，对2PSK信号进行解调是其主要功能之一。构造一个2PSK信号调制解调系统，利用Costas环对2PSK信号进行解调，以双极性PN码作为基准，观测环路同相支路输出和正交支路输出的时域波形。
四、系统参数及系统框图

五、实验结果

由仿真结果明显看出，Costas环的同相分量（同相支路低通滤波器 ）即为数据解调输出，而正交分量（正交支路低通滤波器输出）中没有解调信息。
（三）二进制差分编码/译码器分析
一、实验目的
通过分析理解差分编码/译码的基本工作原理
二、实验原理
在实际差分编/译码器中，将码序列延迟一个码元间隔通常是利用D触发器完成的。在SYSTEMVIEW中，差分编码器中的延迟环节不直接使用D触发器反而更方便。
an
+
dn
dn
an
＋

dn-1

dn-1

D Q

CK

发送码时钟
Q D

CK
位同步时钟

三、实验内容
创建一对二进制差分编码／译码器，以 PN 码作为二进制绝对码，码速率 Rb ＝100bit/s。分别观测绝对码序列、差分编码序列、差分译码序列，并观察差分 编码是如何克服绝对码全部反相的，以便为分析 2DPSK 原理做铺垫。

四、系统参数及框图

Token编号
Attribute属性
Type类型
Parameters图符块参数设置
0
Source
PN Seq
Amp=1v,Offset=0v,Rate=100hz,level=2,Phase=0
1
Operator
Sampler
Interpolating,Rate=100hz,Aperture=0,Jitter=0
2,7
Operator
XOR
Threshold=0v,True=1,False=-1
3
Operator
Gain
Gain Units=Linear,Gain=1
4,9
Operator
Hold
Last Value,Gain=1
5,8
Operator
Sampler
Interpolating,Rate=10000hz,Aperture=0,Jitter=0
6
Operator
Smpl Delay
Fill Last Register,Delay=100Sampies
10,11,12
Sink
Analysis
/

五、实验结果

加反相器后：

由于系统中数字采样延迟图符块（Token6）的输入接采样器图符块（Token5）输出，Token5的采样频率为10000hz，绝对码时钟频率为100hz，Token6的作用是将码序列延迟一个码元并及前边采样块的采样频率相关，故其延迟采样点数目应设置为100。
编/译码结果一致。

实验二 二进制键控系统分析
（一）相干接收2ASK系统分析
一、实验目的
进一步熟悉软件的主要操作步骤以及系统分析方法。
二、实验原理
信道

×
滤波采样判决
×
＋
二进制
基带信号
an

an

载 波
噪 声
载 波

Acosωct Acosωct

三、实验内容
1、在系统窗下创建仿真系统，观察制定分析点的波形，功率谱及谱零点带宽；
2、改变原件参数设置，观察仿真结果，如果PN码改为双极性码（Amp=1v，Offset=0v），能产生2ASK信号吗？此时产生的是什么数字调制信号？改变高斯噪声强度，观察解调波波形变化，体会噪声对数据传输质量的影响；
3、进一步熟悉软件的主要操作步骤。
四、系统参数及框图
设置时间窗，运行时间：0-0.3秒，采样速率：10000hz
Token
编号
Attribute属性
Type类型
Parameters图符块参数
0
Source
PN Seq
Amp=1v,Offset=0v,Rate=100Hz,Level=2
1,5
Multiplier
-
-
2,6
Adder
Sinusoid
Amp=1V,Freq=1000Hz,Phase=0
3
Source
-
-
4
Operator
Gauss Noise
Std Dev=0.5V,Mean=0V
7
Operator
Linear Sys
Butterworth_Lowpass IIR,5 Poles,Fc=200Hz
8
Operator
Sampler
Interpolating,Rate=100Hz,Ape=0,Jitter=0
9
Operator
Hold
Last Value,Gain=1
10
Operator
Compare
a>=b,Ture=1,False=0
11
Source
Step Fct
Amp=0.3v,Start time=0,Offset=0v
12,13,14
15,16,17
Sink
Analysis
-

五、实验结果
1、时域波形：

功率谱：

由图可知，谱零点带宽约为200Hz。
2、双极性码：

此时，不能产生2ASK信号，此时产生的是2FSK调制信号。
改变噪声强度：Std Dev=1v

由图可以看到，噪声加大时，解调信号可能会出现误码的情形。
（二）锁相环解调2FSK系统分析
一、实验目的
熟悉软件操作步骤
二、实验原理
PN码
发生器
FM
PD
LF
VCO
噪声
LPF
＋

调制
信道

解调

解调输出
为了提高接收端的抗干扰能力，对于接收滤波器输出的模拟电压通常采用“采样+判决”的处理方式。在本实验中，可在同样噪声干扰时比较仅采用“判决”的波形整形方式及“采样+判决”的处理方式的效果。
在以下三方面要提醒读者：
1、在此2FSK仿真系统中，对2FSK这种数字调频信号的解调采用了PLL，应为PLL的一个重要应用功能就是鉴频功能，而且它比普通鉴频器的鉴频门限第4~5DB
2、PLL的环路滤波器输出为鉴频输出，并通过进一步的低通滤波后分两路到“采样+判决”和“无采样判决”处理环节，前一种处理方式是规范的，但实际接受系统中的采样时钟应是位同步的提取时钟。
3、解调器输出应该是二进制的逻辑电平，每个接受码元的0/1转台是依靠滤波器输出信号的复读来判决得到的，单滤波器输出信号为幅度伴有噪声和失真的模拟信号，幅度转台随机性很大，通过“采样”处理可以大大降低噪声和失真的随机性，提高判决的正确性；没有采样处理的直接判决整形方式不利于提高判决的正确性，读者可以讲构造系统中的信道高斯噪声图符块的标准偏差改为0.4V，在观察TOKEN19 TOKEN21的波形就会发现这两种判决处理在性能上的差别。
三、实验内容
1、在系统窗下创建仿真系统，观察各接受分析器的时域波形，体会各图符块在系统中的特殊作用，观察分析器Token10的功率谱，分析该2FSK信号的主要信号能量是否可以通过话带（300hz-3400hz）；
2、在高斯噪声强度较小时，观察各分析接收器的时域波形；
3、将Token3的标准偏差加大到0.4v，再观察Token19和Token21的时域波形，思考并解释分析结果；
4、观察滤波器输出模拟信号波形和采样保持输出波形，体会‘采样’处理环节的作用。
四、系统参数及框图
设置时间窗，运行时间0-0.1秒，采样频率：10000hz。
系统参数如下：
Token编号
Attribute属性
Type类型
Parameters图符参数
0
Source
PN Seq
Amp=1v,Offset=0v,Rate=1200Hz,Level=2
1
Function
FM
Amp=1v,F=1700Hz,Mod Gain=400Hz/v
2
Adder
-

3
Source
Gauss Noise
Std Dev=0.1v,Mean=0v
4
Operator
Linear Sys
Butterworth_Bandpass IIR,5 Poles,Fc=300Hz,Hi Fc=3400
5
Multiplier
-

6
Operator
Linear Sys
Butterworth_Lowpass IIR,1 Poles,Fc=600Hz
7
Function
FM
Amp=2v,F=1700Hz,Mod Gain=800Hz/v
8
Operator
Linear Sys
Butterworth_Lowpass IIR,9 Poles,Fc=1200Hz
9
Sink
Analysis
-
10
Sink
Analysis
-
11
Sink
Analysis
-
12
Sink
Analysis
-
13
Sink
Analysis
-
14
Operator
Sample
Interpolating,Rate=1200Hz,Ape=0v,Jitter=0v
15
Operator
Hold
Last Vaule,Gain=2,Out Rate=10000Hz
16
Sink
Analysis
-
17
Operator
Compare
a>=b,A Input=t15,B Input=t18,Ture=1,False=-1
18
Source
Sinusoid
Amp=0v,F=0Hz
19
Sink
Analysis
-
20
Operator
Compare
a>=b,A Input=t8,B Input=t18,Ture=1,False=-1
21
Sink
Analysis
-

五、实验结果
1.各分析器的时域波形：

Token10的功率谱：

观察改功率谱可知，其信号功率主要分布在300Hz-3400Hz范围内，因此该2FSK信号主要能量可以通过话带。
2、低噪声强度时观察Token19和Token21的时域波形可知，此时没有误码；
3、高噪声强度时Token19和Token21的时域波形：

由图可知，此时有明显的误码。
4、采样保持：

（三）相干接收2PSK系统分析
一、实验目的
熟悉软件的操作；
理解2PSK调制解调方法，处巩固二进制移相监控系统的工作原理外，应特别注意2DPSK系统是如何解决同步载波180度相位模糊问题的。
二、实验原理
对2PSK信号相干的前提是首先进行载波提取，可采用平方环或科斯塔斯环来实现。为分析方便起见，在本实验中可直接在接收端设置一个月发送端同步的本地载波源，另外，本实验暂不考虑位同步提取问题。

低通滤波
采样判决
×
×
＋
PN码发生器
输出

载 波

载波提取
噪 声

三、实验内容
1、分析观察Token12/13/14/15/16/17的时域波形，看解调是否正确？观察Token13的2PSK信号功率谱结构及谱零点带宽；
2、从2PSK系统实际上及实验一中的2ASK系统的主要参数几乎相同，将高斯噪声源的标准偏差增大到1v，将两种系统的输入码序列及解调输出码序列进行对比，观察各自的误码是否出现，看看究竟哪种传输系统的抗噪声新能更高；
3、2Psk系统中，接收提取的载波存在180度的相位模糊度，这是载波提取电路存在的故有问题，一旦接收端提取的载波及发送端调制载波倒相，解调出的码序列将全部倒相。重新设置接受载波源的参数，将其中的相位设置为180度，运行后观察解调的结果。
四、系统参数及框图
设置系统运行时间：0-0.3秒，采样频率：10000Hz
Token编号
Attribute属性
Type类型
Parameters图符块参数
0
Source
PN Seq
Amp=1v,Offset=0v,Rate=100Hz,Levels=2
1,5
Multiplier
-
-
2,6
Source
Sinusoid
Amp=1v,Freq=3000Hz,Phase=0,Output1=Cosin
3
Adder
-
-
4
Source
Gauss Noise
Std Dev=0.5v,Mean=0v
7
Operator
Linear Sys
Butterworth_Lowpass IIR,5 Poles,Fc=200Hz
8
Operator
Sampler
Interpolating,Rate=100Hz,Ape=0,Jitter=0
9
Operator
Hold
Last Value,Gain=1
10
Operator
Compare
a>=b,True=1,False=-1
11
Source
Sinuslid
Amp=0v,Freq=0Hz
12，13,14，15,16,17
Sink
Analysis
-

五、实验结果
1、时域波形：

调制输入和解调输出一致，即解调正确。
Token13的功率谱为：

2、噪声强度为Std Dev=1v时：
2PSK：

无误码出现；
2ASK：

有误码出现；
综上，2PSK的抗噪声新能优于2ASK。
3、180度相位模糊：设置Token6中Phase=180

输出及输入反相。
（四）锁相环路仿真分析
一、实验目的
更加形象的理解锁相环的工作原理，从而观察到硬件实验不易观察到的实验现象；
体会PLL的带通频率提纯作用，以及噪声强队对入锁时间的影响；
理解和体会环路带宽对捕捉带的影响。
二、实验原理
1、PLL系统组成原理
锁相环路实质上是一个相位反馈控制调节系统，在通信系统中得到了广泛的应用。基本PLL有鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分构成闭合环路，PD用于检测环路输入和输出信号之间的相位差，并以误差信号给出，LF用于提取误差信号中真正反应相位差变化的低频分量；VCO受控调节震荡频率，随着时间的积累，输出信号相位就发生变化，并且向着减小及输入信号之间相位差的方向调节变化，故相位调节达到环路锁定是需要一定时间的。
PLL对信号相位的传递具有低通特性，对信号电压的传递具有带通特性，通带可由LF参数控制，从而可对伴随限带噪声的单频信号起到带通频率提纯作用。LD的3dB带宽虽然通常不直接等于环路闭环相位传输带宽，但LD的3dB带宽越宽，环路带宽也越宽，反之亦然，环路带宽直接影响到入锁时间和捕捉带宽度。
注意到，Token0的输出频率为50Hz，VCO图符块起始频率设为49Hz，即有1Hz的频差，VCO图符块的压控灵敏度为5Hz/v，则抵消掉这一Hz的起始频差，环路滤波器输出电压需要上调0.2V；若起始频率设为51Hz，则环路滤波器输出电压要下调0.2Hz，这种调节所需要的时间称为入锁时间，两种情况下的入锁时间大致需要0.8秒。环路锁定后，环路锁定后，环路滤波器输出已变为直流电压。
三、实验内容
1、观察环路输入、输出波形，从时域角度看噪声对输入正弦信号的随机调制，以及环路对噪声影响的抑制作用；
2、观察PD和LD输出波形，体会LD在环路中的滤波作用，并粗略估计入锁时间，观察输入和输出组合信号波形，看信号相位和频率的调节过程；
3、观察输入和输出组合信号波形的功率谱，看环路的频率提纯作用；
4、观察PD输出和LF输出组合信号的基带功率谱，其中是否有工作频率的二次谐波分量（100Hz），为什么会有此频率分量楚翔；
5、不断改变VCO的其实频率，建议从47Hz到53Hz，如果LF输出为连续震荡波形，则环路失锁，如经过调节最终可达直流即为入锁，测出改环路的捕捉带（约5Hz）；
6、固定LF的上限截止频率，改变高斯噪声强度，看入锁时间的改变规律，明确输入信噪比及入锁时间的关系；
7、固定叠加噪声的强度，改变LF的截止频率，在观察入锁时间的改变规律，明确LF带宽及入锁时间的关系。
四、系统参数及框图
设置系统运行时间：0-1.5秒；系统采样频率：1000Hz
Token编号
Attribute属性
Type类型
Parameters图符块参数
0
Source
Sinusoid
Amp=1v,F=50Hz,Phase=0
1
Source
Gauss Noise
Std Dev=0.05V,Mean=0v
2
Adder
-
-
3
Multiplier
-
-
4
Operator
Linear Sys
Butterworth_Lowpass IIR,1 Poles,Fc=2Hz
5
Function
FM
Amp=1v,F=49Hz,Phase=0,Mod Gain=5Hz/v
8
Operator
Linear Sys
Butterworth_Lowpass IIR,5 Poles,Fc=20Hz，Hi Fc=90Hz
6，7,9,10
Sink
Analysis
-

五、实验结果
1、
2、PD和LF输出对比：

LF过滤掉PD输出中的高频分量，保留了反映鉴频器输出相位误差信号的低频分量。
粗略估测入锁时间约为：0.8s
3、频率提纯作用：
4、PD和LF组合信号的基带功率谱：
5、捕捉带：
47.7hz：

52.4hz：

捕捉带宽度约为：4.7Hz
6、改变高斯噪声强度：
增大高斯噪声：

入锁时间变长；
减小高斯噪声：

入锁时间变短；
7、改变LF带宽：
增大带宽：

入锁时间减少；
减小带宽：

入锁时间变长。
实验心得
通过通信电路及系统的软件实验，运用System View对常见的通信电路进行系统仿真，能够更加方便而且清晰的观察到通信电路中信号的在传输过程中的变化以及由于噪声的影响而提出的各种各样的解决方案，加深对通信点路中的各种现象及原理的理解和记忆。
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