课程设计-基于Systemview的2ASK信号调制与解调.doc

沈阳工程学院课程设计 摘要摘 要 现代通信系统要求通信距离远，通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。从最早的模拟调幅调频技术的日趋完善，到现在数字调制技术的广泛应用。使得信息的传输更为有效和可靠。二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式，也是各种数字调制的基础。本毕业设计主要是利用System View仿真软件平台，设计一个2ASK调制解调器系统，用示波器观察调制前后的信号波形，并将其记录下来，分析该系统的性能。通过System View的仿真功能模拟实际中的2ASK调制解调。本课题研究的是基于System View的2ASK调制解调器设计。文中将调制解调器分成调制与解调两个部分进行设计，对调制、解调的两种方法进行简单的介绍，进而对比，选择出合适的方法完成设计。 关键词 System View，调制，解调，2ASK II沈阳工程学院课程设计 AbstractAbstractThe modern communication system requirements for communication distance, communication capacity, transmission quality. As one of its key technologies of modulation and demodulation techniques is an important direction for researchers. From the earliest analog AM FM technology is maturing to the extensive application of digital modulation techniques. Making transport more effective and reliable information. Binary digital amplitude shift keying is an ancient way of modulation, the basis of a variety of digital modulation.This graduation system View simulation software platform designed a 2ASK modem system, use the oscilloscope before and after the observed modulation signal waveform, and record and analyze the performance of the system. By system view simulation of2ASK modulation and demodulationOf this research project is based on the System View 2ASK modem design. Paper, the modem is divided into two parts of the modulation and demodulation design, a brief introduction on the two methods of modulation, demodulation, and then contrast, choose the appropriate method to complete the design.Keywords System View；Modulation；Demodulation；2ASK沈阳工程学院课程设计 目 录目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 通信系统一般模型11.2 通信系统的分类与通信方式2第2章 System View的应用32.1 System View的应用32.2 System View的操作32.3 System View的特点32.4 System View的功能42.5 System View的基本使用52.6 System View的系统定时窗口5第3章 2ASK调制解调的基本原理63.1 2ASK的定义63.2 2ASK的调制63.2 2ASK的解调7第4章 基于System View的调制解调系统设计94.1 2ASK信号调制94.1.1 信号调制仿真图94.2 2ASK信号解调94.2.1 信号解调仿真图104.3 2ASK信号调制解调的功能模板分析104.3.1 功能介绍114.4 测试过程及结果13设计总结17致 谢18参考文献19附录20沈阳工程学院课程设计 第1章 绪论第1章 绪 论如今社会通信技术的发展速度可谓日新月异，计算机的出现在现代通信技术的各种媒体中占有独特的地位，计算机在当今社会的众多领域里不仅为各种信息处理设备被使用，而且它与通信向结合，使电信业务更加丰富。随着人类经济和文化的发展，人们对通信技术性能的需求也越来越迫切，从而又打打推动了通信科学的发展。在通信理论上，先后形成了“过滤和预测理论”、“香浓信息论”、“纠错编码理论”、“信源统计特性理论”、“调制理论”等。通信作为社会的基本设施和必要条件，引起的世界各国的广泛关注，通信的目的就是从一方向另一方传送信息，给对方以信息，但是消息的传送一般都不是直接的，它必须借助于一定形式的信号才能便于远距离快速传输和进行各种处理。1.1 通信系统一般模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。图1-1描述了一个点与点之间的通信系统模型。通信的过程就是把发送端信息传送或交换到接收端的过程。图1-1 通信系统的一般模型图中信息源产生信息流，其作用是把各种信息转换成原始电信号，称为消息信号或基带信号。电话机、电视机、摄像机等各种模拟终端设备和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者是模拟信源，输出模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的信息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是常见的变换方式。对数字通信来说，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气，在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线与无线均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数字模型，以及反映传输媒质对信号的影响，噪声是通信设备中各种设备以及信道中所固有的，通常是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可以分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入。因此，为了分析方便，便把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路、受信者是传输信息的接收终端，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。1.2 通信系统的分类与通信方式（1）光纤通信系统光纤通信系统具有容量大、成本低的优点。光纤通信是以光导纤维（简称光纤）作为传输媒质，以光波为运载工具（载波）的通信方式。与同轴电缆相比，光纤频带宽、传输损耗小、抗电磁干扰能力强，光纤通信发展迅速，已成为各种通信干线的主要船速手段。（2）卫星通信系统卫星通信的特点是：通信距离远、覆盖地域广，不受地理条件限制，传输容量大，建设周期短，可靠性高。卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站，能够将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站，从而实现两个或多个地域之间的通信。根据通信卫星与地面之间位置关系，可以分为静止通信卫星（或同步通信卫星）和移动通信卫星。静止通信卫星是轨道在赤道平面上的卫星,它离地面高度35780km采用三个相差120的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域（两级盲区除外）。（3）数字移动通信移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段。数字移动通信系统是将通信范围分为若干个相距一定距离的小区，移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市，甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。数字蜂窝移动通信系统主要由三部分组成：控制交换中心、若干基地台、诸多移动端。通过控制交换中心进入公用有线电话网，从而实现移动电话与固定电话、移动电话与移动电话之间的通信。19沈阳工程学院课程设计 第2章 System View的应用第2章 System View的应用2.1 System View的应用 System View 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，System View 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。System View 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，System View 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。2.2 System View的操作进入System View 后，屏幕上首先出现设计窗口，所有系统的设计、搭建等基本操作，都是在设计窗口内完成的。在设计窗口中间的大片区域就是设计区域，也就是供用户搭建各种系统的地方。在设计窗口的最上端一行是下拉式命令菜单行，通过调用这些菜单可以执行System View的各项功能；设计窗口中菜单行的下面，紧邻在设计区域上端一行是工具栏，它包含了在系统设计、仿真中可能用到的各种操作按钮；在工具栏的最右端是提示信息，当鼠标置于某一工具按钮上时,在该处会显示对该按钮的说明和提示信息.2.3 System View的特点System View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。从滤波器的设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般系统的数字模型建立等各个领域，System View在友好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。（1）强大的仿真设计系统。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数/模混合系统和各种多速率系统，可用于各种线性或非线性控制系统的设计与仿真。其特点是，利用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的各种指标如幅频特性（波特图）、传递函数、掇轨迹图等之间的转换。它还可以实时地仿真各种位真（Bit True）的DSP结构，并进行各种系统的时域和频域分析、谱分析、以及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混频器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析等。（2）丰富的库资源。System View的基本库中包括多种信号源、接受窗、加法器、乘法器、各种函数（包括多项式、三角函数、对数函数、指数函数、逻辑函数等常用函数）运算器等。另外，它还带有各种专业库（如通信、逻辑、数字信号处理、射频/模拟等）以备选择，特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。随着现代通信技术的不断发展，无线移动通信技术已日趋完善。利用System View带有的IS-95和3GPP-FDD扩展哭，可方便地完成第二代无线移动通信Q-CDMA系统以及第三代无线移动通信WCDMA系统的设计和仿真。System View还专门提供了对Turbo编码的系统仿真功能。数字电视业务是近年发展起来的一个新领域，利用System View带有的DVB库可以对其信号传输方式等进行分析与仿真。（3）开放友好的用户界面利用System View，无须与复杂的语言语句打交道，不必写一句代码，即可完成对各种系统的设计与仿真。可以像搭积木一样，快速地建立和修改系统，访问与调整参数、极其方便地加入注释。System View操作简单，图标系统形象直观，方便了从思路仿真、方案论证到硬件设计的实现。同时它具有与外部文件的接口，可直接读入真实的数据，并对其进行处理。也可以将处理结果输出到外部数据文件。另外，它还提供了与编程语言Visual C+以及仿真工具Matlab的接口，用户可以很方便地调用其函数或自定义图标功能。2.4 System View的功能System View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，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。（1）能仿真大量的应用系统。能在DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、DSP和射频模拟功能模块。特别适合无线电话（GSM，CDMA，FDMA，TDMA，DSSS）、无绳电话、寻呼机和调制解调器以及卫星通信系统（GPS，DVBS，LEOS）等的设计；能够仿真（C3x，C4x等）DSP结构；可进行各种系统时域/频域分析和谱分析；对射频模拟电路（混合器，放大器，RLC电路和运放电路）进行理论分析和失真分析。（2）快速方便的动态系统设计与仿真。使用熟悉的Windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），System View可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP滤波器，并输入输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（MetaSystem）。 System View图标库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能块，提供从DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等的应用。信号源和接收端图标允许在System View内部生成和分析信号，并提供可外部处理的各种文件格式和输入/输出数据接口。（3）在报告中方便加入System View的结论。System View通过Notes（注解）很容易在屏幕上描述系统；生成的System View系统和输出的波形图可以很方便地使用复制（copy）和粘贴（paste）命令插入微软word等文字处理器。2.5 System View的基本使用利用System View进行系统的设计、构建、仿真与分析，这一过程可概括为以下3个步骤：（1）根据设计要求与系统原理画出系统原理框图。根据系统原理得到模拟框图，使用System View的基本步骤中，步骤（1）是实现仿真的基础。通过系统的微分方程，可以方便地画出其对应的系统模型框图。（2）选择合适的图符和实现结构，把系统原理框图转化为System View模型，在System View设计窗口完成所设计的图形化仿真系统。有了系统模拟框图，首先要选择合适的图符和实现结构把系统原理框图转化为System View模型。通过对系统原理的分析，确定了仿真所需要的图符后，就可以动手搭建这个系统的仿真模型。（3）运行仿真程序，分析仿真结果。仿真运行结束后，要对仿真结果进行分析，需要单击 按钮进入到分析窗口。2.6 System View的系统定时窗口System View系统是一个离散时间系统，也就是说，在每次系统运行之前，首先需要设定一个系统频率。各种系统在仿真时，首先对各信号以系统频率进行采样，然后按照系统对信号的处理计算各个采样点的值，最后输出时，在观察窗内按要求画出各个点的位置或拟合曲线。因此，系统定时是系统运行之前一个必不可少的步骤。在设计窗口中单击工具栏中的“System Time”（系统定时按钮），就能打开如图2-1所示的系统定时对话框，如图2-1 系统定时对话框所示。图2-1 系统定时对话框沈阳工程学院课程设计 第3章 2ASK调制解调的基本原理第3章 2ASK调制解调的基本原理3.1 2ASK的定义数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波。使载波时断时续。有载波输出时表示送“1”，无载波输出时表示发送“0”。 （3-1）2ASK信号可表示为： （3-2）式中为载波角频率，为单极性NRZ矩形脉冲序列 （3-3）其中，是持续时间为、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；为二进制数字。二进制振幅键控信号时域波形如图3-1所示，可以看出2ASK信号的时间波形 随二进制基带信号 通断变化，所以又称为通断键控信号(OOK信号)。图3-1 2ASK信号时域波3.2 2ASK的调制2ASK信号的产生方法（调制方法）有两种，一种是键控法，另一种是乘法器实现法。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”和“1”。一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通-断键控（On Off Keying）。所以2ASK又称为通断控制（OOK）。最典型的实现方法是用一个电键来控制载波振荡器的输出而获得。如图3-2所示 ，其中的开关电路受S(t)控制。图3-2 数字键控法另一种方法是乘法器模拟法，其输入是随机信息序号，经过基带信号形成器，产生波形序列，乘法器用来进行频谱搬移，相乘后额信号通过带通滤波器滤除高频谐波和低频干扰。带通滤波器的输出是振幅键控信号。乘法器长采用环形调制器。如图3-3所示。图3-3 乘法器模拟法3.2 2ASK的解调2ASK信号的解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检波法。包络检波法的原理如图3-4所示。带通滤波器恰好使2ASK信号完整的通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通过位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK信号，即,包络检波器输出为。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。图3-4 包络检波法相干检波法原理方框图如图3-5所示。相干检测就是同步调解，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。利用此载波与收到的已调信号相乘，输出为 （3-4）经低通滤波器滤除第二项高频分量后，即可输出信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。图3-5 相干检波法沈阳工程学院课程设计 第4章 基于System View的调制解调系统设计第4章 基于System View的调制解调系统设计通过对前面两个章节简单的介绍了2ASK的调制与解调和System View的工作原理，下面将用System View实现2ASK的调制、解调系统，并进行仿真4.1 2ASK信号调制4.1.1 信号调制仿真图由第三章的调制框图可以得出，对于2ASK调制我们有两种方法：键控法和乘法实现法。此次课程设计，我们主要采用的是键控法，也进行了模拟法。仿真如图4-1所示图4-1 键控法4.2 2ASK信号解调因为信号的解调也有两种方法，所以可以有两种2ASK调制解调器。经过优化后的处理，可以得到2ASK调制解调器的总体电路图，此次课程设计，我们采用的是相干解调法。（1）相干解调法调制部分：采用乘法模拟法调制。解调部分：采用相干解调法解调。经滤波滤除第二项高频分量后，即可输出s(t)信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。4.2.1 信号解调仿真图2ASK信号中确实存在着载波分量，原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给接收设备增加复杂性。所以，本次设计我所采用的是相干解调的方法。如图4-2所示；图4-2 相干检波解调4.3 2ASK信号调制解调的功能模板分析相干解调模块乘法器，将载波和基带信号相乘，产生调制信号。选用的是Multiplier，默认没有参数可以设置。正弦载波产生器，选用的是Source Library里的Sinusoid，其参数为：Amp=1V，Freq=50Hz，Phase=0 deg，output 0=Sine t21。滤波器，滤除有效信号以外的噪声，选用的是Operator Library里的Liner Sys Filters。它们的参数设置同图4-8和图4-10。缓冲器，起到的作用是抽样判决器。选用的是Logic Library的子目录Gates/Buffer里的Buffer。4.3.1 功能介绍1）是产生二进制的随机基带信号，选用的是Source Library里的PN Seg，其参数为：Amp=0.5V，Offset=0.5V，Rate=10Hz，Levels=2，Phase=0 deg。如图4-3：图4-3参数设置2）是正弦载波产生器，选用的是Source Library里的Sinusoid，其参数为：Amp=1V，Freq=50 Hz，Phase=0 deg，output 0=Sine t14。如图4-4所示：图4-4 参数设置3）是带通滤波器，滤除有效信号以外的噪声，选用的是Operator Library里的Liner Sys Filters。它的详细的参数设置如图4-5所示：图4-5 参数设置4）是低通滤波器，滤除有效信号以外的噪声，选用的是Operator Library里的Liner Sys Filters。它的详细的参数设置如图4-6所示：图4-6 参数设置5）是缓冲器，起到的作用是抽样判决器。选用的是Logic Library子目录Gates/Buffer里的Buffer。如图4-7所示：图4-7 参数设置 4.4 测试过程及结果按照以上设置的参数，使用乘法模拟法显示的调制信号与已调制信号。如图4-8,4-9所示。图4-7 模拟法调制信号图4-8 模拟法已调制信号在包络检波解调中的NRZ信号波形，如图4-9所示；图4-9 NRZ信号波形在相干解调中的2ASK信号波形，如图4-10所示；图4-10 2ASK信号波形在相干解调中经带通滤波器后信号波形，如图4-11所示；图4-11 经带通滤波器后的的信号波形在相干解调中经抽样判决器后输出波形，如图4-12所示；图4-12经抽样判决器后的输出波形综合上述，相干解调法对2ASK调制信号与解调信号进行比较,如图4-13所示；其中a为调制信号，b为解调信号(a)调制信号(b)解调信号图4-13 2ASK调制信号与解调信号波形比较二进制的基带信号和正弦载波经过乘法模拟器得到调制信号，即为2ASK信号。已调信号经过信道时，受到不同噪声的干扰，导致在解调接收端出现的已调信号中混入了噪声，该已调信号经过半波整流器和抽样判决器后会输出二进制基带信号。最后的接收端的解调输出波形和原始NRZ信号相比，虽然有着部分的不吻合，但其参量是相同的。表明该系统可以实现2ASK数字调制系统的调制和解调功能，符合设计要求。 沈阳工程学院课程设计 设计总结设计总结本次课程设计主要有以下几个方面收获，以下全部都是在课程设计中的解决的问题和学到的东西：System View软件的学习。以前没有接触这个软件，这个第一次接触这个软件，对于这个软件的了解及其熟悉是一个非常重要的方面。System View在仿真软件中也是具有分出重要的地位的，作为我们通信工程的专业的人来说，熟悉使用一款以上的电路仿真软件是必须得。电路仿真时我们通信系统在检测我们的设计是一个重要的工具，当我们设计的电路能够在电路上实现时，我们的设计的电路才有可能能够在实际中实现，也许实际更难实现，有很多的环境等因素我们在仿真时时很难考虑到得。所以这次对于我们来说是一个非常好的机会来学习这款软件，通过自己把这些电路图实现，能够基本掌握了其中一些常用的软件的相关知识。对于以后进一步去掌握这款软件打下坚实的基础。提高了动手能力。在这次课程设计中，我们通过由不熟悉这款软件，到自学其中的知识，并且在网络上查找窗口中的界面的介绍，结合老师所给的参考的资料书目内容，自学这款软件，并独立完成全部的仿真的内容，仿真的结果与预想中的一样，符合我们所学的内容。提高了思维能力。在这次课程设计中，我们非常好的利用了课本的知识，结合课本的知识，把原来的电路做了很多的改进。有些器件按照自己的设计的思维去做，最终实现了全部的结果的仿真。学以致用，同时，是对于课本的知识的更深的理解。通过本次设计，更使我们明白了学习和实践之间的密切关系，同时也为我们在以后的工作岗位上能够更好的发挥自己的能力，累积了不少的经验沈阳工程学院课程设计 致 谢致 谢在课程设计即将完成之际，我首先感谢学校为我们提供一个良好的学习和生活环境，以及丰富的教育、教学资源，让我们对System view仿真有了一个系统地学习过程。感谢课设期间教过我们的老师们，特别是毛老师和党老师，他们在教给我们知识的同时，还传授给了我们许多学习的方法，引导我们用发散性思维去考虑问题，而不局限于问题的表面。同时，我们相信在这个过程中从老师身上学到的对于做学问的态度，踏实的心态将会给我们以后工作有很大的帮助。要感谢在本次课程设计中相互帮助，相互讨论，共同学习的同学们.他们为我们的课程设计提供了许多宝贵的建议，也帮助我们解决了一些技术上的难题。另外我们要衷心感谢在百忙之中评审我们课程设计的老师们，感谢所有曾给我们帮助的人。沈阳工程学院课程设计 参考文献参考文献1 樊昌信 . 通信原理. 北京: 国防工业出版社, 20112 青松,程岱松,武建华.数字通信系统的SystemView仿真与分析M.北京:北京航空航天大学出版社, 2001: 3 孙屹. 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