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窄带调频原理及其SystemView仿真
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时间： 15:24:00&&&&&&来源：
常见的模拟调制包括角度调制(FM／PM)和幅度调制(AM／DSB)，与幅度调制不同的是角度调制是原调制信号频谱的非线性搬移，并且产生了新的频谱分量，所以又称为非线性调制。FM(调频)在实际通信中的应用非常广泛，高保真音乐广播、电视伴音信号传输、蜂窝电话以及卫星通信等。与幅度调制相比，FM可以获得较高的。本文就FM中的一种特殊情况――(Narrow-Band FM)，讨论其调制解调原理，并应用通信仿真软件进行仿真分析，目的是向读者完整展现借助(Electronic Design Automatlon，电子设计自动化)技术分析解决通信问题的思路和过程。1的基本原理1.1调制原理角度调制信号的一般表达式为：所谓频率调制(FM)指瞬时频率偏移△ω随调制信号f(t)成比例的变化，即：至此，得到的一般表达式。以式(7)作为数学模型，可直接建立的原理框图，如图1所示。1.2解调原理由上面的推导可知，可以由乘法器实现，因此必然可用相干解调的方法来回复原调制信号，如图2所示，NBFM信号在接收端首先经过带通滤波器(BP)滤除频带外信道加性噪声，然后经过乘法器与载波(-sinωct)相乘，用低通滤波器滤除乘出来的高频分量，最后经微分器去掉f(t)外面的积分，在输出端恢复原调制信号f(t)。另一种FM解调器就是所谓积分鉴频器，如图3所示。这类FM解调器已在很多单片FM收音机和接收机芯片中使用。图3中，调频信号分成两路，一路直接接到乘法器，另一路经过一个耦合电容与一个LC并联谐振回路组成的相移电路产生正交信号，作为乘法器的另一个输入。所有相移由耦合电容产生的相移及谐振回路产生的附加相移组成。简单原理如下：为了简化问题，将输入的NBFM信号简单表示为一般角度调制信号的形式：则通过上述相移网络产生的另一路信号为：式中：系数C1，C2由电路参数确定。两路信号经过乘法器后的输出为：其中，后一个频率分量中的和项可用LP(低通滤波器)滤除，故输出可化简为：式中：f(t)为调制信号。另外，要得到式(10)的近似结果，还要求系数C2足够小。特别说明的是，在实际计算机仿真中没有由耦合电容和谐振回路构成的相移网络，只能用其他方法的替代来实现相移。一种方法是用一个希尔伯特(Hilbert)变换滤波器来实现，因为希尔伯特滤波器会引起整个通帮内信号产生90°相移；另一种方法是通过一个简单延刚电路产生相当于载波1／4周期的延时，从而在载波中心频率上产生90°相移。当然，这样做是一个理想化的近似，淡化了部分会在实际相移电路中出现的问题，但这样并不影响对整个调制解调过程的分析和判断。2 仿真过程2.1建立仿真模型由上面的论述分析，参照信号的调制解调原理框图，在通信仿真软件中建立完整仿真模型如图4所示。说明：参照图1建立的调制模块，也称间接法调频；参照图2和图3建立了解调模块，由相干解调和积分鉴频器解调两种方法组成，在积分鉴频器中完成90°相移的部分又分延迟法和希尔伯特法两种。在实际仿真中，仿真参数可根据实际情况灵活改变，以期达到较好的仿真效果。需要特别说明的是延时Delay的设置：假设载波频率为500 Hz，设仿真系统的采样频率为2 000 Hz，它刚好是载波的4倍，即系统采样周期(1／2 000=500 μs)为载波周期的1／4。可以选择刚好延迟一个系统采样周期500μs，也就是延迟了载波周期的1／4，从而实现相移90°的目的。2.2仿真结果分析运行仿真，完成后直接由分析窗口中导出结果波形。图5为接收计算器计算出来的NBFM信号的频谱图(放大之后只取了单边)，中心是500 Hz的载频分量，正的上边频(图中两侧的小凸起)位于505 Hz处，负的下边频位于495 Hz处，符合事先对NBFM信号频谱的估计。看起来NBFM与熟悉的AM频谱非常相似，作为对比，给出常规AM调幅信号的频谱图如图6所示。对比上下边频发现，NBFM的下边频和AM反相。为了进一步区分它们，可以画出其矢量相加图，如图7所示。从图7中可以看到，在NBFM中，由于下边频为负，它们的合成矢量与载波正交相加，使得NBFM存在相位变化△φ。当满足式(5)时，△φ非常小，引起的幅度变化可以忽略。这是NBFM属于角度调制，区分于AM的本质所在。因为在AM中，上下边频的合成矢量与载波同相，不存在相位变化。下面根据仿真结果对NBFM的两种解调方式加以对比。为了有利于直观对比，将两种方法解调出来的信号画在同一张图上，如图8所示。显然，相干解调的效果要好，信号失真较小。从解调出来的信号幅度上来看，相干解调的信号幅度大约是鉴频器解调的50倍(调制信号的初始幅度设为1)。这与NBFM信号的产生过程有关，因为是由乘法器实现的，所以用相干解调是最为直接的，也是误差最小的方法(这一点与AM调幅相似)。然而适用于普通FM信号解调的积分鉴频器法在仿真中效果不佳，无论是延时法，还是希尔伯特变换法，从图中都可以看到信号幅度相比非常小，极易在解调过程中被噪声淹没(本文为了简化问题，在仿真中没有加入噪声)，也就是说在实际电路中需要加入大功率放大器。假设输入的噪声功率相同，可以计算出NBFM信号中两种解调方法下输出信噪比的比值为：显然，对于NBFM信号来说，相干解调的要好得多。此外，还可利用特有的分析窗口计算器，对NBFM信号的功率谱、相位特性等进行分析。限于篇幅，这里就不再具体介绍了。3结语因此，分析介绍了模拟调制中常见的基本原理，并在最后建立了系统仿真模型。基本给出了利用通信仿真软件分析问题的思路，即推导分析原理一画出原理框图一按照原理框图在中建立仿真模型一调整参数，运行仿真一分析仿真结果，给出结论。熟悉了解这个过程，就可以充分利用相关软件为研究通信问题服务，大大提高了科研效率。
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SystemView通信系统仿真
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官方公共微信通 信 原 理 实 习 报 告专业： 班级： 学号： 姓名： 指导老师：1用 systemview 仿真二进制相移键控 的调制与解调系统 1.工作原理：2PSK,二进制移相键控方式，是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改 变的一种数字调制方式。就是根据数字基带信号的两个电平(或符号)使载波相位 在两个不同
的数值之间切换的一种相位调制方法。在 2psk 中，通常用初始相位 0 和π 分别表示二进制“1”和“0” 其表达式如下： 。Acos wct 发送 1 时 Fpsk（t）= -Acos wct 发送 0 时2psk 的典型波形如图：由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故 2psk 信号的一般可以表述 为一个双极性非归零的矩形波脉冲序列与一个正弦载波相乘，即(t)=s(t)coswct 2psk 可以用两种调制方式，如图2psk 的模拟调制法；22psk 的键控调制方法 说明：2psk 调制器可以采用相乘器，也可以采用相位选择器就模拟调制 法而言，与产生 2ASK 信号的方法比较，只是对 s(t)要求不同，因此 2PSK 信号可以看作是双极性基带信号作用下的 DSB 调幅信号。而就键控法来说， 用数字基带信号 s(t)控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时 s(t) 为单极性 NRZ 或双极性 NRZ 脉冲序列信号均可。2PSK 信号属于 DSB 信号， 它的解调，不再能采用包络检测的方法，只能进行相干解调 。2.2psk 的解调原理说明： 由于 PSK 信号的功率谱中五载波分量， 所以必须采用相干解调的方式。 在相干解调中，如何得到同频同相的本地载波是个关键问题。只有对 PSK 信号进 行非线性变换，才能产生载波分量。2PSK 信号经过带通滤波器得到有用信号， 经相乘器与本地载波相乘再经过低通滤波器得到低频信号 v(t)，再经抽样判决 得到基带信号。3.systemview 仿真原理用 systemview 仿真时，采用的是键控法调制产生 2psk 信号和相干解调恢复 基带信号。在没有噪声的理想情况下进行仿真，如图：3说明：0 本地载波选取正弦零相位信号。1 数字基带信号是伪随机信号，输 出是双极性非归零波形，用来控制 2 单刀双掷开关，产生 2psk 信号。9 选择的 波形参数与 0 本地载波完全相通，只有这样才能正确解调出基带信号 1 的波形。 7 低通滤波器滤除相干载波与 2psk 相乘后的交流成分，通过直流成分。根据键 控规则，选择“0”相位的表示码元“1” “π ”相位表示码元“0” ， ，后边的 8 抽样判决器设置门限值为 0，大于 0 时输出码元“1” ，小于 0 时输出码元“0” 。 3 是反相器。5 是乘法器。11―14 是分析部件。系统各个波形：图 A.基带信号图 A 可以看出输出码元序列为 10010。4图 B.经调制出的 2psk 波形图 B 可以看出 2psk 已调信号使用相位“0”表示码元“1” ，用相位“π ” 表示码元“0” 。与规则相符。图 C.与相干载波相乘后输出波形从图 C 中可以看出 2psk 相干解调中已调信号与载波相乘输出的波形中含有 很多高频成分，我们需要用低通滤波器将这些高频成分滤除，得到需要的直流 分量。图 D.经低通滤波器后输出波形5图 D 中可以看出经过低通滤波器后大部分高频成分已经滤除，这样再进 行抽样判决就可以解调出原始基带信号。图 E.经抽样判决器后输出波形图 E 可以看出经判决后，输出和基带信号几乎完全相同（有一定的延迟） ， 这样就完全解调出 2psk 中的基带信号了。4.2psk 的反相工作由于 2psk 信号的载波恢复过程中存在着 180?的相位模糊，即恢复解调出的 数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”“0”变为“1” ， ， 判决器输出数字信号全部出错。 这种现象成为 2psk 方式的倒π 现象或反相工作。 下边用 systemview 进行仿真在这个系统中我们将相干载波的相位调整与本地载波相位相反后， 经解调出 来的波形就是 2psk 的反相工作。系统各个波形：6图 F.基带信号图 F 可以看出输出码元序列同样为 10010。正好可以与正常解调做对比。图 G.与反相本地载波相乘后输出波形图 G 与图 C 相比，其振幅的数值完全相反。从此处影响了正常的解调。图 H.经低通滤波器后输出的波形7图 I.经判决器后输出波形图 I 与图 F 对比，其码元正好相反，原因就是相干解调的相干载波的相位 与本地载波相位相差 180?所造成的。这就 2psk 的反相工作。5．结论2psk 系统的结构比较简单，调制信号比较容易。但由于 2psk 只能用相 干解调恢复基带信号，而在相干解调中，要得到与接收 2psk 信号同频同相的相 干载波比较困难，所以 2psk 在实际中很少采用。实际中采用比较多的是 2dpsk （二进制差分相移键控）体制。6.实习心得通过本次课程设计，我掌握了 systemview 软件的基本操作，并对各种模拟 传输系统和数字传输系统有了更深刻的了解， 对其各个部件的参数和作用有了更 系统的认识。 在课程设计过程中出现了很多问题，但在老师的指导和同学的帮助 下都一一解决。比如在设计 2psk 的过程中，由于我没有把 2psk 用相位表示码元 的规则搞清楚，本应是正确的解调系统，却解调出了 2psk 反相工作的波形。在 迷惑不解之际，老师的指导让我恍然大悟，原来还是自己没有彻底理解 2psk 的 工作原理。实习过程中同学们和我相互帮忙、讲解，解决了很多在理论课时听的 不是很明白的问题。这次课程设计让我收获很大。7.参考文献樊昌信 曹丽娜编 《通信原理》第六版 Systemview 仿真教程 来自网络 国防工业出版社8
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