SystemView及其操作简介

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目 录

第一部分 SystemView及其操作简介 ......................................................................................1

1.1 SystemView的基本特点 ..............................................................................................1 1.2 SystemView系统视窗 .................................................................................................1 1.3 系统窗下的库选择操作 ..............................................................................................4 1.4 系统定时（System Time） .........................................................................................8 1.5 分析窗介绍 ..................................................................................................................9 1.6 在分析窗下观察分析结果 ........................................................................................ 10 1.7 总结 ........................................................................................................................... 14 第二部分 数字通信系统仿真分析举例 ................................................................................. 15

2.1 简单基带传输系统分析 ............................................................................................ 15 2.2 利用Costas环解调2PSK信号 ................................................................................ 19 2.3 二进制差分编码／译码器 ........................................................................................ 21 2.4 QPSK调制原理分析 ................................................................................................. 23 2.5 MSK调制原理分析 .................................................................................................. 26 2.6 低通与带通抽样定理验证 ........................................................................................ 30 2.7 误比特率BER分析 .................................................................................................. 34 第三部分 通信系统仿真分析上机实验 ................................................................................. 37

实验一 二进制键控系统分析（1）.............................................................................. 37 实验二 二进制键控系统分析（2）.............................................................................. 39 实验三 16QAM调制解调系统分析 ............................................................................. 42 实验四 锁相环路仿真分析 ........................................................................................... 45

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第一部分 SystemView及其操作简介

美国ELANIX公司于1995年开始推出SystemView软件工具，最早的1.8版为16bit教学版，自1.9版开始升为32bit专业版，目前已推出了3.0版。SystemView是在Windows95/98环境下运行的用于系统仿真分析的软件工具，它为用户提供了一个完整的动态系统设计、仿真与分析的可视化软件环境，能进行模拟、数字、数模混合系统、线性和非线性系统的分析设计，可对线性系统进行拉氏变换和Z变换分析。

1.1 SystemView的基本特点

SystemView基本属于一个系统级工具平台，可进行包括数字信号处理（DSP）系统、模拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真分析，并配置了大量图符块（Token）库，用户很容易构造出所需要的仿真系统，只要调出有关图符块并设置好参数，完成图符块间的连线后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源十分丰富，主要包括：含若干图符库的主库（Main Library）、通信库（Communications Library）、信号处理库（DSP Library）、逻辑库（Logic Library）、射频/模拟库（RF Analog Library）和用户代码库（User Code Library）。

1.2 SystemView系统视窗

1.2.1 主菜单功能

进入SystemView后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，如图1-2-1所示。

图1-2-1 系统视窗

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系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件（File）、编辑（Edit）、参数优选（Preferences）、视窗观察（View）、便笺（NotePads）、连接（Connetions）、编译器（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11项功能菜单。与最初的SystemView1.8相比，SystemView3.0的操作界面和对话框布局有所改变。

执行菜单命令操作较简单，例如，用户需要清除系统时，可单击“File”菜单，出现一个下拉菜单，单击其中的“Newsystem”工具条即可。为说明问题简单起见，将上述操作命令记作：File>>Newsystem，以下类同。各菜单下的工具条及其功能如下表所示：

表1-2-1 SystemView3.0各菜单下的工具条及其功能

菜单工具条命令 File菜单 File>>Newsystem File>>Open Recent System File>>Open Existing System File>>Open System in Safe Mode File>>Save System File>> Save System As File>> Save Selected Metasystem File>>System File Information File>>Print System: Text Tokens File>>Print System: Symbolic Tokens File>>Print System Summary File>>Print Connection List File>>Print Real Time Sink File>>Print SystemView Sink File>>Printer/Page Setup File>>Printer Fonts File>>Exit 各工具条的功能简述 清除当前系统 打开最新的SystemView文件 打开已存在的SystemView文件 以安全模式打开系统 用已存在的文件名存储当前系统内容 将当前系统内容另存为一个文件 存储选择的亚系统文件 系统文件信息 打印屏幕内容，图符块用文字代替 如实打印屏幕内容，包括图符块 打印系统摘要，即图符块表 打印连接表 打印实时接收器的波形 打印System View信宿接收器的波形 打印设置 打印字体设置 退出SystemView系统 复制便笺 复制System View接收器 复制系统到剪贴板 选择局部复制系统 复制系统中的文字图符块 复制全屏幕 粘贴到便笺 删除图符块或便笺框 Edit 菜单 Edit>>Copy Note Pad Edit>>Copy SystemView Sink Edit>>Copy System to Clipboard Edit>>Copy System: Selected Area Edit>>Copy System: Text Tokens Edit>>Copy Entire Screen Edit>>Paste To Note Pad Edit>>Delete Preference菜单 Preference>>Customize… 定制 Preference>>Reset All Defaults 复位所有缺省设置 Preference>>Optimize for Run Time Speed 优化运行时速 View菜单 View>>Zoom View>>MetaSystem View>>Hide Token Numbers View>>Analysis Windows View>> Calculator View>>Units Converter 界面图形缩放 亚系统 隐藏显示图符编号 进入分析窗 计算器 统一转换 第 3 页

Note Pad菜单 Node Pad>>Hide Note Pads Node Pad>>New Note Pad Node Pad>>Copy Token Parameters to Note Pad Node Pad>>Attributes for All Note Pads Node Pad>>Attributes Selected Note Pad Node Pad>>Delete Note Pad Node Pad>> Delete All Note Pads 隐藏显示便笺 新插入便笺 将图符块参数复制到便笺内 所有便笺属性 选择的便笺属性 删除便笺 删除所有便笺 拆除所有图符块之间的连线 立即检查连接 显示图符块输出 隐藏图符块输出 立即编译系统 动画执行顺序 编译导向器 编辑执行顺序 取消编辑操作 取消上一次编辑操作 使用缺省顺序 使用用户执行顺序 运行系统仿真 单步执行 调试用户代码 根轨迹 波特图 查找指定图符块 查找系统固有延迟 移动选中的图符块 整体移动所有图符块 重复放置图符块 创建亚系统 重新命名亚系统 展开亚系统 为用户图符赋图形 使用缺省设置图符块 选择新变量图符块 编辑图符块参数变量 取消所有参数变量 全局参数连接 自动程序产生 用户代码 Xillinx型FPGA Matlab数学工具 Connections菜单 Connections>>Disconnect All Tokens Connections>>Check Connections Now Connections>>Show Token Output Connections>>Hide Token Output Compiler菜单 Compiler>>Compile System Now Compiler>>Animate Exe Sequence Compiler>>Compiler Wizard Compiler>>Edit Execution Sequence Compiler>> Cancel Edit Operation Compiler>> Cancel Last Edit Compiler>> Use Default Exe Sequence Compiler>> Use Custom Exe Sequence System菜单 System>>Run System Simulation System>>Single Step Execution System>>Debug (User Code) System>>Root Locus System>>Bode Plot Token菜单 Token>>Find Token Token>>Find System Implicit Delays Token>>Move Selected Tokens Token>>Move All Tokens Token>>Duplicate Tokens Token>>Create MetaSystem Token>>Re-name MetaSystem Token>>Explode MetaSystem Token>>Assign Custom Token Picture Token>>Use Default Token Picture Token>> Select New Variable Token Token>>Edit Token Parameter Variations Token>>Disable All Parameter Variations Token>>Gloable Parameter Links Tools菜单 Tools>>Auto Program Generation(APG) Tools>>User Code Tools>>Xillinx FPGA Tools>>Matlab

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1.2.2 快捷功能按钮

在主菜单栏下，SystemView为用户提供了16个常用快捷功能按钮，按钮功能如下：

清除系统 删图符块 切断连线 布放连线

复制图符 便笺注释 终止运行 系统运行

系统定时 分析窗口 进亚系统 建亚系统

根轨迹 波特图 重画图形 图符翻转

1.2.3 图符库选择按钮

系统视窗左侧竖排为图符库选择区。图符块（Token）是构造系统的基本单元模块，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅是代表某一数学模型的图形标志（图符块），图符块的传递特性由该图符块所具有的仿真数学模型决定。创建一个仿真系统的基本操作是，按照需要调出相应的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来。这样一来，用户进行的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题，使用十分方便。进入系统后，在图符库选择区排列着8个图符选择按钮，即：

信源库 亚器件库 加法器 输入/输出

操作库 函数库 乘法器 信宿库

在上述8个按钮中，除双击“加法器”和“乘法器”图符按钮可直接使用外，双击其它按钮后会出现相应的对话框，应进一步设置图符块的操作参数。单击图符库选择区最上边的主库开关按钮 main ，将出现选择库开关按钮 Option下的用户库（User）、通信库（Comm）、DSP库（DSP）、逻辑库（Logic）、射频模拟库（RF/Analog）和数学库（Matlab）选择按钮，可分别双击选择调用。

1.3 系统窗下的库选择操作

1.3.1 选择设置信源（Source）

创建系统的首要工作就是按照系统设计方案从图符库中调用图符块，作为仿真系统的基本单元模块。可用鼠标左键双击图符库选择区内的选择按钮。现以创建一个PN码信源为例，该图符块的参数为2电平双极性、1V幅度、100Hz码时钟频率，操作步骤如下： （1）双击“信源库”按钮，并再次双击移出的“信源库图符块”，出现源库（Source Library）选择设置对话框，如图1-3-1所示。与SystemView1.8相比，SystemView3.0的库对话框布局有所变化，它将信源库内各个图符块进行分类，通过 “Sinusoid/Periodic（正弦/周期）”、“Noise/PN（噪声/PN码）”和“Aperiodic/Ext（非周期/扩展）” 3个开关按钮进行

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分析视窗的主要功能是显示系统窗中信宿（主要是Analysis块）处的给类分析波形、功率谱、眼图、信号星座图等信息，每个信宿对应一个活动波形窗口，各以多种排列方式同时或单独显示，也可将若干个波形合成在同一个窗口中显示，以便进行结果对比。 在分析窗口下，第一行为“主菜单栏”，包括：File、Edit、Preferences、Windows、Help 五个功能栏；第二行为“工具栏”，自左至右的图标按钮依次为：

按钮1： 绘制新图 按钮5 ：连点 按钮9 ：横排显示 按钮13：窗口最小化 按钮17：微型窗口

按钮2 ：打印图形 按钮6 ：显示坐标 按钮10：叠层显示 按钮14：打开所有窗口 按钮18：快速缩放

按钮3 ：恢复 按钮7 ：X轴标记 按钮11：X轴对数化 按钮15：动画模拟 按钮19：输入APG

按钮4 ：点绘 按钮8 ：平铺显示 按钮12：Y轴对数化 按钮16：统计 按钮20：返系统窗

1.6 在分析窗下观察分析结果

通信系统的仿真分析结果主要以不同形式的时域或频域系统响应波形、特性曲线来表示，主要包括：时域波形、眼图、功率谱、信号星座图、误码特性曲线等形式，并以活动窗口给出。各类波形显示操作主要与“SystemView信宿计算器”对话框的操作有关。当完

成了系统创建输入、设置好系统定时参数并运行后，便可进入分析视窗。单击分析窗下 端信宿计算器按钮 ，出现“SystemView信宿计算器”对话框，如图1-6-1所示，该对话框左上部共有11个分类设置开关按钮，右上角的“Select one or more Windows:”窗口内顺序给出了分析系统中的“波形号：用户信宿名称（信宿块编号）”。

图1-6-1 SystemView信宿计算器设置对话框

1.6.1 观察时域波形

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时域波形是最为常用的系统仿真分析结果表达形式。进入分析窗后，单击“工具栏”内的绘制新图按钮（按钮1），可直接顺序显示出放置信宿图符块的时域波形，并可任意单击分析窗工具栏中的“窗口竖排列”（按钮7）、“窗口横排列”（按钮8）。

1.6.2 观察眼图

首先回顾一下“眼图”的概念。对于码间干扰和噪声同时存在的数字传输系统，给出系统传输性能的定量分析是非常繁杂的事请，而利用“观察眼图”这种实验手段可以非常方便地估计系统传输性能。实际观察眼图的具体实验方法是：用示波器接在系统接收滤波器输出端，调整示波器水平扫描周期Ts，使扫描周期与码元周期Tc同步（即Ts＝nTc，n为正整数），此时示波器显示的波形就是眼图。由于传输码序列的随机性和示波器荧光屏的余辉作用，使若干个码元波形相互重叠，波形酷似一个个“眼睛”，故称为“眼图”。“眼睛”挣得越大，表明判决的误码率越低，反之，误码率上升。SystemView具有“眼图”这种重要的分析功能，图1-6-2给出了SystemView分析所得眼图波形。

（a）误码率较低的系统传输眼图

（b）误码率较高的系统传输眼图

图1-6-2 不同眼图的对比

在分析窗下，当屏幕上已经出现波形显示活动窗后，单击信宿计算器按钮，出现“SystemView信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮 Style ，出现如图1-6-3所示的参数设置对话框，再次单击“Style”栏内的按钮 Time Slice ，在其“Start Time[sec]”栏内输入观察波形的起始时刻，在“Length[sec]”栏内输入观察时间长度，单位均为秒。

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图1-6-3 信宿信宿计算器下的“Style”对话框

应当注意的是，系统的输出波形自分析起始时刻开始常常有一段时间的过渡过程，故设置眼图观察的起始时刻应让过这段时间，图1-6-2（a）设置是Start Time[sec]=5、Length[sec]=5，而图1-6-2（b）设置是Start Time[sec]=0、Length[sec]=5，说明过渡状态期间的眼图较差。Length设置的时间值越大，看到的“眼”越多，且应为Tc的整数倍。最后单击按钮 OK 返回分析窗，等待观察指定的眼图，究竟看哪一个信号的眼图，可用鼠标左键选中“Select one windows:”窗口内的块名称和编号（选中后变成反百条）。

1.6.3 观察功率谱

当需要观察信号功率谱时，可在分析窗下单击信宿计算器图标按钮，出现“SystemView信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮 Spectrum ，出现如图1-6-4所示对话框。 图1-6-4 信宿计算器下的“Spectrum”对话框

接下来选择计算功率谱的条件，如选中“Power Spectrum[dBm in 50 ohms]”项，则表

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示计算功率谱的条件为50欧负载上的对数功率谱；在“Select One Window:”栏目内选择信号观测点；最后单击按钮 OK 返回分析窗，等待功率谱显示活动窗口的出现。在通信系统分析过程中，对信号进行功率谱分析是十分重要的内容。

1.6.4 观察信号星座图或相位路径转移图

在对数字调制系统或数字调制信号进行分析时，常借助二维平面的信号星座图（Signal Constellation）来形象地说明某种数字调制信号的“幅度-相位”关系，从而可以定性地表明与抗干扰能力有关的“最小信号距离”。以16QAM系统为例，发送端理想的信号星座图如图1-6-5所示。

信号点 在接收系统输出，由于信道特性不理想和干扰噪声的影响，信号点产生发散现象，信号点的发散程度与信道特性不理想程度和噪声强度有关。图1-6-6（a）为接收滤波器输出在噪声极弱时的信号星座图，图1-6-6（b）为接收滤波器输出在噪声较

图1-6-5 理想的16QAM信号星座图

强时的信号星座图，这两张图是SystemView经过大

量统计分析得到的，每组4电平基带码正交矢量合成为一个信号点。

（a） 噪声极弱时接收输出的16QAM信号星座图

（b） 噪声较强时接收输出的16QAM信号星座图

图1-6-6 16QAM信号星座图对比

除可以观察信号星座图外，利用SystemView还可观察信号的相位转换图。在出现信号星座图显示活动窗口后，单击分析窗中第二行“工具栏”的按钮4（点绘）可观察星座图，单击按钮5（连点）可观察信号的相位路径转换图，两种操作可相互切换。点的大小可利用“Preference>>Smaller Points in …>>Normal/small/pixel”命令修改。理想的16QAM信号相位路径转换图如图1-6-7所示，注意，图形被拉长显示。

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图1-6-7 理想的16QAM信号相位路径转换图

利用SystemView观察信号眼图或相位转换图，仍然是利用信宿计算器的对话框。仍以观察16QAM发送信号为例，其信号星座图和相位转换图与同相支路码信号（I信号）和正交支路码信号（Q信号）有关。在分析窗下单击信宿计算器按钮，在出现的对话框中，首先单击 Style 按钮，在“Select one window from each list:”栏内选中系统输入的I信号（w0:）后，单击 Scatter Plot 按钮，再在“Versus”栏内选中系统输入的Q信号（w1:），如图1-6-8所示，最后单击按钮 OK 结束设置操作，出现信号星座图显示活动窗口。

图1-6-8 观察星座图或相位路径的对话框设置

另外，在出现信号星座图后，单击“工具栏”内的按钮14（动画模拟），此时活动窗口内出现一个跳动光点，该光点的变化轨迹正是随所传数字序列改变信号点运动的轨迹。

1.7 总结

从这部分内容介绍可以看出，SystemView具有很强的通信系统仿真分析功能，除介绍的上述分析功能外，还可以做系统的误码率分析，此内容在第二部分中另行介绍。还有许多其它分析功能限于本书篇幅未做介绍，有兴趣的读者可进一步探索SystemView更广泛的应用领域。

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令，再用附着了“Select”条框的鼠标单击某个图符块，立刻生成该图符块的“图符参数便笺”。单击便笺框使之被激活，拉动四边上的“操作点”可调节其几何尺寸；用鼠标压住便笺框，使之显示略微变暗，可移动其位置。 图2-2-2 创建带有“图符参数便笺”的仿真分析系统

第3步：创建完仿真系统后，单击运行按钮，分别由Sink8 、Sink9和 Sink10显示PN码、同相分量和正交分量的时域波形，如图2-2-3所示。

PN码 同相分量

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正交分量 图2-2-3 PN码、同相分量和正交分量的时域波形

2.3 二进制差分编码／译码器

【分析内容】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。 【分析目的】通过分析理解差分编码／译码的基本工作原理。

【系统组成及原理】二进制差分编码器和译码器组成如图2-3-1所示，其中：{an}为二进制绝对码序列，{dn}为差分编码序列，D触发器用于将序列延迟一个码元间隔，在SystemView中此延迟环节一般可不使用D触发器，而是使用操作库中的“延迟图符块”。

an dn ^ dn ^ ^ ^ andn-1 Q D D Q CK dn-1 位同步时钟 发送码时钟 CK (a) 发送差分编码器

图2-3-1

(b) 接收差分译码器

【创建分析】

第1步：进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：

② 运行时间：Start Time: 0秒；Stop Time: 0.3秒； ② 采样频率：Sample Rate=10000Hz。

第2步：首先创建如图2-3-2所示的仿真分析系统，主要图符块参数如便笺所示。其

中，Token1和Token4都是来自操作库的“数字采样延迟块”，由于系统的采样频率为10000Hz，绝对码时钟频率为100Hz，故延迟一个码元间隔需100个系统采样时钟。

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第3步：观察编、译码结果。在分析窗下，差分编码器输入（绝对码）、差分编码输出及差分译码输出序列分别由Sink7、8、9给出，如图2-3-3所示。

图2-3-2 差分编码／译码器仿真分析系统

差分编码器输入（绝对码）

差分编码器输出波形

差分译码输出波形

图2-3-3 仿真分析波形

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第4步：得到仿真结果后，将差分编码器与差分译码器之间插入一个非门（NOT），再看仿真结果。可以观察到，差分编码和译码方式可以克服编码输出序列的全反相，差分译码序列与不反相的相同。充分理解了这一原理，就能很快理解2DPSK是如何解决载波180°相位模糊问题，同时将有助于读者自行创建包含差分编码与译码的2DPSK系统。

2.4 QPSK调制原理分析

【分析内容】创建一个QPSK正交调制系统，被调载频为2000Hz，以PN码作为二进制信源，码速率Rb＝100bit/s。分别观测I通道和Q通道的2PSK波形、两路合成的QPSK波形、QPSK信号的功率谱。

【分析目的】通过分析理解QPSK正交调制系统的基本工作原理。

【系统组成及原理】QPSK 调制属于四进制移相键控信号，调制系统组成如图2-4-1所示：

I通道 I通道同相2PSK

× Rb/2 cos?ct二进制码输入 ＋ QPSK输出 串

/ 载波 PN码 Σ

Rb并 － sin?ct

Rb/2

× Q通道正交2PSK Q通道

图2-4-1 QPSK正交调制系统

? ang(t?nTs)其中，PN码序列为： m(t)? n?0 I通道同相信号和Q通道正交信号分别为：

??

I(t)?a2k?1?g[t?kTs]Q(t)?a2k?g[t?kTs] k ? ； 0k?0 QPSK输出信号为： SQPSK(t)?I(t)cos?ct?Q(t)sin?ct 应注意，经串/并转换处理后，二进制码序列{an}变成四进制码序列{ a2k, a2k+1 }，I通道和Q通道信号的码速率比二进制码序列（即PN码）的速率降低了一倍，即四进制码周期Ts是二进制码元周期Tb的2倍。“正交调制”方式体现在I通道使用同相载波进行2PSK调制，Q通道使用正交载波进行2PSK调制。

??? 【创建分析】

第1步：进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：

③ 运行时间：Start Time: 0秒；

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Stop Time: 0.02秒； ② 采样频率：Sample Rate=30000Hz。

第2步：调用图符块创建如图2-4-2所示的仿真分析系统。

图2-4-2 QPSK正交调制仿真系统

在仿真系统中，Token2、3、4、5、6、7 和Token 15组成“串/并转换器”， Token3、4和Token15为来自逻辑库的单D触发器，并有4个输入端子和2个输出端子，当对D触发器加输入或输出连线时，会自动出现输入/输出端子选择对话框，如图2-4-3所示，单击各端子前边的复选标记，并单击OK按钮，即可分别选择需要的输入或输出端子。带有*号的端子表示负逻辑或低电平有效。另外，Token4、6为设置成直流源（Amp=1v，Freq=0）

图2-4-3 单D触发器（FF-D-1）输入/输出端子选择对话框 的正弦源，作用是向D触发器

的“Set*”、“Clear*”端子提供高电平；Token1为来自通信库的二进制PN码产生器，并由时钟源图符块Token0（1000Hz）驱动，Token 2也是时钟源图符块（500Hz），它提供四进制双比特码时钟。仿真系统中的主要图符块设置参数如表2-4-1所示：

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编 号 0 1 2 3 4 5 6 7 10 15

图符块属性 （Attribute） Source Comm Source Logic Source Logic Source Operator Source Logic 类型 （Type） PN Train Pulse Gen PN Train FF-D-1 Sinusoid FF-D-1 Sinusoid NOT Sinusoid FF-D-1 参数设置 （Parameters） Amp=2v, Freq=1000Hz, PulseW=5.e-4sec, Offset=-1v , Phase=0 deg Reg Len=10,Taps=[3-10],Seed=123, Threshold=0, True=1, False=-1 Amp=2v, Freq=500Hz, PulseW=1.e-3sec, Offset=-1v , Phase=90 deg Gate Delay=0sec, Threshold=0v, True Output =1v, False Output =-1v, Set*=t4 Output0, Data =t1 Output0, Clock=t2 Output0,Clear*=t4 Output0 Amp=1v, Freq=0Hz Gate Delay=0sec, Threshold=0v, True Output =1v, False Output =-1v, Set*=t6 Output0, Data=t1 Output0, Clock=t7 Output0, Clear*=t6 Output0 Amp=1v, Freq=0Hz Threshold=0v, True=1, False=-1 Amp=1v,Freq=2000Hz,Phase=0 deg Gate Delay=0sec, Threshold=0v, True Output =1v, False Output =-1v, Set*=t6 Output0, Data =t5 Output0, Clock=t2 Output0,Clear*=t6 Output0 第3步：创建完仿真系统后，单击运行按钮，分别由Sink13 、Sink12和 Sink14显示PN码、同相分量和正交分量的时域波形，如图2-4-4所示（1/0字符非系统所给出）。

1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1

1 1 1 0 0 1 0 1 0

图2-4-4 PN码、同相分量和正交分量的时域波形

第4步：观察同相2PSK信号、正交2PSK信号和相加后的QPSK信号波形。为了观察波形更清楚，需调整“系统定时”，将停止时间调成0.01秒，最后可得到三个信号波形，如图2-4-5所示。

第5步：观察QPSK信号的功率谱。按照前边介绍的操作方法，可得如图2-4-6所示QPSK功率谱。

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第6步：观察Sink12和Sink14组成的理想QPSK信号相位转移图。利用前边介绍的操作方法，可得到如图2-4-7所示相位转移图。图中，四个圆点为四相（45°、135°、225°和315°）信号点，图中的连线表示四个相位点之间的相位转换路径，在码元转换时刻，QPSK信号产生的相位跳变量最小为90°，最大为180°，而MSK信号在码元转换时刻的相位跳变量仅为90°。相位转换过程也可利用“动画模拟”功能形象观察。

图2-4-5 同相2PSK信号、正交2PSK信号和QPSK信号波形

图2-4-6 QPSK功率谱 图2-4-7 QPSK相位转换图

2.5 MSK调制原理分析

【分析内容】创建一个正交调制方式的MSK调制系统，被调载频为1000Hz，以PN码作为二进制信源，码速率Rb＝100bit/s。分别观测其I通道和Q通道各个信号的波形、调制输出的MSK波形和功率谱。将得到的MSK功率谱与GMSK功率谱进行对照，将QPSK、OQPSK、MSK的相位转移图进行对比得出结论。

【分析目的】通过分析理解MSK正交调制的基本工作原理，明确QPSK、OQPSK、

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MSK的关系。

【系统组成】最小频移键控称为MSK，它可视为一种特殊的相位连续2FSK信号，即保证两个频率键控信号正交的前提下，使用最小的频偏，此时必须满足：

1

?f?f1?f0? 2Tb其中，Tb为MSK调制器输入的二进制码序列的码元周期（间隔）。MSK信号可表为正交信号形式，即： SMSK(t)?A[I(t)cos2?fct?Q(t)sin2?fct] ?tI(t)?ang[t?(2k?1)Tb]cos() 2Tbk?t Q(t)?ang[t?2kTb]sin()2T kb其中，{an}为二进制码序列，g(t)为门函数。显然，MSK也可视为一种特殊2PSK信号。

MSK信号属于恒定包络调制信号，此处“恒定包络”的含义并非指产生的信号幅度包络恒定，而是指移相键控信号通过限带信道或非线性系统后，幅度包络几乎不产生AM／PM转换效应，这取决于移相键控信号在码元转换时刻的相位变化是否剧烈、相位路径是否连续平缓，因为相位特性直接影响信号的功率谱旁瓣是否快速收敛，信号能量是否集中等特性。事实上，现代数字通信要求以最小的信号功率付出和频带资源最高效率地利用进行数据传输，数字调制技术改进过程中的许多工作几乎就是围绕如何改进调制信号的相位路径特性进行的。MSK信号是一种正交连续相位移频键控（CP-FSK）信号，在码元转换时刻无相位突变，且相位变化量仅为90°。MSK调制系统组成如图2-5-1所示。

MSK QPSK/OQPSK

I通道 × × Rb/2

二进制码输入 ?tcos()cos?ct 串MSK输出

2Tb数据源/ Σ Rb并 ?tsin()sin?ct

2Tb

Rb/2延迟

Q通道 × × T b??QPSK

图2-5-1 MSK调制系统组成

OQPSK称为“偏移四相移相键控”，它与QPSK的不同在于Q通道基带数字信号被延迟了一个二进制码元周期，即半个四进制码元周期，使相位变化量限制在90°，改进了相位特性，但仍然不如MSK的相位特性好，这一点可通过后边的相位转移图看出。 【创建分析】

第1步：进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：

① 运行时间：Start Time: 0秒；

OQPSK MSK 第 28 页

Stop Time: 0.04秒； ② 采样频率：Sample Rate=10000Hz。

第2步：调用图符块创建如图2-5-2所示的仿真分析系统，图中采用了与QPSK仿真系统（图2-4-2）不同的构造方式，即：

（1）利用不同参数的数字延迟器（Token2,3）、采样器（Token1,4,5）和保持器（Token6,7）构成“串／并转换器”。如果需要对数字方波信号进行延迟处理，必须保证“数字延迟器-采样器-保持器”级联使用，否则波形严重失真；数字延迟器的延迟量，按照它前边采样器适用的采样间隔的整数倍计算，故要对Token7输出QPSK的Q分量延迟半个四进制码元周期（形成OQPSK的Q分量）时，不能再用数字延迟器，而要使用模拟延迟器（Token8），其延迟量可自由确定，单位为秒；

（2）Token17,18,19,20,21这种图符块是第一次采用，它们来自Sink库，称为实时观测图符块（Real Time），利用它只能观察时域波形，放置该图符块的同时还出现一个波形显示框，将鼠标置于框内，单击右键，弹出一个操作菜单，可编辑显示框的底色、波形颜色及是否需要坐标线；用鼠标压住框可移动位置并可改变大小。如果使用“Real Time”块而不是“Analysis”块来观察时域波形，不必进入分析视窗，随着运算的进行，可直接观察时域波形。仿真系统中的主要图符块设置参数如表2-5-1所示。

表2-5-1

图2-5-2 MSK调制仿真分析系统

编 号 0 1 2 图符块属性 （Attribute） Source Operator Operator 类型 （Type） PN Seq Sampler Smpl Delay 参数设置 （Parameters） Amp=1v, Offset=0v , Rate=100Hz, Level=2, Phase=0 deg Interpolating, Rate=100Hz Fill Last Register, Delay=2 Samples 第 29 页

3 4,5 6,7 8 11 14 15 17-21 22 Operator Operator Operator Operator Source Source Operator Sink Sink Smpl Delay Sampler Hold Delay Sinusoid Sinusoid Gain Real Time Analysis Fill Last Register, Delay=1 Samples Interpolating, Rate=50Hz Last Value, Gain=1, Out Rate=10.e+3 Hz Non-Interpolating, Delay=10.e-3 sec Amp=1v,Freq=25Hz, Phase=90 deg Amp=1v,Freq=1000Hz,Phase=0 deg Gain Units=Linear, Gain= -1 -- -- 第3步：创建完仿真系统后，单击运行按钮，各个“Real Time”图符块的显示框中二进制数据信号及OQPSK、MSK的I、Q分量波形如图2-5-3所示。

图2-5-3 二进制数据信号及OQPSK、MSK的I、Q分量波形

第4步：观察OQPSK信号和MSK信号的相位转移图，并与QPSK信号的相位转移图进行对比，体会这些数字调制信号相位特性的改进过程。组合显示Token6 和Token8输出波形为

(a) OQPSK相位转移图

图2-5-4

(b) MSK相位转移图

第 30 页

OQPSK 相位转移图，组合显示Token10和 Token9输出波形为MSK相位转移图，如图2-5-4所示。

将图2-5-4与图2-4-7对照可以看出，OQPSK与QPSK相位转移图的区别进在于没有了180°的相位转移路径，相位特性得到改善，而MSK的相位转移路径是一个圆周，没有前两者的路径拐点，相位特性进一步得到改善。读者可以利用分析窗下的“动画模拟”按钮，使信号点活动起来，每个码元转换时刻，代表相位的信号点动作一次，非常形象逼真。 第5步：观察MSK信号的功率谱，如图2-6-5(a)所示。MSK信号的直接改进就是GMSK信号，在GMSK调制器中，首先将OQPSK的I、Q基带信号滤波形成为高斯形脉冲，然后进行MSK调制。由于形成后的高斯脉冲包络无陡峭的前后沿，也无拐点，因此相位特性进一步改善，其谱特性优于MSK。GMSK调制方式主要应用于移动通信中，并已确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。

在创建的仿真分析系统的基础上，将通信库中的脉冲形成图符块设置为“Gausse”型形成器，再创建后边的正交调制部分，可得到GMSK的功率谱，并与得到的MSK功率谱合成显示在一个窗口内，如图2-5-5(b)所示。明显可以看出，GMSK功率谱较MSK功率谱旁瓣滚降迅速，信号能量更为集中。

此外，MSK的时域波形是等幅的，在此就不特别给出了。

MSK功率谱

GMSK功率谱

(a) MSK功率谱 (b) GMSK功率谱

图2-5-5

2.6 低通与带通抽样定理验证

【分析内容】按照低通抽样定理与带通抽样定理，分别对构造的低通型信号和带通型

信号、两种抽样后的信号及滤波重建信号进行时域和频域观察，形象地给出低通抽样定理与带通抽样定理。

【分析目的】通过分析验证低通抽样定理与带通抽样定理。 【系统组成】抽样定理实质上研究的是随时间连续变化的模拟信号经抽样变成离散序列后，能否由此离散序列值重建原始模拟信号的问题。对于低通型和带通型模拟信号，分别对应不同的抽样定理，抽样定理是模拟信号数字化的理论基础。

对上限频率为fH的低通型信号，低通抽样定理要求抽样频率应满足： fs?2fH第 31 页

对下限频率为fL 、上限频率为fH的带通型信号，带通抽样定理要求抽样频率满足：

k

fs?2B?[1?] n其中，B ? f f ? k ? 1。 H ?L为信号带宽，n为正整数， 0 应该注意的是，当 f H ? nB 时，无论带通型信号的fL和fH为何值，只需将抽样频率设定在2B，理论上就不会发生抽样后的频谱重叠，而不像低通抽样定理要求的必须为上限频率的2倍以上。仿真分析系统将按照图2-6-1所示结构创建。

冲激函数 发生器 带通 滤波 低通 抽样 带通 重建 低通 滤波 低通 抽样 低通 重建 图2-6-1 仿真分析系统结构

其中，对于恒定频谱的冲激函数，通过低通滤波产生低通型信号，再进行低通抽样；通过带通滤波产生带通型信号，再进行带通滤波产生带通抽样，最后分别滤波重建原始信号。仿真分析时，设低通滤波器的上限频率为10Hz，带通滤波器下限频率为100Hz、上限频率为120Hz，低通抽样频率选为30Hz；带通型信号上限频率fH = 6×20=120Hz（B=20Hz，n=6），带通抽样频率至少应取40Hz，现取60 Hz的带通抽样频率。 【创建分析】

第1步：进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：

① 运行时间：Start Time: 0秒；Stop

Time: 0.4秒；

② 采样频率：Sample Rate= 10000Hz。 第2步：在SystemView系统窗下，创建的仿真分析系统如图2-6-2所示。仿真系统中各图符块的参数设置情况见表2-6-1。 第3步：创建完仿真系统后，单击运行按钮，首先观察时域波形，四个“Real Time”图符块显示框中的波形如图2-6-3所示。两个重建信号（Token7,14）的时延是由重建滤波器时延造成的。

表2-6-1

图2-6-2 SystemView仿真分析系统

编 号 图符块属性 （Attribute） 类型 （Type） 参数设置 （Parameters） 第 32 页

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Source Operator Operator Operator Operator Sink Sink Sink Operator Operator Operator Operator Sink Sink Sink Impulse Linear Sys Sampler Hoid Linear Sys Real Time Analysis Real Time Sampler Hoid Linear Sys Linear Sys Real Time Analysis Real Time Gain=10, Start=0sec, Offset=0v Butterworth, Lowpass IIR, 7 Poles, Fc=10Hz Interpolating, Rate=30Hz Last Value, Gain=1, Out Rate=1.e+3Hz Butterworth, Lowpass IIR, 7 Poles, Fc=15Hz -- ( 用于系统窗下直接观察低通型信号波形 ) -- -- ( 用于系统窗下直接观察低通型重建信号波形 ) Interpolating, Rate=60Hz Last Value, Gain=5, Out Rate=1.e+3Hz Chebshev bandpass IIR, 9 poles, Low Fc=190Hz, Hi Fc=230Hz Butterworth, Bandpass IIR, 5 Poles, Low Fc = 200 Hz, Hi Fc=220Hz -- ( 用于系统窗下直接观察带通型信号波形 ) -- -- ( 用于系统窗下直接观察带通型重建信号波形 )

低通信号波形 低通重建信号波形 带通信号波形 带通重建信号波形 图2-6-3 四个“Real Time”图符块显示框中的波形

第4步：观察低通信号抽样前后信号（Token5,6）和重建信号（Token7）的功率谱，

第 33 页

如图2-6-4所示。观察带通信号抽样前后信号（Token12,13）和重建信号（Token14）的功率谱，如图2-6-4所示。

低通信号功率谱 低通抽样信号功率谱 低通重建信号功率谱 图2-6-4 低通抽样前后、重建信号功率谱

带通信号功率谱

第 34 页

带通抽样信号功率谱 带通重建信号功率谱 图2-6-5 带通抽样前后、重建信号功率谱

2.7 误比特率BER分析

【分析内容】以2PSK调制传输系统为误比特率分析对象，被调载频为1000Hz，以PN码作为二进制信源，码速率Rb＝100bit/s，信道为加性高斯白噪声信道，对该系统的误比特率BER进行分析。

【分析目的】通过仿真操作掌握SystemView系统误比特率分析的方法。

【系统组成及原理】误比特率（BER：Bit Error Rate）是指二进制传输系统出现码传输错误的概率，也就是二进制系统的误码率，它是衡量二进制数字调制系统性能的重要指标，误比特率越低说明抗干扰性能越强。对于多进制数字调制系统，一般用误符号率（Symble Error Rate）表示，误符号率和误比特率之间可以进行换算，例如采用格雷编码的MPSK系统，其误比特率和误符号率之间的换算关系近似为：

Ps,MPSK

Pb,MPSK? log2M其中，M为进制数，且误比特率小于误符号率。

SystemView的通信库（Comm Lib）中提供了BER分析的专用图符块，可直接调用。

第 35 页

【创建分析】

第1步：进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：

① 运行时间：Start Time: 0秒；Stop Time: 2秒； ② 循环运算次数：No of Loops=5； ③ 采样频率：Sample Rate=20000Hz。 第2步：在SystemView系统窗下，创建以2PSK传输系统为BER分析对象的仿真分析系统，如图2-7-1所示。在创建的系统中，必须使与2PSK信号叠加的高斯噪声强度自动可变，才能得到随SNR改变的BER分析曲线，可在高斯噪声源（Token4）与加法器（Token3）之间插入一个增益随每次循环改变的“Gain”图符块（Token5），首先将其增益参数设置为Gain=-30dB，然后执行“Tokens>>Global parameter Links”命令，出现一个“Global Token parameter Links”对话框，在其中的“Select System Token”栏内单击选中“5 Operator(Gain)”项（变成反白条），在“Define Algebraic Relationship F(Gi,Vi)”栏内输入“Gain”图符块的循环增益变化式：-3*cl-15，该式表示每次循环高斯噪声功率减小3dB，5次循环后“Gain”图符块的增益变成-30dB，最后，单击OK按钮关闭此对话框返回系统窗。仿真系统中主要图符块的参数设置情况见表2-7-1。

图2-7-1 2PSK系统BER分析的仿真分析系统

表2-7-1

编 图符块属性 类型 号 （Attribute） （Type） 0 Source PN Seq 1,13 Source Sinusoid Gauss 4 Source Noise 5 Operator Gain 7 Operator Linear Sys 8 Operator Sampler 9 Comm BER Rate 10 Operator Smpl 参数设置 （Parameters） Amp=1v, Offset=0v, Rate=50Hz, Level=2 Amp=1v, Freq=1000Hz, Phase= 0 deg Pwr Density=0.007W/Hz, Mean=0v, System=50 ohms Gain Unit=dB Power, Gain=-30dB Butterworth, Lowpass IIR, 5 Poles, Fc=200Hz Interpolating, Rate=50Hz No.Trials=3 bits, Threshoid=0v, Offset=1 Sec Fill Last register, Delay=1 samples 第 36 页

11 12 14 15 Operator Sink Fuction Sink Delay Sampler Final Value Cmlty Avg Analysis Interpolating, Rate=50Hz -- （终值显示图符块） Gain=1 （累积平均图符块） -- （观察叠加的高斯噪声每次循环的强度变化） 第3步：创建完仿真系统后，单击运行按钮，随着每次循环，终值显示框内出现每次的运算结果，其中最后一列带括弧的数据为误比特率。5次循环结束后进入分析窗，此时Token12给出的误比特率是随仿真时间改变的规律，欲观察BER随解调信号SNR改变的曲线，需单击“信宿计算器”按钮，在出现的对话框中，选中Style按钮，单击BER Plot按钮，在其右侧的“SNR Start[dB]:”栏内输入-10、“Increment[dB]:”栏内输入20，再选中右上角窗口内“w0:Bit Error Rate (t12)”项，最后单击对话框的OK按钮即可显示随SNR改变的BER曲线，如图2-7-2所示。每次循环时，输入的2PSK信号功率保持不变，而叠加的高斯噪声功率逐次衰减，即SNR不断增加。叠加高斯噪声强度的变化由Token15的显示窗口给出，如图2-7-3所示。 图2-7-2 随解调信号SNR改变的BER曲线

图2-7-3 叠加高斯噪声强度随循环每次减小3dB变化

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第三部分 通信系统仿真分析上机实验

实验一 二进制键控系统分析（1）

【实验目的】由于本实验是利用SystemView进行仿真分析的第一个上机实验，故安排了较为简单的2ASK和2FSK系统分析内容，上机操作步骤介绍得也很详细。建议除按照实验的分析内容要求得到分析结果外，应进一步熟悉软件的主要操作步骤。

一、 相干接收2ASK系统分析

1． 相干接收2ASK系统工作原理

相干接收2ASK系统组成如图3-1-1所示：

二进制 基带信号 × 载 波 ＋ 噪 声 × 载 波 低 通 滤波器 ^ ??an?an?Acos?ct信道 Acos?ct图3-1-1 相干接收2ASK系统组成

2． 上机操作步骤

根据图3-1-1所示系统，在SystemView系统窗下创建仿真系统，首先设置时间窗，运行时间：0－0.3秒，采样速率：10000Hz。

① 组成系统如图3-1-2所示：

图3-1-2 仿真系统组成系统

② 图符块参数参数设置：

Token0: 双极性二进制基带码源（PN码），参数：Amp=1v；Offset=0v；Rate=100Hz；No.of Level=2；

Token1: 乘法器；

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Token2: 正弦载波信号源，参数：Amp=1V；F=1000Hz；Phase=0； Token3: 加法器；

Token4: 高斯噪声源，参数：Std Deviation=0.5V；Mean=0V； Token5: 乘法器；

Token6: 正弦本地同步载波信号源，参数设置同Token2；

Token7: 模拟低通滤波器，参数：Butterworth_Lowpass IIR；No.of Poles=5；LoCuttoff=300Hz；

Token8，9，10：信宿接收分析器（Sink8,Sink9,Sink10）。

3． 分析内容要求

① 在系统窗下创建仿真系统，观察指定分析点的波形或功率谱； ② 改变元件设置参数，观察仿真结果； ③ 进一步熟悉软件的主要操作步骤。

4． 实验报告要求

上交实验报告的具体要求由实验指导教师现场规定。

二、2FSK系统分析

1．2FSK系统组成

以话带调制解调器中CCITT V.23建议规定的2FSK标准为例，该标准为：码速率1200bit/s； f0＝1300Hz及f1＝2100Hz。要求创建符合CCITT V.23建议的2FSK仿真系统，调制采用“载波调频法”产生CP-2FSK信号，解调采用“锁相鉴频法”。系统组成如图3-1-3所示。

信道 PN码 PD LF VCO FM ＋ 产生器 LPF 载波源 噪声 调制 解调 解调输出 图3-1-3 2FSK仿真系统组成

2．上机操作步骤

根据图3-1-3所示系统，在SystemView系统窗下建立仿真系统，首先设置时间窗，运行时间：0－0.3秒，采样速率：10000Hz，组成系统如图3-1-4所示，其中：

Token0：PN码源，参数：Amp＝1v、Offset＝0v、Rate＝1200Hz、No.of levels＝2；

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Token1：直接调频器，参数：Amp＝1v、F＝1700Hz、Phase＝0、Mod Gain＝400Hz/V； Token2，3，4：话带加性高斯噪声模拟信道，参数：Token4为Butterworth_BPF、No.of Poles＝5、Lo Cuttoff＝300Hz、Hi Cuttoff＝3400Hz；Token3为高斯噪声源；

图3-1-4 2FSK仿真系统组成

Token5，6，7：锁相环路，其中Token6为Butterworth_LPF、No.of Poles＝1、Lo Cuttoff＝1200Hz；

Token7：VCO，参数：Amp=2v、F=1700Hz、Phase=0、Mod Gain=800Hz/v； Token8：低通滤波器，参数：Butterworth_BPF、No.of Poles＝7、Lo Cuttoff＝2400Hz； Token9：过零比较器，参数：选a>b模式、a输入为Token8输出、b输入为门限电平、 True Output＝1v、false Output＝-1v ；

Token10：比较门限电平，选正弦信号源，Amp＝0V、F＝0Hz，即比较门限为0电平； Token11，12，13，14，15，16：信宿接收分析器Sink。

3．分析内容要求

① 在系统窗下创建仿真系统，观察各接收分析器（Sink11，12，13，14，15，16）的时域波形，体会各图符块在系统中的特殊作用；观察接收分析器Sink12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 改变元件设置参数，再观察仿真结果。

4．实验报告要求

上交实验报告的具体要求由实验指导教师现场规定。

实验二 二进制键控系统分析（2）

【实验目的】本实验安排了2PSK和2DPSK系统分析内容。在分析中，除巩固二进制移相键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°相位模糊问题的。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cvs6.html