“通信原理”虚拟实验仿真系统研究

成绩西安邮电大学《通信原理》软件仿真实验报告实验名称：实验三模拟调制系统——AM系统院系：通信与信息工程学院专业班级：通工学生姓名：学号：（班内序号）指导教师：报告日期：2013年5月15日实验三模拟调制系统——AM系统●实验目的：1、掌握AM信号的波形及产生方法；2、掌握AM信号的频谱特点；3、掌握AM信号的解调方法；4*、掌握AM系统的抗噪声性能。

●仿真设计电路及系统参数设置：图1 模拟调制系统——AM系统仿真电路建议时间参数：No. of Samples = 4096；Sample Rate = 20000Hz1、记录调制信号与AM信号的波形和频谱；调制信号为正弦信号，Amp= 1V，Freq=200Hz；直流信号Amp = 2V；余弦载波Amp = 1V，Freq= 1000Hz；频谱选择|FFT|；2、采用相干解调，记录恢复信号的波形和频谱；接收机模拟带通滤波器Low Fc = 750Hz，Hi Fc = 1250Hz，极点个数6；接收机模拟低通滤波器Fc = 250Hz，极点个数为9；3、采用包络检波，记录恢复信号的波形和频谱；接收机包络检波器结构如下：其中图符0为全波整流器Zero Point = 0V；图符1为模拟低通滤波器Fc = 250Hz，极点个数为9；4、在接收机模拟带通滤波器前加入高斯白噪声；建议Density in 1 ohm = 0.00002W/Hz；观察并记录恢复信号波形和频谱的变化；5*、改变高斯白噪声的功率谱密度，观察并记录恢复信号的变化。

仿真波形及实验分析：1、记录调制信号与AM信号的波形和频谱；图1-1 调制信号波形图1-2 AM已调信号波形图1-3 调制信号的频谱图1-4 AM——已调制信号的频谱分析：AM信号的波形包络包含基带信号信息，频率是载波频率，频谱有边带分量和载波分量。

2、采用相干解调，记录恢复信号的波形和频谱；图2-1 AM——相干解调信号的波形图2-2 AM——相干解调信号的频谱分析：相干解调恢复出来的信号和原始信号相同，其频谱波形跟原始信号频谱波形基本相同。

通信电子中的系统仿真技术研究随着通信电子技术的不断发展，人们对通信设备的性能和优化要求越来越高。

系统仿真技术对于通信电子行业来说，是非常重要的一项技术。

它可以通过计算机软件模拟各种通信设备的工作原理，验证和优化设备的性能，提高设备的可靠性和效率。

本文将简单介绍一下通信电子中的系统仿真技术研究。

一、什么是系统仿真技术系统仿真技术是指利用计算机软件来对具有复杂结构和功能的系统进行模拟，从而在计算机上得到与实际系统相似的仿真结果。

仿真结果可以用来验证和分析系统的性能，探讨和优化系统的设计方案，或者用来进行操作培训和决策支持等。

通信电子设备一般包括硬件和软件两个部分，而系统仿真技术主要是针对软件部分。

比如，用仿真软件模拟一个无线基站的工作过程，可以验证基站的信号覆盖范围、话音和数据传输质量等性能指标，分析和优化基站的网络设计参数，或者进行培训和演练等。

二、通信电子中的系统仿真技术应用通信电子中的系统仿真技术应用非常广泛。

从通信网的级联分析、网络规划、资源优化，到无线通信系统的射频、数字信号处理、调制解调、传输协议等各个方面都有所应用。

下面我们以无线通信系统为例，介绍一下系统仿真技术在通信电子中的具体应用。

1、网络规划优化网络规划是无线通信系统建设和优化的关键环节。

通过仿真软件，可以模拟不同的网络拓扑结构、调度策略和网络参数，分析和对比优化方案的性能表现。

比如，在一些城市中，基站的分布和覆盖区域非常复杂，如何在有限的资源下建立最优的网络，需要经过系统仿真的验证和优化。

2、无线资源分配优化无线资源的分配对于话音和数据传输的质量，以及网络的覆盖率和网络吞吐率等方面有非常直接的影响。

系统仿真技术可以对不同的资源分配算法和优化方案进行模拟和验证，找到最优的资源分配策略，从而在保证服务质量的同时，最大程度地利用有限的资源。

3、信道建模和干扰分析在无线通信系统中，信道的环境和干扰都会对信号的传输和接收产生较大影响。

通过信道建模和干扰分析的仿真，可以对不同环境下的信号传播特性、基站和终端之间的信道状态、干扰源的影响等进行研究和分析，为网络的规划、优化和系统的故障排除提供科学依据。

通信原理虚拟仿真实验通信原理虚拟仿真实验是一种通过计算机仿真技术，对通信原理相关知识进行模拟实验的一种有效途径。

该技术具有时间、空间、物质等方面的优势，能够让学生在虚拟环境中，更加深入地理解通信原理的基本原理和技术应用。

一、通信原理通信原理是指在有源信号的影响下，信息的传递和交换过程中的基本原理。

通信原理主要包括信号的处理、调制、编码、传输等基本技术及相关器件的应用。

通信原理工程在现代通信技术中所占的比重重要，除了大规模的应用和广泛的种类外，最重要的是很多应用的细节和实施都有很大的变化，而通信原理则是其技术的基础。

二、通信原理虚拟仿真实验的特点1、装置简便实用虚拟仿真技术所需的计算机硬件配置较低，只需要一台普通个人电脑就能轻松进行实验。

同时，通过虚拟仿真软件的操作，即可模拟真实通信设备及其操作，无须考虑相关设备的资金支出和维护费用等问题。

2、模拟真实场景通过通信原理虚拟仿真实验，不仅学生能够体验到真实通信设备的操作，而且能够看到这些设备在不同场景下的表现。

比如有什么因素会影响信号传输的质量，这些因素对通信效果会产生什么影响等，这些都能够通过虚拟仿真的方式进行模拟。

3、实验数据真实可靠通过虚拟仿真技术模拟，学生同时能够得到真实数据，这极大地提高了实验数据的真实可靠性。

在实践操作中，学生能够反复试验，调整不同参数，了解不同设备之间的差异，从而全面掌握通信原理的知识。

三、通信原理虚拟仿真实验的优势通信原理虚拟仿真实验有着以下几个方面的优势。

1、提高学习效率通过虚拟仿真技术，学生能够在更短的时间内掌握通信原理的相关知识，整体认知能力也能够提高。

2、提高实验情境的真实度通过虚拟仿真技术与真实场景结合的方法，使得实验情境更加真实，学生更容易在情境中融入学习。

3、减少资源浪费传统的实验学习方式需要消耗大量人力、物力和财力资源，但虚拟仿真实验可以在计算机上进行多次模拟，节省了实验所需要的人力、物力和财力。

4、减少安全隐患由于通信原理虚拟仿真实验所采用的是计算机虚拟化技术，与传统实验相比，减少了一些实验安全隐患，比如说对于公共场合禁用或者可能会产生环境噪声的实验器材，可以在虚拟环境中进行操作。

通信系统仿真实验报告摘要：本篇文章主要介绍了针对通信系统的仿真实验，通过建立系统模型和仿真场景，对系统性能进行分析和评估，得出了一些有意义的结果并进行了详细讨论。

一、引言通信系统是指用于信息传输的各种系统，例如电话、电报、电视、互联网等。

通信系统的性能和可靠性是非常重要的，为了测试和评估系统的性能，需进行一系列的试验和仿真。

本实验主要针对某通信系统的部分功能进行了仿真和性能评估。

二、实验设计本实验中，我们以MATLAB软件为基础，使用Simulink工具箱建立了一个通信系统模型。

该模型包含了一个信源（source）、调制器（modulator）、信道、解调器（demodulator）和接收器（receiver）。

在模型中，信号流经无线信道，受到了衰落等影响。

在实验过程中，我们不断调整系统模型的参数，例如信道的衰落因子以及接收机的灵敏度等。

同时，我们还模拟了不同的噪声干扰场景和信道状况，以测试系统的鲁棒性和容错性。

三、实验结果通过实验以及仿真，我们得出了一些有意义的成果。

首先，我们发现在噪声干扰场景中，系统性能并没有明显下降，这说明了系统具有很好的鲁棒性。

其次，我们还测试了系统在不同的信道条件下的性能，例如信道的衰落和干扰情况。

测试结果表明，系统的性能明显下降，而信道干扰和衰落程度越大，系统则表现得越不稳定。

最后，我们还评估了系统的传输速率和误码率等性能指标。

通过对多组测试数据的分析和对比，我们得出了一些有价值的结论，并进行了讨论。

四、总结通过本次实验，我们充分理解了通信系统的相关知识，并掌握了MATLAB软件和Simulink工具箱的使用方法，可以进行多种仿真。

同时，我们还得出了一些有意义的结论和数据，并对其进行了分析和讨论。

这对于提高通信系统性能以及设计更加鲁棒的系统具有一定的参考价值。

通信原理课程仿真实验平台构建与实现通信原理课程是计算机、通信、电子等专业学生必修的一门课程，其重要性不言而喻。

学生们在学习通信原理课程时，需要了解声波、光波、无线波等信号的传输原理和相关知识，并通过实验模拟加深对通信原理的理解。

为了提升学生们的实践能力和增强学习效果，本文提出使用仿真实验平台构建通信原理课程实验的建议，并对该平台进行详细阐述。

仿真实验平台是指基于计算机技术和相关应用软件，将实际物理过程或事物进行数字化仿真，以达到实验效果和实验数据获取的一种虚拟实验方式。

通信原理课程仿真实验平台的构建包括三个步骤：搭建实验环境、软件安装与配置、实验操作与数据分析。

首先，搭建实验环境需要一般性的硬件设备和软件环境。

硬件设备包括学生机和教师机，建议配备至少4GB内存、2.2GHz 处理器的电脑。

软件环境中需要安装单片机开发软件、通信原理仿真软件。

单片机开发软件使用 Keil C51。

通信原理仿真软件使用 Multisim 13.0。

其次，软件安装与配置是建立仿真实验平台中重要的一步。

在Keil C51 软件的安装过程中，需要选择安装路径、安装项等，安装完成之后还要配置微控制器和开发板。

本实验中固定将微控制器选为 STC89C52，开发板是 T1000，其它开发板也可以选择，但需要通过配置进行切换。

在 Multisim 13.0 安装之后需要关联模型库。

模型库分为基础模型、数字模型、仿真器件模型以及特定型件模型等。

通信原理实验需要使用的设备模型包括电源、信号发生器、示波器等。

最后，实验操作与数据分析是仿真实验平台的核心步骤。

立足于通信原理课程，仿真实验平台应该包括频谱分析器实验、移相器实验、锁相环实验、接收机实验等。

在平台中，学生通过图形界面进行操作，如调整参数、连线等，实时查看各种信号的波形、频谱图和时域图等，还可以按照要求进行信号处理和算法分析。

当然，在操作过程中也需要学生自主学习相关的原理知识，确保达到实验目的。

通信系统仿真实验报告通信系统仿真实验报告摘要：本实验旨在通过仿真实验的方式，对通信系统进行测试和分析。

通过搭建仿真环境，我们模拟了通信系统的各个组成部分，并通过实验数据对系统性能进行评估。

本报告将详细介绍实验的背景和目的、实验过程、实验结果以及对结果的分析和讨论。

1. 引言随着信息技术的发展，通信系统在现代社会中扮演着重要的角色。

通信系统的性能对于信息传输的质量和效率起着至关重要的作用。

因此，通过仿真实验对通信系统进行测试和分析，可以帮助我们更好地了解系统的特性，优化系统设计，提高通信质量。

2. 实验背景和目的本次实验的背景是一个基于无线通信的数据传输系统。

我们的目的是通过仿真实验来评估系统的性能，并探讨不同参数对系统性能的影响。

3. 实验环境和方法我们使用MATLAB软件搭建了通信系统的仿真环境。

通过编写仿真程序，我们模拟了信号的传输、接收和解码过程。

我们对系统的关键参数进行了设定，并进行了多次实验以获得可靠的数据。

4. 实验结果通过实验，我们得到了大量的数据，包括信号传输的误码率、信噪比、传输速率等。

我们对这些数据进行了整理和分析，并绘制了相应的图表。

根据实验结果，我们可以评估系统的性能，并对系统进行改进。

5. 结果分析和讨论在对实验结果进行分析和讨论时，我们发现信号传输的误码率与信噪比呈反比关系。

当信噪比较低时，误码率较高，信号传输的可靠性较差。

此外，我们还发现传输速率与信号带宽和调制方式有关。

通过对实验数据的分析，我们可以得出一些结论，并提出一些建议以改善系统性能。

6. 结论通过本次仿真实验，我们对通信系统的性能进行了评估，并得出了一些结论和建议。

实验结果表明，在设计和优化通信系统时，我们应注重信号传输的可靠性和传输速率。

通过不断改进系统参数和算法，我们可以提高通信系统的性能，实现更高质量的数据传输。

7. 展望本次实验只是对通信系统进行了初步的仿真测试，还有许多方面有待进一步研究和探索。

第41卷　第4期吉林大学学报(信息科学版)Vol.41　No.42023年7月Journal of Jilin University (Information Science Edition)July 2023文章编号:1671⁃5896(2023)04⁃0575⁃08模拟通信原理实验系统仿真方法研究收稿日期:2022⁃08⁃10基金项目:吉林省科技发展计划基金资助项目(20200401125GX);吉林大学2021年实验技术基金资助项目(SYXM2021b010)作者简介:吴戈(1979 ),男,长春人,吉林大学高级工程师,博士,主要从事微波通信技术㊁光通信技术㊁锁模光纤激光器技术研究,(Tel)86⁃135****0639(E⁃mail)wuge@㊂吴　戈a ,霍佳雨b ,王　晴a ,田小建a(吉林大学a.电子科学与工程学院;b.通信工程学院,长春130012)摘要:为解决传统通信原理实验箱在对信号处理和检测方面存在的不足,需要利用仿真对实验现象进行更全面的展示,而Simulink 和LabVIEW 等软件只能对数字通信系统进行仿真㊂为此,采用Multisim 实现了对脉冲幅度调制(PAM:Pulse Amplitude Modulation)编译码㊁频移键控(FSK:Frequency Shift Keying)调制解调和相移键控(PSK:Phase Shift Keying)调制解调等模拟通信系统的元器件级电路仿真㊂通过仿真,直观地展示了抽样定理㊁锁相环和科斯塔斯环的内在工作机理,并深入分析了FSK 解调过程中可能出现的两种失真的机理㊂关键词:通信原理实验;Multisim 仿真;脉冲幅度调制;频移键控;相移键控中图分类号:TN914文献标志码:AStudy on Simulation Method for Experiment System of Analog Communication PrincipleWU Ge a ,HUO Jiayu b ,WANG Qing a ,TIAN Xiaojian a(a.College of Electronic Science and Engineering;b.College of Communication Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China)Abstract :In order to overcome the shortcomings of the traditional experiment box of the communication principle in signal processing and detection,it is necessary to use simulation to show the experimental phenomena in a more comprehensive way.However,Simulink,LabVIEW,and other software can only simulate the digital communication system.To solve this problem,Multisim is used to perform component⁃level circuit simulation of analog communication systems,including PAM (Pulse Amplitude Modulation)encoding and decoding,FSK (Frequency Shift Keying )modulation and demodulation,and PSK (Phase Shift Keying )modulation and demodulation.Through simulation,the inherent working mechanisms of sampling theorem,phase⁃locked loop,and Costas loop are intuitively demonstrated,and the principles of two possible distortions that can occur during FSK demodulation are thoroughly analyzed.Key words :communication principle experiment;Multisim simulation;pulse amplitude modulation;frequency shift keying;phase shift keying 0　引　言新工科”是我国为主动应对新一轮科技革命与产业变革,在新经济㊁新起点的背景下提出的发展规划,对电子信息科学与技术在内的传统工科专业的升级改造是其支持的重点内容之一[1⁃2]㊂ 通信原理”是电子信息科学与技术专业的重要专业基础课,综合了 模拟电子技术”㊁ 数字电子技术”㊁ 概率论与数理统计”㊁ 高频电子技术”㊁ 信号与系统”㊁ 数字信号处理”等多门课程的内容,课程中的概念抽象,理论性强,学生需要通过实验直观地体会以加强对理论的掌握[3⁃5]㊂但目前通信原理实验所使用的实验系统同质化比较严重,均采用复杂可编程逻辑器件核心构建,存在实验内容固化无法进行自主设计的缺点,已有模块只能简单地显示实验结果,供学生操作和分析的内容很少㊂利用Simulink [6⁃9]和LabVIEW [10⁃12]等软件对通信原理实验系统进行仿真是解决上述问题的有效手段,但这些软件主要用于对脉冲编码调制(PAM:Pulse Code Modulation)编译码㊁连续可变斜率增量调制(CVSD:Continuously Variable Slope Deltamodulation)编译码㊁交替反转码(AMI:Alternative Mark Inversion)/三阶高密度码(HDB 3:High⁃Density Bipolar Three⁃bit substitution)调制解调等数字通信系统进行仿真㊂在仿真模拟通信系统时,上述软件的仿真过程都是基于数学层面的计算,系统中的各模块用传递函数描述,不能直观地在硬件层面实现,对学生而言过于抽象㊂笔者将Multisim 引入通信原理实验中,专门用于对PAM 编译码㊁FSK(Frequency Shift Keying)调制解调和PSK(Phase Shift Keying)调制解调3种模拟通信系统进行元器件级的电路仿真㊂PAM 编译码实验中的抽样定理,FSK㊁PSK 调制解调实验中的锁相环和科斯塔斯环都是整个通信原理实验中的重点和难点内容[13⁃14]㊂通信原理实验作为面向本科生开设的基础性实验,很难在实验室中配置频谱分析仪和网络分析仪,因此抽样定理只能讲原理不能观察实验现象㊂在FSK㊁PSK 调制解调实验中,只能通过实验箱中的电位器调节锁相环和科斯塔斯环输出级压控振荡器的中心频率和频率范围,完成解调过程,可供观测的信号只有输入数字基带信号㊁FSK㊁PSK 调制信号和FSK㊁PSK 解调信号,没有为两种环路具体实现解调的中间过程信号设置观察点,使学生难以直观深入地了解FSK 和PSK 的具体解调原理㊂Multisim 是电路级仿真软件,能用实际元件搭建模拟通信系统的硬件电路,将抽象的理论模型和公式具象化,让学生能直观地测量模拟通信系统电路中各点的波形变化情况,除时域波形外,还可以利用Multisim 提供的频谱分析虚拟仪器进行信号频谱的观测㊂将Multisim 引入通信原理实验中,可以有效弥补实际通信原理实验系统的不足,从而使学生加深对通信原理模拟实验系统基本理论的理解程度㊂1　模拟通信原理实验仿真系统结构图1　模拟通信原理实验仿真系统拓扑结构Fig.1　Topological structure diagram of analog communication priciple experiment system 模拟通信原理实验仿真系统的整体结构如图1所示㊂信号发生电路是整个仿真系统的基础,实现为PAM 编译码电路㊁FSK 调制解调电路和PSK 调制解调电路提供驱动信号的功能,图2为其Multisim仿真电路图㊂信号发生电路采用分频器联合单片机结构[15],实验所需的全部信号都来源于信号发生器XFG1图2　信号发生电路仿真电路Fig.2　Simulation circuit of signal generation circuit 产生的频率为4096kHz 的方波㊂675吉林大学学报(信息科学版)第41卷该方波经12位计数器(4040BP)分频后得到2n kHz(n =0,1,2, ,11)的12个同步方波信号㊂选取其中的2kHz㊁16kHz 和32kHz 方波,经滤波电路和单片机处理后生成各实验系统所需的同步正弦信号和数字基带信号㊂采用该结构的信号发生电路可以利用单片机产生任意码型的数字基带信号,并且能保证数字基带信号与全部正弦信号都保持同步状态㊂2　PAM 编译码实验仿真PAM 编码实验的仿真电路如图3所示㊂该仿真的输入时间连续信号是由信号发射电路产生的2kHz正弦波f (t ),其频谱表达式为F (ω)=πA (-j δ(ω-ω0)+j δ(ω+ω0)),(1)其中A 为正弦波幅度,ω0为正弦波角频率㊂图3中两个模拟开关U4A 和U4B 起乘法器作用,将f (t )与抽样信号p (t )相乘,则PAM 编码电路的输出f s (t )=f (t )p (t )㊂抽样信号p (t )的频谱表达式为P (ω)=2πd ∑∞n =-∞[Sa (n πd )δ(ω-nωs )],(2)其中d 为抽样矩形波的占空比,ωs 为抽样角频率㊂则由频域卷积定理可得PAM 编码电路输出的频谱表达式为F s (ω)=12πF (ω)*P (ω)=πAd ∑∞n =-∞{Sa (n πd )[-j δ(ω-nωs -ω0)+j δ(ω-nωs +ω0)]}㊂(3) 图3中由反相器U5构成的方波发生电路产生抽样信号的占空比d 为50%,则对文中的PAM 编码仿真实验,PAM 编码电路输出的频谱表达式为F s (ω)=πA 2∑∞n =-∞Sa n π()2[-j δ(ω-nωs -ω0)+j δ(ω-nωs +ω0{})]㊂(4) 当n 为大于0的偶数时Sa (n π/2)=0,由式(4)可知,输入2kHz 正弦波抽样信号的频谱在基频和奇次谐波处有谱线,且奇次谐波谱线位置为nf s ±f 0㊂在PAM 编码仿真实验中,通过调节电位器R 11改变抽样速率,再配合Mutisim 提供的Spectrum Analyzer 工具,可直观地观测不同抽样速率下PAM 编码的频谱,如图4所示㊂ 图3　PAM 编码实验仿真电路 图4　不同抽样速率下的PAM 编码频谱Fig.3　Simulation circuit of PAM coding experiment Fig.4　PAM coding spectrum at different sampling rates 由PAM 编码的频谱可知,抽样速率越低,PAM 编码的基频离二次谐波的低频边带距离越近,这很难将信号频谱分离,极限情况就是当抽样频率为信号频率2倍时,信号频谱与PAM 频谱二次谐波的低频边带重合,这将无法解调出原始信号,因此抽样速率要高于信号频率的2倍,即抽样定理㊂PAM 译码过程就是通过滤波的方法滤出PAM 编码信号的基频㊂由式(3)可知,恢复信号的幅度与抽样信号的占空比有关,若要使解调还原出的信号幅度与编码输入信号完全相同,则滤波器的增益应该等于抽样信号占空比的倒数㊂对该仿真实验,滤波器增益应取2倍㊂为得到更好的滤波效果,PAM 译码电路采用4阶切比雪夫滤波器,如图5所示㊂在Multisim 中利用Bode Plotter 工具还可以测量PAM 译码电路的幅频特性,如图6所示,滤波器通频带内增益为6dB,-3dB 截止频率2.4kHz,阻带衰减-22dB㊂由于PAM 译码过程中有滤波环节,根据滤波器的相频特性,还原信号相比于原始信号存在775第4期吴戈,等:模拟通信原理实验系统仿真方法研究51.546μs 的延时㊂PAM 编译码过程中各测试点的仿真时域波形如图7所示㊂图5　PAM 编码实验仿真电路Fig.5　Simulation circuit of PAM decoding experiment 图6　PAM 译码电路幅频特性 图7　PAM 编译码信号时域波形Fig.6　Amplitude frequeency characteristics Fig.7　Time domain waveform of PAM of PAM decoding circuit encoding and decoding signal 通信原理实验作为面向本科生开设的基础性实验,在实验室中一般不配置频谱分析仪和网络分析仪,因此PAM 编码信号的频谱和译码滤波电路的幅频特性均不能直接观测㊂而通过Multisim 仿真,可利用软件中的虚拟仪器实现这些功能,让学生直观地观察PAM 编译码过程中对频谱的处理,从而加深对抽样定理的理解㊂3　FSK 调制解调实验仿真图8是FSK 调制解调实验的仿真电路图㊂图8　PAM 编码实验仿真电路Fig.8　Simulation circuit of FSK modulation and demodulation experiment 875吉林大学学报(信息科学版)第41卷其中FSK 调制的原理比较简单,用2kHz 数字基带信号控制两个模拟开关,当基带信号为高电平时调制电路输出32kHz 正弦波,为低电平时输出16kHz 正弦波,从而完成FSK 的调制过程㊂仿真电路利用Multisim 提供的锁相环模块PLL _VIRTUAL 实现FSK 解调功能㊂锁相环模块中的 VCO Free Running Frequency”和 VCO Conversion Gain”2个参数分别对应实际实验中的f 0和f RNG ,f RNG 等于压控振荡器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)转换增益乘以环路滤波器输出信号范围V LPRNG (4V)㊂设置好2个参数使VCO 输出频率范围涵盖32kHz 后,即可实现对FSK 解调过程的仿真,仿真结果如图9所示㊂ 图9　FSK 调制解调信号时域波形　Fig.9　Time domain waveform of FSK modulation and demodulation signal 在实际FSK 调制解调实验中,学生只能观测到TP201㊁TP202和TP204的波形,但在FSK 解调过程中环路滤波器的输出波形TP203对解调效果至关重要㊂只有环路滤波器输出波形的高电平V LPhigh 和低电平纹波电压峰值V R max 间的差值足够大,才有利于最终FSK解调信号的提取㊂通过对FSK 调制解调实验的仿真,可以研究VCO 中心频率f 0和频率范围f RNG 两参数对V LPhigh 和V R max 的影响,进而解释FSK 解调实验中出现的一些实验现象㊂3.1　FSK 解调信号的高电平失真VCO 中心频率和频率范围对V LPhigh 的影响如图10所示㊂图10中,线条为V LPhigh 的理论变化曲线,点线为V LPhigh 的仿真测试值㊂由图10可知,V LPhigh 随f RNG 的减小而增大,当V LPhigh 低于0.5V 时仿真结果与理论值非常吻合,当V LPhigh 高于0.5V 时仿真结果比理论值高约78mV,该特性有利于FSK 解调信号的提取㊂值得注意的是虽然提高V LPhigh 有利于FSK 解调,但如将V LPhigh 调的太高,接近V LPRNG 的一半(2V)时,VCO 输出的最高频率即将低于32kHz,会导致VCO 对32kHz 载波的失锁,使环路滤波器输出波形的高电平产生震荡,从而在实际实验中的FSK 解调信号高电平上产生如图11所示的失真㊂ 图10　VCO 中心频率和频率范围 图11　实际实验中FSK 解调信号的 对V LPhigh 的影响 高电平失真 Fig.10　Influence of VCO center frequency Fig.11　High level distortion of FSK and frequency range on V LPhigh demodulation signal in practical experiments 3.2　FSK 解调信号的低电平失真图12是环路滤波器输出波形低电平纹波电压峰值V R max 随f 0的变化情况,VCO 频率范围与V R max 无关㊂由图12可知,f 0越接近32kHz 纹波电压峰值V R max 越低,越有利于FSK 解调信号的提取㊂如果V R max 过大,会在实际实验中的FSK 解调电路输出信号低电平上产生毛刺状失真,如图13所示㊂FSK 通过对FSK 调制解调实验的仿真,除了能观察正常实验现象外,还能让学生对FSK 解调信号的恢复过程进行直观观测,进一步研究VCO 中心频率f 0和频率范围f RNG 参数对环路滤波器输出波形的高电平V LPhigh 和低电平纹波电压峰值V R max 的影响,从而深入理解FSK 解调信号波形上出现各种失真的原因㊂975第4期吴戈,等:模拟通信原理实验系统仿真方法研究 图12　VCO 中心频率对V R max 的影响　图13　实际实验中FSK 解调信号的低电平失真 Fig.12　Influence of VCO center Fig.13　Low level distortion of FSK frequency V R max demodulation signal in practical experiments 4　PSK 调制解调实验仿真PSK 调制电路的工作原理与FSK 调制电路基本相同,区别在于两模拟开关切换的是相位分别为0和π的32kHz 载波,因此文中不再赘述PSK 调制实验的仿真电路图㊂图14是PSK 解调实验仿真电路图㊂图14　PSK 解调实验仿真电路Fig.14　Simulation circuit of PSK demodulation experiment解调是PSK 调制解调实验的重点内容,其原理与FSK 解调相似,区别是采用图14所示的科斯塔斯环进行解调㊂解调时,科斯塔斯环上㊁下两路环路滤波器的输出波形无论高电平还是低电平(0相还是π相),科斯塔斯环都处于锁定状态,因此,高低电平上的纹波都非常低,有利于PSK 解调信号的提取㊂PSK 解调信号从两路中的任意一路提取均可,在该仿真中取自开关2所在的下路㊂仿真时会出现PSK 解调电路中的相位模糊现象,即PSK 解调输出波形与输入2kHz 数字基带信号间原码和反码都有可能,是原码还是反码取决于科斯塔斯环进入锁定状态时输出与输入间的相位关系㊂PSK 调制解调实验的仿真结果如图15所示㊂由图15可知,PSK 解调信号与输入数字基带信号间存在明显的相位差,这是由科斯塔斯环中低通滤波器的相频特性和电压比较器阈值电压的迟滞作用共同引起的㊂085吉林大学学报(信息科学版)第41卷通过对PSK 解调电路的仿真,除了能观测实际实验提供的测试点TP301㊁TP302和TP304的波形外,还能观测科斯塔斯环两路环路滤波器中一路的输出波形TP303,此外,还能对开关1和开关2的相位差为π/2的32kHz 方波控制信号的产生过程进行观察,如图16所示㊂这些都是采用传统通信原理实验箱无法测量的㊂ 图15　PSK 调制解调信号时域波形 图16　PSK 解调电路两路开关控制 Fig.15　Time domain waveform of PSK 信号产生过程 modulation and demodulation signal Fig.16　Generation process of two⁃way switch control signal of PSK demodulation circuit 5　结　语笔者利用Multisim 实现了对PAM㊁FSK㊁PSK 等通信原理模拟实验系统的仿真㊂通过PAM 编译码仿真实验,利用频谱分析仪,直观地揭示了抽样定理的原理㊂并通过FSK 调制解调仿真实验,展示了锁相环的原理㊁利用锁相环进行FSK 解调的工作过程㊁以及锁相环参数对FSK 解调输出信号的影响,深入研究了解调过程中可能出现的两种失真的原理㊂最后通过PSK 调制解调仿真实验,解释了科斯塔斯环的原理以及利用科斯塔斯环进行PSK 解调的工作过程㊂相比于实际实验箱,Multisim 仿真实验更能让学生直观地体会通信原理模拟实验系统的内在运行机理,从而提高学生对理论的掌握程度㊂参考文献:[1]李红岩,杨静.面向新工科的通信原理研究型实验探索[J].中国现代教育装备,2021(17):96⁃98.LI H Y,YANG J.Exploration of Research⁃Oriented 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通信原理BPSK仿真实验一、实验题目利用仿真软件实现BPSK的调制解调，并仿真分析其在高斯信道下的误码性能。

二、实验原理调制过程：信号的产生采用键控法。

原理：用二进制单极性脉冲控制开关选择0相位载波和π相位载波的输出。

解调过程：相干解调。

必须采用相干解调的方式，从接收到的已调信号中提取本地载波，与信号相乘后通过低通滤波器，抽样判决后得到基带信号。

三、实验仿真1、实验系统2、各模块设置系统时钟设置：Sample Rate:5000Hz Stop Time=1{系统中使用的滤波器为巴特沃斯滤波器}（一）以下四个模块为调制过程，产生BPSK信号。

●模块0：产生频率为50Hz的单极性脉冲，控制开关。

●模块1:开关由单极性脉冲控制对两种相位的正弦波进行选择。

(Gate delay=0 Ctrl thresh=1 ) ●模块2和3：生成正弦波，作为载波。

（二）以下模块主要为从接收到的已调信号中提取本地载波。

●模块25：高斯白噪声（Mean=0v Std Dev=1v）●模块30：放大器：增益Gain=-30dB●模块24：带通滤波器，设置在解调之前。

通带为430-570Hz。

●模块23：幂函数，次数为2，将接收到的以调信号平方。

●模块11：带通滤波器（998-1002Hz；BP Filter Order=3）为获取1000Hz的正弦波●模块10：分频器对输入信号进行2分频，为获取500Hz的正弦波●模块15：带通滤波器(490-510Hz；BP Filter Order=3)为获取500Hz的正弦波作为本地载波。

（三）解调过程和抽样判决●模块9和17：组成解调器。

BPSK信号与本地载波通过乘法器，在经过低通滤波器（60Hz恢复数字基带信号对应的模拟信号。

●模块19：非门，判决作用。

●模块20：采样器，采样频率为50Hz。

●模块21：保持器，采样后经保持器得到恢复的波形。

（四）误码性能分析●模块27：误码率图标（Trails=1000）●模块29：终止符（误码=6个）●模块31：终值显示符●模块32：数字延迟器（Delay：20000）3、系统波形分析及相关参数分析模块4：输入波形模块26：BPSK信号可以看到键控法产生的BPSK信号，第一张图中竖着的白线为相位反相点，在第二张放大后的图中可以清晰的看到信号相位相反的地方。

摘要本论文研究的主要内容是《通信原理》仿真实验平台的设计与实现——模拟信号的数字化Matlab软件仿真。

若信源输出的是模拟信号，如电话机传送的话音信号，模拟摄象机输出的图像信号等，要使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号，即进行A/D变换，在接收端则要进行D/A。

模拟信号数字化由采样、量化、编码三部分组成。

由于数字信号的传送具有稳定性好，可靠性高，方便传送和储存等诸多优点，使得被广泛应用到各种技术之中。

不仅如此，Matlab仿真软件是常用的工具之一，可用于通信系统的设计和仿真。

在科研、教学方面发挥着重要的作用。

Matlab有诸多优点：编程简单、操作容易、处理数据迅速等。

本文阐述了模拟信号数字化的理论基础和实现方法，利用Matlab 提供的可视化工具建立了数字化通信系统仿真模型，详细讲述了抽样、量化和编码的设计，并指出了仿真建模中要注意的问题。

在给定仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。

关键词：模拟信号，数字化，MatlabAbstractThe main content of this thesis is "Communication Theory" Simulation Platform Design and Implementation - a digital analog signal Matlab software simulation. If the source output is an analog signal, such as the transmission of voice telephone signals, analog camera output image signal and so on, to make it in the digital channel transmission, the sender must convert the analog signal into digital signal, namely, A / D conversion, the receiver will have to carry out D / A. Digitized by the analog signal sampling, quantization, coding of three parts. Since the transmission of digital signals with good stability, high reliability, easy transfer and storage, and many other advantages, has been widely used to make among various technologies. Moreover, Matlab simulation software is one of the tools used, can be used to design and simulation of communication systems. In the research, teaching, play an important role. Matlab has many advantages: simple program, easy, and fast data processing.In this paper, digitized analog signal to achieve the theoretical basis and method of using Matlab to provide a visual tool to create a digital communication system simulation model, details about the sampling, quantization and coding design, and noted that the simulation modeling to note problem. In the given simulation conditions, running a simulation program, and the expected results of the simulation.Keywords: analog signal, digital, Matlab目录第一章绪论 (1)1.1 课题背景及目的 (1)1.2 课题研究的意义 (1)1.3 研究的基本内容 (2)1.4 论文组织结构 (3)第二章模拟信号数字化的基本原理 (4)2.1 抽样 (4)2.1.1 低通型连续信号的抽样 (4)2.1.2 带通信号的抽样定理 (6)2.2 量化 (8)2.2.1 均匀量化 (8)2.2.2 非均匀量化 (10)2.2.3 A压缩律 (11)2.2.4 13折线 (15)2.2.5 13折线和A压缩特性的近似程度 (16)2.3 脉冲编码调制（PCM） (17)2.3.1 常用码型 (18)2.3.2 线性编码的实现 (20)第三章基于Matlab的模拟信号数字化仿真的实现 (23)3.1 仿真工具Matlab介绍 (23)3.2 仿真实现过程 (23)3.3 仿真结果和数据分析 (25)第四章总结 (28)4.1 小结 (28)4.2 展望 (28)参考文献 (29)致谢 (30)附录1 (31)附录2 (32)附录3 (33)声明 (35)第一章绪论1.1 课题的研究背景1837年，莫尔斯（S.Morse）完善了电报系统，此系统于1844年在华盛顿和巴尔迪摩尔之间试运营。

基于虚拟现实技术的通信网络仿真研究在当今高科技的时代，虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）已经逐渐成为人们关注的焦点。

而基于这一技术的通信网络仿真研究，也成为了许多科研人员的研究方向之一。

本文将从虚拟现实技术的基本原理入手，探究其在通信网络仿真研究中的应用。

首先，我们来了解一下虚拟现实技术的基本工作原理。

虚拟现实技术是一种通过计算机生成并模拟出一种逼真的三维虚拟环境，使用户可以通过身临其境的感觉来与虚拟环境进行交互。

这种交互可以通过头戴式显示器、手柄控制器等设备完成。

当用户戴上头戴式显示器后，眼前就会展现出一个逼真的虚拟场景，而通过手柄控制器，用户可以在虚拟场景中进行自由移动和操作。

在通信网络仿真研究方面，虚拟现实技术能够提供更加真实和直观的环境，使得研究者可以更好地模拟和研究各种通信网络的工作原理和性能。

传统的通信网络仿真一般是基于计算机模型进行的，虽然可以精确地模拟网络设备和通信协议的行为，但难以给出用户一种身临其境的感受。

而虚拟现实技术通过模拟真实环境的方式，使得研究者可以身临其境地观察和分析网络的运行情况。

在虚拟现实技术的基础上，通信网络仿真研究可以更加贴近实际情况。

比如，在研究无线网络的性能优化时，研究者可以通过虚拟现实技术模拟出真实环境中的无线信道，以及移动通信设备之间的交互情况。

这样一来，研究者可以更加直观地观察到无线通信的信号强度、传输速率等参数，从而有针对性地优化网络设计和协议。

另外，虚拟现实技术在通信网络仿真研究中还能够提供更加细致的分析和评估。

以网络安全为例，虚拟现实技术可以模拟出真实网络环境下的各种攻击和防御场景，研究者可以通过虚拟现实设备直接体验到黑客入侵、数据泄露等情况，并及时采取相应的安全策略来应对。

这样一来，研究者可以更加深入地了解网络安全的脆弱点和对策，提升通信网络的安全性。

虚拟现实技术的应用还可以进一步延伸到通信网络教育和培训领域。

通过虚拟现实设备，学生和从业人员可以在虚拟环境中进行网络设备的操作和配置，从而提升他们的实践能力和应对问题的能力。