引言

超外差式是与直放式相对而言的一种接收方式,超外差式收音机能把接收到的频率不同的电台信号都变成固定的中频信号(465kHz),再由放大器对这个固定的中频信号进行放大。它的优点是灵敏度高,选择性好,音质好(通频带宽)工作稳定(不容易自激),它的缺点是镜像干扰(比接收频率高两个中频的干扰信号)较大,存在假响应(变频电路的非线性),但这并不影响它的广泛应用,现在大部分的收音机都是超外差的。

随着时代的发展,数字信号在信号传输比模拟信号有许多的优越性,数字信号传输也越来越重要。虽然近距离传输可以由数字基带信号直接传输,但是要进行远距离传输时必须将基带信号调制到高频处,所以调制解调技术是数字通信中一种关键的技术。二进制移相键控是数字信号调制的基本方式之一,其包括两种方式:绝对移相方式(2PSK)和相对(差分)移相方式(2DPSK)。与2DPSK相比较,2PSK有一个缺点,即倒“π”现象。因此在实际应用中一般不采用2PSK方式,而采用2DPSK方式。本文讨论了2DPSK的调制和解调模型。

一、课程设计的目的与要求
1.1课程设计的目的
通信原理课程是一门理论性与实践性都很强的专业基础课。如何加强理论课程的学习,加深学生对本课程中的基本理论知识及基本概念的理解,提高学生理论联系实际的能力,如何培养学生实践动手能力和分析解决通信工程中实际问题的能力是通信原理教学的当务之急。而通信原理实验课程就是一种重要的教学手段和途径。
通信原理A课程设计课程的目标是通过有针对性的课程设计,使学生学会系统地综合运用所学的理论知识,提高学生在通信系统应用方面的开发与设计本领,系统的掌握通信原理的基本理论。该课程是培养学生综合应用所学理论知识提高动手能力、加深对所学知识理解的的重要教学环节,它具有动手、动脑和理论联系实际的特点,是培养在校工科大学生理论联系实际、敢于动手、于动手和独立自解决设计实践中遇到的各种问题能力的一种较好方法。
通过课程设计实践,不仅要培养学生的实际动手能力,检验学生对本门课学习的情况,更要培养学生在实际的工程设计中查阅专业资料、工具书或参考书,掌握工程设计手段和软件工具,并能用设计报告表达设计思想和结果的能力。培养学生事实求是和严肃认真的工作态度。过设计过程,要求学生熟悉和掌握通信原理的基本原理和方法,使学生得到通信系统开发应用方面的初步训练。让学生独立或集体讨论设计题目的总体设计方案、编程、软件硬件调试、编写设计报告等问题,真正做到理论联系实际,提高动手能力和分析问题、解决问题的能力,实现由学习知识到应用知识的初步过渡。通过本次课程设计使学生熟练掌握SystemView仿真分析通信系统性能的方法。SystemView是一种可视化仿真工具,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境,广泛运用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中,用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块S。ystemView的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型,用户可以很随意地改变模型中的参数,并可以马上看到改变参数后的结果,从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的。
1.2课程设计的要求
在课程设计时,要求1人一组,在教师指导下,各组可以集体讨论,但设计报告由学生独立完成,不得互相抄袭。教师的导作用主要在于指明设计思路,启发学生独立设计的思路,解答疑难问题和按设计进度进行阶段审查。学生必须发挥自身学习的主动性和能动性,主动思考问题、分析问题和解决问题,而不应处处被动地依赖指导老师。同组同学要发扬团队协作精神,积极主动的提出问题、解决问题、讨论问题,互相帮助和启发。
本课程注重理论分析与实际动手相结合,以理论指导实践,以实践验证基本原理,旨在提高学生分析问题、解决问题的能力及动手能力。因此,指导教师要引导学生学会掌握和使用各种已有的技术资料,但要求学生不能盲目地、机械地抄袭资料,必须具体问题具体分析,提高课程教学效果。学生要在老师的指导下制定好自己各环节的详细设计进程计划,按给定的时间计划保质保量的完成个阶段的设计任务。设计中可边设计,边修,软件设计与硬件设计可交替进行,问题答疑与调试和方案修相结合,提高设计的效率,保证按时完成设计工作并交出合格的设计报告。
二、AM超外差收音机的设计
2.1、实验目的:
(1)了解超外差收音机的电路组成、工作原理和特点;
(2)分别从时域、频域视角观测超外差收音机中的基带信号、载波及已调信号;
(3)熟悉系统中信号功率谱的特点。
2.2、实验内容:
以扫频信号作为系统输入信号。
(1)采用调幅实现信号的传递;分别观测接收机输入端(混频前)、混频后、检波后的信号波形和频谱;比较输入基带信号和检波输出信号的波形和频谱。
(2)获取主要信号的功率谱密度。
2.3、实验原理:
超外差接收技术广泛用于无线通信系统中。图1-1所示的是一个基本的超外差收音机的原理框图。
图1-1超外差收音机原理框图
通常的AM中波广播收音机覆盖的频率范围为540-1700KHz,中频IF频率为455KHz。商业广播发射采用常规调幅,调制度为1,且发射功率大,因此收音机为节省成本、减小体积,一般解调器采用最佳简单的二极管包络检波。本地振荡的典型设置都高于所希望的RF信号。输入滤波器用于滤除干扰信号和噪声、以及镜像频率2信号。实际电路使用陶瓷滤波器能得到很好的性能,增加一级增益后再检波。
一个基本的AM收音机的系统仿真框图如图1-2所示。本例主要说明超外差AM收音机的工作原理及信号解调过程。为节省仿真时间,本任务不要求按实际的540-1700KHz的频率覆盖范围和455KHz中频频率设计,而是可以采用20KHz作为IF。另外设30KHz,40KHz,50KHz三个载波频率的发射信号(模拟三个电台),模拟调制信号的带宽为5KHz以下。设希望接受的频率为第二个电台的频率40KHz,则本振应为40+20=60KHz,且存在一个镜像干扰频率为40+2*20=80KHz。
收音机仿真结果及其性能的分析,可以通过SystemView测量经过IF滤波器后输出的希望信号与非希望信号的功率比来求得。
图1-2AM超外差收音机仿真图
总体方框图,它包括了AM调制部分,三路AM调制信号的混合,混频部分,中放部分,解调检波部分。其中图符0、1、2是AM信号发生器,用来模拟三个电台;图符4、5、8是调制信号;图符3、6、7是相乘器;图符25是巴特沃思带通滤波器;图符15(60kHz)是本振信号,与RF信号(即图符12后的信号)混频;图符21是半波整流器;图符26是巴特沃思低通滤波器,得到信号。系统参数设置见表1
表1:AM超外差收音机系统参数

编号
库/名称
参数
Source:FreqSweep
Amp=1v,StartFrq=0,StopFrq=5e+3Hz,Period=1
Phase=0deg,Output0=Quadrature(Sin)t3(/t6t27/t7)
Output1=In-Phase(Cos)
Multiplier
Source:Sinusoid
Amp=1v,Frq=30e+3(/40e+3/50e+3/60e+3),Phase=0deg,Input0=Sinet9t3(t10t6t29/t11t7/14)Output1=Cosine
Function:HalfRctfy
Amp=1v,Offset=0v,Rate=20e+3Hz,
Levels=2,Phase=0deg
Operator:LinearSys
ButterworthBandpassIIR
5Poles,LowFc=15e+3Hz,HiFc=25e+3Hz
QuantBits=None,InitCndtn=0,DSPModeDisabled
RTDAAware=Full
Operator:LinearSys
BesselLowpassIIR
5Poles,Fc=5e+3Hz,QuantBits=None,InitCndtn=Transient
DSPModeDisabled,FPGAAware=True,RTDAAware=Full
Sink:Analysis

系统定时:起始时间0秒,终止时间40.955e-3秒,采样点数8192,采样频率为200kHz。
主要步骤:
信号源:Source->FreqSweep->Parameters->设置参数
载波:Source->Sinusoid->Parameters->设置参数
带通滤波器:Operator->Parameters->Anolag->Bandpass->设置参数
低通滤波器:点击Parameters->Anolag->Lowpass->设置参数
图1接收机输入端(混频前)频谱和信号波形
图2带通滤波器取出的中频信号频谱与信号波形
图3混频后频谱和信号波形
图4检波后频谱和信号波形
图5检波输出信号和输入基带信号的波形对比图
图6检波输出信号和输入基带信号的频谱对比图
图7输入信号功率谱密度
图8波信号(40kHz)功率谱密度
图9接收机混频前功率谱密度
图10接收机混频后功率谱密度
图11解调后信号功率谱密度
2.5、设计结果描述及讨论
收到的RF信号频谱图见图1,可以看出三个频率带的分布。RF信号与本振混频首输出信号的频谱图见图3,从图3中看出经与本振混频后三个电台信号被加载到了本振信号中,且不互相干扰。通过带通滤波器取出的中频信号频谱见图2,可以看出经过滤波器后只有20kHz的信号通过了滤波器作为已调信号输出。
图6是解调信号(上)和原始信号(下)的对比图,从图6中可以看出通过混频、中频滤波和包络检解调后,AM超外差收音机成功地从三路信号中解调出来了需要的信号,所以AM超外差收音机的设计是成功的。
2.6、设计心得
在本次课设中广播发射端使用三种不同的扫频信号源模拟三个电台,分别用30kHz,40kHz,50kHz的载波进行AM调制,解调时设定本振频率为60KHZ,可将40kHz载波信号解调,经过处理可以还原出原始信号。
为此我们需要了解AM调制以及解调的原理,才知道如何流程和设计整个SystemView仿真图,知道设置带通滤波器和低通滤波器参数以及明白仿真结果。
通过着一周通信原理课程设计,利用仿真软件仿真,通过在仿真过程中解决问题使我对所学知识进一步了解,并且可以熟练应用SystemView软件,理论与实际相结合更加体会深刻,获益匪浅,总之这短短一周的课程设计使我们受益匪浅。
三、二进制差分相位键控(2DPSK)的调制和解调
3.1、实验目的:
(1)了解2DPSK系统的电路组成、工作原理和特点;
(2)分别从时域、频域视角观测2DPSK系统中的基带信号、载波及已调信号;
(3)熟悉系统中信号功率谱的特点。
3.2、实验内容:
以PN码作为系统输入信号,码速率Rb=20kbit/s。
(1)采用键控法实现2DPSK的调制;分别观测绝对码序列、差分编码序列,比较两序列的波形;观察调制信号、载波及2DPSK等信号的波形。
(2)采用相干解调法实现2DPSK的解调,分别观察系统各点波形。
(3)获取主要信号的功率谱密度。
3.3、实验原理:
2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为Dj,可定义一种数字信息与Dj之间的关系为
则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下表所示
数字信息与Dj之间的关系也可以定义为
(1)2DPSK信号调制过程波形如图2-1所示
图2-12DPSK信号调制过程波形
可以看出,2DPSK信号的实现方法可以采用:首先对二进制数字基带信号进行差分编码,将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息,然后再进行绝对调相,从而产生二进制差分相位键控信号。2DPSK信号调制器原理图如图2-2所示。
图2-22DPSK信号调制器原理图
其中码变换即差分编码器如图2-3所示。在差分编码器中:{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采用D触发器,而是采用操作库中的“延迟图符块”。
(2)2DPSK信号可以采用相干解调方式(极性比较法),对2DPSK信号进行相干解调,恢复出相对码,再通过码反变换器变换为绝对码,从而恢复出发送的二进制数字信息。解调器原理图和解调过程各点时间波形如图2-4(a)、(b)所示:
其中码反变换器即差分译码器组成如图2-5所示。在差分译码器中:dn为差分编码序列,an为差分译码序列。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”。
图2-42DPSK信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形
其中码反变换器即差分译码器组成如图14所示。在差分译码器中:{}为差分编码序列,{}为差分译码序列。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”。
3.4、键控法:
调制的系统组成、图符块参数设置及仿真结果:
采用键控法进行调制的组成如图2-6所示。
图2-6键控法调制的系统组成
其中图符15产生绝对码序列,传码率为20kbit/s。图符14和图符16实现差分编码;图符0输出正弦波,频率为40kHz;图符3对正弦波反相;图符10为键控开关。图符10输出2DPSK信号。图符的参数设置如表2所示。
表2:键控法图符参数设置表

编号
库/名称
参数
Source:Sinusoid
Amp=1v,Freq=40e+3Hz,Phase=0deg,
Output0=Sinet3t10,t20,Output1=Cosine
Operator:Negate
Logic:SPDT
SwitchDelay=0sec,Threshold=500.e-3v,
Input0=t0Output0,Input1=t3Output0,Control=t14Output
Logic:XOR
GateDelay=0sec,Threshold=0v,TrueOutput=1v
FalseOutput=-1v
Source:PNSeq
Amp=1v,Offset=0v,Rate=20e+3Hz,
Levels=2,Phase=0deg
Operator:Delay
Non-Interpolating,Delay=50.e-6sec,Output0=Delay,
Output1=Delay-dTt2

系统定时:起始时间0秒,终止时间1.022e-3秒,采样点数512,采样频率为500kHz。获得的仿真波形如图2-7所示。
主要步骤:
载波:Source->Sinusoid->Parameters->设置参数
图符15PN(绝对码序列):Source->Noise/PN->Parameters->设置参数
图符10键控开关:Logic->MixedSignal->SPDT->Parameters->设置参数
图符14:Logic->Cates/Buffers->XOR->Parameters->设置参数
图符16:Operator->Delay>Delay->Parameters->设置参数
结果:
图12绝对码序列
图13相对编码序列
图2-7调制过程仿真波形
3.5、键控法调制设计结果描述及讨论
由图17可见,基带信号的大部分能量落在第一个零点(20kHz)的频率范围之内,即基带带宽为20kHz;又由图13可见,相对码序列为双极性脉冲序列,不含有直流分量,所以,不含离散谱。
由图18可见,载频信号的频谱位于40kHz,且频谱较纯。
由图19可见,已调信号的频谱为DSB信号,因为调制信号为双极性不归零脉冲,用双极性不归零码对载波进行相乘的调制,可以达到抑制载波的目的,即已调信号的频谱中,只有载频位置,没有载波分量,频带宽度为40kHz。
3.6相干解调法:
相干解调法系统组成、图符块参数设置及仿真结果
图2-9相干解调法的系统组成
其中,图符10为带通滤波器,图符20实现相干载波的提取,图符11为乘法器,图符12为低通滤波器,图符14、15、16实现抽样判决,图符16产生相对码;图符17、18实现差分解码;图符17输出再生的绝对码。图符的参数设置如表3所示。
表3:相干解调法图符参数设置表

编号
库/名称
参数
Operator:LinearSys
ButterworthBandpassIIR
3Poles,LowFc=20e+3Hz,HiFc=60e+3Hz
QuantBits=None,InitCndtn=0,
DSPModeDisabled,FPGAAware=True,
MaxRate=300e+3HZ,RTDAAware=Full
Comm:Costas
VCOFreq=40e+3Hz,VCOPhase=0deg
ModGain=1Hz/v,LoopFltr=1+1/s+1/s^2
Output0=BasebandInPhase
Output1=BasebandQuadrature
Output2=VCOInPhaset26
Output3=VCOQuadraturet11
MaxRate(Port3)=300e+3HZ,RTDAAware=Full
Operator:LinearSys
BesselLowpassIIR
3Poles,Fc=20e+3Hz,QuantBits=None,InitCndtn=Transient
DSPModeDisabled,FPGAAware=True,RTDAAware=Full
Operator:Sampler
Interpolating,Rate=40e+3Hz,Aperture=0sec,ApertureJitter=0sec
Operator:Hold
LastValue,Gain=1,OutRate=300e+3Hz
Logic:Buffer
GateDelay=0sec,Threshold=0v,TrueOutput=1v
FalseOutput=-1v,RiseTime=0sec,FallTime=0sec
Logic:XOR
GateDelay=0sec,Threshold=0v,TrueOutput=1v
FalseOutput=-1v,RiseTime=0sec,FallTime=0sec
Operator:Delay
Non-Interpolating,Delay=50.e-6sec,Output0=Delayt17
Output1=Delay-dT

调制信号为PN序列,码速率Rb=20kbit/s;正弦载波的频率为40kHz。
系统定时:起始时间0秒,终止时间1.70333333333333e-3秒,采样点数512,采样速率300e+3Hz,获得的仿真波形如图2-8所示。
主要步骤:
正弦波
绝对码序列
图符1和图符2实现差分编码
(a)二相相对调相(2DPSK)信号
(b)带通滤波器的输出
(c)提取的相干载波
(d)乘法器的输出
(e)低通滤波器的输出
(f)解调输出的相对码
(g)解调输出的绝对码
图202DPSK系统输入的PN序列(下)和输出PN序列(上)的瀑布图
图212DPSK的功率谱密度
图22乘法器输出信号的功率谱密度
图23输出PN序列的基带功率谱密度
图2-8调制过程仿真波形
主要信号的功率谱密度:(采样点为8192时)
图24调制信号的功率谱
图25正弦载波的频谱
图262DPSK的功率谱
3.7、相干解调设计结果描述及讨论
通过比较相干解调法和非相干解调法可以看出,相干解调法需要提取相干载波,还要进行码反变换,即将相对码变换为绝对码;而非相干解调法不需要提取相干载波,也不需要进行码反变换。
由图24可见,基带信号的大部分能量落在第一个零点(20kHz)的频率范围之内,即基带带宽为20kHz;又由图8(b)可见,相对码序列为双极性脉冲序列,不含有直流分量,所以不含离散谱。
由图25可见,载频信号的频谱位于40kHz,且频谱较纯。
由图26可见,已调信号的频谱为DSB信号,因为调制信号为双极性不归零脉冲,用双极性不归零码对载波进行相乘的调制,可以达到抑制载波的目的,即已调信号的频谱中,只有载频位置,没有载波分量,频带宽度为40kHz。
3.8、2DPSK调制和解调设计心得
心得体会通过对2DPSK调制解调的复习,对调制解调的理论知识有了更深的理解,学会了使用仿真软件SystemView(通信系统的动态仿真软件),并学会通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计,对以后的学习和工作都起到了一定的作用,加强了动手能力和学业技能。总体来说,这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐在实验中如何用仿真系统去模拟2DPSK数字调制系统的调至与解调是本次课程设计的一大难题,通过阅读相关的文件我们大致了解了SystemView的操作方法。但是真正做加实际的操作去慢慢的摸索,也通过网络了解到一些关于SystemView软件的使用方法起来还是很费时间的,因为对相关的元器件不太了解只有结合软件说明。
四、参考文献
[1]樊昌信.通信原理(第五版).国防工业出版社,2002
[2]高法钦通信原理课程设计指导,浙江理工大学信息学院,2013
[3]李东生.SystemView系统设计及仿真入门与应用.电子工业出版社,2002
五、附录
超外差收音机原理
超外差式收音机的工作原理
图1超外差式调幅收音机的工作原理方框图