[UsingMatLabsimulationcommunicationprincpleseriesof] - 本毕业设计用Matlab中的建模仿真工具SIMULINK对通信原理实验进行仿真。作为系列实验的第一部分,包括模拟信号的线性调制解调(AM、DSB、SSB)过程、扰码与解扰实验和低通信号的抽样定理实验。论文中讲述了Matlab的基础知识、Simulink仿真操作方法以及在通信系统中的应用,对被仿真实验 [2ASK.rar] - 2ASK调制与解调包含顶层文件,各模块文件和仿真波形 [blooPressure.rar] - 上臂袖带式电子血压计的单片机处理程序和设计说明 [duozhijishu.rar] - 此内容是对多址技术即cdma,fdma,tdma技术的原理详细介绍,然后利用matlab7.0仿真软件进行SIMULINK仿真框图设计,进行仿真实验,对教师教学和学生自学都非常有帮助哦 ! [ASKPSk.rar] - ASK,PSK,BASK,BPSK的产生程序。用MATLAB来实现的。
基于Systemview的通信系统的仿真摘 要数字通信系统, 按调制方式可以分为基带传输和带通传输。数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率低频段,因而在很多实际的通信中就不能直接进行传输,需要借助载波调制进行频谱搬移,将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传输,这种传输方式,称为数字信号的频带传输或调制传输。数字调制在实现的过程中常采用键控的方法,从几个不同参量的独立振荡源中选参量,由此产生的三种基本调制方式分别称为振幅键控(ASK,Amplitude-Shift keying)、移频键控(FSK ,Frequency-Shift keying)和移相键(PSK,Phase-Shift keying )或差分移相(DPSK,DifferentPhase-Shift keying)。本文通过Systemview仿真软件,对2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK系统进行仿真,分析2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK的信号的调制方式,频谱特性,2ASK的相干解调和非相干解调系统、利用Costas环对2FSK、2PSK信号进行解调以及2FSK、2PSK的相干解调系统,并且对2PSK的抗噪声性能做了一定的分析,最后同样用两种方式对2DPSK信号解调,并进行仿真分析。通过对2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK系统的分析,对几种调制方式的抗噪声性能、频带利用率及相干解调和非相干解调的抗噪声性能等有了更加清楚的认识。关键字:2ASK;2FSK;2PSK;2DPSK;相干解调;非相干解调;Systemview一、绪论数字通信系统, 按调制方式可以分为基带传输和带通传输。数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率(如0~6M)低频段,因而在很多实际的通信(如无线信道)中就不能直接进行传输,需要借助载波调制进行频谱搬移,将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传输,这种传输方式,称为数字信号的频带传输或调制传输、载波传输。所谓调制,是用基带信号对载波波形的某参量进行控制,使该参量随基带信号的规律变化从而携带消息。对数字信号进行调制可以便于信号的传输;实现信道复用;改变信号占据的带宽;改善系统的性能。和模拟调制不同的是,由于数字基带信号具有离散取值的特点,所以调制后的载波参量只有有限的几个数值,因而数字调制在实现的过程中常采用键控的方法,就像用数字信息去控制开关一样,从几个不同参量的独立振荡源中选参量,由此产生的三种基本调制方式分别称为振幅键控(ASK,Amplitude-Shift keying)、移频键控(FSK,Frequency-Shift keying)和移相键(PSK,Phase-Shift keying )或差分移相键(DPSK,DifferentPhase-Shift keying)。数字调制系统的基本结构如图: 在数字调制中,数字基带信号可以是二进制的,也可以是多进制的,对应的就有二进制数字调制和多进制数字调制两种不同的数字调制,最简单的情况即是以二进制数字基带信号作为调制信号的二进制数字调制,本次课程设计主要针对就是最常用的二进制数字调制方式即二进制振幅键控、移频键控和移相键控三进行系统仿真分析,通过学习Systemview仿真软件,对对三种系统进行仿真,熟悉2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK的原理、已调信号的频谱特点和各系统的抗噪声性能。二、Systemview软件简介2.1 Systemview软件特点Systemview是El ANIX公司推出的一个完整的动态系统设计、模拟和分析的可视化软件。他可以提供大量的信号源供系统分析使用;其丰富的算子图符和函数库便于设计和分析各种系统;其多种信号接受器为时域和频域的数值分析提供便捷的途径;其无限制的分层结构使建立大而复杂的系统变得容易;另外他还提供对于外部数据文件的接口,使信号分析更加灵活方便。Systemview操作简单,使用方便,只要用鼠标从Systemview 库中选择图符并将他们拖拽到设计窗口中连接起来创造线性和非线性,离散和连续,模拟、数字和混合模式的系统,Systemview 的所有图符都有相似的参数定义窗口,我们所要做的只是修改各个图符的参数,无需编程即可实现系统的设计和模拟。Systemview 的界面直观,设计窗口中各功能模块都用形象直观的图符表示,分析窗口中分析结果以各种图形直观显示,使我们对系统的结构,功能和分析结果一目了然。他的另一个重要特点是可扩展性,Systemview 允许用户插入使用C++编写的用户代码库,插入的用户库自动集成到Systemview 中,能够像内建库一样使用。Systemview提供了智能化的辅助设计。在系统设计仿真时,Systemview 能自动执行系统连接检查,给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息。通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。并在编译时,给出系统运行的大约时间,方便了设计人员进行调试。其带有的API功能可以利用VC 环境,将系统编译成可脱离Systemview独立运行的可执行文件,大大提高了运行速度和仿真效率。2.2 使用Systemview进行系统仿真的步骤使用Systemview进行系统仿真,一般要经过以下几个步骤:(1)建立系统的数学模型 根据系统的基本工作原理,确定总的系统功能,并将各部分功能模块化,找出各部分的关系,画出系统框图。(2)从各种功能库中选取、拖动可视化图符,组建系统在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接受器图符库中选取满足需要的功能模块,将其图符拖到设计窗口,按设计的系统框图组建系统。(3)设置、调整参数,实现系统模拟参数设置包括运行系统参数设置(系统模拟时间,采样速率等)和功能模块运行参数(正弦信号源的频率、幅度、初相,低通滤波器的截止频率、通带增益、阻带衰减等)。(4)设置观察窗口, 分析模拟数据和波形 在系统的关键点处设置观察窗口,用于检查、监测模拟系统的运行情况,以便及时调整参数,分析结果。三、二进制频移键控(2FSK)3.1 二进制频移键控(2FSK)的基本原理FSK是在数字信号调制中使用较典型的一种调制方式,其利用载波的频率变化来传递数字信息0 或1. 由于其实现起来较容易、抗噪声与抗衰减的性能较好,因此,在中低速数据传输(传输速率在1 200 bit/ s 以下) 中得到了广泛的应用.在二进制FSK中载波频率随着调制信号1或0而变,1 对应于载波频率f1,0对应于载波频率f2 .二进制FSK已调信号的时域表达式为:S2FSK( t) = ∑nang(t-nTS )cosω1t +∑na-ng(t- nTS)cosω2t其中:ω1 = 2πf1,ω2 = 2πf2an =0 概率为P a-n = 1 概率为P1 概率为1–P 0 概率为1 - P式中:a-n—an 的反码;g—码元波形;TS—码元周期f1、f2 —2FSK的两个不同的载波频率.3.1.1 2FSK调制的方法 同2ASK调制的方法相同,2FSK也有两种调制方式:模拟调频法,如图3.1.1-1(a)和数字键控的方法,如图3.1.1-1(b), 图3.1.1-1 2FSK信号产生的方法由3.1.1-1(b)可得2FSK的表达式如下: 数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图如下 :图3.1.1-2数字键控法实现2FSK信号的原理图由上图可得二进制移频键控信号的时间波形如下:图3.1.1-3 2FSK信号的时间波形可得2FSK的时域表达式如下:(2)2FSK信号的解调3.1.2 2FSK解调的方法图3.1.2-1 2FSK信号非相干解调3.2 使用Systemview软件对2FSK系统进行仿真3.2.1 2FSK信号的产生 调频法:在SystemView 中二进制数据用伪随机序列PNSeq仿真出随机的0 ,1 二进制数字信号,通过调频器FM 调制,0 对应50 Hz ,1 对应100 Hz.幅度A 均为1 V.键控法:在SystemView中二进制数据用伪随机序列PNSeq仿真出随机的0,1二进制数字信号,作为键控开关的控制信号,0 对应50 Hz 正弦波,1对应100 Hz 正弦波. 幅度A 均为1V.(1)调频法产生2FSK信号 图3.2.1-1 调频法实现2FSK信号仿真结果如下: 图3.2.1-2 2FSK信号波形图(1)键控法产生2FSK信号 图3.2.1-3数字键控法实现2FSK信号分析:系统的参数设计如下:Token0为调制信Amplitude=-0.5v,Offset=0.5v,Rate=10Hz,Levels=2,Phase=0,Token1、3为载波,载波1频率=50HZ,载波3频率=100HZ。 Token2、4为乘法器Token7为Adder。 Token6为反相器,系统运行时间为0.3S,采样频率=20000HZ。仿真分析如下: 图3.2.1-4 2FSK信号波形分析:从上到下依次是调制信号波形、频率为f1的已调信号波形,频率为f2的已调信号波形,2FSK信号波形。由图中可以观察到2FSK信号就是两个2ASK信号叠加而成.。3.2.2 2FSK信号的频谱图 图3.2.2-1 2FSK信号的离散频谱图分析:在观察2FSK信号的频谱图时将载波的频率改为f1=2500HZ f2=5000HZ,得如图3.2.1-3所示2FSK信号的频谱从上到下,从左到右上图依次是调制信号的频谱图,已调信号的频谱图,频率为f1已调信号的频谱图,频率为f1已调信号的频谱图。由于FFT频谱是对称的,故图中只画出了前一半。分析图3.2.1-3可得2FSK信号频谱特性如下:2FSK信号频谱特性:由连续谱和离散谱两部分组成。连续谱由两个双边谱叠加而成,而离散谱则出现在两个载频上。若两个载频之差较小,如小于fs,则连续谱出现单峰;若载频之差逐步增大,则连续谱将出现双峰。2FSK是非线性调制。2FSK信号带宽为: 3.2.3 2FSK非相干解调系统(1)2FSK非相干解调系统框图如下: 图3.2.3-1 2FSK非相干解调系统框图分析:设计解调电路时,先用中心频率为500Hz 和1kHz的两个带通滤波器将已调信号滤成两路并联信号。这里选用通带分别为480~520Hz 和980~1020Hz 的Chebyshev 带通滤波器。接下来选用合适的器件实现包络检波器的功能。包络检波法解调方法,包络检波器可由半波整流器(Half Rctfy) 与低通滤波器串联实现其功能。半波整流器的功能描述是y ( t) = x ( t) - z , x ( t) ≥z其中, y ( t) 为输出信号, x ( t ) 为输入信号, z 为所设置的零点。当z 取0 时,其功能为:y ( t) =x ( t); x ( t) ≥00 ; x ( t) < 0低通滤波器选用Chebyshev 模拟滤波器,截止频率设置为20 Hz。这样设置后通过包络检波的两路信号波形如图3.2.2-1所示。在图5 中,上面一路信号为带通滤波器中心频率为500Hz 的那路信号;下面一路信号为带通滤波器中心频率为1000 Hz 的那路信号,再经过包络检波后的两路信号的高低电平。在图3.2.2-1中,因为这里的抽样判决器是判定哪一个输入样值大, 可以选用逻辑库中的模拟比较器(AnaCmp) 来进行抽样判决。AnaCmp 是一个两端输入一端输出的逻辑器件。选择输出时,其逻辑功能是当INPUT + > = INPUT - 时,输出高电平的值;当INPUT +< INPUT - 时,输出低电平的值。当选择Q 输出时,其逻辑功能是当INPUT + > = INPUT - 时,输出低电平的值;当INPUT + < INPUT - 时,输出高电平的值。将两路信号接入,高低电平值分别设置为1 V 和-1 V ,选择输出,输出的信号就将是解调信号【图3.2.2-2中(c)】 。波形仿真结果如下: 图3.2.3-2 2FSK非相干解调波形(a)分析:从上到下,从左到右依次是调制信号波形、本地载波波形、经过中心频率为f1的带通滤波器后的波形、经过中心频率为f2的带通滤波器后的波形。图3.2.3-2 2FSK非相干解调波形(b)分析:从上到下,从左到右依次是经过中心频率为f1的带通滤波器后的波形、频率为f1的信号半波整流后的波形、经过中心频率为f2的带通滤波器后的波形、频率为f2的信号半波整流后的波形。 图3.2.3-2 2FSK非相干解调波形(c)分析:从上到下,从左到右依次是频率为f1的信号经过低通滤波i器后的波形、频率为f2的信号经过低通滤波i器后的波形、调制信号的波形、已调信号的波形。3.2.4 2FSK锁相鉴频法解调系统调制采用“载波调频法”产生2FSK信号,解调采用“锁相鉴频法”。系统组成如图3.2.4-1所示。 根据图3.2.4-1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:0.3秒,采样速率:20000Hz,组成系统如图3.2.4-2所 示, 3.2.4-2 2FSK锁相鉴频法解调系统框图其中:Token0:PN码源,参数:Amp=1v、Offset=0v、Rate=10Hz、No.of levels=2;Token1:直接调频器,参数:Amp=1v、F=1700Hz、Phase=0、Mod Gain=400Hz/V;Token5,6,4:锁相环路,其中Token6为Butterworth_LPF、No.of Poles=1、Lo Cuttoff=1200Hz; Token5: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;Token14: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 ;Token15: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;Token10,11,16,17,13:信宿接收分析器Sink。仿真结果如下图: 3..2.4-3 2FSK锁相鉴频法解调波形图分析:从上到下,从左到右波形图依次是基带信号、解调信号、滤波1输出信号、滤波2输出信号.四、二进制振幅键控(2ASK)4.1、二进制振幅键控的基本原理2ASK信号时间波形e(t)随二进制基带信号是s(t)的通断的变化,如下图g(t)、s(t)、e(t)如下图 图4.1-1 2ASK信号时间波形(1)2ASK信号的解调方法通常有两种,如下图:图4.1—2(2)e(t)的功率谱密度为:单极性随机脉冲序列功率谱密度的一般表达式为:得e(t)的功率谱为:4.2 Systemview软件对2ASK系统进行仿真 4.2.1 2ASK调制系统 ①2ASK调制系统框图如下:图4.2.1-1 2ASK调制系统分析:如下图2ASK调制的方法通常有两种:一般模拟幅度的调制方法,如图4.2.1-2(a)和数字键控的方法,如图4.2.1-2(a),图中开关受s(t)的控制; 图4.2.1-2 2ASK调制的方法②仿真分析: 图4.2.1-3 2ASK信号波形4.2.2 2ASK频谱及功率谱 图4.2.1-1 2ASK频谱及功率谱分析:上图中从上到下,从左到右依次是基带信号频谱,已调信号的频谱,调制信号的功率谱和已调信号的功率谱。由于FFT频谱是对称的,故图中只画出了前一半。分析图2.2.1-4可得2ASK频谱特性如下:2ASK频谱特性:①由连续谱和离散谱两部分组成。连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱,离散谱由载波分量决定。②2ASK信号的频谱只是将基带信号的频谱沿频率轴平移了一个fc,而基带信号的频谱结构并不改变。③基带信号带宽为fs,2ASK信号带宽为2fs。频带利用率仅为直接传输基带信号的1/2。4.2.3 2ASK相干解调的系统 图4.2.3-1 2ASK相干解调的系统框图分析:系统的参数设计如下:Token1、3为乘法器,Token2、6为载波,载波频率=1000HZ, Token4为Adder为高斯脉冲形成滤波器;Token5为高斯噪声产生器,设标准偏差 Std Deviation=0.3v,均值Mean=0v;Token7为模拟低通滤波器,来自选操作库中的“LinearSys”图符按钮,在设置参数时,将出现一个设置对话框,在“Design”栏中单击Analog…按钮,进一步单击“Filter PassBand”栏中Lowpass按钮,选择Butterworth型滤波器,设置滤波器极点数目:No.of Poles=5(5阶),设置滤波器截止频率:LoCuttoff=200 Hz。Token11为基带信号,频率=50HZ,电平=2,偏移=1系统运行时间为0.3S,采样频率=20000HZ。仿真结果如下: 图4.2.3-2 2ASK相干解调波形分析:上图的结果依次是基带信号、已调信号和解调信号4.2.4 ASK非相干解调的系统(1)2ASK非相干解调的系统的框图如下:① 图4.2.4-1 2ASK非相干解调的系统的框图系统的参数设计如下:Token1、3为乘法器,Token2、6为载波,载波频率=1000HZ, Token4为Adder为高斯脉冲形成滤波器;Token5为高斯噪声产生器,设标准偏差 Std Deviation=0.3v,均值Mean=0v;Token7为模拟低通滤波器,来自选操作库中的“LinearSys”图符按钮,在设置参数时,将出现一个设置对话框,在“Design”栏中单击Analog…按钮,进一步单击“Filter PassBand”栏中Lowpass按钮,选择Butterworth型滤波器,设置滤波器极点数目:No.of Poles=5(5阶),设置滤波器截止频率:LoCuttoff=200 Hz。Token11为基带信号,频率=50HZ,电平=2,偏移=1系统运行时间为0.3S,采样频率=20000HZ。② 仿真结果如下: 图4.2.4-2 2ASK非相干解调的波形分析:上图的结果依次是基带信号、已调信号和解调信号五、二进制移相键控(2PSK)5.1 二进制移相键控(2PSK)的基本原理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。两个载波相位通常相差180度,此时称为反向键控(PSK),也称为绝对相移方式。(1)2PSK信号的产生2PSK的产生:模拟法和数字键控法,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信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全相同的,所不同的只是两者基带信号s(t)的构成,一个由双极性NRZ码组成,另一个由单极性NRZ码组成。因此,求2PSK信号的功率谱密度时,也可采用与求2ASK信号功率谱密度相同的方法。(2)2PSK信号的功率谱 2PSK信号的功率谱密度 及其功率谱示意图如下: 分析2PSK信号的功率谱:(1)当双极性基带信号以相等的概率(p=1/2)出现时,2PSK信号的功率谱仅由连续谱组成。而一般情况下,2PSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中,连续谱取决于基带信号经线性调制后的双边带谱,而离散谱则由载波分量确定(2)2PSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同因此,2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同 其中, 数字基带信号带宽。这就表明,在数字调制中,2PSK的频谱特性与2ASK相似。相位调制和频率调制一样,本质上是一种非线性调制,但在数字调相中,由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值,因此,可以把相位变化归结为幅度变化。这样一来,数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了,为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。(3)2PSK的解调系统①2PSK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。2PSK相干解调系统框图及个测试行波形如下: 5.1-1 2PSK相干解调系统框图及个测试点波形②利用Costas环对2PSK信号进行解调2PSK 调制和Costas环解调系统组成如下图所示: 5.1.-2 2PSK 调制和Costas环解调系统组成5.2 Systemview软件对2PSK系统进行仿真5.2.1 2PSK信号的产生 5.2.1-1 键控法产生2PSK信号框图分析:键控法产生2PSK信号,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。 仿真结果如下: 4.2.1-2 2PSK信号的波形分析:2PSK信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全相同的,所不同的只是两者基带信号的构成,一个由双极性NRZ码组成,另一个由单极性NRZ码组成。5.2.2 2PSK相干解调系统 5.2.2-1 2PSK相干解调系统框图分析:2PSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程,故常称为极性比较法解调。由于2PSK信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的,因此,解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化,如0相位变为π相位或π相位变为0相位,则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”,从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相,而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒π”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊,造成反向工作。这也是它实际应用较少的主要原因。仿真结果如下: 图5.2.2-2 2PSK相干解调系统框图分析:以上波形从上到下依次是调制信号波形、2PSK波形、相乘输出波形、滤波后的波形、解调出的波形。5.2.3 2PSK 调制和Costas环解调系统组成 图5.2.3-1 2PSK 调制和Costas环解调系统框图仿真结果如下: 图5.2.3-2 2PSK Costas环解调出波形分析:从上到下依次是:调制信号波形、低通滤波后的波形、解调出的波形。5.2.4 2PSK信号的频谱和功率谱 图5.2.4 2PSK信号的频谱和功率谱分析:2PSK信号的功率谱特点:(1)当双极性基带信号以相等的概率(p=1/2)出现时,2PSK信号的功率谱仅由连续谱组成。而一般情况下,2PSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中,连续谱取决于数字基带信号s(t)经线性调制后的双边带谱,而离散谱则由载波分量确定。 (2)2PSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同(仅差一个常数因子)。因此,2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同 5.2.5 误比特率BER分析(1)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: 其中,M为进制数,且误比特率小于误符号率。(2)2PSK系统BER分析的仿真分析系统 图5.2.5-1 2PSK系统BER分析的仿真分析系统编号 图符块属性(Attribute) 类型(Type) 参数设置(Parameters)0 Source PN Seq Amp=1v, Offset=0v, Rate=50Hz, Level=23、.6 Source Sinusoid Amp=1v, Freq=1000Hz, Phase= 0 deg4 Source Gauss Noise Pwr Density=0.007W/Hz, Mean=0v, System=50 ohms13 Operator Gain Gain Unit=dB Power, Gain=-30dB5 Operator Linear Sys Butterworth, Lowpass IIR, 5 Poles, Fc=200Hz1 Operator Sampler Interpolating, Rate=50Hz21 Comm BER Rate No.Trials=3 bits, Threshoid=0v, Offset=1 Sec18 Operator Smpl Delay Fill Last register, Delay=1 samples19 Operator Sampler Interpolating, Rate=50Hz14 Sink Final Value -- (终值显示图符块)15 Fuction Cmlty Avg Gain=1 (累积平均图符块)17 Sink Analysis -- (观察叠加的高斯噪声每次循环的强度变化)(3)仿真分析: 图5.2.5-2 叠加高斯噪声强度随循环每次减小3dB变化图5.2.5-3 随解调信号SNR改变的BER曲线分析: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。系统的误信率一直在下降。
大学是干嘛的地方?无论多高的学历和职称,不会设计、制造教具,不会设计、制造教学仪器,不会维修仪器和设备;用你父母的钱进口教学仪器模仿了委托工厂仿制就是佼佼者;用你父母的钱请校外的人来维修设备、从校外采购配件;用你父母的钱请教学仪器生产企业提供教学实验讲义,将作者填上他们的名字就有教学突出成就奖;教你背诵的公式和外语,永远也比不上美国麻省理工学院在网上公开的教材内容。学生也不要埋怨学费贵,除了上面教师的原因,你们自己的基础实验、专业课就上的迷迷糊糊的,高额投资下的创新实验项目、挑战杯、科技竞赛、毕业论文、商业开发,都见不得阳光,将真金白银变成了一堆堆的垃圾!!!!
液压伺服系统设计 液压伺服系统设计 在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入,控制大功率的液压能(流量与压力)输出,并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下: 1)明确设计要求:充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求,并应详细分析负载条件。 2)拟定控制方案,画出系统原理图。 3)静态计算:确定动力元件参数,选择反馈元件及其它电气元件。 4)动态计算:确定系统的传递函数,绘制开环波德图,分析稳定性,计算动态性能指标。 5)校核精度和性能指标,选择校正方式和设计校正元件。 6)选择液压能源及相应的附属元件。 7)完成执行元件及液压能源施工设计。 本章的内容主要是依照上述设计步骤,进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统,所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。 4.1 全面理解设计要求 4.1.1 全面了解被控对象 液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分,它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统,除了应能够承受最大轧制负载,满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程,调节速度和控制精度等要求外,执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束,结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统,必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况,并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识,使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。 4.1.2 明角设计系统的性能要求 1)被控对象的物理量:位置、速度或是力。 2)静态极限:最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3)要求的控制精度:由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节(如摩擦力、死区等)以及传感器引起的系统误差,定位精度,分辨率以及允许的飘移量等。 4)动态特性:相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定,响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定; 5)工作环境:主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求; 6)特殊要求;设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。 4.1.3 负载特性分析 正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择,所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载(如静摩擦、动摩擦等)以及重力和其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。 4.2 拟定控制方案、绘制系统原理图 在全面了解设计要求之后,可根据不同的控制对象,按表6所列的基本类型选定控制方案并拟定控制系统的方块图。如对直线位置控制系统一般采用阀控液压缸的方案,方块图如图36所示。图36 阀控液压缸位置控制系统方块图表6 液压伺服系统控制方式的基本类型伺服系统 控制信号 控制参数 运动类型 元件组成机液电液气液电气液 模拟量数字量位移量 位置、速度、加速度、力、力矩、压力 直线运动摆动运动旋转运动 1.阀控制:阀-液压缸,阀-液压马达2.容积控制:变量泵-液压缸;变量泵-液压马达;阀-液压缸-变量泵-液压马达3.其它:步近式力矩马达 4.3 动力元件参数选择 动力元件是伺服系统的关键元件。它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。其次,它的主要性能参数能满足整个系统所要求的动态特性。此外,动力元件参数的选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配,以保证系统的功耗最小,效率高。 动力元件的主要参数包括系统的供油压力、液压缸的有效面积(或液压马达排量)、伺服阀的流量。当选定液压马达作执行元件时,还应包括齿轮的传动比。 4.3.1 供油压力的选择 选用较高的供油压力,在相同输出功率条件下,可减小执行元件——液压缸的活塞面积(或液压马达的排量),因而泵和动力元件尺寸小重量轻,设备结构紧凑,同时油腔的容积减小,容积弹性模数增大,有利于提高系统的响应速度。但是随供油压力增加,由于受材料强度的限制,液压元件的尺寸和重量也有增加的趋势,元件的加工精度也要求提高,系统的造价也随之提高。同时,高压时,泄漏大,发热高,系统功率损失增加,噪声加大,元件寿命降低,维护也较困难。所以条件允许时,通常还是选用较低的供油压力。 常用的供油压力等级为7MPa到28MPa,可根据系统的要求和结构限制条件选择适当的供油压力。 4.3.2 伺服阀流量与执行元件尺寸的确定 如上所述,动力元件参数选择除应满足拖动负载和系统性能两方面的要求外,还应考虑与负载的最佳匹配。下面着重介绍与负载最佳匹配问题。 (1)动力元件的输出特性 将伺服阀的流量——压力曲线经坐标变换绘于υ-FL平面上,所得的抛物线即为动力元件稳态时的输出特性,见图37。 图37 参数变化对动力机构输出特性的影响a)供油压力变化;b)伺服阀容量变化;c)液压缸面积变化 图中 FL——负载力,FL=pLA; pL——伺服阀工作压力; A——液压缸有效面积; υ——液压缸活塞速度, ; qL——伺服阀的流量; q0——伺服阀的空载流量; ps——供油压力。 由图37可见,当伺服阀规格和液压缸面积不变,提高供油压力,曲线向外扩展,最大功率提高,最大功率点右移,如图37a。 当供油压力和液压缸面积不变,加大伺服阀规格,曲线变高,曲线的顶点A ps不变,最大功率提高,最大功率点不变,如图37b。 当供油压力和伺服阀规格不变,加大液压缸面积A,曲线变低,顶点右移,最大功率不变,最大功率点右移,如图37c。 (2)负载最佳匹配图解法 在负载轨迹曲线υ-FL平面上,画出动力元件输出特性曲线,调整参数,使动力元件输出特性曲线从外侧完全包围负载轨迹曲线,即可保证动力元件能够拖动负载。在图38中,曲线1、2、3代表三条动力元件的输出特性曲线。曲线2与负载轨迹最大功率点c相切,符合负载最佳匹配条件,而曲线1、3上的工作点α和b,虽能拖动负载,但效率都较低。 (3)负载最佳匹配的解析法 参见液压动力元件的负载匹配。 (4)近似计算法在工程设计中,设计动力元件时常采用近似计算法,即按最大负载力FLmax选择动力元件。在动力元件输出特性曲线上,限定 FLmax≤pLA= ,并认为负载力、最大速度和最大加速度是同时出现的,这样液压缸的有效面积可按下式计算: (37) 图38 动力元件与负载匹配图形 按式37求得A值后,可计算负载流量qL,即可根据阀的压降从伺服阀样本上选择合适的伺服阀。近似计算法应用简便,然而是偏于保守的计算方法。采用这种方法可以保证系统的性能,但传递效率稍低。 (5)按液压固有频率选择动力元件 对功率和负载很小的液压伺服系统来说,功率损耗不是主要问题,可以根据系统要求的液压固有频率来确定动力元件。 四边滑阀控制的液压缸,其活塞的有效面积为 (38) 二边滑阀控制的液压缸,其活塞的有效面积为 (39) 液压固有频率ωh可以按系统要求频宽的(5~10)倍来确定。对一些干扰力大,负载轨迹形状比较复杂的系统,不能按上述的几种方法计算动力元件,只能通过作图法来确定动力元件。 计算阀控液压马达组合的动力元件时,只要将上述计算方法中液压缸的有效面积A换成液压马达的排量D,负载力FL换成负载力矩TL,负载速度换成液压马达的角速度 ,就可以得到相应的计算公式。当系统采用了减速机构时,应注意把负载惯量、负载力、负载的位移、速度、加速度等参数都转换到液压马达的轴上才能作为计算的参数。减速机构传动比选择的原则是:在满足液压固有频率的要求下,传动比最小,这就是最佳传动比。 4.3.3 伺服阀的选择 根据所确定的供油压力ps和由负载流量qL(即要求伺服阀输出的流量)计算得到的伺服阀空载流量q0,即可由伺服阀样本确定伺服阀的规格。因为伺服阀输出流量是限制系统频宽的一个重要因素,所以伺服阀流量应留有余量。通常可取15%左右的负载流量作为伺服阀的流量储备。 除了流量参数外,在选择伺服阀时,还应考虑以下因素: 1)伺服阀的流量增益线性好。在位置控制系统中,一般选用零开口的流量阀,因为这类阀具有较高的压力增益,可使动力元件有较大的刚度,并可提高系统的快速性与控制精度。 2)伺服阀的频宽应满足系统频宽的要求。一般伺服阀的频宽应大于系统频宽的5倍,以减小伺服阀对系统响应特性的影响。 3)伺服阀的零点漂移、温度漂移和不灵敏区应尽量小,保证由此引起的系统误差不超出设计要求。 4)其它要求,如对零位泄漏、抗污染能力、电功率、寿命和价格等,都有一定要求。 4.3.4 执行元件的选择 液压伺服系统的执行元件是整个控制系统的关键部件,直接影响系统性能的好坏。执行元件的选择与设计,除了按本节所述的方法确定液压缸有效面积A(或液压马达排量D)的最佳值外,还涉及密封、强度、摩擦阻力、安装结构等问题。 4.4 反馈传感器的选择 根据所检测的物理量,反馈传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器和力(或压力)传感器。它们分别用于不同类型的液压伺服系统,作为系统的反馈元件。闭环控制系统的控制精度主要决定于系统的给定元件和反馈元件的精度,因此合理选择反馈传感器十分重要。 传感器的频宽一般应选择为控制系统频宽的5~10倍,这是为了给系统提供被测量的瞬时真值,减少相位滞后。传感器的频宽对一般系统都能满足要求,因此传感器的传递函数可近似按比例环节来考虑。 4.5 确定系统方块图 根据系统原理图及系统各环节的传递函数,即可构成系统的方块图。根据系统的方块图可直接写出系统开环传递函数。阀控液压缸和阀控液压马达控制系统二者的传递函数具有相同的结构形式,只要把相应的符号变换一下即可。 4.6 绘制系统开环波德图并确定开环增益 系统的动态计算与分析在这里是采用频率法。首先根据系统的传递函数,求出波德图。在绘制波德图时,需要确定系统的开环增益K。 改变系统的开环增益K时,开环波德图上幅频曲线只升高或降低一个常数,曲线的形状不变,其相频曲线也不变。波德图上幅频曲线的低频段、穿越频率以及幅值增益裕量分别反映了闭环系统的稳态精度、截止频率及系统的稳定性。所以可根据闭环系统所要求的稳态精度、频宽以及相对稳定性,在开环波德图上调整幅频曲线位置的高低,来获得与闭环系统要求相适应的K值。 4.6.1 由系统的稳态精度要求确定K 由控制原理可知,不同类型控制系统的稳态精度决定于系统的开环增益。因此,可以由系统对稳态精度的要求和系统的类型计算得到系统应具有的开环增益K。 4.6.2由系统的频宽要求确定K 分析二阶或三阶系统特性与波德图的关系知道,当ζh和K/ωh都很小时,可近似认为系统的频宽等于开环对数幅值曲线的穿越频率,即ω-3dB≈ωc,所以可绘制对数幅频曲线,使ωc在数值上等于系统要求的ω-3dB值,如图39所示。由此图可得K值。 图39 由ω-3dB绘制开环对数幅频特性a)0型系统;b)I型系统 4.6.3 由系统相对稳定性确定K 系统相对稳定性可用幅值裕量和相位裕量来表示。根据系统要求的幅值裕量和相位裕量来绘制开环波德图,同样也可以得到K。见图40。 实际上通过作图来确定系统的开环增益K,往往要综合考虑,尽可能同时满足系统的几项主要性能指标。 4.7 系统静动态品质分析及确定校正特性 在确定了系统传递函数的各项参数后,可通过闭环波德图或时域响应过渡过程曲线或参数计算对系统的各项静动态指标和误差进行校核。如设计的系统性能不满足要求,则应调整参数,重复上述计算或采用校正环节对系统进行补偿,改变系统的开环频率特性,直到满足系统的要求。 4.8 仿真分析 在系统的传递函数初步确定后,可以通过计算机对该系统进行数字仿真,以求得最佳设计。目前有关于数字仿真的商用软件,如Matlab软件,很适合仿真分析。
论文开题报告基本要素
各部分撰写内容
论文标题应该简洁,且能让读者对论文所研究的主题一目了然。
摘要是对论文提纲的总结,通常不超过1或2页,摘要包含以下内容:
目录应该列出所有带有页码的标题和副标题, 副标题应缩进。
这部分应该从宏观的角度来解释研究背景,缩小研究问题的范围,适当列出相关的参考文献。
这一部分不只是你已经阅读过的相关文献的总结摘要,而是必须对其进行批判性评论,并能够将这些文献与你提出的研究联系起来。
这部分应该告诉读者你想在研究中发现什么。在这部分明确地陈述你的研究问题和假设。在大多数情况下,主要研究问题应该足够广泛,而次要研究问题和假设则更具体,每个问题都应该侧重于研究的某个方面。
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