數字基帶傳輸系統(tǒng)及MATLAB仿真

1、摘 要伴隨著現代計算機科學技術快速發(fā)展，新一代的可視化的仿真軟件也隨著產生。這些功能強大的仿真軟件，使得通信系統(tǒng)仿真的設計和分析過程變得相對直觀和便捷，由此也使得通信系統(tǒng)仿真技術得到了更快的發(fā)展。通信系統(tǒng)仿真具有廣泛的適應性和極好的靈活性，有助于我們更好地研究通信系統(tǒng)性能。本文主要研究通信系統(tǒng)中的關鍵技術數字基帶傳輸，主要包括基帶系統(tǒng)的組成、傳輸的方式及無碼間串擾條件的特性研究。還著重的研究基于Matlab語言的數字基帶傳輸特性，通過Matlab設計并仿真基帶系統(tǒng)，在比較實測系統(tǒng)與理論研究的基礎上加深了對基帶傳輸特性的理解。以便基帶傳輸理論和仿真在實際中得到更廣泛的應用。理論知識是用來指導具體

2、實踐的。本文在深刻理解通信系統(tǒng)理論的基礎上利用Matlab強大的仿真功能，設計了許多具體的通信系統(tǒng)仿真模型。在仿真模型設計過程中，本文對模型設計的目的、具體的結構組成、仿真流程以及仿真結果都給出了具體詳實的分析和說明。最后，本文對所做的研究工作進行了總結，并且提出了今后的工作和研究方向。關鍵詞 基帶傳輸系統(tǒng)，Matlab，仿真AbstractWith the development of computer, the successful research and development of new generation visual simulation software were burn

3、ed. The simulation software is powerful which makes the process of design and analysis of communications system simulation more intuitional and convenient. Today, the communications system simulation is rapid developing. Communications system simulation has comprehensive adaptability and wonderful a

4、gility, which is helpful for us to research the function of communications system well.The text introduces mostly about key technology of correspondence system which is numeric base band transmission. It includes structure of the correspondence system and it does transmit manner and the condition of

5、 without Inter-code interference. In following, the text emphasizes studies numeric base band transmission base-on matlab language and we use it to design and imitate base band system. We compare true-test system with theoretic system, so we get more understanding in the field of base band transmiss

6、ion.Theory aims to guide practice. On the base of deep comprehension of communications system theory, the paper designs many concrete simulation models. In the process of models design, the paper analyses the intention, configuration, simulation links and simulation results.In the end, the paper sum

7、marizes main content of the research and some following study and research objects are suggested.Key Words base band transmission system, matlab, simulation目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1 課題背景及研究的意義11.2 MATLAB技術的國內外發(fā)展現狀11.3 本文研究的主要內容2第2章 基帶傳輸系統(tǒng)32.1 基帶傳輸系統(tǒng)組成32.2 數字基帶信號傳輸碼型42.3 無碼間串擾傳輸系統(tǒng)及奈奎斯特(Nyquist)準則7

8、2.3.1 基帶系統(tǒng)傳輸特性及碼間串擾72.3.2 數字信號傳輸的基本標準72.4 SDH傳輸82.4.1 SDH傳輸技術簡介82.4.2 SDH傳輸網的拓撲結構92.4.3 SDH傳輸網的特點102.5 時域均衡技術112.6 數字基帶信號的功率譜122.7 部分響應系統(tǒng)132.8 數字信號的最佳接收14第3章 MATLAB仿真163.1 MATLAB簡介163.1.1 MATLAB系統(tǒng)組成163.1.2 MATLAB的功能介紹173.1.3 MATLAB的特點183.2 SIMULINK簡介193.2.1 SIMULINK的啟用203.2.2 SIMULINK的特點213.3 建模與仿真2

9、23.3.1 仿真實驗與分析22第4章 模擬信號的數字化研究及其仿真實現234.1 模擬信號的數字化234.2 模擬信號的抽樣234.2.1 抽樣定理234.2.2 模擬信號抽樣仿真244.3 模擬信號的量化264.3.1 量化264.3.2 非均勻量化264.3.3 模擬信號量化仿真28第5章 基帶傳輸系統(tǒng)仿真與實現305.1 基帶傳輸系統(tǒng)SIMULINK實現305.1.1 基帶傳輸系統(tǒng)原理305.1.2 仿真模型的設計305.1.3 仿真結果分析315.2 基帶傳輸系統(tǒng)中MATLAB實現325.2.1 眼圖的原理325.2.2 眼圖的MATLAB實現335.2.3 仿真分析34結 論35致

10、 謝36參考文獻37附 錄38A1.138A1.240第1章 緒 論1.1 課題背景及研究的意義現代社會發(fā)展要求通信系統(tǒng)功能越來越強，性能越來越高，構成越來越復雜；另一方面，要求通信系統(tǒng)技術研究和產品開發(fā)縮短周期，降低成本，提高水平。這樣尖銳對立的兩個方面的要求，只有通過使用強大的計算機輔助分析設計技術和工具才能實現?，F代計算機科學技術快速發(fā)展，已經研發(fā)出了新一代的可視化的仿真軟件。這些功能強大的仿真軟件，使得通信系統(tǒng)仿真的設計和分析過程變得相對直觀和便捷，由此也使得通信系統(tǒng)仿真技術得到了更快的發(fā)展。通信系統(tǒng)仿真貫穿著通信系統(tǒng)工程設計的全過程，對通信系統(tǒng)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。通信系統(tǒng)仿真具

11、有廣泛的適應性和極好的靈活性，有助于我們更好地研究通信系統(tǒng)性能。Matlab是一種適用于工程應用各領域分析設計與復雜計算的科學計算軟件，由美國Math works公司于1984年正式推出。Matlab是矩陣(Matrix)和實驗室(laboratory)兩個英文單詞的前三個字母的組合，它是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言，著重針對科學計算、工程計算和繪圖的要求，現已成為大學教學和科研中最常用且必不可少的工具。MATLAB提供的動態(tài)仿真工具Simulink可以有效地對系統(tǒng)進行建模，由于仿真過程是交互式的，可以靈活改變仿真參數，并且可以立即得到修改參數后的仿真結果。在通信領域通常利用Simul

12、ink建立通信網絡的簡化模型并連接成系統(tǒng)即可直接進行控制器的設計和仿真。Matlab是一種編程語言和可視化工具，它能對數據以圖形的方式顯示出來，使數據間的關系明了。Matlab所包含的應用工具箱的功能非常豐富，提供的Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時間域、離散時間域或者兩者的混合時間域里進行建模，其中通信系統(tǒng)工具箱中包含了對通信系統(tǒng)進行分析和仿真所需的信源編碼、糾錯編碼、信道、調制解調以及其他所用的庫函數和模塊。文中利用Matlab對數字基帶傳輸系統(tǒng)進行了建模和仿真并對結果進行了分析，結果表明所建立的仿真系統(tǒng)達到了較高的精度。由

13、于基帶傳輸系統(tǒng)在數字傳輸系統(tǒng)中有不可替代的作用，其應用范圍也隨著技術的發(fā)展?jié)B入網絡通信、衛(wèi)星通信及測控、手機通信、數字電視、數字電話等生活、科技的各方面，日益成為數字通信傳輸系統(tǒng)中的關鍵技術1。1.2 MATLAB技術的國內外發(fā)展現狀Matlab 是美國Math Works公司出品的商業(yè)數學軟件，用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括Matlab和Simulink兩大部分。Matlab的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且math

14、work也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使Matlab成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{用,近些年來隨著計算機技術、網絡技術、信號處理、通信技術、自動控制技術的突飛猛進，系統(tǒng)仿真技術的研究力度也在不斷加大，發(fā)展速度不斷加快，應用領域不斷擴大。Matlab是當今最優(yōu)秀的科技應用軟件之一，它以強大的科學計算與可視化功能、簡單易用、開放式可擴展環(huán)境，特別是所附帶的30多種面向不同領域的工具箱支持，使得它在許多科學領域中成為計算機輔助設計和分析、算法研究和應用開發(fā)的基本工具和首選平臺。Matlab具有其他高級語言難以比擬的一些優(yōu)點，如

15、編寫簡單、編程效率高、易學易懂等，因此Matlab語言也被通俗地稱為演算紙式科學算法語言。在控制、通信、信號處理及科學計算等領域中，Matlab都被廣泛地應用，已經被認可為能夠有效提高工作效率、改善設計手段的工具軟件，掌握了Matlab就好比掌握了開啟這些專業(yè)領域大門的鑰匙。Matlab是從事眾多工業(yè)、科研領域的必備工具。無論是在校學生，還是已經參加工作的工程技術人員和科研人員，都非常渴望快速學習Matlab并熟練運用它來解決各種科學問題、工程問題。1.3 本文研究的主要內容首先根據論文設計的具體要求，通過高級通信系統(tǒng)建模與仿真的實際操作，采用系統(tǒng)級方法，完成用Matlab建立通信系統(tǒng)模型；然

16、后，對系統(tǒng)中各個實體進行實際程序編寫，實現通信系統(tǒng)。其次，注重分析系統(tǒng)的設計變化影響，如無碼間干擾數字基帶傳輸特性等的具體功能實現仿真。包括信號生成、編碼器、誤碼率的分析、眼圖的分析、無碼間干擾基帶系統(tǒng)的抗噪性能、多徑傳播與信道均衡主要對通信性能分析比較。設置觀察窗口，分析數據和波形。最后，對通信系統(tǒng)中的各個部分進行詳細的分析，并在Matlab中實現具體的數字通信系統(tǒng)的仿真功能。第2章 基帶傳輸系統(tǒng)目前，在實際使用的數字通信中，雖然基帶傳輸不如頻帶傳輸那樣廣泛，但是，對于基帶傳輸系統(tǒng)的研究仍然是十分有意義的。這是因為：首先，基帶傳輸系統(tǒng)的許多問題也是頻帶傳輸系統(tǒng)必須考慮的問題；其次，隨著數字通

17、信技術的發(fā)展，基帶傳輸這種方式也有迅速發(fā)展的趨勢，目前，它不僅用于低速數據傳輸，而且還用于高速數據傳輸；最后，理論上也可以證明，任何一個采用線性調制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以由一個等效的基帶傳輸系統(tǒng)所替代。2.1 基帶傳輸系統(tǒng)組成模擬信號經過信源編碼得到的信號為數字基帶信號，將這種信號經過碼型變換，不經過調制，直接送到信道傳輸，稱為數字信號的基帶傳輸。基帶傳輸系統(tǒng)的組成框圖如圖2.1所示。它主要由碼波形變換器、發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器和取樣判決器等5個功能電路組成2。 圖2.1 基帶傳輸系統(tǒng)模型基帶傳輸系統(tǒng)的輸入信號是由終端設備編碼器產生的脈沖序列，為了使這種脈沖序列適合于信道的傳輸，一般要

18、經過碼型變換器，碼型變換器把二進制脈沖序列變?yōu)殡p極性碼（AMI碼或HDB3碼），有時還要進行波形變換，使信號在基帶傳輸系統(tǒng)內減小碼間干擾。當信號經過信道時，由于信道特性不理想及噪聲的干擾，使信號受到干擾而變形。在接收端為了減小噪聲的影響，首先使信號進入接收濾波器，然后再經過均衡器，校正由于信道特性（包括接收濾波器在內）不理想而產生的波形失真或碼間串擾。最后在取樣定時脈沖到來時，進行判決以恢復基帶數字碼脈沖。碼形變換器：基帶傳輸系統(tǒng)的輸入是由終端設備或編碼器產生的脈沖序列，它往往不適合直接送到信道中傳輸。信道信號形成器的作用就是把原始基帶信號變換成適合于信道傳輸的基帶信號，這種變換主要是通過碼型

19、變換和波形變換實現的，其目的是與信道匹配，便于傳輸，減小碼間串擾，利于同步提取和抽樣判決。信道：是允許基帶信號通過的媒質。信道的傳輸特性通常不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，恒參信道如（明線、同軸電纜、對稱電纜、光纖通道、無線電視距中繼、衛(wèi)星中繼信道）對信號傳輸的影響主要是線形畸變；隨參信道如（短波電離層反射、對流層散射信道等）對信號傳輸的影響主要有頻率彌散現象（多徑傳播）、頻率的選擇性衰落。信道的線性噪聲和加性噪聲的影響。接收濾波器：它的主要作用的濾除帶外噪聲，對信道特性均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。抽樣判決器：它是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在由位定時脈沖控制的特殊點對接收濾波器的輸出波形進

20、行抽樣判決，以恢復或再生基帶信號。2.2 數字基帶信號傳輸碼型1. 數字基帶信號傳輸碼型的要求(1) 有利于提高系統(tǒng)的頻帶利用率。(2) 基帶信號應不含直流分量，同時低頻分量要盡量少，因為由于變壓器的接入，使信道具有低頻截止特性。(3) 考慮到碼型頻譜中高頻分量的影響。電纜中線對間由于電磁輻射而引起的串話隨頻率升高而加劇，會限制信號的傳輸距離或傳輸容量。(4) 基帶信號應具有足夠大的定時信號供提取。(5) 基帶信號的傳輸碼型應具有誤碼檢測能力。(6) 碼型變換設備簡單，容易實現。2. 常用的基帶傳輸碼型 常見的傳輸碼型有傳號交替反轉碼-I碼、三階高密度雙極性碼HDB3碼、分相碼Manchest

21、er碼、傳號反轉碼CMI碼以及4B3T碼等。另外，AMI碼也是CCITT建議采用的基帶傳輸碼型，但其缺點是當長連0過多時對定時信號提取不利。CMI碼一般作為四次群的接口碼型。(1) 傳號交替反轉碼AMI碼AMI(Alternate Mark Inversion)碼又稱為平衡對稱碼。這種碼的編碼規(guī)則是：把碼元序列中的“1”碼變?yōu)闃O性交替變化的傳輸碼+1、-1、+1、-1、，面碼元序列中的“0”碼保持不變。例如：碼元序列： 1 00 1 10 10 1 1 1 100AMI 碼： +1 00 -1 +10 -10 +1 -1 +1 -100對應的波形如圖2.2所示。 圖2.2 AMI碼波形由AMI

22、碼的編碼規(guī)則可以看出，由于+1和-1各占一半，因此，這種碼中無直流分量，且其低頻和高頻分量也較少，信號的能量主要集中在fT/2處，其中fT為碼元速率。AMI碼的功率譜如圖2.3，為便于比較，圖中還畫出了NRZ及HDB3碼的功率譜。此外，AMI碼編碼過程中，將一個二進制符號變成了一個三進制符號，即這種碼脈沖有三種電平，因此這種碼稱為偽三電平碼，也稱為1B1T碼型。AMI碼除了上述特點外，還有編譯碼電路簡單及便于觀察誤碼情況等優(yōu)點。但是AMI碼有一個重要的缺陷，就是當碼元序列中出現長連“0”時，會造成提取定時信號的困難，因而實際系統(tǒng)中常采用AMI碼的改進型HDB3碼。 圖2.3 NRZ、AMI碼及

23、碼功率譜(2) HDB3碼HDB3 (High Density Bipo1ar 3)是三階高密度雙極性碼，它是為了克服傳輸波形中出現長連“0”碼的情況而設計的AMI碼的改進型。HDB3碼的編碼規(guī)則是：把碼元序列進行AMI編碼，然后去檢查AMI碼中連0的個數，如果沒有四個以上(包括四個)連0串時，則這時的AMI碼就是HDB3碼。如果出現四個以上連0串時，則將每4個連0小段的第4個0變成與其前一個非0碼(+1或-1)相同的碼。顯然，這個碼破壞了“極性交替反轉”的規(guī)則，因而稱其為破壞碼，用符號V表示(即+1記為+V，-1記為-V)。為了使附加V碼后的序列中仍不含直流分量，必須保證相鄰的V碼極性交替。

24、這一點，當相鄰的V碼之間有奇數個非0碼時，是能得到保證的；但當相鄰的V碼之間有偶數個非0碼時，則得不到保證。這時再將該連0小段中的第1個0變+B或-B，B的極性與其前一個非0碼相反，并讓后面的非零碼從V碼后開始再極性交替變化。例如：碼元序列： 1 0000 101 0000 1 000 0 11AMI 碼： +1 0000 -10+1 0000 -1 000 0 +1-1HDB3碼： +1 000+V -10+1 -B00-V +1 000+V -1+1上例中，第1個V碼和第2個V碼之間，有2個非0碼(偶數)，故將第2個4連0小段中的第1個0變成-B；第2個V碼和第3個V碼之間,有1個非0碼(

25、奇數)，不需變化。最后可看出，HDB3碼中，V碼與其前一個非0碼(+1或-1)極性相同，起破壞作用；相鄰的V碼極性交替；除V碼外，包括B碼在內的所有非0碼極性交替。HDB3碼的波形如圖2.4所示。圖2.4 HDB3碼波形雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復雜，但譯碼卻比較簡單。從編碼過程中可以看出，每一個V碼總是與其前一個非0碼(包括B碼在內)同極性，因此從收到的碼序列中可以很容易地找到破壞點V碼，于是可斷定V碼及其前3個碼都為0碼。再將所有的-1變?yōu)?1后，便可恢復原始信息代碼。HDB3碼的特點是明顯的，它既保留AMI碼無直流分量，便于直接傳輸的優(yōu)點，又克服了長連0串(連0的個數最多3個)的出現，

26、其功率諸如圖2.4所示。由圖可見，HDB3碼的頻譜中既消除了直流和甚低頻分量，又消除了方被中的高頻分量，非常適合基帶傳輸系統(tǒng)的特性要求。因此，HDB3碼是目前實際系統(tǒng)中應用最廣泛的碼型。雖然HDB3碼比AMI碼的性能更好，但它仍屬于1B/1T碼型。(3) 曼徹斯特（Manchester）碼曼徹斯特碼又稱數字雙相碼或分相碼。波形如圖2.5(b)所示，圖2.5(a)為對應的NRZ碼波形。曼徹斯特碼用一個周期的方波來代表碼元“1”，而用它的反相波形來代表碼元“0”。圖2.5 曼徹斯特碼和CMI碼波形這種碼在每個碼元的中心部位都發(fā)生電平跳變，因此有利于定時同步信號的提取，而且定時分量的大小不受信源統(tǒng)計

27、特性的影響。曼徹斯特碼中，由于正負脈沖各占一半，因此無直流分量，但這種碼占用的頻帶增加了一倍。曼徹斯特碼適合在較短距離的同軸電纜信道上傳輸。(4) CMI碼CMI碼稱為傳號反轉碼。在CMI碼中，“1”碼(傳號)交替地用正、負電平脈沖來表示，而“0”碼則用固定相位的一個周期方波表示，如圖2.5(c)所示。CMI碼和曼徹斯特碼相似，不含有直流分量，且易于提取同步信號。CMI碼的另一個特點是具有一定的誤碼檢測能力。這是因為，CMI碼中的“l(fā)”碼相當于用交替的“”和“11”兩值碼組表示，而“0”碼則固定地用“01”碼組表示。正常情況下，序列中不會出現“10”碼組，且“”和“11”碼組連續(xù)出現的情況也不

28、會發(fā)生，這種相關性可以用來檢測因干擾而產生的部分錯碼。根據原CCITT的建議，CMI碼可用作脈沖編碼調制四次全群的接口碼以及速率低于8448kb/s的光纖數字傳輸系統(tǒng)中的線路傳輸碼型。此外，CMI碼和曼徹斯持碼一樣都是將一位二進制碼用一組兩位二進制碼表示，因此稱其為1B2B碼。(5) 4B3T碼4B3T碼是1B/1T碼的改進型，它把4個二進制碼元變換為3個三進制碼元。顯然，在相同信息速率的條件下，4B3T碼的碼元傳輸速率要比1B/1T碼的低，因而提高了系統(tǒng)的傳輸效率。4B3T碼的變換過程中需要同步信號，變換電路比較復雜，故一般較少采用。2.3 無碼間串擾傳輸系統(tǒng)及奈奎斯特(Nyquist)準則

29、2.3.1 基帶系統(tǒng)傳輸特性及碼間串擾在基帶傳輸系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)(主要是信道)特性不理想，接收端收到的數字基帶信號波形會發(fā)生畸變，使碼元之間互相產生干擾。此外，信號在傳輸過程中受信道加性噪聲的影響，還會使接收波形疊加上隨機干擾，造成接收端判決時發(fā)生誤碼。為了消除或減小這些干擾，必須合理地設計基帶傳輸系統(tǒng)，為此先對系統(tǒng)特性和信號波形進行討論。基帶傳輸系統(tǒng)總的傳輸特性可寫為 (2.1)式中，為發(fā)送濾波器；為物理傳輸信道；為接收濾波器。相應地，基帶傳輸系統(tǒng)的沖激響應為 (2.2)分析可見，為了獲得足夠小誤碼率，必須最大限度地減小碼間串擾及隨機噪聲的影響，這需要合理地設計基帶信號和基帶傳輸系統(tǒng)。從理論

30、上說，只要合理地設計系統(tǒng)的傳輸特性，碼間串擾是可以消除的；但對隨機噪聲來說，只能盡量減小其影響，不能完全消除。2.3.2 數字信號傳輸的基本標準1. 奈奎斯特第一準則如何才能保證信號在傳輸時不出現或少出現碼間干擾，這是關系到信號可靠傳輸的一個關鍵問題。奈奎斯特對此進行了研究，提出了不出現碼間干擾的條件：當碼元間隔T的數字信號在某一理想低通信道中傳輸時，若信號的傳輸速率位Rb=2fc（fc為理想低通截止頻率），各碼元的間隔T=1/2fc，則此時在碼元響應的最大值處將不產生碼間干擾，且信道的頻帶利用率達到極限，為2(b/s)Hz。上述條件是傳輸數字信號的一個重要準則，通常稱為奈奎斯特第一準則。即傳

31、輸數字信號所要求的信道帶寬應是該信號傳輸速率的一半BW=fc=Rb/2=1/2T當滿足這一條件時，其它碼元的拖尾振幅在對應于某一碼元響應的最大值處剛好為零。2. 滾降低通幅頻特性實際傳輸中，不可能有絕對理想的基帶傳輸系統(tǒng)，這樣一來，不得不降低頻帶利用率，采用具有奇對稱滾降特性的低通濾波器作為傳輸網絡。根據推導得出結論：只要滾降低通的幅頻特性以點C(fc,1/2)呈奇對稱滾降，則可滿足無碼間干擾的條件（此時仍需滿足傳輸速率=2fc）。滾降系數：a=(fc+fa)-fc/fc用滾降低通作為傳輸網絡時，實際占用的頻帶展寬了，則傳輸效率有所下降，當a=100%時，傳輸效率即頻帶利用率只有1(b/s)H

32、z，比理想低通小了一半。3. 眼圖眼圖是利用實驗手段方便地估計和改善(通過調整)系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到的一種圖形。在傳輸二進制信號波形時，示波器顯示的圖形很像人的眼睛，故名“眼圖”。眼圖可以定性反映碼間串擾的大小和噪音的大小，通過上述模型可以獲得以下信息：(1) 最佳抽樣時刻應選擇在眼圖中眼睛張開的最大處。(2) 對定時誤差的靈敏度，由斜邊斜率決定，斜率越大，對定時誤差就越靈敏。(3) 在抽樣時刻上，眼圖上下兩分支的垂直寬度，都表示了最大信號畸變。(4) 在抽樣時刻上，上、下兩分支離門限最近的一根線跡至門限的距離表示各自相應電平的噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就可能發(fā)生判決差錯。(5) 對于信

33、號過零點取平均來得到定時信息的接收系統(tǒng)，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域的大小，表示零點位置的變動范圍，這個變動范圍的大小對提取定時信息有重要影響。2.4 SDH傳輸2.4.1 SDH傳輸技術簡介SDH網是對原有PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy準同步系列)網的一次革命。PDH是異步復接，在任一網絡節(jié)點上接入接出低速支路信號都要在該節(jié)點上進行復接、碼變換、碼速調整、定時、擾碼、解擾碼等過程，并且PDH只規(guī)定了電接口，對線路系統(tǒng)和光接口沒有統(tǒng)一規(guī)定，無法實現全球信息網的建立。隨著SDH技術引入，傳輸系統(tǒng)不僅具有提供信號傳播的物理過程的功能，而且提供對信號的處理、

34、監(jiān)控等過程的功能。SDH通過多種容器C和虛容器VC以及級聯的復幀結構的定義，使其可支持多種電路層的業(yè)務，如各種速率的異步數字系列、DQDB、FDDI、ATM等，以及將來可能出現的各種新業(yè)務。段開銷中大量的備用通道增強了SDH網的可擴展性。通過軟件控制使原來PDH 中人工更改配線的方法實現了交叉連接和分插復用連接，提供了靈活的上/下電路的能力，并使網絡拓撲動態(tài)可變，增強了網絡適應業(yè)務發(fā)展的靈活性和安全性，可在更大幾何范圍內實現電路的保護、高度和通信能力的優(yōu)化利用，從而為增強組網能力奠定基礎，只需幾秒就可以重新組網。特別是SDH自愈環(huán)，可以在電路出現故障后，幾十毫秒內迅速恢復。SDH 的這些優(yōu)勢使

35、它成為寬帶業(yè)務數字網的基礎傳輸網3。2.4.2 SDH傳輸網的拓撲結構SDH網是由SDH網元設備通過光纜互連而成的，網絡節(jié)點(網元)和傳輸線路的幾何排列就構成了網絡的拓撲結構。網絡的有效性(信道的利用率)、可靠性和經濟性在很大程度上與其拓撲結構有關。1. 鏈型網 : 此種網絡拓撲是將網中的所有節(jié)點一一串聯，而首尾兩端開放。2. 星型網 : 此種網絡拓撲是將網中一網元作為特殊節(jié)點與其他各網元節(jié)點相連，其他各網元節(jié)點互不相連。 3. 環(huán)型網:網上任何一個網元節(jié)點都不對外開放的網絡拓撲形式。這是當前使用最多的網絡拓撲形式，它具有很強的生存性，即自愈功能較強。4. 網孔型網:將所有網元節(jié)點兩兩相連，就

36、形成了網孔形網絡拓撲。在電力通信網中，應用最多的網絡拓撲是鏈型、環(huán)型和環(huán)鏈組合，可構成更加復雜的網絡。 (a) 鏈型(b) 星型(c) 環(huán)型(d) 網孔型 圖2.6 SDH拓撲結構2.4.3 SDH傳輸網的特點SDH傳輸體制的是為了克服PDH傳輸體制的技術缺陷而提出的，具有PDH體制無可比擬的優(yōu)點，它是不同于PDH體制的全新的一代傳輸體制:1. 具有統(tǒng)一的速率等級和接口標準SDH體制有一套標準的信息結構等級，即有一套標準的速率等級。高速率等級數字信號由低速率等級信號通過字節(jié)間插同步復接而成，速率等級間是4的倍數，見表2.1。表2.1 SDH速率等級 SDH信號的線路編碼僅是對信號進行擾碼，擾碼

37、標準是世界統(tǒng)一的，使得不同廠家的設備可以進行光口互連。 圖2.7 不同廠商的SDH設備互通2. SDH幀結構中安排了豐富的用于運行維護（OAM）功能的開銷字節(jié)開銷字節(jié)的應用使網絡的監(jiān)控、檢測故障等能力和維護的自動化程度得到大大加強，SDH幀結構如圖2.8所示。 圖2.8 SDH幀結構3. 采用同步復用方式，使網絡中上下支路信號變得十分簡單由于低速SDH信號是以字節(jié)間插方式復用進高速SDH信號的幀結構中的，這樣就使低速SDH信號在高速SDH信號的幀中的位置是固定的、有規(guī)律的，也就是說可預見的。因此可從高速信號中直接分插出低速支路信號，避免了以往PDH系統(tǒng)需要對全部高速復用信號進行解復用的做法，省

38、去了全套背靠背復用設備，使網絡結構得以簡化，上下業(yè)務十分容易。SDH的這種復用方式使數字交叉連接(DXC) 功能更易于實現，使網絡具有了很強的自愈功能，并實現靈活的業(yè)務調配。4. SDH傳輸體制具有很好的兼容性當組建SDH傳輸網時，可以用SDH網傳送原有的PDH業(yè)務。另外，其它數字信號系列異步轉移模式信號(ATM)、光纖分布數據接口(FDDI)等均可被SDH基本傳輸模塊(STM-1) 容納4。2.5 時域均衡技術目前時域均衡的常用方法是在基帶信號接收濾波器R()之后插入一個橫向濾波器。假設其總的傳輸特性H()，不滿足式(1-2),即存在一定的碼間干擾。如果在接收濾波器R()之后插入一個橫向濾波

39、器，其沖激響應為 式中，CX取決于H()，則理論上可以消除碼間干擾。時域均衡的目標：調整各增益加權系數CX使得除n=0外y(t)在奈氏各取樣點上的值均為零，即 ，這就消除了 碼間干擾。時域均衡器是通過橫向濾波器來實現的。所謂橫向濾波器是指具有固定延遲時間間隔、增益可調整的多抽頭濾波器。一般來說，橫向濾波器插入在基帶系統(tǒng)的接收濾波器和判決器之間。橫向濾波器的輸入來自接收濾波器的輸出x(t)，即x(t)為被均衡的對象，其輸出y(t)為均衡結果，送至判決器進行判決。下面討論時域均衡器的原理，討論中不考慮噪聲的影響。由圖2.6，重新寫出橫向濾波器的沖激響應為 (2.3)圖2.6 橫向濾波器輸入、輸出波

40、形實際應用時，用示波器觀察均衡濾波器輸出信號的眼圖。通過反復調整各個增益放大器的Ci,使眼圖的眼張開最大為止。其主要實現方法有預置式自動均衡和自適應式自動均衡。2.6 數字基帶信號的功率譜在研究數字基帶傳輸系統(tǒng)時，對數字基帶信號的頻譜進行分析非常必要。數字基帶信號是一個隨機的脈沖序列信號，隨機信號的頻譜特性必須用功率譜密度來描述。對于隨機序列信號，只能用統(tǒng)計的方法分析它的功率譜密度函數。計算數字基帶信號功率譜的目的是1. 可以根據譜特性設計最適當的基帶傳輸系統(tǒng)及選擇合理的傳輸方式。2. 明確序列中是否含有定時脈沖信號的線譜分量，以便確定是否可以直接從序列中提取定時信號。下面分析二進制數字基帶脈

41、沖序列的功率譜。二進制數字基帶脈沖序列波形如圖2.7所示，該隨機序列可用下式表示 (2.4) 圖2.7二進制數字基帶脈沖序列波形式中， (2.5)這里用g1(t)和g2(t)分別表示碼元符號的0和1，T為碼元的寬度。圖中雖然g1(t)和g2(t)都畫成了三角形（高度不同），但實際上g1(t)和g2(t)可以是任意的脈沖。一般來說，對廣義平穩(wěn)隨機過程的典型分析方法是用隨機過程的相關函數去求過程的功率譜。但圖2.7中所示的二進制數字基帶脈沖序列，并不是嚴格的廣義平穩(wěn)隨機過程。對該隨機序列的功率譜分析采用另一種簡便的方法：根據功率譜的定義，先截取序列的有限項，然后用求極限的方法得到序列的功率譜密度函

42、數Ps(f)。即有 (2.6) (2.7)上式中，SN(f)為截斷信號SN(t)的頻譜密度函數。則經推導可得二進制隨機數字基帶脈沖序列的單邊帶功率譜密度函數 (2.8)上式中第一、二項為離散分量，第三項為連續(xù)分量。由此可見，隨機基帶序列的功率譜中包括離散譜和連續(xù)譜兩部分，其中離散譜可直接提取作為時鐘定時信號用。對連續(xù)譜來說，由于代表碼元符號的g1(t)和g2(t)不能完全相同，故，因而連續(xù)譜總是存在的。對離散譜來說，一般情況下，它也是存在的,但在有些情況下可能不存在。例如，當g1(t)和g2(t)出現的概率相等，即P1P，且采用雙極性脈沖，即g1(t)=-g2(t)g(t)，時式(2.8)可寫

43、為 (2.9)上式說明，雙極性全占空隨機序列中不含有離散分量，因而無法直接提取時鐘定時信號。此時必須將雙極性信號整流，并處理成歸零脈沖才可以進行時鐘定時信號的提取。分析數字信號的脈沖序列碼的功率譜可以知道信號功率的分布，根據主要功率集中在哪個頻段，可以確定信號帶寬，進而考慮信道帶寬和傳輸網絡（濾波器、均衡器）的傳輸特性。同時利用它的離散譜是否存在這個特點，可以明確能否從脈沖序列中直接提取所需的離散分量和采取怎樣的方法可以從序列中獲得所需的離散分量，以便在接收端用這些成分作位同步定時等。脈沖序列碼主要研究NRZ碼、RZ碼、AMI碼。分析噪聲的功率譜密度可以知道噪聲對系統(tǒng)的影響，并且可以人為的仿真

44、噪聲。2.7 部分響應系統(tǒng)部分響應編碼方法又稱為波形的相關編碼法。在部分響應基帶傳輸系統(tǒng)中，通過有控制地引入一定的碼間串擾，來達到壓縮傳輸頻帶的目的。部分響應系統(tǒng)技術是有控制地在某些碼元的抽樣時刻引入碼間串擾，有規(guī)律的，而在其余碼元的抽樣時刻無碼間串擾。部分響應系統(tǒng)能夠改變數字脈沖序列的頻譜分布，降低對定時的要求，同時達到壓縮傳輸頻帶，提高頻帶利用率的目的。部分響應技術在高速、大容量傳輸系統(tǒng)中得到推廣和應用。發(fā)相加發(fā)送濾波信道接收濾波模2判斷Tb+收抽樣脈沖圖2.8 部分響應的系統(tǒng)框圖部分響應波形的一般形式： (2.10)上式為(N+1)個相繼延時出現的奈奎斯待脈沖的加權組合，其中Ri為加權系

45、數，取整數值。式(2.7)所示的部分響應波形的頻譜為式(2.11) (2.11)根據加權系數Ri的不同，可以得到不同種類的部分響應波形。表2.1中列出了常用的五類部分響應波形及其頻譜，為便于比較，將理想的波形也列入其中，稱為0類響應波形，實際系統(tǒng)中，第類部分響應波形應用最廣。2.8 數字信號的最佳接收通信系統(tǒng)的信道特性不理想及信道噪聲的存在，直接影響接收系統(tǒng)的性能，而一個通信系統(tǒng)的質量優(yōu)劣在很大程度上取決于接收系統(tǒng)的性能。研究在噪聲條件下如何最好的提取有用信號，且在最大輸出信噪比接收準則下構成最佳接收機，有重要的實用價值。匹配濾波器是指在白噪聲為背景的條件下，輸出信噪比最大的最佳線形濾波器。如

46、果用匹配濾波器做接收機的輸入濾波器，則濾波器輸出的信噪比最大，因此，用匹配濾波器構成的接收是滿足最大輸出信噪比準則的最佳接收機，也稱匹配接收機。匹配濾波器的傳遞函數 (2.12)式中，匹配濾波器的幅度特性；信號的振幅譜。由公式可知，由于匹配濾波器幅度特性與信號的振幅譜相同，因此信號中頻譜幅度大的頻率成分，匹配濾波器對其衰減少，而信號中的頻譜幅度小的頻率成分衰減大。但對噪聲來說，因為是白噪聲，首先信號帶外的噪聲全部被匹配濾波器抑制，輸出的噪聲較小。匹配濾波器的沖擊響應： (2.13)由公式說明匹配濾波器的沖擊響應是輸入信號的鏡像信號在時間上時延。根據匹配濾波器的沖擊響應和輸入信號的關系，可以很方

47、便的求的，然后根據的波形對它進行傅立葉變換求出。匹配濾波器的輸出波形： (2.14)匹配濾波器的性能：1. 信號不同，對應的匹配濾波器也不同。2. 信號通過匹配器會產生嚴重的波形失真。3. 匹配濾波器只能用于數字信號接收。4. 最大信噪比僅與信號能量及白噪聲的功率譜密度有關，與信號波形無關。第3章 MATLAB仿真3.1 MATLAB簡介在科學研究和工程應用中，往往要進行大量的數學計算，其中包括矩陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快捷地進行，而要借助計算機編制相應的程序做近似計算。目前流行用Basic、Fortran和c語言編制計算程序, 既需要對有關算法有深刻的了解，還需要熟練地掌握所

48、用語言的語法及編程技巧。對多數科學工作者而言，同時具備這兩方面技能有一定困難。通常，編制程序也是繁雜的，不僅消耗人力與物力,而且影響工作進程和效率。為克服上述困難，美國Math work公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）軟件包，并不斷更新和擴充。目前最新的5.x版本（windows環(huán)境）是一種功能強、效率高便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數值分析、矩陣運算、數字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應用程序，并集應用程序和圖形便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問題的Matlab語言表述形式和其數學表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編

49、程。不過，Matlab作為一種新的計算機語言，要想運用自如，充分發(fā)揮它的威力，也需先系統(tǒng)地學習它。但由于使用Matlab編程運算與人進行科學計算的思路和表達方式完全一致，所以不像學習其它高級語言-如Basic、Fortran和C等那樣難于掌握。實踐證明，你可在幾十分鐘的時間內學會Matlab的基礎知識，在短短幾個小時的使用中就能初步掌握它.從而使你能夠進行高效率和富有創(chuàng)造性的計算。 Matlab大大降低了對使用者的數學基礎和計算機語言知識的要求，而且編程效率和計算效率極高，還可在計算機上直接輸出結果和精美的圖形拷貝，所以它的確為一高效的科研助手。自推出后即風行美國，流傳世界。Matlab是當今

50、最優(yōu)秀的科技應用軟件之一，它以強大的科學計算與可視化功能、簡單易用、開放式可擴展環(huán)境，特別是所附帶的30多種面向不同領域的工具箱支持，使得它在許多科學領域中成為計算機輔助設計和分析、算法研究和應用開發(fā)的基本工具和首選平臺6。3.1.1 MATLAB系統(tǒng)組成Matlab系統(tǒng)以Matlab為核心，由一系列相關軟件構成。其基本的組成結構如圖3.1所示：Matlab是整個系統(tǒng)的基礎，它提供完整的操作環(huán)境和核心計算函數，完成各種數學算法、數據分析、圖形顯示和程序編輯調試等功能。單就Matlab來說，它由五個部分組成：1. 集成開發(fā)環(huán)境，包括操作桌面、命令窗、歷史命令窗、編輯調試器、幫助瀏覽器、工作空間瀏

51、覽器、當前路徑瀏覽器、搜索路徑瀏覽器等工具，方便用戶使用和管理Matlab的函數和文件。2. 數學函數庫，它是Matlab語言的基礎，也是各種工具箱 應用的基礎，這些數學函數采用國際上公認的最先進的可靠算法，經過專家優(yōu)化后以簡單易用的形式呈現出來。3. Matlab語言，其使用方便靈活，它不僅具有條件控制、函數調用、數據結構、輸入輸出、面向對象等一般程序語言特性，而且更有利于矩陣和數組的操作和運算。4. 句柄圖形系統(tǒng)，是Matlab圖形顯示和數據可視化功能的基礎，也是用戶創(chuàng)建GUI應用程序的基礎。5. 應用程序接口庫（API）和MATLAB編譯器。借助API接口函數，一方面能夠在C/C+或Fo

52、rtran中直接調用MATLAB函數，或讀寫MATLAB的MAT文件，或把整個Matlab當作計算引擎來用；另一方面可以在MATLAB環(huán)境中直接重用C/C+，Fortran，Java等代碼。而編譯器不但可以把純M文件（Matlab語言的源代碼）編譯成獨立應用程序可以脫離Matlab環(huán)境而獨立運行。圖3.1 Matlab系統(tǒng)的基本組成3.1.2 MATLAB的功能介紹1. Matlab的界面窗口Matlab啟動時，包含四個界面窗口：(1) 命令窗口，是Matlab的主窗口，默認位于Matlab桌面的右側，用于命令并顯示運行結果。(2) 歷史命令窗口，位于Matlab桌面的左下側，默認為前臺顯示。

53、歷史命令窗口可以保存用戶輸入過的所有歷史命令，為用戶下一次使用同一命令提供方便。(3) 是當前目錄瀏覽器，位于Matlab桌面的左上側，默認為前臺顯示。該窗口顯示當前目錄及其所有文件。(4) 工作空間窗，位于Matlab桌面的左上側，默認為后臺顯示?？梢酝ㄟ^點擊左上方的Workplace按鈕使它在前臺顯示。2Matlab的幫助系統(tǒng)Matlab提供了強大而完善的幫助系統(tǒng)，包括命令行幫助、聯機幫助和演示幫助。要學會Matlab必須充分利用其幫助系統(tǒng)，尤其是命令行幫助功能。命令行幫助可以通過help命令獲得。其命令格式是：help或help目錄名/命令名/函數名/主題名/符號第一種格式在命令窗口直接輸入help，不帶任何參數，此時將顯示MATLAB的分類目錄和對目錄內容的簡要說明。第二種格式可以顯示出具體目錄所包含的命令和函數，或者具體的命令、函數、符號和某個主題的詳細信息。例如，在命令窗中鍵入：help sin將會顯示關于正弦函數sin的詳細信息。3Matlab的搜索路徑Matlab利用自身的搜索路徑來尋找M文件函數，如果要執(zhí)行的文件不在搜索路徑中，就無法執(zhí)行。利用Matlab主界面File菜單中的“