基于SystemView的數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)

1、基于SystemView的數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng) 提 交：馮文龍 學(xué) 號：1011105 時 間：2014年1月10日基于SystemView的數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)一：SystemView軟件的介紹SystemView是美國ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境下運(yùn)行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(Token)去描述程序，不用寫一句代碼即可完成各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，快速地建立和修改系統(tǒng)、訪問與調(diào)整參數(shù)，方便地加入注釋。利用System View，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，各種多速率系統(tǒng)，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、時，只需從System View配置的圖標(biāo)庫中調(diào)出有關(guān)圖標(biāo)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成圖標(biāo)間的連線，然后運(yùn)行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。SystemView的庫資源十分豐富，包括含若干圖標(biāo)的基本庫（Main Library）及專業(yè)庫(Optional Library)，基本庫中包括多種信號源、接收器、加法器、乘法器，各種函數(shù)運(yùn)算器等；專業(yè)庫有通訊（Communication）、邏輯（Logic）、數(shù)字信號處理（DSP）、射頻/模擬（RF/Analog）等；它們特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和方案論證；并可進(jìn)行各種系統(tǒng)時域和頻域分析、譜分析，及對各種邏輯電路、

3、射頻/模擬電路（混合器、放大器、RLC電路、運(yùn)放電路等）進(jìn)行理論分析和失真分析。System View能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，給出連接錯誤信息或尚懸空的待連接端信息，通知用戶連接出錯并通過顯示指出出錯的圖標(biāo)。System View的另一重要特點(diǎn)是它可以從各種不同角度、以不同方式，按要求設(shè)計(jì)多種濾波器，并可自動完成濾波器各指標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真分析方面，System View還提供了一個真實(shí)而靈活的窗口用以檢查、分析系統(tǒng)波形。在窗口內(nèi)，可以通過鼠標(biāo)方便地控制內(nèi)部數(shù)據(jù)的圖形放大、縮小、滾動等。另外，分析窗中還帶有一個功能強(qiáng)大的“接收計(jì)算器”，可以完成對仿真運(yùn)行結(jié)果的各種運(yùn)算、譜分析、濾波

4、。二：數(shù)字信號基帶傳輸原理通信的根本任務(wù)是遠(yuǎn)距離傳遞信息，因而如何準(zhǔn)確地傳輸數(shù)字信息是數(shù)字通信的一個重要組成部分。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸對象通常是二進(jìn)制數(shù)字信息，它可能來自計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)或其它數(shù)字設(shè)備的各種數(shù)字代碼。也可能來自數(shù)字電話終端的脈沖編碼信號，設(shè)計(jì)數(shù)字傳輸系統(tǒng)的基本考慮是選擇一組有限的離散的波形來表示數(shù)字信息。這些離散波形可以是未經(jīng)調(diào)制的不同電平信號，也可以是調(diào)制后的信號形式。由于未經(jīng)調(diào)制的脈沖電信號所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開始。因而稱為數(shù)字基帶信號。在某些有線信道中，特別是傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下，數(shù)字基帶信號可以直接傳送，我們稱之為數(shù)字信號的基帶傳輸。而在另外一些信道，特別是無

5、線信道和光信道中，數(shù)字基帶信號則必須經(jīng)過調(diào)制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。我們把這種傳輸稱為數(shù)字信號的調(diào)制傳輸（或載波傳輸）。如果把調(diào)制與解調(diào)過程看作是廣義信道的一部分，則任何數(shù)傳輸系統(tǒng)均可等效為基帶傳輸系統(tǒng)。通過 SystemView 提供的仿真環(huán)境對數(shù)字基帶傳輸中的某些問題加以仿真、分析，能幫助我們進(jìn)一步加深對這些抽象概念的理解，并加深感性認(rèn)識。二進(jìn)制數(shù)字基帶波形都是矩形波，在畫頻譜時通常只畫出了其中能量最集中的頻率范圍，但這些基帶信號在頻域內(nèi)實(shí)際上是無窮延伸的。如果直接采用矩形脈沖的基帶信號作為傳輸碼型，由于實(shí)際信道的頻帶都是有限的，則傳輸系統(tǒng)接收端所得的信號頻譜必定與發(fā)送端

6、不同，這就會使接收端數(shù)字基帶信號的波形失真。大多數(shù)有線傳輸情況下，信號頻帶不是陡然截止的，而且基帶頻譜也是逐漸衰減的，采用一些相對來說比較簡單的補(bǔ)償措施（如簡單的頻域或時域均衡）可以將失真控制在比較小的范圍內(nèi)。較小的波形失真對于二進(jìn)制基帶信號影響不大，只是使其抗噪聲性能稍有下降，但對于多元信號，則可能造成嚴(yán)重的傳輸錯誤。當(dāng)信道頻帶嚴(yán)格受限時（如數(shù)字基帶信號經(jīng)調(diào)制通過頻分多路通信信道傳輸），波形失真問題就變得比較嚴(yán)重，尤其在傳輸多元信號時更為突出?；鶐盘杺鬏斚到y(tǒng)的典型模型，如圖所示。在發(fā)送端，數(shù)字基帶信號X(t)經(jīng)發(fā)送濾波器輸入到信道，發(fā)送濾波器的作用是限制發(fā)送頻帶，阻止不必要的頻率成分干擾相

7、鄰信道。傳輸信道在這里是廣義的，它可以是傳輸介質(zhì)（電纜、雙絞線等等），也可以是帶調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制信道。基帶信號在信道中傳輸時?；烊朐肼昻(t)，同時由于信道一般不滿足不失真?zhèn)鬏敆l件，因此要引起傳輸波形的失真。所以在接收端輸入的波形與原始的基帶信號X(t)差別較大，若直接進(jìn)行抽樣判決可能產(chǎn)生較大的誤判。因此在抽樣判決之前先經(jīng)過一個接收濾波器，它一方面濾除帶外噪聲，另一方面對失真波形進(jìn)行均衡。抽樣和判決電路使數(shù)字信號得到再生，并改善輸出信號的質(zhì)量。根據(jù)頻譜分析的基本原理，任何信號的頻域受限和時域受限不可能同時成立。因此基帶信號要滿足在頻域上的無失真?zhèn)鬏?，信號其波形在時域上必定是無限延伸的，這就帶來

8、了各碼元間相互串?dāng)_問題。造成判決錯誤的主要原因是噪聲和由于傳輸特性（包括發(fā)、收濾波器和信道特性）不良引起的碼間串?dāng)_。基帶脈沖序列通過系統(tǒng)時，系統(tǒng)的濾波作用使脈沖拖寬，在時間上，它們重疊到鄰近時隙中去。接收端在按約定的時隙對各點(diǎn)進(jìn)行抽樣，并以抽樣時刻測定的信號幅度為依據(jù)進(jìn)行判決，來導(dǎo)出原脈沖的消息。若重疊到鄰接時隙內(nèi)的信號太強(qiáng)，就可能發(fā)生錯誤判決。若相鄰脈沖的拖尾相加超過判決門限，則會使發(fā)送的“0”判為“1”。實(shí)際中可能出現(xiàn)好幾個鄰近脈沖的拖尾疊加，這種脈沖重疊，并在接收端造成判決困難的現(xiàn)象叫做碼間串?dāng)_。因此可以看出，傳輸基帶信號受到約束的主要因素是系統(tǒng)的頻率特性。當(dāng)然可以有意地加寬傳輸頻帶使這

9、種干擾減小到任意程度。然而這會導(dǎo)致不必要地浪費(fèi)帶寬。如果展寬得太多還會將過大的噪聲引入系統(tǒng)。因此應(yīng)該探索另外的代替途徑，即通過設(shè)計(jì)信號波形，或采用合適的傳輸濾波器，以便在最小傳輸帶寬的條件下大大減小或消除這種干擾。奈奎斯特第一準(zhǔn)則解決了消除這種碼間干擾的問題，并指出信道帶寬與碼速率的基本關(guān)系。即： 式中為傳碼率，單位為比特/每秒（bps）。和分別為理想信道的低通截止頻率和奈奎斯特帶寬。上式說明了理想信道的頻帶利用率為實(shí)際上，具有理想低通特性的信道是難以實(shí)現(xiàn)的，而實(shí)際應(yīng)用的是具有滾降特性的信道。其帶寬較奈奎斯特帶寬增加的程度滾降系數(shù)可以表示為 其中B表示滾降信道的帶寬。由于升余弦滾降濾波特性可使

10、傳輸信號具有較大的功率，且收斂快而減小碼間干擾，故已得到了廣泛的應(yīng)用。眼圖原理：眼圖張開的寬度決定了接收波形可以不受串?dāng)_影響而抽樣再生的時間間隔。顯然，最佳抽樣時刻應(yīng)選在眼睛張開最大的時刻。眼圖斜邊的斜率，表示系統(tǒng)對定時抖動（或誤差）的靈敏度，斜邊越陡，系統(tǒng)對定時抖動越敏感。眼圖左（右）角陰影部分的水平寬度表示信號零點(diǎn)的變化范圍，稱為零點(diǎn)失真量，在許多接收設(shè)備中，定時信息是由信號零點(diǎn)位置來提取的，對于這種設(shè)備零點(diǎn)失真量很重要。在抽樣時刻，陰影區(qū)的垂直寬度表示最大信號失真量。在抽樣時刻上、下兩陰影區(qū)間隔的一半是最小噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就有可能發(fā)生錯誤判決；橫軸對應(yīng)判決門限電平。系統(tǒng)框圖：參

11、數(shù)設(shè)置：Token0：SourceNoise/PNPn Seg（幅度1V，頻率10HZ，電平數(shù)2，偏移0V，產(chǎn)生單極性不歸零碼，隨機(jī)產(chǎn)生）Token3：在專業(yè)庫中選擇CommProcessorsP shape（Select pulse ShapeRectangular，Time offset0，Width0.01s，產(chǎn)生矩形脈沖基帶信號）Token2：SourceNoise/PNGauss Noise（均值為0，均方差為0.1的高斯白噪聲）Token14：OperatorFilters/systemsLiner Sys Filters（comm-Raised cosine，design,Sym

12、bol Rate=10.e-3;Decimate By1,Quant Bit=None;Roll-off Factor=0.5,Tap=512）Token6：OperatorSample/HoldSample（Sample rate=10HZ，用于對濾波后的波形進(jìn)行抽樣，抽樣速率等于碼元速率）Token7：OperatorSample/HoldHold（Hold Value=Last Sample，Gain1，對抽樣后的值延時一段時間，得到恢復(fù)后的數(shù)字基帶信號）Token8：OperatorLogicCompare（Select comparison：a>=b True Output=1

13、V，F(xiàn)alse Output-1V，對抽樣值進(jìn)行判決比較，得到輸出碼元波形）Token9：產(chǎn)生正弦信號，作為比較器的另一個比較輸入（振幅0V，頻率10Hz）眼圖參數(shù)設(shè)置：Sink Calculatorstyleslicestart0，Length0.25系統(tǒng)定時設(shè)置：Start Time：0 ，Stop Time：0.5， Sample Rate：10000Hz三：實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄1、原始基帶信號2、加入噪聲后的基帶信號（高斯白噪聲，方差0.01）3、經(jīng)過根升余弦濾波器后的輸出波形4、經(jīng)過抽樣判決后的輸出波形5、經(jīng)過根升余弦濾波器后輸出波形的眼圖四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析信道中加入的噪聲干擾越大，眼圖越不清晰，越雜亂。當(dāng)信道中噪聲方差為0.5時，根升余弦濾波器輸出信號波形的眼圖如圖所示：與之前噪聲方差為0.1