數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)仿真實現(xiàn)90

1、*實踐教學 *蘭州理工大學計算機與通信學院 2012年秋季學期通信系統(tǒng)綜合訓練題 目：數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)的仿真實現(xiàn) 專業(yè)班級： 通信四班 姓 名： 學 號： 指導教師： 陳海燕 成 績： 1摘要 本次綜合訓練主要是對頻帶傳輸系統(tǒng)的仿真的實現(xiàn)。在設(shè)計基帶傳輸系統(tǒng)時，通過對原理的分析和實現(xiàn)過程中的實際操作問題的解決方便，采用仿真工具SIMULINK設(shè)計數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實驗軟件的系統(tǒng)定義,模型構(gòu)造的過程,通過對仿真結(jié)果分析和誤碼性能測試表明該仿真系統(tǒng)完全符合實驗要求仿真系統(tǒng)分析與設(shè)計數(shù)字基帶傳輸系。關(guān)鍵詞：Simulink；眼圖；數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)；2前言 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是通信原理課程中非常重

2、要的一部分基礎(chǔ)性內(nèi)容, 了使學生加深對通信系統(tǒng)的理解，其中的一些概念原理往往需要用實驗來澄清，但是該實驗的實驗板在市場上沒有銷售，而且該實驗幾乎無法用硬件實現(xiàn)，一些替代性的實驗，其實驗結(jié)果由于受多種因素影響，也往往不能滿足要求因此開發(fā)一套數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實驗軟件是很有必要的，在仿真軟件設(shè)計中采用了MAth Work公司的MATLAB作為仿真工具,其仿真平臺SIMULINK具有可視化建模和動態(tài)仿真的功能,用SIMULINK構(gòu)造仿真系統(tǒng),方法簡單直觀,開發(fā)的仿真系統(tǒng)使用時間流動態(tài)仿真,可以準確描述真實系統(tǒng)的每一細節(jié),并且在仿真進行的同時具有較強的交互功能,易于使用,另外該軟件還具有較好的可擴展

3、性和可維護性.本文給出了采用仿真工具SIMULINK設(shè)計數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實驗軟件的系統(tǒng)定義,模型構(gòu)造的過程,通過對仿真結(jié)果分析和誤碼性能測試表明該仿真系統(tǒng)完全符合實驗要求仿真系統(tǒng)分析與設(shè)計數(shù)字基帶傳輸系. 目錄 第1章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)11.1 概述11.2 數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介11.2.1 數(shù)字基帶信號11.2.2 數(shù)字基帶傳輸11.2.3 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)21.2.4 數(shù)字基帶傳輸?shù)囊蠹俺Ｓ么a型313 基帶系統(tǒng)傳輸模型及工作原理314基帶系統(tǒng)設(shè)計中的碼間干擾及噪聲干擾4第二章 SIMULINK軟件各子系統(tǒng)的設(shè)計521 信源522 發(fā)送濾波器和接收濾波器、信道823 抽樣判決器10第三章

4、 仿真結(jié)果分析1231 基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計總圖及各點輸出波形1232 眼圖觀測結(jié)果1333 發(fā)送信號和接收信號的功率譜14總結(jié)16參考文獻17致謝18第1章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)1.1 概述數(shù)字通信系統(tǒng)主要的兩種通信模式:數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)，數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。數(shù)字基帶信號 指未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號，它所占據(jù)的頻譜是從零頻或很低頻率開始的。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 指不經(jīng)載波調(diào)制而直接傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)，常用于傳輸距離不太遠的情況下。研究數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的原因：實際中，基帶傳輸不如頻帶傳輸應(yīng)用廣泛，但對基帶傳輸?shù)难芯咳杂蟹浅Ｖ匾囊饬x。這是因為：第一，數(shù)字基帶系統(tǒng)在近程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中廣泛采用；第二，數(shù)字

5、基帶系統(tǒng)的許多問題也是頻帶傳輸系統(tǒng)必須考慮的問題；第三，隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，基帶傳輸這種方式也有迅速發(fā)展的趨勢，它不僅用于低速數(shù)據(jù)傳輸，而且還用于高速數(shù)據(jù)傳輸；第四，在理論上，任何一個線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以有一個等效的基帶載波調(diào)制系統(tǒng)所替代。因此，很有必要對基帶傳輸系統(tǒng)進行綜合系統(tǒng)的分析。1.2 數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介1.2.1 數(shù)字基帶信號數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸對象通常是二進制數(shù)字信息。它可能是來自計算機、網(wǎng)絡(luò)或其他數(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。數(shù)字信息在一般情況下可以表示為一個數(shù)字序列：，,簡記為。是數(shù)字序列的基本單元，稱為碼元。每一個碼元只能取離

6、散的有限個值，例如在二進制中，取0或1兩個值；在M進制中，取0，1，2，M.1等M個值，或者取二進制碼的M種排列。由于碼元只有有限個可能取值，所以通常用不同幅度的脈沖表示碼元的不同取值，例如用幅度為A的矩形脈沖表示1，用幅度為.A的矩形脈沖表示為0。這種脈沖信號被稱為數(shù)字基帶信號，這是因為它們所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開始。1.2.2 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)基帶波形被脈沖變換器變換成適應(yīng)信道傳輸?shù)拇a型后，就送入信道，一方面受到信道特性的影響，使信號產(chǎn)生畸變；另一方面信號被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號的隨即畸變。因此，在接收端必須有一個接收濾波器，使噪聲盡可能受到抑制，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在安

7、排一個有限整形器和抽樣判決器組成的識別電路，進一步排除噪聲干擾和提取有用信號。對于抽樣判決，必須有同步信號提取電路。在基帶傳輸中，主要采用位同步。同步信號的提取方式采用自同步方式（直接法）。同步系統(tǒng)性能的好壞將直接影響通信質(zhì)量的好壞，甚至會影響通信能否正常進行。1.2.3 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)基帶傳輸包含著數(shù)字通信技術(shù)的許多問題，頻帶傳輸是基帶信號調(diào)制后再傳輸?shù)?，因此頻帶傳輸也存在基帶問題?；鶐鬏?shù)脑S多問題，頻帶傳輸同樣須考慮。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)字傳輸系統(tǒng)均可等效為基帶傳輸系統(tǒng)。理論上還可證明，任何一個采用線性調(diào)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)

8、來代替。數(shù)字基帶系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。信道信號形成器信道接收濾波器抽樣判決器判決器同步提取數(shù)字帶信號圖1.1 信道信號形成器：基帶傳輸系統(tǒng)的輸入是由終端設(shè)備或編碼器產(chǎn)生的脈沖序列，它不一定適合直接在信道中傳輸。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?shù)幕鶐盘?，這種變換主要是通過碼型變換和波形變換來實現(xiàn)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：允許基帶信號通過的媒質(zhì)。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?shù)挠绊懼饕蔷€形畸變；隨參信道如（短波電

9、離層反射、對流層散射信道等）對信號傳輸?shù)挠绊懼饕蓄l率彌散現(xiàn)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。在通信系統(tǒng)的分析中，常常把噪聲n(t)等效，集中在信道中引入。接收濾波器：主要作用是濾除帶外噪聲，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行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。自同步法的同步提取電路：有兩部分組成，包括非線型變換處理電路和窄帶濾波器或鎖相環(huán)。非線型變換處理電路的作用是使接收信號或解調(diào)后的數(shù)字基帶信號經(jīng)過非線型變換處理電路后含有位同步分量或位同步信息。窄帶濾

10、波器或鎖相環(huán)的作用是濾除噪聲和其他頻譜分量，提取純凈的位同步信號。1.2.4 數(shù)字基帶傳輸?shù)囊蠹俺Ｓ么a型在實際基帶傳輸系統(tǒng)中，并非所有的原始基帶數(shù)字信號都能在信道中傳輸。例如，有的信號含有豐富的直流和低頻成分，不便提取同步信號；有的信號易于形成碼間串擾等。因此，基帶傳輸系統(tǒng)首先面臨的問題是選擇什么樣的信號形式，即傳輸碼型的選擇和基帶脈沖波形的選擇。為了在傳輸信道中獲得優(yōu)良的傳輸特性，一般要將信碼信號變化為適合于信道傳輸特性的傳輸碼，即進行適當?shù)拇a型變換。對傳輸碼型的要求如下：（1） 傳輸信號的頻譜中不應(yīng)有直流分量，低頻分量和高頻分量也要小。（2） 碼型中應(yīng)包含定時信息，有利于定時信息的提取，

11、盡量減小定時抖動。（3） 碼型變換設(shè)備要簡單可靠。（4） 碼型具有一定檢錯能力，若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，則可根據(jù)這一規(guī)律性檢測傳輸質(zhì)量，以便做到自動檢測。（5） 編碼對信息類型不應(yīng)有任何限制，即對信源具有透明性。13 基帶系統(tǒng)傳輸模型及工作原理 基帶系統(tǒng)傳輸模型如圖1.1所示。系統(tǒng)總的傳輸特性為H()=GT()C()GR()，n(t)是信道中的噪聲。 基帶系統(tǒng)的工作原理：信源是不經(jīng)過調(diào)制解調(diào)的數(shù)字基帶信號，信源在發(fā)送端經(jīng)過發(fā)送濾波器形成適合信道傳輸?shù)拇a型，經(jīng)過含有加性噪聲的有線信道后，在接收端通過接收濾波器的濾波去噪，由抽樣判決器進一步去噪恢復(fù)基帶信號，從而完成基帶信號的傳輸。 14基帶系統(tǒng)

12、設(shè)計中的碼間干擾及噪聲干擾 碼間干擾及噪聲干擾將造成基帶系統(tǒng)傳輸誤碼率的提升，影響基帶系統(tǒng)工作性能。碼間干擾及解決方案   碼間干擾：由于基帶信號受信道傳輸時延的影響，信號波形將被延遲從而擴展到下一碼元，形成碼間干擾，造成系統(tǒng)誤碼。   解決方案：要求基帶系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H()滿足奈奎斯特第一準則1-1：       1-1若不能滿足奈奎斯特第一準則，在接收端加入時域均衡，減小碼間干擾。基帶系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)H()應(yīng)具有升余弦滾降特性。這樣對應(yīng)的h(t)拖尾收斂速度快，能夠減小抽樣時刻對其他信號的影響即減小碼間

13、干擾。噪聲干擾及解決方案噪聲干擾：基帶信號沒有經(jīng)過調(diào)制就直接在含有加性噪聲的信道中傳輸，加性噪聲會疊加 在信號上導致信號波形發(fā)生畸變。解決方案： 在接收端進行抽樣判決；匹配濾波，使得系統(tǒng)輸出信噪比最大第二章 SIMULINK軟件各子系統(tǒng)的設(shè)計21 信源 1)常見的基帶信號波形有：單極性波形、雙極性波形、單極性歸零波形和雙極性歸零波形。雙極性波形可用正負電平的脈沖分別表示二進制碼“1”和“0”，故當“1”和“O”等概率出現(xiàn)時無直流分量，有利于在信道中傳輸，且在接收端恢復(fù)信號的判決電平為零，抗干擾能力較強。而單極性波形的極性單一，雖然易于用TTL，CMOS電路產(chǎn)生，但直流分量大，要求傳輸

14、線路具有直流傳輸能力，不利于信道傳輸。   2)歸零信號的占空比小于1，即：電脈沖寬度小于碼元寬度，每個有電脈沖在小于碼元長度內(nèi)總要回到零電平，這樣的波形有利于同步脈沖的提取。   3)基于以上考慮采用雙極性歸零碼曼徹斯特碼作為基帶信號。 曼徹斯特的編碼規(guī)則是這樣的，即將二級制碼“1”編成“10"，將“0”碼編成“01”，在這里由于采用了二進制雙極性碼，則將“1”編成“+1.1”碼，而將“0”碼編成“.1+1”碼。根據(jù)31小節(jié)的理論分析，采用SIMULINK中的Bernoulli Binary Generator(不歸零二進制碼生成器)、Uni

15、polar to Bipolar Converter（單極性向雙極性轉(zhuǎn)換器）、Pulse Generator(脈沖生成器)、Constant(常數(shù)源模塊)、Add（加法器）、Product（乘法器）、Scope(示波器)構(gòu)成曼徹斯特碼的生成電路。模型連接方法如圖2.1所示： 圖2.1曼切斯特碼如圖2.2所示 圖2.2模塊參數(shù)設(shè)置如圖2.3和2.4所示 圖2.3 圖 2.4 圖2.5模塊參數(shù)設(shè)置：Bernoulli Binary Generator(不歸零二進制碼生成器)的Prpbability of a zero(零碼概率)設(shè)為05，Sample time(采樣時間)設(shè)為0.001。Pulse

16、 Generator(脈沖生成器)的Amplitude(幅度)設(shè)為2，Period設(shè)為2，Pulse width (脈沖寬度)設(shè)為1，占空比為1/2， Phase delay(相位延遲)設(shè)為0，表示不經(jīng)過延遲，Sample time設(shè)置為1/2000。Unipolar to Bipolar Converter（單極性向雙極性轉(zhuǎn)換器）的M.ary number設(shè)為2。Constant(常數(shù)源模塊)的Constant value設(shè)為.1。  Bernoulli Binary Generator 用于產(chǎn)生1和0的隨機信號，經(jīng)過Unipolar to Bipolar Convert

17、er 變?yōu)殡p極性信號；Pulse Generator用于產(chǎn)生占空比為1/2的單極性歸零脈沖(2020)，經(jīng)過Add加法電路減一后成為雙極性脈沖(+1.1+1.1)。兩路雙極性信號成為乘法器Product的輸入，相乘后的結(jié)果是：第1路不歸零碼的1碼與第2路(+1.1)碼相乘得到(+1.1)，第1路.1碼與第2路(+1.1)碼相乘得到(.1+1)碼，這就是曼徹斯特碼。22 發(fā)送濾波器和接收濾波器、信道   基帶系統(tǒng)設(shè)計的核心問題是濾波器的選取，根據(jù)12的分析，為了使系統(tǒng)沖激響應(yīng)h(t)拖尾收斂速度加快，減小抽樣時刻偏差造成的碼間干擾問題，要求發(fā)送濾波器應(yīng)具有升余弦滾降特性；要得

18、到最大輸出信噪比，就要使接收濾波器特性與其輸入信號的頻譜共扼匹配同時系統(tǒng)函數(shù)滿足：H()=GT()GR()考慮在t0時刻取樣，上述方程改寫為  H()=GT()，GR()，于是求解出，因此，在構(gòu)造最佳基帶傳輸系統(tǒng)時要使用平方根升余弦濾波器作為發(fā)送端和接收端的濾波器。為了減小碼間干擾，在最大輸出信噪比時刻輸出信號，減小噪聲干擾，傳輸模塊由Upsample(內(nèi)插函數(shù))、Discrete Filter根升余弦傳輸濾波器、AWGN Channel(高斯信道)、Discrete Filter根升余弦接收濾波器模塊組成，其設(shè)計框圖如圖2.3所示： 圖2.6模塊參數(shù)設(shè)置：Upsample的Upsa

19、mple factor設(shè)為10，Discrete Filter根升余弦傳輸濾波器的Numerator設(shè)為rcosine(2,10,'fir/sqrt',0.5,10)，Sample time設(shè)為1/10000，AWGN Channel(高斯信道)的Mode選為SNR，SNR設(shè)為11，Discrete Filter根升余弦接收濾波器設(shè)置與傳輸濾波器模塊相同。模塊參數(shù)設(shè)置圖如圖所示。 圖2.7 圖2.8 圖2.924 抽樣判決器  抽樣判決器是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時刻(由位定時脈沖控制)對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。抽

20、樣判決關(guān)鍵在于判決門限的確定，由于本次設(shè)計采用雙極性碼，故判決門限為023 抽樣判決器利用Pulse Generatorl、Product、Relay、Triggered Subsystem、Downsample構(gòu)成抽樣判決電路，并通過Pulse Generatorl、Constant、Add、Product模塊對接收到的曼徹斯特碼進行解碼，其抽樣判決電路及曼徹斯特碼解碼電路如圖3.4所示： 圖2.10模塊參數(shù)設(shè)置：Pulse Generatorl的Amplitude設(shè)為1，Period設(shè)為10，Pulse width設(shè)為1，Sample time設(shè)為1/20000；Relay的Switch

21、on point和Switch off point都設(shè)為0，Output when on設(shè)為1，Output when off設(shè)為.1，當采樣點的幅值大于0則判為1，小于0則判為.1；Downsample的Downsample factor設(shè)為10；曼徹斯特碼解碼模塊與編碼模塊設(shè)置相同。兩路雙極性信號成為乘法器Product的輸入，相乘后的結(jié)果是：第1路不歸零碼的（+1.1）碼與第2路(+1.1)碼相乘得到+1碼，第1路（.1+1）碼與第2路(+1.1)碼相乘得到.1碼，這就對曼徹斯特碼進行了解碼。模塊參數(shù)設(shè)置如下圖 圖2.11 第三章 仿真結(jié)果分析31 基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計總圖及各點輸出波形基帶

22、傳輸系統(tǒng)的設(shè)計總圖以及傳輸過程中的各點波形分別如圖4.1所示 圖3.1Scope1的波形如圖3.2所示： 圖3.2第一行波形是對曼徹斯特碼進行10被升速率采樣后的波形，將該信號送到傳輸濾波器中，濾除高頻成分得到第二行波形，第三行是第二行波形進過加性高斯白噪聲信道傳輸并通過接收濾波器濾除噪聲后的波形，第四行是經(jīng)過抽樣判決器抽樣和判決再生產(chǎn)生的曼徹斯特碼。 從圖中的波形來看，傳輸是有效的。第一行是信源端發(fā)送的信號波形，第二行是接收端收到的信號波形，與第一行的基帶信號比較，波形相同，這說明所設(shè)計的基帶系統(tǒng)沒有產(chǎn)生誤碼，達到了抗碼間干擾和抗噪聲干擾的目的。32 眼圖觀測結(jié)果下圖3.4為接收濾波器觀察到

23、的眼圖，從圖中可看出，在信噪比為15 dB下觀察眼圖，“眼睛”睜開的角度很大，且沒有“雜線”，說明系統(tǒng)在該信噪比下具有很好的抗碼間干擾能力。 圖3.433 發(fā)送信號和接收信號的功率譜 圖3.5左邊為發(fā)射信號功率譜,左邊為及接收信號功率譜34傳輸過程的誤碼率當加性高斯白信道信噪比(SNR)為11dB時誤碼率約為0.0002當加性高斯白信道信噪比(SNR)為12dB時誤碼率約為0.00003當加性高斯白信道信噪比(SNR)為13dB時誤碼率為0SNR為11dB時的誤碼率 SNR為12dB時的誤碼率 SNR為12dB時的誤碼率通過上圖的分析,誤碼率產(chǎn)生的主要原因是信道中信噪比的大小,噪聲過大會對信號造成干擾,從而使接收端產(chǎn)生誤碼。 總結(jié) 本次綜合訓練對數(shù)字基帶信號傳輸?shù)奶匦赃M行了分析，并通過對基帶傳輸理論的深入理解，運用數(shù)值仿真的方法，對基帶傳輸?shù)奶匦宰髁四M。研究結(jié)果表明，傳輸基帶信號受到約束的主要因素是系統(tǒng)的頻率特性。當然可以有意地加寬傳輸頻帶使這種干擾減小到任意程度。然而這會導致不必要地浪費帶寬。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