數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)(終稿)

1、 課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)( (論文論文) )題題 目目 數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱學(xué)院名稱 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 職職 稱稱 班班 級級 學(xué)學(xué) 號號 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 2016年 9 月 14 日 目 錄任務(wù)書 .I中文摘要.IV英文摘要.V1. 緒論.12. MATLAB軟件介紹.13. 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng).23.1概述.23.2 數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介 .33.3 數(shù)字基帶傳輸?shù)囊蠹俺Ｓ么a型 .54. 基帶傳輸系統(tǒng)特性的研究.54.1基帶傳輸?shù)墓β首V研究.54.2基帶系統(tǒng)的基帶傳輸特性.85. 基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真.95.1AMI碼功率譜計(jì)算

2、 .95.2 HDB3碼功率譜計(jì)算.105.3 CMI碼功率譜計(jì)算.125.4 SIMULINK下數(shù)字基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì).135.5數(shù)字基帶系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析.166. 收獲與體會.19 7. 參考文獻(xiàn).208. 附錄：源程序清單.21 i通信原理通信原理課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書任務(wù)書學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 題 目： 數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 起止時(shí)間： 2016年9月1日至2016年9月14日 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè) 班 級： 指 導(dǎo) 教 師： 教研室主 任： 院 長： 2016年9月1日 ii1課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：(1)技術(shù)要求：設(shè)計(jì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，采

3、用matlab語言編寫各種碼型產(chǎn)生代碼，得到各種碼型功率譜曲線，編程計(jì)算數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)的誤碼率，編程實(shí)現(xiàn)基帶信號傳輸?shù)臄_碼和解擾。(2)工作要求：查閱參考文獻(xiàn)，利用通信原理基本理論，分析系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方框圖；掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，利用Matlab/Systemview/Multisim等軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，具備獨(dú)立設(shè)計(jì)能力；熟悉通信系統(tǒng)的調(diào)試和測量方法；掌握電子電路安裝調(diào)試技術(shù)，選擇合適的元器件搭接實(shí)際電路，掌握電路的測試和故障排除方法，提高分析問題和解決問題的能力。 2對課程設(shè)計(jì)成果的要求包括圖表（或?qū)嵨铮┑扔布螅涸O(shè)計(jì)系統(tǒng)方框圖，對系統(tǒng)方框圖進(jìn)行仿真，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。撰寫設(shè)計(jì)

4、說明書，書寫格式規(guī)范，語言流暢簡潔，文字不得少于3000字。要求圖表清晰，分析通徹，有理有據(jù)。3主要參考文獻(xiàn)：1樊昌信.通信原理（第6版）M.北京：電子工業(yè)出版社,2012,12.2樊昌信,曹麗娜 .通信原理教程(第3版)M.北京：國防工業(yè)出版社,2006,9.3劉學(xué)勇 .詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真M.北京：電子工業(yè)出版社,2011,11.4張水英 ,徐偉強(qiáng) .通信原理及MATLAB/Simulink仿真M.北京：人民郵電出版社,2012,9.5趙鴻圖,茅艷 .通信原理MATLAB仿真教程M.北京：人民郵電出版社,2010,11. iii6趙靜 ,張瑾 .基于MATL

5、AB的通信系統(tǒng)仿真M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2010,1.7趙謙 .通信系統(tǒng)中MATLAB基礎(chǔ)與仿真應(yīng)用M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2010,3.8徐明遠(yuǎn) ,邵玉斌 . MATLAB仿真在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2011,4.9邵玉斌 .Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析M.北京：清華大學(xué)出版社,2008, 6.10邵佳 ,董辰輝 . MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例精講M.北京：電子工業(yè)出版社,2009, 6.11黃智偉 .基于NI Multisim的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析(修訂版)M.北京：電子工業(yè)出版

6、社,2011, 6.12孫屹 ,戴妍峰 . SystemView通信仿真開發(fā)手冊M.北京：國防工業(yè)出版社,2004,11.13青松,程岱松,武建華 .數(shù)字通信系統(tǒng)的SystemView仿真與分析M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2001,6.4課程設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃：序號起 迄 日 期工 作 內(nèi) 容12016.9.12016.9.3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)22016.9.42016.9.8利用Matlab/Systemview/Multisim等軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)32016.9.92016.9.12通信系統(tǒng)的調(diào)試和測量，排除故障，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果42016.9.13 2016.9.14整理設(shè)計(jì)報(bào)告指導(dǎo)教師日期：

7、2016 年 8 月31日南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) iv摘要：摘要：數(shù)字通信系統(tǒng)主要有兩種通信模式：數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)，數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號所占據(jù)的頻譜是從零頻或者很低頻率開始，稱為數(shù)字基帶信號；不經(jīng)載波調(diào)制而直接傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)，稱為數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)?；鶐鬏敵Ｓ么a型：AMI碼（傳號交替反轉(zhuǎn)碼）、HDB3碼（三階高密度雙極性碼）、雙相碼、差分雙相碼、密勒碼、CMI碼（傳號反轉(zhuǎn)碼）、塊編碼等。論文主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，采用MATLAB軟件仿真，編寫各種碼型產(chǎn)生代碼，得到各種碼型功率譜曲線，編程計(jì)算數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)的誤碼率，編程實(shí)現(xiàn)基帶信號傳輸?shù)?/p>

8、擾碼和解擾。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)；基帶傳輸碼型；MATLAB軟件仿真南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) vAbstract: Digital communication system mainly has two modes of communication: the digital band transmission communication systems, digital baseband transmission communication system.Spectrum digital signal unmodulated occupied from zero frequ

9、ency or low frequency start, called digital baseband signal; without a carrier modulation transmission systems and direct digital baseband signal, called a digital baseband signal transmission system.Baseband transmission common pattern: AMI code (mark bipolar encoding), HDB3 code (third-order high-

10、density bipolar code), bipolar code, differential duplex code, Miller code, CMI code (Mark Inversion code), block coding.The main contents are designed digital baseband transmission system using MATLAB software simulation, the preparation of various patterns generated code to get the error rate of v

11、arious patterns of power spectrum curve, programmed to calculate baseband digital signal transmission system, programming the baseband signal transmission scrambling and descrambling.Key words: Digital baseband transmission system ; Baseband transmission code ; MATLAB simulation 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 1 頁

12、共 27頁1 緒論數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，例如數(shù)字移動通信、數(shù)字衛(wèi)星通信、數(shù)字電視廣播、數(shù)字光纖通信、數(shù)字微波通信、數(shù)字視頻通信、多媒體通信等等。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)。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸?shù)膶ο笸ǔＪ嵌M(jìn)制數(shù)字信號，它可能是來自計(jì)算機(jī)、電傳打字機(jī)或其它數(shù)字設(shè)備的各種數(shù)字脈沖，也可能是來自數(shù)字電話終端的脈沖編碼調(diào)制（PCM）信號。這些二進(jìn)制數(shù)字信號的頻帶范圍通常從直流和低頻開始，直到某一頻率fm，我們稱這種信號為數(shù)字基帶信號。在某些有線信道中，特別是在傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下，數(shù)字基帶信號可以不經(jīng)過調(diào)制和解調(diào)過程在信道中直接傳送，這種

13、不使用調(diào)制和解調(diào)設(shè)備而直接傳輸基帶信號的通信系統(tǒng)，我們稱它為基帶傳輸系統(tǒng)。而在另外一些信道，特別是無線信道和光信道中，數(shù)字基帶信號則必須經(jīng)過調(diào)制過程，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸，相應(yīng)地，在接收端必須經(jīng)過解調(diào)過程才能恢復(fù)數(shù)字基帶信號，我們把這種包括了調(diào)制和解調(diào)過程的傳輸系統(tǒng)稱為數(shù)字載波傳輸系統(tǒng)。一種不搬移基帶信號頻譜的傳輸方式，未對載波調(diào)制的待傳信號稱為基帶信號，它所占的頻帶稱為基帶，基帶的高限頻率與低限頻率之比通常遠(yuǎn)大于1。由信號源產(chǎn)生或形成的數(shù)字信號都有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是它的頻譜都是從零頻或零頻附近開始一直擴(kuò)展到很寬，這種信號稱為數(shù)字基帶信號。實(shí)際中，基帶傳輸不如頻帶傳輸應(yīng)用廣泛

14、，但對基帶傳輸?shù)难芯咳匀挥蟹浅Ｖ匾囊饬x。這是因?yàn)椋菏紫?，?shù)字基帶系統(tǒng)在進(jìn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛；其次，數(shù)字基帶系統(tǒng)的許多問題也是頻帶傳輸系統(tǒng)必須考慮的問題；然后，隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，基帶傳輸也有迅速發(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；最后，在理論上，任何一個(gè)線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以有一個(gè)等效的基帶載波調(diào)制系統(tǒng)所代替。因此，很有必要對基帶傳輸系統(tǒng)進(jìn)行綜合系統(tǒng)的分析。南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 2 頁 共 27頁2 2 MATLABMATLAB軟件介紹軟件介紹美國MATHWORK公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（縮寫為MATL

15、AB）軟件包，不斷更新和擴(kuò)充。它是一種功能強(qiáng)、效率高便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué),工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，c+ ，JAVA的支持。可以直接調(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，MATLAB的基礎(chǔ)是矩陣計(jì)算，但是由于他的開放性，并且mathwork也吸收了像maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLA

16、B成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。當(dāng)前流行的MATLAB 包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。Matlab的優(yōu)勢和特點(diǎn)：（1） 友好的工作平臺和編程環(huán)境（2） 簡單易用的程序語言（3） 強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力（4） 出色的圖形處理功能（5） 應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱（6） 實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺（7） 應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）MATLAB工具有很強(qiáng)的仿真

17、能力可以仿真NR碼、NRZ碼、AMI碼、HDB3碼等各種編碼及分析其功率譜。同時(shí)可以仿真通信系統(tǒng)的應(yīng)用。南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 3 頁 共 27頁3 3 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)3.13.1 概述概述通信的根本任務(wù)是遠(yuǎn)距離傳輸信息，準(zhǔn)確地傳輸數(shù)字信息是數(shù)字通信中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。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。它可能是來自計(jì)算機(jī)、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(gè)數(shù)字序列：，a2,a1,a0,a1,a2,an,簡記為。是數(shù)字序列的基本單元，稱為碼元。每一個(gè)碼元只能取離散anan的有限個(gè)值，例

18、如在二進(jìn)制中，取0或1兩個(gè)值；在M進(jìn)制中，取0，1，2，ananM-1等M個(gè)值，或者取二進(jìn)制碼的M種排列。由于碼元只有有限個(gè)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?yàn)樗鼈兯紦?jù)的頻帶通常從直流和低頻開始。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中所傳輸?shù)耐ǔＪ嵌獢?shù)字信號。設(shè)計(jì)數(shù)字傳輸系統(tǒng)要考慮的基本想法是選擇一組有限個(gè)離散的波形來表示數(shù)字信息。這些離散波形可以是載波進(jìn)行調(diào)制后的波形,也可以是不經(jīng)過調(diào)制的不同電平信號。來自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號，或者是來自模擬信號經(jīng)數(shù)字化處理后的PCM碼組，M序列等等都是

19、基帶數(shù)字信號。 這些信號往往包含豐富的低頻分量。有些場合可以不經(jīng)過載波調(diào)制和解調(diào)過程而直接傳輸，稱為基帶傳輸。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(gè)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，在安排一個(gè)有限整形器和抽樣判決器組成的識別電路，進(jìn)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）。同南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 4 頁 共 27頁

20、步系統(tǒng)性能的好壞將直接影響通信質(zhì)量的好壞，甚至?xí)绊懲ㄐ拍芊裾＿M(jìn)行。3.23.2 數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介基帶傳輸包含著數(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)模虼祟l帶傳輸也存在基帶問題。基帶傳輸?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(gè)采用線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以由一個(gè)等效的基帶傳輸系統(tǒng)來代替。數(shù)字基帶系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。信道信號形成器信道接收濾波器抽樣判決器同步提取數(shù)字基帶信號)(tn)(wGT)(wC)(wGR信道信號形成器：基帶傳輸系統(tǒng)的

21、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盘枺@種變換主要是通過碼型變換和波形變換來實(shí)現(xiàn)的，其目的是與信道匹配，便于傳輸，減小碼間串?dāng)_，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

22、常把噪聲n(t)等效，集中在信道中引入。圖3.1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 5 頁 共 27頁接收濾波器：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(shí)脈沖控制的特殊點(diǎn)對接收濾波器的輸出波形進(jìn)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。3.3

23、3.3 數(shù)字基帶傳輸?shù)囊蠹俺Ｓ么a型數(shù)字基帶傳輸?shù)囊蠹俺Ｓ么a型在實(shí)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?dāng)_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(jìn)行適當(dāng)?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(shí)信息，有利于定時(shí)信息的提取，盡量減小定時(shí)抖動。（3）碼型變換設(shè)備要簡單可靠

24、。（4）碼型具有一定檢錯(cuò)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。常用的碼型有AMI碼、HDB3碼、分相碼、反轉(zhuǎn)碼AMI等。4 4 基帶傳輸系統(tǒng)特性的研究基帶傳輸系統(tǒng)特性的研究4.14.1 基帶傳輸?shù)墓β首V研究基帶傳輸?shù)墓β首V研究在通信中，除測試信號外，數(shù)字基帶信號通常都是隨機(jī)脈沖序列。因?yàn)槿粼跀?shù)字南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 6 頁 共 27頁通信系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)字序列不是隨機(jī)的，而是確知的，則消息就不攜帶任何信息，通信就失去意義。研究隨機(jī)脈沖序列的頻譜，要從統(tǒng)計(jì)分析的角度出發(fā)，研究它的功率譜密度

25、。設(shè)一個(gè)二進(jìn)制隨機(jī)脈沖序列如圖4.1所示。這里g1（t）和g2（t）分別代表符號的0和1，Ts為每一個(gè)碼元寬度。應(yīng)當(dāng)說明的是，圖中雖然把g1（t）和g2（t）都畫成了三角形（高度不同），但實(shí)際上g1（t）和g2（t）可以是任意的脈沖。)(ts)2(1STtgTs)2(2STtg圖4.1 任一隨機(jī)脈沖序列示意波形現(xiàn)在假設(shè)序列中任一碼元序列時(shí)間Ts內(nèi)g1（t）和g2（t）出現(xiàn)的概率分別為P，1P，且認(rèn)為它們的出現(xiàn)是互不依賴的（統(tǒng)計(jì)獨(dú)立），則該序列s(t)可寫成： )()(ttsnns （4-1）其中 隨機(jī)基帶序列)(ts的功率譜密度由于)()(tutsTT，故當(dāng)T時(shí)，)(tsT將變成)()()(t

26、vtuts于是，)(ts的功率密度譜Ps（w）最后表示為221)()()()1 ()()(fGfGPPfwPPwPsvwusPnTtgPnTtgtsssn1以概率)(以概率)()(21南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 7 頁 共 27頁)()()1 ()(221smsssmffmfGPmfPGf （4-2）式4-2是雙邊的功率譜密度表示式。如果寫成單邊的，則有)()0()1 ()0()()(0912)(2212221fGPPGffGfGPPfwPsss0),()()1 ()(221212fmffmfGPmfPGfsmsss （4-3）其中)(1fG、)(2fG分別為g1（t）、g2（t）的傅立葉

27、變換。從公式4-3可以得出如下結(jié)論：（1）隨機(jī)脈沖序列功率譜包括兩部分：連續(xù)譜和離散。（2）當(dāng)g1（t）和g2（t）、p、Ts給定后，隨機(jī)脈沖序列功率譜就確定了。（3）根據(jù)連續(xù)譜可以確定隨機(jī)序列的寬度；根據(jù)離散譜可以確定隨機(jī)序列是否包含直流成分（m=0）及定時(shí)信號(m=1)。連續(xù)譜總存在，而離散譜視情況而定。對于單極性波形：若假設(shè)g1（t）=0,g2（t）=g(t)隨機(jī)脈沖序列的功率譜密度（雙邊）為 )()()1 ()()1 ()(22smssssmffmfGPffGPPfwP （4-4）式中，)( fG是)(tg的頻譜函數(shù)。當(dāng)21p，且)(tg為矩形脈沖，即則（4-4）式將變成 )(41)(

28、4)(2ffTSaTwPsss （4-5）可知有連續(xù)譜和直流分量。對于雙極性波形：若假設(shè)g1（t）=g2（t）=g(t)，則有2)()1(4)(fGPPfwPss)()()12(2smssmffmfGPf （4-6）其它021)()(STttgtg南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 8 頁 共 27頁同理，當(dāng)21p，且)(tg為矩形脈沖，式（4-6）將變成 )()(2sssfTSaTwP （4-7）可知只有連續(xù)譜分量。由以上分析可以看出，隨機(jī)脈沖序列的功率譜密度可能包括兩個(gè)部分：連續(xù)譜 和離散譜 。對于連續(xù)譜而言，代表數(shù)字信息的g1（t）和g2（t）不能完全相同，故 ，因而 總是存在的；對于離散譜

29、來說，在一般情況下，它也總是存在的。但我們?nèi)菀子^察到，若g1（t）和g2（t）是雙極性的脈沖，且波形出現(xiàn)概率相同，則式（4-3）中的第二、第三項(xiàng)為零，故此時(shí)沒有離散譜。上述結(jié)果是十分有意義的，它一方面使我們了解隨機(jī)脈沖序列頻譜的特點(diǎn)，以及如何去具體地計(jì)算它的功率譜密度；另一方面利用它的離散譜是否存在這一特點(diǎn)，將使我們明確能否從脈沖序列中直接提取離散分量，以及采用怎樣的方法可以從基帶脈沖序列中獲得所需的離散分量。這一點(diǎn)在研究位同步、載波同步等問題時(shí)將是重要的。在MATLAB仿真時(shí)，若x是時(shí)域取樣值矢量，X是對應(yīng)的傅立葉變量，那么x的功率譜矢量：P=（X.*conj(x)）/T。 其中 conj為

30、共軛復(fù)數(shù)函數(shù)。分析數(shù)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(jù)主要功率集中在哪個(gè)頻段，可以確定信號帶寬，進(jìn)而考慮信道帶寬和傳輸網(wǎng)絡(luò)（濾波器、均衡器）的傳輸特性。同時(shí)利用它的離散譜是否存在這個(gè)特點(diǎn)，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(shí)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噪聲。4.24.2 基帶系統(tǒng)的基帶傳輸特性基帶系統(tǒng)的基帶傳輸特性基帶脈沖傳輸?shù)难芯康幕境霭l(fā)點(diǎn)，就是使基帶脈沖傳輸獲得足夠小的誤碼率，必須最大限度的減

31、小碼間串?dāng)_和隨機(jī)噪聲的影響。碼間串?dāng)_的大小取決于輸入序列和系統(tǒng)輸出波形g(t)在抽樣時(shí)刻上的取值。南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 9 頁 共 27頁)(wH)()(bnnTthaTR識別電路 na圖4.2 基帶傳輸特性的分析模型)()(bnnTtatd由于理想基帶傳輸特性實(shí)際的無法實(shí)現(xiàn)并且沖擊響應(yīng)尾巴衰減幅度大、收斂慢，從而對抽樣判決要求十分嚴(yán)格，稍有偏差就會造成碼間串?dāng)_。于是提出了升余弦特性。升余弦滾降函數(shù)： 2)/*2(1)/*2cos(*/*/*sinbbbbTTTTpiTTpiTTpith （4-1）其沖擊響應(yīng)實(shí)現(xiàn)比較容易，對定時(shí)的要求可降低要求，然而頻帶利用率卻下降。5 5 基帶傳輸

32、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真通信系統(tǒng)仿真原理：MATLAB用編程的方式在軟件上對基帶系統(tǒng)進(jìn)行仿真。考慮到實(shí)際中有噪聲的存在，以及對濾波器性能的要求，我們對基帶傳輸函數(shù)選擇升余弦滾降函數(shù)。并且實(shí)際中，我們對系統(tǒng)有較低的誤碼率，并且系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中易于完成，且成本低，我們采取匹配濾波器，在最大信噪比接收條件下對基帶最佳化。并假設(shè)信道特性理想即，且我們忽略匹配器的時(shí)延。大大的減少了編程的復(fù)雜程1)(fC度，但系統(tǒng)的誤碼率卻相差很小。為了分析仿真的可行性，并比較與理論上的研究值的差別，仿真時(shí)我們在繪出實(shí)測曲線的同時(shí)還考慮理論曲線以作以比較。如圖5.1就是一個(gè)以上所設(shè)計(jì)的基帶傳輸系統(tǒng)。由于匹

33、配器對于輸入信號的要求，碼序列我們采用隨機(jī)的沖擊序列信號。南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 10 頁 共 27頁 碼序列a發(fā)送濾波信道接收濾波碼序列a取樣判決白噪聲n0/2PeEb/n0GT(f)G(f)GR(f)圖5.1 基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖5.15.1 AMIAMI碼功率譜計(jì)算碼功率譜計(jì)算一、編碼規(guī)則:消息代碼中的0 傳輸碼中的0消息代碼中的1 傳輸碼中的+1、-1交替二、AMI碼的特點(diǎn):（1） 由AMI碼確定的基帶信號中正負(fù)脈沖交替，而0電位保持不變;所以由AMI碼確定的基帶信號無直流分量，且只有很小的低頻分量;（2）在接收端不易提取定時(shí)信號，由于它可能出現(xiàn)長的連0串;（3）具有檢錯(cuò)能力，如

34、果在整個(gè)傳輸過程中，因傳號極性交替規(guī)律受到破壞而出現(xiàn)誤碼時(shí)，在接收端很容易發(fā)現(xiàn)這種錯(cuò)誤。通過MATLAB編程產(chǎn)生AMI碼，并計(jì)算其功率譜，結(jié)果如下圖南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 11 頁 共 27頁圖5.1.1 AMI碼波形圖圖5.1.2 AMI碼功率譜圖5.25.2 HDB3HDB3碼功率譜計(jì)算碼功率譜計(jì)算HDB3碼是對AMI碼的一種改進(jìn)碼，它的全稱是三階高密度雙極性碼。其編碼規(guī)則如下：用B脈沖來保證任意兩個(gè)相連取代節(jié)的V脈沖間“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。當(dāng)相鄰V脈沖間“1”碼數(shù)為奇數(shù)時(shí)，則用“000V”取代，為偶數(shù)個(gè)時(shí)就用“B00V”取代。在V脈沖后面的“1”碼和B碼都依V脈沖的極性而正負(fù)交替改

35、變。為了討論方便，我們不管“0”碼，而把相鄰的信碼“1”和取代節(jié)中的B碼用B1B2 .Bn表示，Bn后面為V，選取“000V”或“B00V”來滿足Bn的n為奇數(shù)。當(dāng)信碼中的“1”碼依次出現(xiàn)的序列為VB1B2B3.BnVB1時(shí)，HDB3碼為.或?yàn)?。由此看出，V脈沖是可以辯認(rèn)的，這是因?yàn)锽n和其后出現(xiàn)的V有相同的極性，破壞了相鄰碼交替變號原則，我們稱V脈沖為南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 12 頁 共 27頁破壞點(diǎn)，必要時(shí)加取代節(jié)BOOV，保證n永遠(yuǎn)為奇數(shù)，使相鄰兩個(gè)V碼的極性作交替變化。由此可見，在HDB3碼中。相鄰兩個(gè)V碼之間或是其余的“1”碼之間都符合交替變號原則，而取代碼在整修碼流中不符

36、合交替變號原則。經(jīng)過這樣的變換，既消除了直流成分，又避免了長連“0”時(shí)位定時(shí)不易恢復(fù)的情況，同時(shí)也提供了取代信息。HDB3碼的特點(diǎn)是明顯的，它除了保持AMI碼的優(yōu)點(diǎn)外，還增加了使連0串減少到至多3個(gè)的優(yōu)點(diǎn)，而不管信息源的統(tǒng)計(jì)特性如何。這對于定時(shí)信號的恢復(fù)是十分有利的。HDB3碼是CCITT推薦使用的碼型之一。通過MATLAB編程產(chǎn)生HDB3碼，并計(jì)算其功率譜，結(jié)果如下圖圖5.2.1 HDB3碼波形圖南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 13 頁 共 27頁圖5.2.2 HDB3碼功率譜圖5.35.3 CMICMI碼功率譜計(jì)算碼功率譜計(jì)算CMI碼是傳號反轉(zhuǎn)碼的簡稱，其編碼規(guī)則為：“1”碼交替用“11”

37、和“00”表示；“0”碼用“01”表示。例如： 代碼： 1 1 0 1 0 0 1 CMI碼：1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 這種碼型有較多的電平躍變，因此含有豐富的定時(shí)信息。該碼已被CCITT推薦為PCM（脈沖編碼調(diào)制）四次群的接口碼型。在光纜傳輸系統(tǒng)中有時(shí)也用作線路傳輸碼型。 通過MATLAB編程產(chǎn)生HDB3碼，并計(jì)算其功率譜，結(jié)果如下圖輸入二進(jìn)制碼為：10010000110111111001輸出CMI碼為：11 01 01 00 01 01 01 01 11 00 01 11 00 11 00 11 00 01 01 11南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 14 頁

38、共 27頁圖5.3.1 CMI碼波形圖 圖5.3.2 CMI碼功率譜圖5.45.4 SIMULINKSIMULINK下數(shù)字基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)下數(shù)字基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)信源的建模及相關(guān)參數(shù)設(shè)置：曼徹斯特碼基帶信號源需用到的simulink模塊有“Bernoulli Binary Generator”、 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 15 頁 共 27頁“Pulse Generator”、“Relay”、“Product”?？紤]到設(shè)計(jì)要求，“Bernoulli Binary Generator”參數(shù)設(shè)置為“Sample time”為“1/1000”，其余參數(shù)為默認(rèn)值；“Pulse Generator” 參

39、數(shù)設(shè)置為“Sample time”為“1e-4”，“Period”為“10”“Pulse Width”為“5”，其余參數(shù)為默認(rèn)值?！癛elay”判決門限為0.5，大于0.5輸出1，小于0.5則輸出-1，其余參數(shù)為默認(rèn)。“Product”所有參數(shù)均為為默認(rèn)值。由伯努利信源產(chǎn)生曼徹斯特碼建模：圖5.4.1 曼徹斯特碼信源模塊圖發(fā)送濾波器、信道、接收匹配濾波器的建模及參數(shù)設(shè)置：圖5.4.2 發(fā)送濾波器、信道、接收匹配濾波器模塊圖南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 16 頁 共 27頁圖5.4.3 發(fā)送濾波器參數(shù)設(shè)置圖5.4.4 高斯信道參數(shù)設(shè)置接收匹配濾波器的參數(shù)設(shè)置與發(fā)送濾波器參數(shù)設(shè)置相同，為信號恢復(fù)

40、的逆過程。抽樣判決器的建模及相關(guān)參數(shù)設(shè)置：圖5.4.5 抽樣判決器模塊圖5.4.6 Pulse Generator1 恢復(fù)定時(shí)模塊參數(shù)南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 17 頁 共 27頁圖5.4.6 Pulse Generator2 模塊參數(shù)基帶傳輸系統(tǒng)的總模型：圖5.4.7 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的總模型5.55.5 數(shù)字基帶系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析數(shù)字基帶系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析 對構(gòu)建的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真對各個(gè)部分進(jìn)行測量，波形如下圖所示：南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 18 頁 共 27頁圖5.5.1 曼徹斯特編碼前與編碼后波形圖圖5.5.2 發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)波形圖從以上兩圖可以看出，曼徹斯特的

41、編碼完全正確，發(fā)送數(shù)據(jù)波形與接收數(shù)據(jù)波形完全吻合，由于誤碼率很低且示波器的顯示范圍有限，在圖5.5.2中看不到傳輸錯(cuò)誤的碼元。通過接收端與發(fā)送端時(shí)域波形對比，可以看出設(shè)計(jì)的抽樣判決器的抽樣判決門限比較合理，可以順利的完成對基帶信號的抽樣判決，與理論分析相一致。圖5.5.3 經(jīng)過濾波器、信道的各點(diǎn)時(shí)域波形圖上圖第一個(gè)波形為發(fā)送濾波器輸出端時(shí)域波形，產(chǎn)生了規(guī)律的比較適合信道傳輸?shù)牟ㄐ?，比較光滑。中間的波形為信道輸出端的時(shí)域波形，由于信噪比不是太高，對發(fā)送濾波器輸出的信號影響不明顯。最下端的波形為接收濾波器輸出時(shí)域波形?？梢砸姷?，噪聲被基本濾除，接收濾波器輸出波形比較平滑。南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)

42、計(jì)第 19 頁 共 27頁圖5.5.4 曼徹斯特碼元與解碼后的波形比較圖通過這兩個(gè)波形比較，可以看出數(shù)據(jù)經(jīng)過發(fā)送濾波器、AWGN信道、接收匹配濾波器、采樣、判決恢復(fù)后，基本完全與原波形一致。發(fā)送信號與接收信號功率譜估計(jì)與分析：圖5.5.5 發(fā)送信號與接收信號功率譜比較圖從兩圖比較中可以看出，接收信號的功率譜與發(fā)送信號的功率譜基本完全一樣，說明整個(gè)基帶傳輸系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)是合理的，能滿足要求。誤碼率統(tǒng)計(jì)與分析：圖5.5.6 誤碼率顯示器通過誤碼率統(tǒng)計(jì)“Display”模塊可知該系統(tǒng)的誤碼率為0.0095，且誤碼率會隨著仿真時(shí)間的增長逐步降低。出現(xiàn)誤碼的原因能有以下幾個(gè)方面：（1） 誤碼有可能是由于

43、噪聲造成的。由于噪聲的存在，可能會使原有基帶信號的正負(fù)電平出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，由于抽樣判決門限為0，造成判決出錯(cuò)出現(xiàn)誤碼。（2） 有可能是碼間干擾的原因。雖然理論分析可以完全消除碼間干擾，但是由于平方根升余弦濾波器等部件不可能是完全理想的，所以在仿真及實(shí)際工程中碼間干擾是不會完全消除的。南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 20 頁 共 27頁（3） 由于采用相乘器等模塊構(gòu)造解碼器，其解碼過程也有可能會出錯(cuò)。6 6 收獲與體會收獲與體會通過此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了通信原理方面的知識，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的

44、知識欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。知錯(cuò)能改，善莫大焉。在課程設(shè)計(jì)過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲齲最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，本

45、身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今后社會的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會及他人對你的認(rèn)可!南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 21 頁 共 27頁7參考文獻(xiàn)1南利平. 通信原理簡明教程M. 清華大學(xué)出版社，20062朱光榮. 綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)J. 電子科技文摘, 2006,5:

46、613王旭,曹旭超. 移動通信系統(tǒng)的發(fā)展與未來J. 科技信息, 2007,18:41654龐沁華，吳偉陵. 通信原理（合定本）M. 北京郵電大學(xué)出版社, 20055孫祥. MATLAB7.0基礎(chǔ)教程M. 北京： 清華大學(xué)出版社, 20056魏玲，劉敏.MATLAB通信仿真與應(yīng)用M北京：國防工業(yè)出版社, 20017黃葆華,楊曉靜. 通信原理M. 西安電子科技大學(xué)出版社, 20078樊昌信. 通信原理教程M. 北京：電子工業(yè)出版社, 20059申普兵. 數(shù)據(jù)通信技術(shù)M. 北京：國防工業(yè)出版社, 200610 黎洪松. 數(shù)字通信原理M. 西安電子科技大學(xué)出版社, 200511 王興亮. 數(shù)字通信原理

47、與技術(shù)M. 西安電子科技大學(xué)出版社, 2002南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 22 頁 共 27頁8 8 附錄：源程序清單附錄：源程序清單%AMI碼編碼及功率譜clearclca=20; %a表示元素個(gè)數(shù)，可以修改碼元為任意個(gè)數(shù)如1024 N=1024;r=unidrnd(2,1,a-1); %隨機(jī)產(chǎn)生離散均勻二值分布（1，2），共a-1個(gè) rn=r-1; %每個(gè)元素減1變?yōu)椋?，1）二值隨機(jī)數(shù)列rn=1,rn; %跟書上一致，從1開始隨機(jī)產(chǎn)生離散均勻二值分布（1，2），共a個(gè) ori=rn; %將原序列保存起來，便于后面解碼后比較 oril=1;for n=1:aif rn(n)=1 ;l=

48、-l; %每檢測到一個(gè)1變一次符號rn(n)=l;endendAMI=rn;stairs(rn);grid;axis(0 length(rn) min(rn)-0.5 max(rn)+0.5)title(AMI碼波形);%計(jì)算功率譜%Fs=1024; %采樣頻率n=0:1/Fs:1;nfft=1024;cxn=xcorr(rn,unbiased); %計(jì)算序列的自相關(guān)函數(shù)CXk=fft(cxn,nfft);南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 23 頁 共 27頁P(yáng)xx=abs(CXk);index=0:round(nfft/2-1);k=index*Fs/nfft;plot_Pxx=10*log1

49、0(Pxx(index+1);figure(2)plot(k,plot_Pxx);title(AMI碼功率譜);%HDB3碼編碼及功率譜clearclca=20; %a表示元素個(gè)數(shù)，可以修改碼元為任意個(gè)數(shù)如1024 N=1024;x=unidrnd(2,1,a-1); %隨機(jī)產(chǎn)生離散均勻二值分布（1，2），共a-1個(gè) n=length(x);y=zeros(1,n);last_y=-1; %設(shè)定初始參考值last_v=-1;zero_flag=0;for i=1:n if(x(i)=1) y(i)=-last_y; last_y=y(i); zero_flag=0; else y(i)=0;

50、zero_flag=zero_flag+1; end南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 24 頁 共 27頁 if(zero_flag=4) if(last_y=last_v) y(i-3)=-last_y; y(i)=y(i-3); last_y=y(i); last_v=y(i); else y(i)=last_y; last_y=y(i); last_v=y(i); end zero_flag=0; endend% 以下繪制波形 %t0=100;t=0:1/t0:length(x);for i=1:length(x) for j=1:t0 h(i-1)*t0+j)=y(i); %把等式右邊改

51、為(y(i)=1)可以繪制HDB3正極性編碼+H %把等式右邊改為-(y(i)=-1)可以繪制HDB3負(fù)極性編碼-H endendh=h,h(i*t0);M=max(h);m=min(h);figure(1);南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)第 25 頁 共 27頁plot(t,zeros(1,length(t),LineWidth,1);hold onplot(t,h,LineWidth,2);set(gca,xtick,0:1:length(x),Ytick,0,1)grid onboxaxis(0 i m-.1 M+.1);title(HDB3碼波形);%計(jì)算功率譜%Fs=1024; %采樣頻率n=0:1/Fs:1;n