基于Matlab的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真

1、. - - - 可修編-課程設(shè)計(jì)(論文)說明書題 目：基于Matlab的數(shù)字基帶通信系統(tǒng)仿真院 系：信息與通信學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程學(xué)生：黃志忠學(xué) 號(hào)： 1000210217 指導(dǎo)教師：閆 坤職 稱： 講 師 2013年 12 月1日. - -摘 要本論文主要研究了數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸?shù)母靖拍罴皵?shù)字信號(hào)基帶傳輸?shù)膫鬏斶^程和如何用MATLAB軟件仿真設(shè)計(jì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。本文首先介紹了MATLAB仿真軟件。然后介紹了本課題的理論依據(jù)，包括數(shù)字通信，數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的組成及數(shù)字基帶信號(hào)的傳輸過程。接著介紹了數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的特性包括數(shù)字PAM信號(hào)功率普密度及常用線路碼型，并通過比較最終選擇雙極性

2、不歸零碼。之后介紹了數(shù)字基帶信號(hào)的最正確接收的條件以及如何通過示波器觀察基帶信號(hào)的波形。最后按照仿真過程根本步驟用MATLAB的仿真工具實(shí)現(xiàn)了數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真過程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展了分析。關(guān)鍵字：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) MATLAB 計(jì)算機(jī)仿真；AbstractThis paper mainly studies the baseband transmission of digital signal and the basic concept of baseband transmission of digital signal in the transmission process and how t

3、o use MATLAB software to design and Simulation of digital baseband transmission system. This paper first introduces MATLAB simulation software. Then introduces the theoretical basis, including digital munication, digital baseband transmission system and digital baseband signal transmission process.

4、Then it introduces the characteristics of digital baseband transmission system includes the digital PAM signal power spectrum density and monly used line code, and through the parison of the final choice of bipolar nrz. After introducing the digital baseband signal received by the best conditions an

5、d how the baseband signal waveform oscilloscope observation. Finally, in accordance with the basic steps of simulation process using MATLAB simulation tool to achieve the digital baseband transmission system simulation process, has carried on the system analysis.Keywords：Digital Base Band Transmissi

6、on System puter simulation目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc374300826引言 PAGEREF _Toc374300826 h 1HYPERLINK l _Toc3743008271 MATLAB軟件簡介 PAGEREF _Toc374300827 h 2HYPERLINK l _Toc3743008281.1 MATLAB的根本知識(shí) PAGEREF _Toc374300828 h 2HYPERLINK l _Toc3743008291.2 Matlab 語言的特點(diǎn) PAGEREF _Toc374300829 h 3HYPERL

7、INK l _Toc374300830編程效率高 PAGEREF _Toc374300830 h 3HYPERLINK l _Toc374300831用戶使用方便 PAGEREF _Toc374300831 h 3HYPERLINK l _Toc374300832擴(kuò)大能力強(qiáng) PAGEREF _Toc374300832 h 3HYPERLINK l _Toc374300833語句簡單、涵豐富 PAGEREF _Toc374300833 h 3HYPERLINK l _Toc374300834高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算 PAGEREF _Toc374300834 h 3HYPERLINK l _To

8、c374300835方便的繪圖功能 PAGEREF _Toc374300835 h 4HYPERLINK l _Toc3743008362 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc374300836 h 4HYPERLINK l _Toc3743008372.1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的介紹 PAGEREF _Toc374300837 h 4HYPERLINK l _Toc3743008382.2 軟件的主要功能 PAGEREF _Toc374300838 h 5HYPERLINK l _Toc3743008392.3 數(shù)字基帶信號(hào) PAGEREF _Toc374300839 h 5HYPER

9、LINK l _Toc374300840數(shù)字基帶信號(hào)的要求 PAGEREF _Toc374300840 h 5HYPERLINK l _Toc374300841數(shù)字基帶信號(hào) PAGEREF _Toc374300841 h 6HYPERLINK l _Toc374300842常用的基帶傳輸碼型 PAGEREF _Toc374300842 h 7HYPERLINK l _Toc3743008432.4 實(shí)驗(yàn)原理 PAGEREF _Toc374300843 h 10HYPERLINK l _Toc374300844數(shù)字通信系統(tǒng)模型 PAGEREF _Toc374300844 h 10HYPERLIN

10、K l _Toc374300845數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型 PAGEREF _Toc374300845 h 10HYPERLINK l _Toc3743008463 實(shí)驗(yàn)容 PAGEREF _Toc374300846 h 11HYPERLINK l _Toc3743008473.1 余弦滾降基帶傳輸系統(tǒng) PAGEREF _Toc374300847 h 11HYPERLINK l _Toc374300848余弦滾降系統(tǒng)仿真源程序及結(jié)果 PAGEREF _Toc374300848 h 11HYPERLINK l _Toc3743008493.2 眼圖的仿真實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc37430084

11、9 h 13HYPERLINK l _Toc374300850眼圖的介紹 PAGEREF _Toc374300850 h 13HYPERLINK l _Toc374300851升余弦滾降系統(tǒng)眼圖仿真程序 PAGEREF _Toc374300851 h 13HYPERLINK l _Toc374300852升余弦滾降系統(tǒng)眼圖的仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc374300852 h 15HYPERLINK l _Toc3743008534 總結(jié) PAGEREF _Toc374300853 h 15HYPERLINK l _Toc3743008544.1 存在的問題 PAGEREF _Toc374

12、300854 h 15HYPERLINK l _Toc3743008554.2 心得體會(huì) PAGEREF _Toc374300855 h 15HYPERLINK l _Toc374300856辭 PAGEREF _Toc374300856 h17HYPERLINK l _Toc374300857參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc374300857 h 18. - -引 言隨著通信系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度不斷增加，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)開展的需要，通信系統(tǒng)的模擬仿真技術(shù)越來越受到重視。傳統(tǒng)的通信仿真技術(shù)主要分為手工分析與電路試驗(yàn)兩種， 但耗時(shí)長，方法比較繁雜，而通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)是介

13、于上述兩種方法的一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它可以讓用戶在很 短的時(shí)間建立整個(gè)通信系統(tǒng)模型，并對(duì)其進(jìn)展模擬仿真。通信原理計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，是對(duì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真。仿真工具是MATLAB程序設(shè)計(jì)語言。 MATLAB是一種先進(jìn)的高技術(shù)程序設(shè)計(jì)語言，主要用于數(shù)值計(jì)算及可視化圖形處理。特點(diǎn)是將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、圖形、圖像處理和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)極易使用的交互式環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)展有效數(shù)值計(jì)算的眾多學(xué)科提供了一種高效率的編程工具。運(yùn)用MATLAB，可以對(duì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)進(jìn)展較為全面地研究。為了使本科類學(xué)生學(xué)好通信課程，我們進(jìn)展了試點(diǎn)，通過課程設(shè)計(jì)的方式針對(duì)通信原理的很多容進(jìn)展了仿

14、真。1MATLAB軟件簡介1.1MATLAB的根本知識(shí)MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)展有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言如C、Fortran的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATL

15、AB可以進(jìn)展矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)立用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的根本數(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來解決計(jì)算問題要比用C、FORTRAN等語言完成一樣的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也參加了對(duì)C、FORTRAN、C+ 、JAVA的支持?？梢灾苯诱{(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，此外許多的

16、MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)展下載就可以用。MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進(jìn)展以下各種工作： 數(shù)值分析 數(shù)值和符號(hào)計(jì)算 工程與科學(xué)繪圖 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 數(shù)字圖像處理 技術(shù) 數(shù)字信號(hào)處理 技術(shù) 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 MATLAB 的應(yīng)用圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域特定類型的問題。 20世紀(jì)70年代，美國新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任Cleve Moler為了減輕學(xué)生編程負(fù)擔(dān)，用FORTRAN編寫了最

17、早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市場。到20世紀(jì)90年代，MATLAB已成為國際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。1.2Matlab 語言的特點(diǎn)1.2.1編程效率高它是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語言，允許用數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序，且比Basic、Fortran 和 C 等語言更加接近我們書寫計(jì)算公式的思維方式， Matlab 編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題。因此，Matlab 語言也可通俗地稱為演算紙式科學(xué)算法語言。由于它編寫簡單，所以編程效率高，易學(xué)易懂。 用戶使用方便Matlab 語

18、言是一種解釋執(zhí)行的語言在沒被專門的工具編譯之前，它靈活、方便，其調(diào)試程序手段豐富，調(diào)試速度快，需要學(xué)習(xí)時(shí)間少。人們用任何一種語言編寫程序和調(diào)試程序一般都要經(jīng)過四個(gè)步驟：編輯、編譯、連接以及執(zhí)行和調(diào)試。各個(gè)步驟之間是順序關(guān)系，編程的過程就是在它們之間作瀑布型的循環(huán)。 Matlab 語言與其它語言相比，較好地解決了上述問題，把編輯、編譯、連接和執(zhí)行融為一體。它能在同一畫面上進(jìn)展靈活操作快速排除輸入程序中的書寫錯(cuò)誤、語法錯(cuò)誤以至語意錯(cuò)誤，從而加快了用戶編寫、修改和調(diào)試程序的速度，可以說在編程和調(diào)試過程中它是一種比 VB 還要簡單的語言。具體地說，Matlab 運(yùn)行時(shí)，如直接在命令行輸入 Mailab

19、 語句命令，包括調(diào)用 M 文件的語句，每輸入一條語句，就立即對(duì)其進(jìn)展處理，完成編譯、連接和運(yùn)行的全過程。又如，將 Matlab 源程序編輯為 M 文件，由于Mat1ab 磁盤文件也是 M 文件，所以編輯后的源文件就可直接運(yùn)行，而不需進(jìn)展編譯和連接。在運(yùn)行 M 文件時(shí)， 如果有錯(cuò)， 計(jì)算機(jī)屏幕上會(huì)給出詳細(xì)的出錯(cuò)信息，用戶經(jīng)修改后再執(zhí)行，直到正確為止。所以可以說，Mat1ab 語言不僅是一種語言，廣義上講是一種語言開發(fā)系統(tǒng)，即語言調(diào)試系統(tǒng)。擴(kuò)大能力強(qiáng)Matlab 語言有豐富的庫函數(shù)，在進(jìn)展復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)可以直接調(diào)用，而且 Matlab 的庫函數(shù)同用戶文件在形成上一樣， 所以用戶文件也可作為 Ma

20、tlab 的庫函數(shù)來調(diào)用。因而，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地建立和擴(kuò)大新的庫函數(shù)，以便提高 Matlab 使用效率和擴(kuò)大它的功能。另外，為了充分利用 Fortran、C 等語言的資源， 包括用戶已編好的 Fortran， 語言程序， C 通過建立 Me 調(diào)文件的形式，混合編程，方便地調(diào)用有關(guān)的 Fortran，C語言的子程序。語句簡單、涵豐富Mat1ab語言中最根本最重要的成分是函數(shù)，其一般形式為a，6，c = fun d，e，f，即一個(gè)函數(shù)由函數(shù)名，輸入變量 d，e，f,和輸出變量 a，b，c組成，同一函數(shù)名 F，不同數(shù)目的輸入變量包括無輸入變量及不同數(shù)目的輸出變量，代表著不同的含義有點(diǎn)像面

21、向?qū)ο笾械亩鄳B(tài)性。這不僅使Matlab的庫函數(shù)功能更豐富，而大大減少了需要的磁盤空間，使得Matlab編寫的M文件簡單、短小而高效。高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算Matlab語言象Basic、Fortran和C語言一樣規(guī)定了矩陣的算術(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、條件運(yùn)算符及賦值運(yùn)算符，而且這些運(yùn)算符大局部可以毫無改變地照搬到數(shù)組間的運(yùn)算，有些如算術(shù)運(yùn)算符只要增加“就可用于數(shù)組間的運(yùn)算，另外它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使之在求解諸如信號(hào)處理、建模、系統(tǒng)識(shí)別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時(shí)，顯得大為簡捷、高效、方便，這是其它高級(jí)語言所不能比較的。在此根底上，高版本的Matl

22、ab已逐步擴(kuò)展到科學(xué)及工程計(jì)算的其它領(lǐng)域。因此，不久的將來，它一定能名符其實(shí)地成為“萬能演算紙式的科學(xué)算法語言。方便的繪圖功能Matlab的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數(shù)命令，例如線性坐標(biāo)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)，半對(duì)數(shù)坐標(biāo)及極坐標(biāo)，均只需調(diào)用不同的繪圖函數(shù)命令，在圖上標(biāo)出圖題、*Y軸標(biāo)注，格柵繪制也只需調(diào)用相應(yīng)的命令，簡單易行。另外，在調(diào)用繪圖函數(shù)時(shí)調(diào)整自變量可繪出不變顏色的點(diǎn)、線、復(fù)線或多重線。這種為科學(xué)研究著想的設(shè)計(jì)是通用的編程語言所不及的?？傊?，Matlab語言的設(shè)計(jì)思想可以說代表了當(dāng)前計(jì)算機(jī)高級(jí)語言的開展方向。 2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真2.1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的介紹在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸?shù)膶?duì)

23、象通常是二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，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)字終端的脈沖編碼調(diào)制PCM信號(hào)。這些二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的頻帶圍通常從直流和低頻開場，直到*一頻率m f ，我們稱這種信號(hào)為數(shù)字基帶信號(hào)。在*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(hào)可以不經(jīng)過調(diào)制和解調(diào)過程在信道中直接傳送，這種不使用調(diào)制和解調(diào)設(shè)備而直接傳輸基帶信號(hào)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(hào)則必須經(jīng)過調(diào)制過程，將信號(hào)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(hào)。我們把這種包括了

24、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)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的模型如圖 1-1 所示，它主要包括碼型變換器、發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、均衡器和取樣判決器等局部。圖1-1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的輸入信號(hào)是由終端設(shè)備或編碼設(shè)備產(chǎn)生的二進(jìn)制脈沖序列，通常是單極性的矩形脈沖信號(hào)NRZ 碼。為了使這種信號(hào)適合于信道的傳輸，一般要經(jīng)過碼形變換器，把單極性的二進(jìn)制脈沖變成雙極性脈沖如 AMI 碼或3HDB碼。發(fā)送濾波器對(duì)碼元脈沖進(jìn)展波形變換，以減小信號(hào)在基帶傳輸系統(tǒng)中傳輸時(shí)產(chǎn)生的碼間串?dāng)_。信號(hào)在傳輸過程中，由于信道特性不理想及加性噪聲的影響，會(huì)使接收到的信號(hào)波形產(chǎn)生失真，為了減小失真對(duì)

25、信號(hào)的影響，接收信號(hào)首先進(jìn)入接收濾波器濾波，然后再經(jīng)均衡器對(duì)失真信號(hào)進(jìn)展校正，最后由取樣判決器恢復(fù)數(shù)字基帶脈沖序列。目前，雖然在實(shí)際使用的數(shù)字通信系統(tǒng)中，基帶傳輸方式不如數(shù)字載波傳輸方式那樣應(yīng)用廣泛，但由于數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)中最根本的傳輸方式，而且從理論上來說，任何一種線性載波傳輸系統(tǒng)都可以等效為基帶傳輸系統(tǒng)，因此理解數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸過程十分重要。 數(shù)字基帶信號(hào)有二元碼和三元碼，有歸零碼和非歸零碼等，有的具有直流分量，在波形上具有不同的特點(diǎn)，他們有不同的特點(diǎn)，有的低頻成份多，有的高頻成份多，有的具有直流分量，有的占有帶寬等，所有這些在波形處理時(shí)會(huì)對(duì)一些學(xué)生產(chǎn)生模糊的概念，針對(duì)本科

26、類的學(xué)生要求，他們?nèi)绾卫斫?、區(qū)分、掌握這些信號(hào)波形的特點(diǎn)，同時(shí)可以讓學(xué)生在仿真過程中對(duì)通信原理的各種概念加深理解。另外，此仿真實(shí)驗(yàn)只需在計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)室即可，不受實(shí)驗(yàn)場地、環(huán)境的限制。2.2軟件的主要功能實(shí)現(xiàn)各種常用碼型的數(shù)字基帶信號(hào)仿真；2能產(chǎn)生隨機(jī)的數(shù)字信號(hào)序列，具有普遍性； 3能繪制直觀、清晰、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)字基帶 信號(hào)仿真圖形；4要對(duì)相應(yīng)的碼型的特點(diǎn)進(jìn)展相應(yīng)的描述。圖 1-2 仿真構(gòu)造圖 在通信中，數(shù)字基帶信號(hào)有多種碼型表示，它們?cè)趥鬏斶^程中有隨機(jī)性，為 用讓這種波形描述具有普遍性，m序列偽隨機(jī)碼來作為碼型的仿真數(shù)字序列。利用 MATLAB 軟件仿真出每一種碼型，讓學(xué)生通過仿真軟件的

27、使用，加深對(duì)碼和波形的理解。2.3數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)的要求不同形式的數(shù)字基帶信號(hào)又稱為碼型具有不同的頻譜構(gòu)造，為適應(yīng)信道的傳輸特性及接收端再生、恢復(fù)數(shù)字基帶信號(hào)的需要，必須合理地設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號(hào)，即選擇適宜的信型。適合于在有線信道中傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號(hào)形式稱為線路傳輸碼型。一般來說，選擇數(shù)字基帶信型時(shí)，應(yīng)遵循以下根本原則：1數(shù)字基帶信號(hào)應(yīng)不含有直流分量，且低頻及高頻分量也應(yīng)盡量的少。在基帶傳輸系統(tǒng)中，往往存在著隔直電容及耦合變壓器，不利于直流及低頻分量的傳輸。此外，高頻分量的衰減隨傳輸距離的增加會(huì)快速地增大，另一方面，過多的高頻分量還會(huì)引起話路之間的串?dāng)_，因此希望數(shù)字基帶信號(hào)中的高頻分量也

28、要盡量的少。2數(shù)字基帶信號(hào)中應(yīng)含有足夠大的定時(shí)信息分量?；鶐鬏斚到y(tǒng)在接收端進(jìn)展取樣、判決、再生原始數(shù)字基帶信號(hào)時(shí)，必須有取樣定時(shí)脈沖。一般來說，這種定時(shí)脈沖信號(hào)是從數(shù)字基帶信號(hào)中直接提取的。這就要求數(shù)字基帶信號(hào)中含有或經(jīng)過簡單處理后含有定時(shí)脈沖信號(hào)的頻譜分量，以便同步電路提取。實(shí)際經(jīng)歷告訴我們，所傳輸?shù)男盘?hào)中不僅要有定時(shí)分量，而且定時(shí)分量還必須具有足夠大的能量，才能保證同步提取電路穩(wěn)定可靠的工作。3基帶傳輸?shù)男判蛻?yīng)對(duì)任何信源具有透明性，即與信源的統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)。這一點(diǎn)也是為了便于定時(shí)信息的提取而提出的。信源的編碼序列中，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間連“0的情況，這使接收端在較長的時(shí)間段無信號(hào)，因而同步提

29、取電路無法工作。為防止出現(xiàn)這種現(xiàn)象，基帶傳輸碼型必須保證在任何情況下都能使序列中“1和“0出現(xiàn)的概率根本一樣，且不出現(xiàn)長連“1或“0的情況。當(dāng)然，這要通過碼型變換過程來實(shí)現(xiàn)。碼型變換實(shí)際上是把數(shù)字信息用電脈沖信號(hào)重新表示的過程。此外，選擇的基帶傳輸信型還應(yīng)有利于提高系統(tǒng)的傳輸效率；具有較強(qiáng)的抗噪聲和碼間串?dāng)_的能力及自檢能力。實(shí)際系統(tǒng)中常常根據(jù)通信距離和傳輸方式等不同的要求，選擇適宜的基帶碼型。數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)不同的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)不同的信道特性及系統(tǒng)指標(biāo)要求，選擇不同的數(shù)字脈沖波形。原則上可選擇任意形狀的脈沖作為基帶信號(hào)波形，如矩形脈沖、三角波、高斯脈沖及升余弦脈沖等。但實(shí)際系統(tǒng)常用的數(shù)

30、字波形是矩形脈沖，這是由于矩形脈沖易于產(chǎn)生和處理。下面我們就以矩形脈沖為例，介紹常用的幾種數(shù)字基帶信號(hào)波形。1單極性波形NRZ這是一種最簡單的二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)波形。這種波形用正或負(fù)電平和零電平分別表示二進(jìn)制碼元的“1碼和“0碼，也就是用脈沖的有無來表示碼元的“1和“0，這種波形的特點(diǎn)是脈沖的極性單一，有直流分量，且脈沖之間無空隙，即脈沖的寬度等于碼元寬度。故這種脈沖又稱為不歸零碼NRZ NonReturn to ZeroNRZ波形一般用于近距離的電傳機(jī)之間的信號(hào)傳輸。2雙極性波形在雙極性波形中，用正電平和負(fù)電平分別表示二進(jìn)制碼元的“1碼和“0”碼，這種波形的脈沖之間也無空隙。此外，從信源的統(tǒng)

31、計(jì)規(guī)律來看，“1”碼和“0”碼出現(xiàn)的概率相等，所以這種波形無直流分量。同時(shí)這種波形具有較強(qiáng)的抗干擾能力。故雙極性波形在基帶傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。3單極性歸零波形RZ這種波形的特點(diǎn)是脈沖的寬度 小于碼元的寬度T ，每個(gè)電脈沖在小于碼元寬度的時(shí)間總要回到零電平，故這種波形又稱為歸零波RZReturn to Zero。歸零波形由于碼元間隔明顯，因此有利于定時(shí)信息的提取。但單極性RZ波形中仍含有直流分量，且由于脈沖變窄，碼元能量減小，因而在匹配接收時(shí)，輸出信噪比較不歸零波形的低。4雙極性歸零波形這種波形是用正電平和負(fù)電平分別表示二進(jìn)制碼元的“1碼和“0碼，但每個(gè)電脈沖在小于碼元寬度的時(shí)間都要回到零電平，

32、這種波形兼有雙極性波形和歸零波形的特點(diǎn)。5差分波形相對(duì)碼波形信息碼元與脈沖電平之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是固定不變的絕對(duì)的，故稱這些波形為絕對(duì)碼波形，信息碼也稱為絕對(duì)碼。所謂差分波形是一種把信息碼元“1和“0反映在相鄰信元的相對(duì)電平變化上的波形，差分波形中，碼元“1和“0分別用電平的跳變和不變來表示，即用相鄰信元的相對(duì)電平來表示碼元“1和“0，故差分波形也稱為相對(duì)碼波形。差分波形也可以看成是差分碼序列bn 對(duì)應(yīng)的絕對(duì)碼波形，差分碼bn 與絕對(duì)碼an之間的關(guān)系可用以下的編碼方程表示 bnbn1 an 1.1式中，為模2和運(yùn)算符號(hào)。 由上式看出，當(dāng)絕對(duì)碼an 每出現(xiàn)一個(gè)“1碼時(shí)，差分碼bn電平變化一次；當(dāng) a

33、n 出現(xiàn)“0碼時(shí)，差分碼bn 電平與前一碼元bn-1 一樣。可見， bn 前后碼元取值的變化代表了原信碼n a 中的“1和“0。由式1.1可以導(dǎo)出譯碼方程為 an bn-1bn 1.2 由上式可看出，譯碼時(shí)只要檢查前后碼元電平是否有變化就可以判決發(fā)送的是“1碼還是“0碼。6多電平脈沖波形多進(jìn)制波形上述各種波形都是二進(jìn)制波形，實(shí)際上還存在多電平脈沖波形，也稱為多進(jìn)制波形。這種波形的取值不是兩值而是多值的。例如，代表四種狀態(tài)的四電平脈沖波形，每種電平可用兩位二進(jìn)制碼元來表示，如00代表-3E，01代表-E，10代表E，11代表3E，這種波形一般在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中用來壓縮碼元速率，提高系統(tǒng)的頻帶利

34、用率。但在一樣信號(hào)功率的條件下，多進(jìn)制傳輸系統(tǒng)的抗干擾性能不如二進(jìn)制系統(tǒng)。常用的基帶傳輸碼型前面提到，為滿足基帶傳輸系統(tǒng)的特性要求，必須選擇適宜的傳輸碼型?；鶐鬏斚到y(tǒng)中常用的線路傳輸型碼主要有：傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼AMI 碼、三階高密度雙極性碼 3 HDB碼、分相碼Manchester碼、傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼CMI 碼以及4B3T碼等。下面我們?cè)敿?xì)地介紹這些碼型。1傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼AMI 碼 AMI Alternate Mark Inversion碼又稱為平衡對(duì)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、，而碼元序列中的“0碼保持不變。例如：碼元序列：1 0 0

35、1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 AMI 碼：1 0 0-1 1 0-1 0 1-1 1-1 0 0 由AMI 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(hào)的能量主要集中在2T f 處，其中Tf 為碼元速率。此外，AMI 碼編碼過程中，將一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)變成了一個(gè)三進(jìn)制符號(hào)，即這種碼脈沖有三種電平，因此我們把這種碼稱為偽三電平碼，也稱為1B/1T 碼型。AMI碼除了上述特點(diǎn)外，還有編譯碼電路簡單及便于觀察誤碼情況等優(yōu)點(diǎn)。但是AMI碼有一個(gè)重要的缺陷，就是當(dāng)碼元序列中出現(xiàn)長連“0時(shí)，會(huì)造成提取定時(shí)信號(hào)的困難，因而實(shí)際系統(tǒng)中常采用AM

36、I 碼的改良型 HDB3碼。2HDB3 碼HDB3High Density Bipolar 3是三階高密度雙極性碼，它是為了克制傳輸波形中出現(xiàn)長連“0”碼情況而設(shè)計(jì)的AMI 碼的改良型。HDB3 碼的編碼規(guī)則是：1把碼元序列進(jìn)展AMI 編碼，然后去檢查AMI 碼中連0 的個(gè)數(shù)，如果沒有四個(gè)以上包括四個(gè)連0 串時(shí)，則這時(shí)的AMI 碼就是3 HDB 碼。2如果出現(xiàn)四個(gè)以上連0 串時(shí)，則將每4 個(gè)連0 小段的第4 個(gè)0變成與其前一個(gè)非0 碼1 或-1一樣的碼。顯然，這個(gè)碼破壞了“極性交替反轉(zhuǎn)的規(guī)則，因而稱其為破壞碼，用符號(hào)V 表示即1 記為V， 記為-V -1 。3為了使附加V 碼后的序列中仍不含直

37、流分量，必須保證相鄰的V 碼極性交替。這一點(diǎn)，當(dāng)相鄰的V 碼之間有奇數(shù)個(gè)非0 碼時(shí)，是能得到保證的；但當(dāng)相鄰的V 碼之間有偶數(shù)個(gè)非0 碼時(shí)，則得不到保證。這時(shí)再將該連0 小段中的第1 個(gè)0 變成B 或-B，B 的極性與其前一個(gè)非0 碼相反，并讓后面的非零碼從V 碼后開場再極性交替變化。例如：碼元序列： 1 0000 1 0 1 0 0 0 0 1 000 0 1 1 AMI 碼： 1 0000 -1 0 1 0 0 0 0 1 000 0 11 HDB3碼： 1 000V -1 0 1 -B00-V 1 000V -1 1 上例中，第1個(gè)V碼和第2個(gè)V碼之間，有2個(gè)非0 碼偶數(shù)，故將第2個(gè)4

38、連0小段中的第1個(gè)0變成-B；第2個(gè)V碼和第3個(gè)V碼之間，有1個(gè)非0碼奇數(shù)，不需變化。最后可看出， HDB3 碼中，V碼與其前一個(gè)非0碼1 或-1極性一樣，起破壞作用；相鄰的V碼極性交替；除V碼外，包括B碼在的所有非0碼極性交替。雖然HDB3 碼的編碼規(guī)則比較復(fù)雜，但譯碼卻比較簡單。從編碼過程中可以看出，每一個(gè)V碼總是與其前一個(gè)非0碼包括B碼在同極性，因此從收到的碼序列中可以很容易地找到破壞點(diǎn)V碼，于是可斷定V碼及其前3個(gè)碼都為0碼，再將所有的-1變?yōu)?后，便可恢復(fù)原始信息代碼。HDB3碼的特點(diǎn)是明顯的，它既保存AMI碼無直流分量，便于直接傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又克制了長連0串連0的個(gè)數(shù)最多3個(gè)的出現(xiàn)，

39、HDB3 碼的頻譜中既消除了直流和甚低頻分量，又消除了方波中的高頻分量，非常適合基帶傳輸系統(tǒng)的特性要求。因此，HDB3碼是目前實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)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(shù)字雙相碼或分相碼，曼徹斯特碼用一個(gè)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。這種碼在每個(gè)碼元的中心部位都發(fā)生電平跳變，因此有利于定時(shí)同步信號(hào)的提取，而且定時(shí)分量的大小不受信源統(tǒng)計(jì)特性的影響。曼徹斯特碼中，由于正負(fù)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

40、。4CMI 碼 CMI 碼稱為傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼。在CMI 碼中，“1碼傳號(hào)交替地用正、負(fù)電平脈沖來表示，而“0碼則用固定相位的一個(gè)周期方波表示，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(hào)。CMI 碼的另一個(gè)特點(diǎn)是具有一定的誤碼檢測(cè)能力。這是因?yàn)椋珻MI 碼中的“1碼相當(dāng)于用交替的“00和“11兩位碼組表示，而“0碼則固定地用“01 碼組表示。正常情況下，序列中不會(huì)出現(xiàn)“10碼組，且“00和“11碼組連續(xù)出現(xiàn)的情況也不會(huì)發(fā)生，這種相關(guān)性可以用來檢測(cè)因干擾而產(chǎn)生的局部錯(cuò)碼。根據(jù)原CCITT 的建議，CMI碼可用作脈沖編碼調(diào)制四次群的接口碼型以及速率低于8448 kb/s的光纖數(shù)字傳輸

41、系統(tǒng)中的線路傳輸碼型。此外，CMI 碼和曼徹斯特碼一樣都是將一位二進(jìn)制碼用一組兩位二進(jìn)制碼表示，因此稱其為1B2B 碼。54 B/3T 碼4B/3T 碼是1B/1T 碼的改良型它把4 個(gè)二進(jìn)制碼元變換為3個(gè)三進(jìn)制碼元。顯然，在一樣信息速率的條件下，4B/3T 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。 4B/3T 碼的變換過程中需要同步信號(hào)，變換電路比較復(fù)雜，故一般較少采用。2.4實(shí)驗(yàn)原理數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源 信 源 編碼器信道編碼器數(shù)字調(diào)制器數(shù)字解調(diào)器信道譯碼器 信 源譯碼器信宿信道噪聲數(shù)字信源數(shù)字信宿編碼信道數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型為滾降系數(shù)。3實(shí)驗(yàn)容3

42、.1余弦滾降基帶傳輸系統(tǒng)升余弦滾降傳輸特性H()可表示為 H()是對(duì)截止頻率b的理想低通特性H0()按H()的滾降特性進(jìn)展“圓滑得到的，H1()對(duì)于b具有奇對(duì)稱的幅度特性，其上、下截止角頻率分別為b+1、b-1。它的選取可根據(jù)需要選擇，升余弦滾降傳輸特性H1()采用余弦函數(shù)， 此時(shí)H()為 余弦滾降系統(tǒng)仿真源程序及結(jié)果% 數(shù)字基帶信號(hào)傳輸 碼間串?dāng)_ 升余弦滾降系統(tǒng)的頻譜及其時(shí)域波形% 文件名 sy*_gunjiang.mTs=1;N=17;dt=Ts/N;df=1.0/(20.0*Ts);t=-10*Ts:dt:10*Ts;f=-2/Ts:df:2/Ts;a=0,0.5,1;for n=1:l

43、ength(a) for k=1:length(f) if abs(f(k)0.5*(1+a(n)/Ts *f(n,k)=0; elseif abs(f(k)0.5*(1-a(n)/Ts *f(n,k)=Ts; else *f(n,k)=0.5*Ts*(1+cos(pi*Ts/(a(n)+eps)*(abs(f(k)-0.5*(1-a(n)/Ts); end; end; *t(n,:)=sinc(t/Ts).*(cos(a(n)*pi*t/Ts)./(1-4*a(n)2*t.2/Ts2+eps);endsubplot(211);plot(f,*f);a*is(-1 1 0 1.2);*labe

44、l(f/Ts);ylabel(升余弦滾降系統(tǒng)的頻譜);legend(=0,=0.5,=1);subplot(212);plot(t,*t);a*is(-10 10 -0.5 1.1);*label(t);ylabel(升余弦滾降系統(tǒng)的時(shí)域波形);legend(=0,=0.5,=1);程序運(yùn)行結(jié)果如下列圖所示：在上述運(yùn)行結(jié)果中我們可以看出，頻域波形在滾降段中心頻率處呈奇對(duì)稱特性，滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則。圖可證明，滾降系數(shù)越大，超出奈奎斯特帶寬的擴(kuò)展量越大，要求帶寬增大。時(shí)域波形中，滾降系數(shù)越大，波形的拖尾衰減越快，對(duì)位定時(shí)精度要求越低。3.2眼圖的仿真實(shí)現(xiàn)眼圖的介紹眼圖是指利用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)和改善

45、通過調(diào)整傳輸系統(tǒng)性能時(shí)在示波器上觀察到的一種圖形。觀察眼圖的方法是：用一個(gè)示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時(shí)示波器屏幕上看到的圖形像人的眼睛，故稱 為 “眼圖。從“眼圖上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度。另外也可以用此圖形對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)的傳輸性能。眼圖的“眼睛 開的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱?！把劬Φ脑酱?，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越??；反之表示碼間串?dāng)_越大。當(dāng)存在噪聲時(shí)，噪聲將疊加在信號(hào)上，觀察到的眼圖的線跡會(huì)變得模糊不清。假設(shè)同時(shí)存在碼間串?dāng)_，“眼睛將開得更小。與無碼

46、間串?dāng)_時(shí)的眼圖相比，原來清晰端正的細(xì)線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串?dāng)_越大，眼圖越不端正。眼圖對(duì)于展示數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串?dāng)_的大小和噪聲的強(qiáng)弱，有助于直觀地了解碼間串?dāng)_和噪聲的影響，評(píng)價(jià)一個(gè)基帶系統(tǒng)的性能優(yōu)劣；可以指示接收濾波器的調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_。1最正確抽樣時(shí)刻應(yīng)在 “眼睛 開最大的時(shí)刻。 2對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。斜率越大，對(duì)定時(shí)誤差就越靈敏。3在抽樣時(shí)刻上，眼圖上下兩分支陰影區(qū)的垂直高度，表示最大信號(hào)畸變。 4眼圖中央的橫軸位置應(yīng)對(duì)應(yīng)判決門限電平。5在抽樣時(shí)刻上，上下兩分支離門限

47、最近的一根線跡至門限的距離表示各相應(yīng)電平的噪聲容限，噪聲瞬時(shí)值超過它就可能發(fā)生錯(cuò)誤判決。6對(duì)于利用信號(hào)過零點(diǎn)取平均來得到定時(shí)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(diǎn)位置的變動(dòng)圍，這個(gè)變動(dòng)圍的大小對(duì)提取定時(shí)信息有重要的影響。3.2.2升余弦滾降系統(tǒng)眼圖仿真程序升余弦滾降系統(tǒng)眼圖程序段如下：% 數(shù)字基帶信號(hào)波形及其眼圖% 文件名：eye.mTs=1;N=15;eye_num=6;a=1;N_data=1000;dt=Ts/N;t=-3*Ts:dt:3*Ts;% 產(chǎn)生雙極性數(shù)字信號(hào)d=sign(randn(1,N_data);dd=sige*pand(d,N); % 基帶系統(tǒng)沖擊

48、響應(yīng)升余弦ht=sinc(t/Ts).*(cos(a*pi*t/Ts)./(1-4*a2*t.2/Ts2+eps);st=conv(dd,ht);tt=-3*Ts:dt:(N_data+3)*N*dt-dt;subplot(211)plot(tt,st);a*is(0 20 -1.2 1.2);*label(t/Ts);ylabel(基帶信號(hào));subplot(212)% 畫眼圖ss=zeros(1,eye_num*N);ttt=0:dt:eye_num*N*dt-dt;for k=3:50 ss=st(k*N+1:(k+eye_num)*N); drawnow; plot(ttt,ss); hold on;end;*label(t/Ts);ylabel(基帶信號(hào)眼圖);% 將輸入的序列擴(kuò)成間隔為N-1個(gè)0的序列functionout=sige*pand(d,M)N=length(d);out=zeros(M,N);out(1,:)=d;out=reshape(out,1,M*N);3.2.3升余弦滾降系統(tǒng)眼圖的仿真結(jié)果程序運(yùn)行后仿真結(jié)果如下：如圖，波形幅度沒有衰減，無碼間串?dāng)_?？赏ㄟ^抽樣判決后復(fù)原接收信號(hào)。假設(shè)干段數(shù)字基帶波形疊加后形成眼圖形狀。眼圖“眼睛開越大，眼圖