毕业设计（论文）-基于matlab的数字基带通信系统仿真.doc

课程设计说明书 no.23基于matlab的数字基带通信系统仿真1.课程设计的目的(1)增加对仿真软件的认识，学会对各种软件的操作和使用方法(2)加深理解数字基带通信系统的概念(3)初步掌握系统的设计方法，培养独立工作能力2.设计方案论证2.1数字基带传输系统 在数字传输系统中，其传输的对象通常是二进制数字信号，它可能是来自计算机、电传打字机或其它数字设备的各种数字脉冲，也可能是来自数字电话终端的脉冲编码调制（pcm）信号。这些二进制数字信号的频带范围通常从直流和低频开始，直到某一频率m f ，我们称这种信号为数字基带信号。在某些有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以不经过调制和解调过程在信道中直接传送，这种不使用调制和解调设备而直接传输基带信号的通信系统，我们称它为基带传输系统。而在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制过程，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，相应地，在接收端必须经过解调过程，才能恢复数字基带信号。我们把这种包括了调制和解调过程的传输系统称为数字载波传输系统。数字基带传输系统的模型如图 1所示，它主要包括码型变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器、均衡器和取样判决器等部分。图1 数字基带传输系统模型1.2 数字基带信号1.2.1数字基带信号波形 对不同的数字基带传输系统，应根据不同的信道特性及系统指标要求，选择不同的数字脉冲波形。原则上可选择任意形状的脉冲作为基带信号波形，如矩形脉冲、三角波、高斯脉冲及升余弦脉冲等。但实际系统常用的数字波形是矩形脉冲，这是由于矩形脉冲易于产生和处理。下面我们就以矩形脉冲为例，介绍常用的几种数字基带信号波形。（1）单极性波形（nrz） 这是一种最简单的二进制数字基带信号波形。这种波形用正（或负）电平和零电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码，也就是用脉冲的有无来表示码元的“1”和“0”，这种波形的特点是脉冲的极性单一，有直流分量，且脉冲之间无空隙，即脉冲的宽度等于码元宽度。故这种脉冲又称为不归零码（nrz -nonreturn to zero）nrz波形一般用于近距离的电传机之间的信号传输。（2）双极性波形 在双极性波形中，用正电平和负电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码，这种波形的脉冲之间也无空隙。此外，从信源的统计规律来看，“1”码和“0”码出现的概率相等，所以这种波形无直流分量。同时这种波形具有较强的抗干扰能力。故双极性波形在基带传输系统中应用广泛。（3）单极性归零波形（rz） 这种波形的特点是脉冲的宽度（）小于码元的宽度（t），每个电脉冲在小于码元宽度的时间内总要回到零电平，故这种波形又称为归零波（rz-return to zero）。归零波形由于码元间隔明显，因此有利于定时信息的提取。但单极性rz波形中仍含有直流分量，且由于脉冲变窄，码元能量减小，因而在匹配接收时，输出信噪比较不归零波形的低。（4）双极性归零波形 这种波形是用正电平和负电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码，但每个电脉冲在小于码元宽度的时间内都要回到零电平，这种波形兼有双极性波形和归零波形的特点。（5）差分波形（相对码波形） 信息码元与脉冲电平之间的对应关系是固定不变的（绝对的），故称这些波形为绝对码波形，信息码也称为绝对码。所谓差分波形是一种把信息码元“1”和“0”反映在相邻信号码元的相对电平变化上的波形，差分波形中，码元“1”和“0”分别用电平的跳变和不变来表示，即用相邻信号码元的相对电平来表示码元“1”和“0”，故差分波形也称为相对码波形。差分波形也可以看成是差分码序列bn 对应的绝对码波形，差分码bn 与绝对码an之间的关系可用以下的编码方程表示 bnbn1 an （1.1）式中，为模2和运算符号。 由上式看出，当绝对码an 每出现一个“1”码时，差分码bn电平变化一次；当 an 出现“0”码时，差分码bn 电平与前一码元bn-1 相同。可见， bn 前后码元取值的变化代表了原信码n a 中的“1”和“0”。由式（1.1）可以导出译码方程为 an bn-1bn （1.2） 由上式可看出，译码时只要检查前后码元电平是否有变化就可以判决发送的是“1”码还是“0”码。（6）多电平脉冲波形（多进制波形） 上述各种波形都是二进制波形，实际上还存在多电平脉冲波形，也称为多进制波形。这种波形的取值不是两值而是多值的。例如，代表四种状态的四电平脉冲波形，每种电平可用两位二进制码元来表示，如00 代表-3e， 代表-e， 代 01 10表e，11 代表3e，这种波形一般在高速数据传输系统中用来压缩码元速率，提高系统的频带利用率。但在相同信号功率的条件下，多进制传输系统的抗干扰性能不如二进制系统。1.2.2常用的基带传输码型为满足基带传输系统的特性要求，还必须选择合适的传输码型。基带传输系统中常用的线路传输型码主要有：传号交替反转码-ami 码、三阶高密度双极性码- 3 hdb码、分相码-manchester 码、传号反转码-cmi 码以及4b3t 码等。下面我们详细地介绍这些码型。（1）传号交替反转码-ami 码 （ ami alternate mark inversion）码又称为平衡对称码。这种码的编码规则是：把码元序列中的“1”码变为极性交替变化的传输码1、-1、1、-1、，而码元序列中的“0”码保持不变。由ami 码的编码规则可以看出，由于1和-1各占一半，因此，这种码中无直流分量，且其低频和高频分量也较少，信号的能量主要集中在2 t f 处，其中tf 为码元速率。此外，ami 码编码过程中，将一个二进制符号变成了一个三进制符号，即这种码脉冲有三种电平，因此我们把这种码称为伪三电平码，也称为1b/1t 码型。ami码除了上述特点外，还有编译码电路简单及便于观察误码情况等优点。但是ami码有一个重要的缺陷，就是当码元序列中出现长连“0”时，会造成提取定时信号的困难，因而实际系统中常采用ami 码的改进型 hdb3码。（2）hdb3 码hdb3（high density bipolar 3）是三阶高密度双极性码，它是为了克服传输波形中出现长连“0”码情况而设计的ami 码的改进型。hdb3 码的编码规则是：1把码元序列进行ami 编码，然后去检查ami 码中连0 的个数，如果没有四个以上（包括四个）连0 串时，则这时的ami 码就是3 hdb 码。2如果出现四个以上连0 串时，则将每4 个连0 小段的第4 个0变成与其前一个非0 码（1 或-1）相同的码。显然，这个码破坏了“极性交替反转”的规则，因而称其为破坏码，用符号v 表示（即1 记为v，记为-v） -1 。3为了使附加v 码后的序列中仍不含直流分量，必须保证相邻的v 码极性交替。这一点，当相邻的v 码之间有奇数个非0 码时，是能得到保证的；但当相邻的v 码之间有偶数个非0 码时，则得不到保证。这时再将该连0 小段中的第1 个0 变成b 或-b，b 的极性与其前一个非0 码相反，并让后面的非零码从v 码后开始再极性交替变化。例如： 码元序列： 1 0000 1 0 1 0 0 0 0 1 000 0 1 1 ami 码： 1 0000 -1 0 1 0 0 0 0 1 000 0 11 hdb3 码： 1 000v -1 0 1 -b00-v 1 000v -1 1 上例中，第1个v码和第2个v码之间，有2个非0 码（偶数），故将第2个4 连0小段中的第1个0变成-b；第2个v码和第3个v码之间，有1个非0码（奇数），不需变化。最后可看出，hdb3 码中，v码与其前一个非0码（1 或-1）极性相同，起破坏作用；相邻的v码极性交替；除v码外，包括b码在内的所有非0码极性交替。虽然hdb3 码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从编码过程中可以看出，每一个v码总是与其前一个非0码（包括b码在内）同极性，因此从收到的码序列中可以很容易地找到破坏点v码，于是可断定v码及其前3个码都为0码，再将所有的-1变为1后，便可恢复原始信息代码。hdb3码的特点是明显的，它既保留ami码无直流分量，便于直接传输的优点，又克服了长连0串（连0的个数最多3个）的出现，hdb3 码的频谱中既消除了直流和甚低频分量，又消除了方波中的高频分量，非常适合基带传输系统的特性要求。因此，hdb3码是目前实际系统中应用最广泛的码型。虽然hdb3码比ami 码的性能更好，但它仍属于1b/1t 码型。（3）曼彻斯特manchester码曼彻斯特码又称数字双相码或分相码，曼彻斯特码用一个周期的方波来代表码元“1”，而用它的反相波形来代表码元“0”。这种码在每个码元的中心部位都发生电平跳变，因此有利于定时同步信号的提取，而且定时分量的大小不受信源统计特性的影响。曼彻斯特码中，由于正负脉冲各占一半，因此无直流分量，但这种码占用的频带增加了一倍。曼彻斯特码适合在较短距离的同轴电缆信道上传输。（4）cmi 码 cmi 码称为传号反转码。在cmi 码中，“1”码（传号）交替地用正、负电平脉冲来表示，而“0”码则用固定相位的一个周期方波表示，cmi 码和曼彻斯特码相似，不含有直流分量，且易于提取同步信号。cmi 码的另一个特点是具有一定的误码检测能力。这是因为，cmi 码中的“1”码相当于用交替的“00”和“11”两位码组表示，而“0”码则固定地用“01” 码组表示。正常情况下，序列中不会出现“10”码组，且“00”和“11”码组连续出现的情况也不会发生，这种相关性可以用来检测因干扰而产生的部分错码。根据原ccitt 的建议，cmi码可用作脉冲编码调制四次群的接口码型以及速率低于8448 kb / s的光纤数字传输系统中的线路传输码型。此外，cmi 码和曼彻斯特码一样都是将一位二进制码用一组两位二进制码表示，因此称其为1b2b 码。（5）4b/3t 码4b/3t 码是1b/1t 码的改进型它把4 个二进制码元变换为3个三进制码元。显然，在相同信息速率的条件下，4b/3t 码的码元传输速率要比1b/1t 码的低，因而提高了系统的传输效率。4b/3t 码的变换过程中需要同步信号，变换电路比较复杂，故一般较少采用。1.3.2数字基带传输系统模型图2，数字基带传输系统模型数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输,在实际应用中,大多数信道具有带 通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制,以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波,把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：幅移键控(ask)、频移键控(fsk)和相移键控(psk)。它们分别对应于用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传递数字基带信号，可以看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。理论上，数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都是属正弦波调制。但是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制，而模拟调制则是调制信号为连续型的正弦波调制。在数字通信的三种调制方式（ask、fsk、psk)中，就频带利用率和抗噪声性能（或功率利用率）两个方面来看，一般而言，都是psk系统最佳。所以psk在中、高速数据传输中得到了广泛的应用。 3.设计的过程与分析3.1二进制频移键控（2fsk）2fsk是利用数字基带信号控制在波的频率来传送信息。例如，1码用频率f1来传输，0码用频率f2来传输，而其振幅和初始相位不变。故其表示式为 式中，假设码元的初始相位分别为和；和为两个不同的码元的角频率；幅度为a为一常数，表示码元的包络为矩形脉冲。2fsk信号的产生方法有两种：（1） 模拟法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频。如图3（a）所示。（2） 键控法，用数字基带信号及其反相分别控制两个开关门电路，以此对两个载波发生器进行选通。如图3（b）所示。这两种方法产生的2fsk信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2fsk信号在相邻码元之间的相位是连续的，而键控法产生的2fsk信号，则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的 (a) (b) 图3,2fsk信号产生原理图 由键控法产生原理可知，一位相位离散的2fsk信号可看成不同频率交替发送的两个2ask信号之和，即 其中是脉宽为的矩形脉冲表示的nrz数字基带信号。 其中，为的反码，即若，则；若，则。2fsk信号的频谱特性：由于相位离散的2fsk信号可看成是两个2ask信号之和，所以，这里可以直接应用2ask信号的频谱分析结果，比较方便，即 2fsk信号带宽为 式中，是基带信号的带宽。2fsk解调原理：仿真是基于非相干解调进行的，即不要求载波相位知识的解调和检测方法。其非相干检测解调框图如下 图4，m信号非相干检测解调框图当k=m时检测器采样值为：当km时在样本和中的信号分量将是0，只要相继频率之间的频率间隔是,就与相移值无关了，于是其余相关器的输出仅有噪声组成。其中噪声样本和都是零均值，具有相等的方差 对于平方律检测器而言，即先计算平方包络并取其最大值信号。二进制fsk系统的理论误码率与信噪比的关系给出如下 2fsk调制与解调基于matlab仿真:fs=2000; dt=1/fs;f1=20;f2=120; a=round(rand(1,10); g1=ag2=a; g11=(ones(1,2000)*g1; g1a=g11(:);g21=(ones(1,2000)*g2;g2a=g21(:);t=0:dt:10-dt;t1=length(t);fsk1=g1a.*cos(2*pi*f1.*t);fsk2=g2a.*cos(2*pi*f2.*t);fsk=fsk1+fsk2; no=0.01*randn(1,t1); sn=fsk+no;subplot(311);plot(t,no); title(噪声波形)ylabel(幅度)subplot(312);plot(t,fsk);title(产生的波形)ylabel(幅度)subplot(313);plot(t,sn);title(将要通过滤波器的波形)ylabel(幅度的大小)xlabel(t)figure(2) b1=fir1(101,10/800 20/800);b2=fir1(101,90/800 110/800); h1=filter(b1,1,sn);h2=filter(b2,1,sn); subplot(211);plot(t,h1);title(经过带通滤波器f1后的波形)ylabel(幅度)subplot(212);plot(t,h2);title(经过带通滤波器f2后的波形)ylabel(幅度)xlabel(t)sw1=h1.*h1;sw2=h2.*h2; %经过相乘器figure(3)subplot(211);plot(t,sw1);title(经过相乘器h1后的波形)ylabel(幅度)subplot(212);plot(t,sw2);title(经过相乘器h2后的波形)ylabel(幅度)xlabel(t)bn=fir1(101,2/800 ,10/800); figure(4)st1=filter(bn,1,sw1);st2=filter(bn,1,sw2);subplot(211);plot(t,st1);title(经过低通滤波器sw1后的波形)ylabel(幅度)subplot(212);plot(t,st2);title(经过低通滤波器sw2后的波形)ylabel(幅度)xlabel(t)figure(5)st=st1+st2;subplot(211);plot(t,st);title(经过抽样判决器后的波形)ylabel(幅度)subplot(212);plot(t,sn);title(原始的波形)ylabel(幅度)xlabel(t)for i=1:length(t) if(st1(i)=st2(i) st(i)=0; else st(i)=st2(i); endend 仿真结果1仿真结果2 仿真结果3 仿真结果4 仿真结果5 3.2二进制振幅键控(2ask）数字幅度调制又称幅度键控（ask），二进制幅度键控记作2ask。2ask是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。借助于第3章幅度调制的原理，2ask信号可表示为 （3-1）式中，为载波角频率，为单极性nrz矩形脉冲序列 （3-2）其中，是持续时间为、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；为二进制数字（3-3）2ask信号的产生方法（调制方法）有两种，如图3-1所示。图（a）是一般的模拟幅度调制方法，不过这里的由式（3-2）规定；图（b）是一种键控方法，这里的开关电路受控制。图（c）给出了及的波形示例。二进制幅度键控信号，由于一个信号状态始终为0，相当于处于断开状态，故又常称为通断键控信号（ook信号）。图5 2ask产生原理框图和示意波形2ask信号解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检测法。包络检波法的原理方框图如图6所示。带通滤波器（bpf）恰好使2ask信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器（lpf）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ask信号，即，包络检波器输出为。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。图6 2ask的包络（非相干）解调原理框图相干检测法原理方框图如图7所示。相干检测就是同步解调，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。利用此载波与收到的已调信号相乘，输出为图7 2ask的相干解调原理框图经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。虽然2ask信号中确实存在着载波分量，原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给接收设备增加复杂性。因此，实际中很少采用相干解调法来解调2ask信号。2ask调制与解调基于matlab仿真：function ask1()sim(dm);t1=scopedata5(:,1);y1=scopedata5(:,2);t2=scopedata2(:,1);y2=scopedata2(:,2);t3=scopedata(:,1);y3=scopedata(:,2);t5=scopedata1(:,1);y5=scopedata1(:,2);t6=scopedata7(:,1);y6=scopedata7(:,2);t7=scopedata3(:,1);y7=scopedata3(:,2); subplot(3,2,5);plot(t1,y1),grid;xlabel(滤波后的波形)subplot(3,2,4);plot(t2,y2),grid;xlabel(相干解调后的波形)subplot(3,2,1);stairs(t3,y3),axis(0 20 -0.5 2.5),grid;title( ask调制与解调各环节波形)xlabel(源信号)subplot(3,2,2);plot(t5,y5),grid;xlabel(调制后的波形)subplot(3,2,3);plot(t6,y6),grid;xlabel(经过高斯信道后的波形)subplot(3,2,6);stairs(t7,y7),axis(0 20 -0.5 2.5),grid;xlabel(抽样判决后的波形)figure(2)n1=1024;f1=(-n1/2:1:n1/2-1);s=fft(y3,n1);subplot(3,2,1);plot(f1,abs(fftshift(s),%axis(-30 30 0 7)xlabel(源信号频谱)n2=1024;f2=(-n2/2:1:n2/2-1);s=fft(y5,n2);subplot(3,2,2);plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel(调制后的频谱)s=fft(y2,n2);subplot(3,2,3);plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel(相干解调后的频谱)s=fft(y1,n2);subplot(3,2,4);plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel(滤波后的频谱)s=fft(y7,n2);subplot(3,2,5);plot(f2,abs(fftshift(s),%axis(-400 400 0 300)xlabel(抽样判决后的频谱) 仿真结果：3.3二进制相移键控(2psk）绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通常用相位0和来分别表示“0”或“1”。2psk已调信号的时域表达式为（3-20）这里，与2ask及2fsk时不同，为双极性数字基带信号，即（3-21）式中，是高度为1，宽度为的门函数；（3-22）因此，在某一个码元持续时间内观察时，有，或（3-23）当码元宽度为载波周期的整数倍时，2psk信号的典型波形如图8所示图82psk信号的典型波形2psk信号的调制方框图如图9示。图（a）是产生2psk信号的模拟调制法框图；图（b）是产生2psk信号的键控法框图。图92psk调制器框图就模拟调制法而言，与产生2ask信号的方法比较，只是对要求不同，因此2psk信号可以看作是双极性基带信号作用下的dsb调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时为单极性nrz或双极性nrz脉冲序列信号均可。2psk信号属于dsb信号，它的解调，不再能采用包络检测的方法，只能进行相干解调，其方框图如图10。工作原理简要分析如下。图10 2psk信号接收系统方框图不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为（3-24）式中为2psk信号某一码元的初相。时，代表数字“0”；时，代表数字“1”。与同步载波相乘后，输出为（3-25）经低通滤波器滤除高频分量，得解调器输出为 （3-26）根据发端产生2psk信号时（0或）代表数字信息（“1”或“0”）的规定，以及收端与的关系的特性，抽样判决器的判决准则为（3-28）其中为在抽样时刻的值。2psk接收系统各点波形如图11所示。图11 2psk解调各点波形可见，2psk信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。由于2psk信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为相位或相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。2psk基于matlab的仿真：clear all; close all; fs=8e5; fm=20e3;n=2*(6*fs/fm); final=(1/fs)*(n-1); fc=2e5; t=0:1/