通信原理课设

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 数字基带通信系统的设计与建模初始条件：（1）MAX+plus、Quartus II、ISE等软件；（2）课程设计辅导书：通信原理课程设计指导（3）先修课程：数字电子技术、模拟电子技术、电子设计EDA、通信原理要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1）课程设计时间：；（2）课程设计题目：数字基带通信系统的设计与建模；（3）本课程设计统一技术要求：按照要求对题目进行逻辑分析，了解数字基带通信系统，画出绝相变换器与相绝变换器的仿真模型，并记录实验结果波形，对实验结果进行分析；（4）课

2、程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，并标明参考文献至少5篇；（5）写出本次课程设计的心得体会（至少500字）。时间安排：第19周参考文献：江国强.EDA技术与应用. 北京：电子工业出版社，2010 John G. Proakis.Digital Communications. 北京：电子工业出版社，2011指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要 数字通信的基带传输方式是数字通信的最基本的传输方式，如利用中继方式在长距离上直接传输 PCM 信号、用双绞线进行局域网内的计算机数据传输等。本课题讨论的主要对象是数字基带传输系统中的收发系统，具

3、体是对包含绝相变换器的基带系统进行设计与建模。对如何在信道中实现可靠传输不做探讨。这主要是因为以 FPGACPLD为目标器件，很难实现对基带传输系统中发送滤波器和接收滤波器的设计。目录1.概述12.数字基带系统的简介1 2.1 数字基带信号1 2.2 数字基带传输2 2.3 数字基带传输系统2 2.4 数字基带传输的要求及常用码型33.基带传输系统的设计与建模93.1 绝相变换器的设计93.2 相绝变换器的设计113.3 绝相/相绝的基带系统设计134.实验源程序和仿真效果图14 4.1绝相变换器源程序及仿真图15 4.2相绝变换器源程序及仿真图16 4.3绝相/相绝变换源程序及仿真图175.

4、心得体会196.参考文献20 1.概述 Quartus II 是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunctio

5、n宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Maxplus II 的更新支持，Quar

6、tus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。Altera在Quartus II 中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具，集成了SOPC和HardCopy设计流程，并且继承了Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法。 Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。 Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协

7、作设计。Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添 了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件。 20世纪60年代出现了数字传输技术，它采用了数字信号来传递信息，从此通信进入了数字化时代。目前，通信网已基本实现数字化，在我国公众通信网中传输的信号主要是数字信号。数字通信技术的应用越来越广泛，例如数字移动通信、数字卫星通信、数字电视广播、数字光纤通信、数字微

8、波通信、数字视频通信、多媒体通信等等。数字通信系统主要的两种通信模式:数字频带传输通信系统，数字基带传输通信系统。数字基带信号指未经调制的数字信号，它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。数字基带传输系统指不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。研究数字基带传输系统的原因：实际中，基带传输不如频带传输应用广泛，但对基带传输的研究仍有非常重要的意义。这是因为：第一，数字基带系统在近程数据通信系统中广泛采用；第二，数字基带系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；第三，随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势，它不仅用于低速数据传输，而且还用于

9、高速数据传输；第四，在理论上，任何一个线性调制的频带传输系统，总是可以有一个等效的基带载波调制系统所替代。因此，很有必要对基带传输系统进行综合系统的分析。2.数字基带系统的简介 2.1 数字基带信号通信的根本任务是远距离传输信息，准确地传输数字信息是数字通信中的一个重要环节。在数字传输系统中，其传输对象通常是二进制数字信息。它可能是来自计算机、网络或其他数字设备的各种数字代码，也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。数字信息在一般情况下可以表示为一个数字序列： ，,简记为。是数字序列的基本单元，称为码元。每一个码元只能取离散的有限个值，例如在二进制中，取0或1两个值；在M进制中，取0，1，2，M

10、-1等M个值，或者取二进制码的M种排列。由于码元只有有限个可能取值，所以通常用不同幅度的脉冲表示码元的不同取值，例如用幅度为A的矩形脉冲表示1，用幅度为-A的矩形脉冲表示为0。这种脉冲信号被称为数字基带信号，这是因为它们所占据的频带通常从直流和低频开始。 2.2 数字基带传输在数字传输系统中所传输的通常是二元数字信号。设计数字传输系统要考虑的基本想法是选择一组有限个离散的波形来表示数字信息。这些离散波形可以是载波进行调制后的波形,也可以是不经过调制的不同电平信号。来自数据终端的原始数据信号，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组，M序列等等都是基带数字信号。 这些信号往往包含丰富的低频分

11、量。有些场合可以不经过载波调制和解调过程而直接传输，称为基带传输。系统基带波形被脉冲变换器变换成适应信道传输的码型后，就送入信道，一方面受到信道特性的影响，使信号产生畸变；另一方面信号被信道中的加性噪声所叠加，造成信号的随即畸变。因此，在接收端必须有一个接收滤波器，使噪声尽可能受到抑制，为了提高系统的可靠性，在安排一个有限整形器和抽样判决器组成的识别电路，进一步排除噪声干扰和提取有用信号。对于抽样判决，必须有同步信号提取电路。在基带传输中，主要采用位同步。同步信号的提取方式采用自同步方式（直接法）。同步系统性能的好坏将直接影响通信质量的好坏，甚至会影响通信能否正常进行。 2.3 数字基带传输系

12、统基带传输包含着数字通信技术的许多问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此频带传输也存在基带问题。基带传输的许多问题，频带传输同样须考虑。如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。理论上还可证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统来代替。数字基带系统的基本结构如图1.1所示。信道信号形成器信道接收滤波器抽样判决器同步提取数字基带信号图1-1 数字基带传输系统信道信号形成器：基带传输系统的输入是由终端设备或编码器产生的脉冲序列，它不一定适合直接在信道中传输。信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输

13、的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。信道：允许基带信号通过的媒质。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，恒参信道如（明线、同轴电缆、对称电缆、光纤通道、无线电视距中继、卫星中继信道）对信号传输的影响主要是线形畸变；随参信道如（短波电离层反射、对流层散射信道等）对信号传输的影响主要有频率弥散现象（多径传播）、频率的选择性衰落。信道的线性噪声和加性噪声的影响。在通信系统的分析中，常常把噪声n(t)等效，集中在信道中引入。接收滤波器：主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。抽样

14、判决器：它是在传输特性不理想及噪声背景下，在由位定时脉冲控制的特殊点对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。自同步法的同步提取电路：有两部分组成，包括非线型变换处理电路和窄带滤波器或锁相环。非线型变换处理电路的作用是使接收信号或解调后的数字基带信号经过非线型变换处理电路后含有位同步分量或位同步信息。窄带滤波器或锁相环的作用是滤除噪声和其他频谱分量，提取纯净的位同步信号。 2.4 数字基带传输的要求及常用码型 在实际基带传输系统中，并非所有的原始基带数字信号都能在信道中传输。例如，有的信号含有丰富的直流和低频成分，不便提取同步信号；有的信号易于形成码间串扰等。因此，基带传输系统

15、首先面临的问题是选择什么样的信号形式，即传输码型的选择和基带脉冲波形的选择。为了在传输信道中获得优良的传输特性，一般要将信码信号变化为适合于信道传输特性的传输码，即进行适当的码型变换。对传输码型的要求如下：（1） 传输信号的频谱中不应有直流分量，低频分量和高频分量也要小。（2） 码型中应包含定时信息，有利于定时信息的提取，尽量减小定时抖动。（3） 码型变换设备要简单可靠。（4） 码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则可根据这一规律性检测传输质量，以便做到自动检测。（5） 编码对信息类型不应有任何限制，即对信源具有透明性。常用的码型有AMI码、HDB3码、分相码、反转码AMI等。3.

16、 基带传输系统的设计与建模 绝相变换是指将二进制非归零的数据码元变换成反映其相邻码元的电位变化的一种新的码元 。其变换规则如式（1-1）所示。 （1-1）而相绝变换是绝相变换的反变换，其变换规则如式（1-2）所示。 (1-2）绝相变换和相绝变换的原理框图如图7-1所示。图中 的为一个码元的宽度。图1-2 绝相变换和相绝变换的原理框图 3.1绝相变换器的设计 绝相变换器的电路如图1-3所示，用D触发器作为码元延迟器。由于异或门为组合逻辑器件，因此其输出信号可能出现冒险现象，为了克服冒险现象，在后面增加一个D触发器则可保证正确的绝相变换信号输出。其绝相变换器的电路图如图1-3所示。图中：DATAI

17、N码元输入；CLK时钟输入；DATAOUT绝相变换输出；RST-复位信号。 图1-3 绝相变换器的电路图 3.2相绝变换器的设计 根据式（1-2）和图1-1，画出相绝变换电路如图1-4所示。图中用D触发器作为码元延迟器。另外，为了克服组合逻辑电路带来的冒险现象，在输出端增加了一个D触发器。图中：XDATAIN相对码输入；CLK时钟输入；JDATAOUT绝对码输出；RST-复位信号。 图1-4 相绝变换器电路图3.3绝相/相绝的基带系统设计 绝相/相绝变换的基带系统的电路图如图1-5所示。图中将以上设计的绝相变换器和相绝变换器连接起来，构成了一个基带系统。为了仿真方便，图中采用了同一时钟，而在实

18、际的系统中，通常需要在接收端进行同步时钟信号提取。图中：JDATAOUT绝相变换输出（相对码）；XDATAIN(XDATAOUT)绝对码输入(输出)；CLK时钟输入；JDATAOUT绝对码输出；RST-复位信号。图1-5 绝相/相绝变换的基带系统的VHDL设计模型4. 实验源程序和仿真效果图 4.1绝相变换器源程序及仿真图实验源程序：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all; LIBRARY work;ENTITY juexiang IS PORT(datain : IN STD_LOGIC;rst : IN STD_LOGIC;clk : IN STD

19、_LOGIC;dataout : OUT STD_LOGIC);END juexiang;ARCHITECTURE bdf_type OF juexiang IS SIGNALSYNTHESIZED_WIRE_2 : STD_LOGIC;SIGNALDFF_inst1 : STD_LOGIC;BEGIN PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = 0) THENdataout = 0;ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENdataout = SYNTHESIZED_WIRE_2;END IF;END PROCESS;PROCESS(clk,rst)BEGIN

20、IF (rst = 0) THENDFF_inst1 = 0;ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENDFF_inst1 = SYNTHESIZED_WIRE_2;END IF;END PROCESS;SYNTHESIZED_WIRE_2 = datain XOR DFF_inst1;END bdf_type;仿真效果图： 图1-6 绝相变换器的时序仿真波形 结果分析： 由以上程序得绝相变换的时序仿真波形如图1-6所示。从图1-6可知，其波形关系符合式（1-1）的绝相变换规则。真值表：DATAIN010100110011DATAOUT0110001000104.2相绝变换器源程

21、序及仿真图 实验源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.std_logic_1164.all; LIBRARY work;ENTITY xiangjue IS PORT(xdatain : IN STD_LOGIC;clk : IN STD_LOGIC;rst : IN STD_LOGIC;jdataout: OUT STD_LOGIC);END xiangjue ;ARCHITECTURE bdf_type OF xiangjue IS SIGNALSYNTHESIZED_WIRE_0 : STD_LOGIC;SIGNALDFF_inst1 : STD_LOGIC;BEGIN P

22、ROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = 0) THENjdataout= 0;ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENyjdataout= SYNTHESIZED_WIRE_0;END IF;END PROCESS;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = 0) THENDFF_inst1 = 0;ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENDFF_inst1 = xdatain;END IF;END PROCESS;SYNTHESIZED_WIRE_0 = xdatain XOR DFF_inst1;END bdf_type

23、;仿真效果图： 图1-7相绝变换器的时序仿真波形结果分析： 由以上程序得相绝变换电路得到的仿真波形如图1-7所示。可以看出图1-7中的波形关系符合式（1-2）的相绝变换规则。真值表：XDATAIN010100110011JDATAOUT0001111010014.3绝相/相绝变换源程序及仿真图实验源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.std_logic_1164.all; LIBRARY work;ENTITY djx IS PORT(jdatain : IN STD_LOGIC;clk : IN STD_LOGIC;rst : IN STD_LOGIC;xdataout: OU

24、T STD_LOGIC;jdataout: OUT STD_LOGIC);END djx;ARCHITECTURE bdf_type OF djx IS SIGNALSYNTHESIZED_WIRE_0 : STD_LOGIC;SIGNALSYNTHESIZED_WIRE_3 : STD_LOGIC;SIGNALDFF_inst1 : STD_LOGIC;SIGNALDFF_inst : STD_LOGIC;SIGNALDFF_inst2 : STD_LOGIC;BEGIN kxdataout= DFF_inst;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = 0) THENDF

25、F_inst = 0;ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENDFF_inst = SYNTHESIZED_WIRE_0;END IF;END PROCESS;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = 0) THENDFF_inst1 = 0;ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENDFF_inst1 = jdatain;END IF;END PROCESS;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = 0) THENDFF_inst2 = 0;ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENDFF_inst2 = S

26、YNTHESIZED_WIRE_3;END IF;END PROCESS;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = 0) THENjdataout= 0;ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENjdataout = SYNTHESIZED_WIRE_3;END IF;END PROCESS;SYNTHESIZED_WIRE_0 = jdatain XOR DFF_inst1;SYNTHESIZED_WIRE_3 = DFF_inst XOR DFF_inst2;END bdf_type;仿真效果图： 图1-8 绝相/相绝变换的基带系统的时序仿真波形结果分析：

27、 由以上程序可得绝相/相绝变换电路的仿真波形如图1-8所示。图中显示了绝对码输入、相对码输出（绝相变换后）和经相绝变换后的绝对码输出。从图1-8可知该系统经过绝相和相绝变换后能正确地恢复原绝对码信号。真值表：JDATAIN010100110011JDATAOUT010100110011XDATAOUT0011110101015. 心得体会 经过两周的通信原理课程设计的学习让我受益菲浅。在通信原理课程设计即将结束之时，我对在这一周来的学习与设计进行了总结，总结这一周来的收获与不足。取之长、补之短，在今后的学习和工作中有所受用。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，通过课程设计我们能够比较系统的了解理论知识，把理论和