PAM信号传输系统的应用

1、 北 京 科 技 大 学 PAM 信号传输系统的应用信号传输系统的应用 学院： 计算机与通信工程学院 班级： 通信 1303 成员姓名： 李成钢 王亮 陈灿 安栋 张秋杰 2016 年 1 月 14 日 PAM 信号传输系统的应用 研究背景： 随着通信系统的规模和复杂度不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展传的需要，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视。传统的通信仿真技术主要分 可以 得到与真实环境十分接近的结果，为手工分析与电路试验 2 种， 但耗时长方法比较繁杂，而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述 2 种方法的一种系统设计方法，它可以让用户 在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对

2、其进行模拟仿真。通信原理计算机仿真实验，是对数字基带传输系统的仿真。仿真工具是 MATLAB 程序设计语言。MATLAB 是一种先进的高技术程序设计语言，主要用于数值计算及可视化图形处理。特点是将数值分析、矩阵计算、图形、图像处理和仿 真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中伪科学研究工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的编程工具。运用 MATLAB，可以对数字基带传输系统 进行较为全面地研究。 现状分析： 1.1 通信的概念 通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消

3、息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的(分别如图 1-2-1 所示) ，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的(分别如图 1-2-2 所示) ，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。 通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，

4、也即信息(Information) 。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有 1 效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学 技术的一个重要组成部分。包括信息通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和， 1-1 所示：源、发送设备、信道、接收信道和信宿，如图 受信者信道接收

5、设备信息源发送设备 1-1 图通信系统一般模型数字通信系统是利用数字信通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。 号来传递消息的通信系统，其模型如图 1-2 所示：数信信数信信受信源字道源道字信信译调编 解译息编码源码码调码者道制器器器器器器 噪声源 数字通信系统模型 1-2 图 1-3 所示。模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图 受信者解调器调制器信道信息源 噪声源 模拟通信系统模型 1-3 图 数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十

6、分迅速，在整个通信领域中所占比 2 重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。 1.2 数字基带传输系统 数字基带传输系统的介绍 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

7、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 1-1 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。 1.3 数字基带信号 1.3.1 数字基带信号的要求 不同形式的数字基带信号（又称为码型）具有不同的频谱结构，为适应信道的传输特性及接收端再生、恢复数字基带信号的需要，必须合理地设计数字基带信号，即选择合适的信号码型。适合于在有线信道

8、中传输的数字基带信号形式称为线路传输码型。一般来说，选择数字基带信号码型时，应遵循以下基本原则： （1） 数字基带信号应不含有直流分量，且低频及高频分量也应尽量的少。在基带传输系统中，往往存在着隔直电容及耦合变压器，不利于直流及低频分量的传输。此外，高频分量的衰减随传输距离的增加会快速地增大，另一方面，过多的高频分量还会引起话路之间的串扰，因此希望数字基带信号中的高频分量也要尽量的少。 （2） 数字基带信号中应含有足够大的定时信息分量。基带传输系统在接收端进行取样、判决、再生原始数字基带信号时，必须有取样定时脉冲。一般来说，这种定时脉冲信号是从数字基带信号中直接提取的。这就要求数字基带信号中含

9、 3 有或经过简单处理后含有定时脉冲信号的线谱分量，以便同步电路提取。实际经验告诉我们，所传输的信号中不仅要有定时分量，而且定时分量还必须具有足够大的能量，才能保证同步提取电路稳定可靠的工作。 （3） 基带传输的信号码型应对任何信源具有透明性，即与信源的统计特性无关。这一点也是为了便于定时信息的提取而提出的。信源的编码序列中，有时候会出现长时间连“0”的情况，这使接收端在较长的时间段内无信号，因而同步提取电路无法工作。为避免出现这种现象，基带传输码型必须保证在任何情况下都能使序列中“1”和“0”出现的概率基本相同，且不出现长连“1”或“0”的情况。当然，这要通过码型变换过程来实现。码型变换实际

10、上是把数字信息用电脉冲信号重新表示的过程。此外，选择的基带传输信号码型还应有利于提高系统的传输效率；具有较强的抗噪声和码间串扰的能力及自检能力。实际系统中常常根据通信距离和传输方式等不同的要求，选择合适的基带码型。 1.3.2 数字基带信号 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） （2）双极性波形 单极性归

11、零波形（RZ） （3）双极性归零波形 （4） 差分波形（相对码波形） 研究方法： 常用的基带传输码型 前面提到，为满足基带传输系统的特性要求，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 4 （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

12、“0”码保持不变。 例如： 码元序列： 1 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 00 AMI 码： 1 00-110-101-11-100 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

13、”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

14、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

15、 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 5 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

16、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

17、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

18、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 6 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）4 B/3T 码 4B/3T 码是 1B/1T 码的改进型

19、 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）常见的基带信号波形有：单极性波形、双极性波形、单极性归零波形和双极性归零波形。双极性波形可用正负电平的脉冲分别表示二进制码“1”和“0” ，故当“1”和“O”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，且在接收端恢复信号的判决电平为零，抗干扰能力较强。而单极性波形的极性单一，虽然易于用 TTL，CMOS 电路产生，但直流分量大，要求传输线路具有直流传输能力

20、，不利于信道传输。 2）归零信号的占空比小于 1，即：电脉冲宽度小于码元宽度，每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平，这样的波形有利于同步脉冲的提取。 2。曼彻斯特码作为基带信号 3）基于以上考虑采用双极性归零码1.4 基带系统的理论分析 1.4.1 基带系统传输模型及工作原理如图 1-4 所示： 基带系统传输模型 1-4 图 1）系统总的传输特性为 H（） ，n（t）是信道中的噪声。 2）基带系统的工作原理：信源是不经过调制解调的数字基带信号，信源在发送端经过发送滤波器形成适合信道传输的码型，经过含有加性噪声的有线信道后，在接收端通过接收滤波器的滤波去噪，由抽样判决器进一步去噪恢复基带信

21、号，从而完成基带信号的传输。 1.4.2 基带系统设计中的码间干扰及噪声干扰 码间干扰及噪声干扰将造成基带系统传输误码率的提升，影响基带系统工作性能。 7 1.4.3 码间干扰及解决方案 码间干扰：由于基带信号受信道传输时延的影响，信号波形将被延迟从而扩展到下一码元，形成码间干扰，造成系统误码。 解决方案： 基带系统的系统函数 H（）应具有升余弦滚降特性。如图 1-5 所示。这样对应的 h（t）拖尾收敛速度快，能够减小抽样时刻对其他信号的影响即减小码间干扰。 图 1-5 升余弦滚降特性 1.4.4 噪声干扰及解决方案 噪声干扰：基带信号没有经过调制就直接在含有加性噪声的信道中传输，加性噪声会叠

22、加在信号上导致信号波形发生畸变。 解决方案： 5。在接收端进行抽样判决；匹配滤波，使得系统输出性噪比最大 1.5 信源 信息传播过程简单地描述为：信源信道信宿。其中， “信源”是信息的发布者，即上载者；“信宿”是信息的接收者，即最终用户。在传统的信息传播过程中，对信源的资格有严格的限制，通常是广播电台、电视台等机构，采用的是有中心的结构。而在计算机网络中，对信源的资格并无特殊限制，任何一个上网者都可以成为信源 1）常见的基带信号波形有：单极性波形、双极性波形、单极性归零波形和双极性归零波形。双极性波形可用正负电平的脉冲分别表示二进制码“1”和“0” ，故当“1”和“O”等概率出现时无直流分量，

23、有利于在信道中传输，且 8 在接收端恢复信号的判决电平为零，抗干扰能力较强。而单极性波形的极性单一，虽然易于用 TTL，CMOS 电路产生，但直流分量大，要求传输线路具有直流传输能力，不利于信道传输。 2）归零信号的占空比小于 1，即：电脉冲宽度小于码元宽度，每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平，这样的波形有利于同步脉冲的提取。 3）基于以上考虑采用双极性归零码曼彻斯特码作为基带信号。 1.5.1 信道 信道指通信的通道，是信号传输的媒介，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，且含有加性噪声。因此本次系统仿真采用高斯白噪声信道。 1.5.2 抽样

24、判决器 抽样判决器是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）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。抽样判1。 0 决关键在于判决门限的确定，由于采用双极性码，故判决门限为 论点与论据： 下基带系统的设计下基带系统的设计 SIMULINK Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用

25、于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。同时，通过存储模块仿真数据可以方便地以各种形式存储到工作区和文件中，供用户对数据分析和处理，另外，IMULINK 把具有特定功能的代码组织成模块的方式，这些模块可以组织成具有等级的子系统，本次设计正利用SIMULINK 所具有的模块组织能力来构建基带9。 系统，来实现对系统工作过程的仿真 9 2.1 各部分电路图 2.1.1 信源的生成曼彻斯特码 曼彻斯特码 Manchester code （又称裂相码、双向码） ，一种用电平跳变来表示 1 或 0 的编码，其变化规则很简单，即每个码元

26、均用两个不同相位的电平信号表示，也就是一个周期的方波，但 0 码和 1 码的相位正好相反。 曼彻斯特的编码规则是这样的，即将二级制码“1”编成“?，将“0”码编成“01” ，在这里由于采用了二进制双极性码，则将“1”编成“+1-1”码，而将“0”码编成“-1+1”码。根据 2.1 小节的理论分析，采用 SIMULINK 中的bernoulli binary generator（不归零二进制码生成器） 、pulse generator（脉冲生成器） 、constant（常数源模块） 、switch（开关电路） 、scope（示波器）构成曼彻斯特码的生成电路。模型连接方法如图 2-1 所示。 图

27、2-1 曼彻斯特码的生成电路 模块参数设置：bernoulli binary generator（不归零二进制码生成器）的Prpbability of a zero（零码概率）设为 0.5，sample time（采样时间）设为0.5，Inital seed 设为 61，pulse generator（脉冲生成器）的 pulse width（of period） （脉冲宽度）设为 50，占空比为 12，Attitude（幅度）设为 1，phase delay（相位延迟）设为 0，表示不经过延迟，起始时刻发 10 码，switch（开关电路）的threshold（门限）设为 0.5。consta

28、nt（常数源输出）设置为 1，输出常数 1，设置为-1，输出-1。 switch 模块中 3 个输入分别接 3 个信号，当输入的第 2 个信号（二进制码）大于 switch 的门限值 0.5 时，输出为 1，当输入的第 2 个信号（二进制码）小于 switch 的门限值 0.5 时，输出为 0。此时，单极性不归零码经过 switch 电路后成为双极性不归零码（+1-1+1） ，pulse generator 用于产生占空比为 12 的单极性归零脉冲（10） ，经过 switch 开关电路后成为双极性归零脉冲（+1-1） ，两路双 10 极性信号成为乘法器 product 的输入，相乘后的结果是

29、：第 1 路不归零码的 1 码与第 2 路（+1-1）码相乘得到（+1-1） ，第 1 路-1 码与第 2 路（+1-1）码相乘得到（-1+1）码，这就是曼彻斯特码。 2.1.2 传输模块的实现 为了减小码间干扰，在最大输出信噪比时刻输出信号，减小噪声干扰，传输模块由 Square root Raised Cosine Transmit Filter（平方根升余弦传输滤波器） 、AWGN Channel（高斯信道） 、Square root Raised Cosine Receive Filter（平方根升余弦接收滤波器）模块组成，其设计框图如图 2-2 所示。 图 2-2 传输模块 AWGN

30、 Channel（高斯信道）的 Initial seed（起始速度）设为100，mode（模式）设为 signal to noise ratio(SRN)，SNR(dB)设为 20，Intut signai power,referenced to 1 ohm(watts)设为 1。 发送端平方根升余弦传输滤波器用于对输入信号滤波成型，高斯信道中含有高斯白噪声，满足基带系统信道特征，接收端平方根升余弦接收滤波器用于匹配滤波，得到最大输出信噪比。 2.1.3 抽样判决 利用 switch2、pulse generatorl、productl 构成抽样判决电路，并对曼彻斯特码解码，其抽样判决电路及极性转换电路如图 2-3 所示： 11 图 2-3 判决电路及极性转换电路 模块参数设置：switch2 的判决门限设为 0，pulse generatorl 的占空比为50，相位延迟为 0。 输入信号经 switch2 被抽样判决，当信号大于 0 时输出为 1，当信号小于 0 时输出为-1，pulse Generatorl（脉冲生成器）的输出信号（101010 ）作为第 2路信号与第 1 路 switch2 输出信号相乘，结果是：第 1 路为（+1-1）时与第 2 路（10）相乘得到（+10） ，第 1 路为（-1+1）时与第 2 路（10）相乘得到（