数字信号基带传输系统的仿真实现90

1、*实践教学 *兰州理工大学计算机与通信学院 2012年秋季学期通信系统综合训练题 目：数字信号基带传输系统的仿真实现 专业班级： 通信四班 姓 名： 学 号： 指导教师： 陈海燕 成 绩： 1摘要 本次综合训练主要是对频带传输系统的仿真的实现。在设计基带传输系统时，通过对原理的分析和实现过程中的实际操作问题的解决方便，采用仿真工具SIMULINK设计数字基带传输系统仿真实验软件的系统定义,模型构造的过程,通过对仿真结果分析和误码性能测试表明该仿真系统完全符合实验要求仿真系统分析与设计数字基带传输系。关键词：Simulink；眼图；数字基带传输系统；2前言 数字基带传输系统是通信原理课程中非常重

2、要的一部分基础性内容, 了使学生加深对通信系统的理解，其中的一些概念原理往往需要用实验来澄清，但是该实验的实验板在市场上没有销售，而且该实验几乎无法用硬件实现，一些替代性的实验，其实验结果由于受多种因素影响，也往往不能满足要求因此开发一套数字基带传输系统仿真实验软件是很有必要的，在仿真软件设计中采用了MAth Work公司的MATLAB作为仿真工具,其仿真平台SIMULINK具有可视化建模和动态仿真的功能,用SIMULINK构造仿真系统,方法简单直观,开发的仿真系统使用时间流动态仿真,可以准确描述真实系统的每一细节,并且在仿真进行的同时具有较强的交互功能,易于使用,另外该软件还具有较好的可扩展

3、性和可维护性.本文给出了采用仿真工具SIMULINK设计数字基带传输系统仿真实验软件的系统定义,模型构造的过程,通过对仿真结果分析和误码性能测试表明该仿真系统完全符合实验要求仿真系统分析与设计数字基带传输系. 目录 第1章 数字基带传输系统11.1 概述11.2 数字基带系统的简介11.2.1 数字基带信号11.2.2 数字基带传输11.2.3 数字基带传输系统21.2.4 数字基带传输的要求及常用码型313 基带系统传输模型及工作原理314基带系统设计中的码间干扰及噪声干扰4第二章 SIMULINK软件各子系统的设计521 信源522 发送滤波器和接收滤波器、信道823 抽样判决器10第三章

4、 仿真结果分析1231 基带传输系统设计总图及各点输出波形1232 眼图观测结果1333 发送信号和接收信号的功率谱14总结16参考文献17致谢18第1章 数字基带传输系统1.1 概述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

5、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。1.2 数字基带系统的简介1.2.1 数字基带信号数字传输系统中，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

6、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.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。1.2.2 数字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

7、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。1.2.3 数字基带传输系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

8、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判决器同步提取数字带信号图1.1 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

9、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

10、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。1.2.4 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，

11、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。13 基带系统传输模型及工作原理 基带系统传输模型如图1.1所示。系统总的传输特性为H()=GT()C()GR()，n(t)是信道中的噪声。 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号，从而完成基带信号的传输。 14基带系统

12、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。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：要求基带系统的传输函数H()满足奈奎斯特第一准则1-1：       1-1若不能满足奈奎斯特第一准则，在接收端加入时域均衡，减小码间干扰。基带系统的系统函数H()应具有升余弦滚降特性。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

13、干扰。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，加性噪声会叠加 在信号上导致信号波形发生畸变。解决方案： 在接收端进行抽样判决；匹配滤波，使得系统输出信噪比最大第二章 SIMULINK软件各子系统的设计21 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，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

14、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。 曼彻斯特的编码规则是这样的，即将二级制码“1”编成“10"，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31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)、Uni

15、polar to Bipolar Converter（单极性向双极性转换器）、Pulse Generator(脉冲生成器)、Constant(常数源模块)、Add（加法器）、Product（乘法器）、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2.1曼切斯特码如图2.2所示 图2.2模块参数设置如图2.3和2.4所示 图2.3 图 2.4 图2.5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05，Sample time(采样时间)设为0.001。Pulse

16、 Generator(脉冲生成器)的Amplitude(幅度)设为2，Period设为2，Pulse width (脉冲宽度)设为1，占空比为1/2， Phase delay(相位延迟)设为0，表示不经过延迟，Sample time设置为1/2000。Unipolar to Bipolar Converter（单极性向双极性转换器）的M.ary number设为2。Constant(常数源模块)的Constant value设为.1。  Bernoulli Binary Generator 用于产生1和0的随机信号，经过Unipolar to Bipolar Convert

17、er 变为双极性信号；Pulse Generator用于产生占空比为1/2的单极性归零脉冲(2020)，经过Add加法电路减一后成为双极性脉冲(+1.1+1.1)。两路双极性信号成为乘法器Product的输入，相乘后的结果是：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。22 发送滤波器和接收滤波器、信道   基带系统设计的核心问题是滤波器的选取，根据12的分析，为了使系统冲激响应h(t)拖尾收敛速度加快，减小抽样时刻偏差造成的码间干扰问题，要求发送滤波器应具有升余弦滚降特性；要得

18、到最大输出信噪比，就要使接收滤波器特性与其输入信号的频谱共扼匹配同时系统函数满足：H()=GT()GR()考虑在t0时刻取样，上述方程改写为  H()=GT()，GR()，于是求解出，因此，在构造最佳基带传输系统时要使用平方根升余弦滤波器作为发送端和接收端的滤波器。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Upsample(内插函数)、Discrete Filter根升余弦传输滤波器、AWGN Channel(高斯信道)、Discrete Filter根升余弦接收滤波器模块组成，其设计框图如图2.3所示： 图2.6模块参数设置：Upsample的Upsa

19、mple factor设为10，Discrete Filter根升余弦传输滤波器的Numerator设为rcosine(2,10,'fir/sqrt',0.5,10)，Sample time设为1/10000，AWGN Channel(高斯信道)的Mode选为SNR，SNR设为11，Discrete Filter根升余弦接收滤波器设置与传输滤波器模块相同。模块参数设置图如图所示。 图2.7 图2.8 图2.924 抽样判决器  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

20、样判决关键在于判决门限的确定，由于本次设计采用双极性码，故判决门限为023 抽样判决器利用Pulse Generatorl、Product、Relay、Triggered Subsystem、Downsample构成抽样判决电路，并通过Pulse Generatorl、Constant、Add、Product模块对接收到的曼彻斯特码进行解码，其抽样判决电路及曼彻斯特码解码电路如图3.4所示： 图2.10模块参数设置：Pulse Generatorl的Amplitude设为1，Period设为10，Pulse width设为1，Sample time设为1/20000；Relay的Switch

21、on point和Switch off point都设为0，Output when on设为1，Output when off设为.1，当采样点的幅值大于0则判为1，小于0则判为.1；Downsample的Downsample factor设为10；曼彻斯特码解码模块与编码模块设置相同。两路双极性信号成为乘法器Product的输入，相乘后的结果是：第1路不归零码的（+1.1）码与第2路(+1.1)码相乘得到+1码，第1路（.1+1）码与第2路(+1.1)码相乘得到.1码，这就对曼彻斯特码进行了解码。模块参数设置如下图 图2.11 第三章 仿真结果分析31 基带传输系统设计总图及各点输出波形基带

22、传输系统的设计总图以及传输过程中的各点波形分别如图4.1所示 图3.1Scope1的波形如图3.2所示： 图3.2第一行波形是对曼彻斯特码进行10被升速率采样后的波形，将该信号送到传输滤波器中，滤除高频成分得到第二行波形，第三行是第二行波形进过加性高斯白噪声信道传输并通过接收滤波器滤除噪声后的波形，第四行是经过抽样判决器抽样和判决再生产生的曼彻斯特码。 从图中的波形来看，传输是有效的。第一行是信源端发送的信号波形，第二行是接收端收到的信号波形，与第一行的基带信号比较，波形相同，这说明所设计的基带系统没有产生误码，达到了抗码间干扰和抗噪声干扰的目的。32 眼图观测结果下图3.4为接收滤波器观察到

23、的眼图，从图中可看出，在信噪比为15 dB下观察眼图，“眼睛”睁开的角度很大，且没有“杂线”，说明系统在该信噪比下具有很好的抗码间干扰能力。 图3.433 发送信号和接收信号的功率谱 图3.5左边为发射信号功率谱,左边为及接收信号功率谱34传输过程的误码率当加性高斯白信道信噪比(SNR)为11dB时误码率约为0.0002当加性高斯白信道信噪比(SNR)为12dB时误码率约为0.00003当加性高斯白信道信噪比(SNR)为13dB时误码率为0SNR为11dB时的误码率 SNR为12dB时的误码率 SNR为12dB时的误码率通过上图的分析,误码率产生的主要原因是信道中信噪比的大小,噪声过大会对信号造成干扰,从而使接收端产生误码。 总结 本次综合训练对数字基带信号传输的特性进行了分析，并通过对基带传输理论的深入理解，运用数值仿真的方法，对基带传输的特性作了模拟。研究结果表明，传输基带信号受到约束的主要因素是系统的频率特性。当然可以有意地加宽传输频带使这种干扰减小到任意程度。然而这会导致不必要地浪费带宽。如果展宽得太多还会将过大的噪声引入系统。因此应该