基于MATLAB的数字基带传输系统的仿真设计(0909030102陈廷婷论文,陈擘威)

1、绵阳师范学院本科生毕业设计（论文）题 目 基于MATLAB的数字基带 传输系统的仿真设计 专 业 电子信息科学与技术 院 部 物理与电子工程学院 学 号 姓 名 陈廷婷 指 导 教 师 陈擘威 讲师 答 辩 时 间 二0一三年五月 论文工作时间：2012年12月至2013年4月基于MATLAB的数字基带传输系统的仿真设计学 生：陈廷婷 指导教师：陈擘威摘 要：现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；并且要求通信系统技术研究和产品开发的周期缩短，成本降低，水平提高。这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。目前，现代计算机科

2、学技术快速发展，已经研发出来了新一代的可视化仿真软件，其功能强大，使得通信系统仿真的设计和分析过程相对直观、便捷。本论文比较详细介绍了通信原理这门课程中数字基带传输系统实验的计算机仿真软件设计工作。论文主要内容就是用MATLAB动态系统仿真平台SIMULINK对数字基带传输系统进行分析，在其基础上，描述仿真模型的建立、实现以及仿真结果分析。数字基带信号传输系统主要由滤波器（信道信号形成器）、信道、接收滤波器和抽样判决器组成，在论文中，首先对数字基带信号传输系统进行详细分析，得出理论值。然后通过系统分析，设计了总体仿真框图，利用MATLAB对各个子系统进行了建模和封装，建立了数字基带传输系统仿真

3、模型，并对仿真模型进行了测试，得出仿真结果与理论值基本一致。关键词:通信原理；MATLAB；基带传输系统；仿真Matlab-based digital basebandtransmissionsystem simulation designUndergraduate:ChentingtingSupervisor:ChenboweiAbstract:The development of modern society requires more powerful, more and more high-performance, constitute increasingly complex com

4、munication system; and the communication system technology research and product development cycles, lower costs, and raise the level. Such sharp opposition to the two requirements, only through the use of powerful computer-aided analysis and design techniques and tools to achieve. Modern computer sc

5、ience and technology rapid development, has developed a new generation of visual simulation software, the powerful, making the design of the communications system simulation and analysis process is relatively straightforward and convenient.The thesis introduces the design of simulation software comp

6、uter experiment of digital communication principle in the course of baseband transmission system. The main content of this thesis is to analyze the digital baseband transmission system using SIMULINK dynamic system simulation platform for MATLAB, on the basis of establishing simulation model, descri

7、ption, and analysis of simulation results. The digital baseband signal transmission system consists of filter (channel signal forming device), channel, receiver filter and sample sentence composition, in the thesis, firstly, a detailed analysis of the digital baseband transmission system, obtains th

8、e theory value. Then through the analysis of the system, design the overall simulation block diagram, use MATLAB for modeling and encapsulation of each sub system, established the digital baseband transmission system simulation model, simulation model and the test, the basic simulation results are c

9、onsistent with theoretical value.KeyWords: Communication Theory;MATLAB ;baseband transmission system;simulation目录1 绪论12 MATLAB的简介22.1软件介绍22.2 MATLAB的特点23数字基带传输系统的简介33.1数字基带传输系统的研究意义33.2数字基带传输系统33.3 数字基带传输系统模型44 数字基带传输系统的设计及仿真74.1基带系统设计方案74.2SIMULINK下基带系统的设计74.3仿真结果分析14结束语18参考文献19致谢201 绪论随着通信系统的规模和复杂

10、度不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视，通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程，对通信系统的发展起着举足轻重的作用。仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来判断原系统的性能，从而为新系统的简历或原系统的改造提供可靠的参考。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能，因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。在过去的几十年里，通信和信号处理系统的复杂程度显著提高，与此同时出现了一系列新的技术，如用于数字信号处理的价格不高但速度很快的硬件、光纤光学器件、

11、集成光学设备和单片微波集成电路，这些对通信系统的实现均有重要影响。通信系统复杂度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了，然而在商用产品中引入新技术要求设计能做到短时、高效、省力，而这些要求只有通过使用强大的计算机辅助分析和设计工具才能实现。所以，通信系统仿真在通信工程设计中起着举足轻重的作用。通信系统分为模拟通信系统模型和数字通信系统模型，与模拟通信相比，数字通信具有许多优良的特性，如抗干扰能力强，噪声不积累，传输差错可控，便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、储存，易于集成，使通信设备微型化，重量轻等，并且随着大规模集成电路的储蓄，数字系统的设备复杂程度和技术难度

12、大大降低，因此，数字传输方式日益受到欢迎。数字基带传输系统是通信原理课程中非常重要的一部分基础性内容。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。这种不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，称为数字基带传输系统。1MATLAB是一种先进的高级技术程序设计语言，是一种编程语言和可视化工具主要用于数值计算及可视化图形处理，MATLAB在20世纪90年代，已经成为国际控制界的标准计算软件。它能够对数据以图形的方式显示出来，使数据间的关系清晰明了。MATLAB提供的SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。SIMU

13、LINK提供了基于MATLAB核心的数值、图形、编程功能的一个块状图界面，通过块与块的联线和属性设置，构建出符合特定要求的模型，并对模型进行分析和模拟。2 MATLAB的简介2.1软件介绍MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是由美国Math Works公司推出的用于数值计算和图形处理的计算系统环境，除具备卓越的数值计算能力以外，还提供了专业的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，因此，使用MATLAB来解决问题比用C语言，Fortran语言等要简洁很多。MATLAB是国际公认的优

14、秀应用软件之一。2MATLAB产品族可以进行数值分析、数值、符号计算、控制系统的设计和仿真、数字图像处理、工程与科学绘图、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程、数字信号处理这些工作。MATLAB的应用范围很广，如信号和图像处理、控制系统设计、测试和测量、通讯、计算生物学、财务建模和分析等应用领域。附加的工具箱拓展了MATLAB环境，以及解决这些应用领域内特定类型的问题。1995年，Math Works公司推出MATLAB4.2C版，4.X版在继承和发展其原有的数值计算和图形可视功能的同时，还推出了Simulink。Simulink是MATLAB提供的用于动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。Si

15、mulink提供了专门用于显示输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。同时，通过Simulink的存储模块，仿真数据可以方便地以各种形式保存在工作区或文件中，供用户在仿真结束之后对数据进行分析和处理。另外，Simulink把具有特定功能的代码组织成模块的方式，并且这些模块可以组织成具有等级结构的子系统，因此具有内在的模块化设计要求。基于上述优点，Simulink成为一种通用的仿真建模工具，广泛应用于通信系统仿真、数字信号处理、模糊逻辑、神经网络、机械控制和虚拟现实等领域。3-4根据输出信号和输入信号的关系，Simulink提供3种类型的模块：连续模块、离散模块和混合模块。7-8连续模

16、块是指输出信号随着输入信号发生连续变化的模块，离散模块则是输出信号以固定间隔变化的模块。对于连续模块，Simulink采用积分方式计算出输出信号的数值，因此，连续模块主要涉及导数的计算及其积分。离散模块的输出信号在下一个抽样时刻到来之前保持恒定，这时候Simulink只需以一定的间隔计算输出信号的数值。混合模块是根据输入信号的类型来确定输出信号的类型的，它既能够产生连续输出信号，也能够产生离散输出信号。2.2 MATLAB的特点被称为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB最突出的特点就是简洁，它给用户带来的是最直观、最简洁的程序

17、开发环境。MATLAB的主要特点如下几点：1. 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数及其丰富2. 此高级语言可用于技术计算，既具有结构化的控制语句，又有面向对象编程的特性3. MATLAB的图形功能强大，数据的可视化非常简单，具有较强的编辑图形界面的能力4. 具有功能强大的工具箱，交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题5. 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面6各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言集成 53数字基带传输系统的简介3.1数字基带传输系统的研究意义目前，数字基带传输在通信系统中的应用虽没有带通传输应用广泛，但是基带传输系统仍然有相当多的应用范围，对它的研究

18、仍是十分有意义的。这是因为，第一，在利用对称电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用了这种传输方式；第二，随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有迅速发展的趋势，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；第三，数字基带传输系统的基本理论不仅适用于数字基带传输系统，而且还适用于带通传输；第四，理论上也可以证明，任何一个采用线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统来研究。因而，掌握数字基带传输的基本理论十分重要，它在数字通信系统中具有普遍意义。13.2数字基带传输系统数字基带传输系统：不使用调制和解调装置而直接传输数字基带信号的系统。信道信号形成器信道接收滤波器抽样判决器基带脉冲

19、 基带脉冲 输入 输出同步提取 图3-1 数字基带传输系统方框图图3-1是一个典型的数字基带信号传输系统方框图。可见，数字基带传输系统是由发送滤波器（信道信号形成器）、信道、接收滤波器和抽样判决器组成的。为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统。其中，发送滤波器（信道信号形成器）：它的功能是产生适合于信道传输的基带信号波形。因为其输入一般是经过码型编码器产生的传输码，相应的基本波形通常是矩形脉冲，其频谱很宽，不利于传输。发送滤波器通过码型变换和波形变换实现其变换，使得信号与信道匹配，便于传输。信道：是允许基带信号通过的媒介。信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起失真。另外信道还会

20、引入噪声。在通信系统的分析中，常常把噪声等效，集中在信道中引入。接受滤波器：它的功能是接受信号。尽可能滤除信道噪声和其他干扰，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：在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由定位脉冲控制）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。定位脉冲和同步提取：它的作用是抽样的位定时脉冲依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时的准确与否直接影响判决效果。3.3 数字基带传输系统模型3.3.1 基带系统传输模型和工作原理数字基带传输系统的基本组成框图如图3-2所示，它通常由脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器与码元再生器

21、组成。系统工作过程及各部分作用如下。 抽样判决抽样判决接 收滤波器GRf带限信 道Cf发 送滤波器GTf M进制 数字信息 输出 k=-ant-Ts yt rn an gTt gRt nt 定时信号 图3-2 数字基带传输系统方框图发送滤波器进一步将输入的矩形脉冲序列变换成适合信道传输的波形gTt。这是因为矩形波含有丰富的高频成分，若直接送入信道传输，容易产生失真。基带传输系统的信道通常采用电缆、架空明线等。信道既传送信号，同时又因存在噪声nt和频率特性不理想而对数字信号造成损害，使得接收端得到的波形gRt与发送的波形gTt具有较大差异。接收滤波器是收端为了减小信道特性不理想和噪声对信号传输的

22、影响而设置的。其主要作用是滤除带外噪声并对已接收的波形均衡，以便抽样判决器正确判决。抽样判决器首先对接收滤波器输出的信号yt在规定的时刻（由定时脉冲cp控制）进行抽样，获得抽样信号rn，然后对抽样值进行判决，以确定各码元 是 “1”码还是“0” 码。3.3.2基带系统设计中的码间干扰和噪声干扰以及解决方案由图 1所示，其中发送滤波器的传递函数为GTf，冲击响应为gTt；接收滤波器的传递函数为GRf，冲击响应为gRt。从an到an的传输过程中，各个脉冲信号经过信道与接收滤波器 后可能发生不期望的变形，从而影响接收，这中间既有码间串扰又有噪声的影响。经过接收滤波器后的输出信号为 yt=k=-akt

23、-kTs*gTt*ct+nt*gRt令ynt=nt*gRt,并令数字基带传输系统总的冲击响应为 ht=gTt*ct*gRt总的频响函数为 Hf=GTfCfGRf 于是yt=k=-akt-kTs*ht+ynt=k=-akht-kTs+ynt记抽样定时为t=nTs+t0,得到抽样值，rn=ynTs+t0。t0是相对固定的时延，不妨将其忽略。于是rn=ynTs=k=-akhnTs-kTs+ynnTs=anh0+m=-m0an-mhmTS+ynnTs式中，令m=n-k。式中的第一项对应所期望接收的an符号，；第二项是其他符号对当前符号an的干扰，称为码间串扰或码间干扰（ISI）；第三项为噪声影响。由于

24、随机性的码间串扰和噪声的存在，使抽样判决电路在判决时可能判对，也可能判错。显然，只有当码间干扰和随机干扰很小时，才能保证上述判决的正确；当干扰及噪声严重时，则判错的可能性就很大。1.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(f)满足奈奎斯特第一准则：k=-Hf-kTs=常数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。如图2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。

25、图3-3 升余弦滚降特性2.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，使得系统输出性噪比最大。4 数字基带传输系统的设计及仿真4.1基带系统设计方案信源的选择：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。本次设计所采用的曼彻斯特码就是一种典型的双极性不归零码。在s

26、imulink的环境下产生该信号需将“Bernoulli Binary Generator”模块和 “Pulse Generator”模块各自产生的信号经过一个“Relay”模块判决后再经过一个相乘器“Product”模块。发送滤波器和接收滤波器的选择：基带系统设计的核心问题是滤波器的选取，根据对信源的分析，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，同时为了得到最大输出信噪比，在此选择平方根升余弦滤波器作为发送（接收）滤波器，滚降系数为0.5，接收滤波器与发送滤波器相匹配。以得到最佳的通信性能（即误码率最小）信道的选择：

27、信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，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。抽样判决器的选择：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。根据曼彻斯特码的码性特点，故在接收中的判决门限为0。即采用由“Pulse Generator”脉冲模块“Relay”判决模块“Product”相乘器模块“Triggered Subsystem”保持模块构成的抽样判决器。4.2SIMULINK下基带系统的设计4.2.1信源的建模及相关参数设置曼彻斯特码基带信号源需

28、用到的simulink模块有“Bernoulli Binary Generator”、 “Pulse Generator”、“Relay”、“Product”。考虑到设计要求，“Bernoulli Binary Generator”参数设置为“Sample time”为“1/1000”，其余参数为默认值；“Pulse Generator” 参数设置为“Sample time”为“1e-4”，“Period”为“10”“Pulse Width”为“5”，其余参数为默认值。“Relay”判决门限为0.5，大于0.5输出1，小于0.5则输出-1，其余参数为默认。“Product”所有参数均为为默认值

29、。其模型搭建方式及参数设置如下图所示:图4-1 信伯努利二进制信源模块图4-2 Bernoulli模块参数由伯努利信源产生曼彻斯特码建模及参数设置：图4-3 由伯努利信源产生曼彻斯特码的建模图4-4 Pulse模块参数 图4-5 Relay模块参数4.2.2发送滤波器、信道、接收匹配滤波器的建模及参数设置： 图4-6 发送发送滤波器、信道、接收匹配滤波器的建模图4-7 发送滤波器参数图4-8 AWGN参数图4-9 匹配接收滤波器参数4.2.3 抽样与判决器的建模及参数设置：图4-10 抽样与判决器的建模图4-11 Pulse恢复定时模块参数图4-12 Relay判决模块参数 图4-13 Pul

30、se模块参数4.2.4基带传输系统的总模型：图4-14 系统的总模型4.3仿真结果分析4.3.1曼彻斯特编码前与编码后波形图4-14曼彻斯特码编码前与编码后波形4.3.2发送数据波形与接收数据波形图4-15发送数据波形与接收数据波形从以上两图可以看出，曼彻斯特的编码完全正确，发送数据波形与接收数据波形完全吻合，由于误码率很低且示波器的显示范围有限，在图4-15中看不到传输错误的码元。通过接收端与发送端时域波形对比，可以看出设计的抽样判决器的抽样判决门限比较合理，可以顺利的完成对基带信号的抽样判决，与理论分析相一致。4.3.3经过滤波器、信道的各点时域波形图4-16 经过滤波器、信道的各点时域波

31、形上图第一个波形为发送滤波器输出端时域波形，产生了规律的比较适合信道传输的波形，比较光滑。中间的波形为信道输出端的时域波形，由于信噪比不是太高，对发送滤波器输出的信号影响不明显。最下端的波形为接收滤波器输出时域波形。可以见的，噪声被基本滤除，接收滤波器输出波形比较平滑。4.3.4曼彻斯特码元与解码后的波形比较图4-17 曼彻斯特码元与解码后的波形比较通过这两个波形比较，可以看出数据经过发送滤波器、AWGN信道、接收滤波器、采样、判决恢复后，基本完全与原波形一致。4.3.5接收眼图波形与分析图4-18 接收眼图波形（1）从上图中可以看出，眼图的线迹比较细，比较清晰，并且“眼睛”很大,说明误码率比

32、较低，码间串扰与噪声对系统传输可靠性影响不大。（2）从上图中可以看出最佳时刻是0.2,0.7,1.2,1.7左右等时刻“眼睛”最大即抽样最佳时刻。（3）因为眼图眼边的斜率比较大，所以看出定时误差灵敏度比较敏感。（4）“眼睛”张开的宽度为可抽样的时间范围。（5）抽样时刻，上下两个阴影区的间隔距离之半为噪声容限，若噪声瞬时值超过它就可能发生错判。4.3.6发送信号与接收信号功率谱估计与分析图4-19发送信号功率谱 图4-20 接收信号功率谱从两图比较中可以看出，接收信号的功率谱与发送信号的功率谱基本完全一样，说明整个基带传输系统模型的设计是合理的，能满足要求，具有较好的抗码间串扰的能力。4.3.7

33、误码率统计与分析 图4-21 误码率统计模块图4-22发送数据波形与接收数据通过误码率统计“Display”模块可知该系统的误码率为0.0095，且误码率会随着仿真时间的增长逐步降低。由图4-22发送数据波形与接收数据波形比较，可以看到中间有一处出现了错误：原码为“0”，接收到的却是“1”。原因可能有以下几个方面：(1)误码有可能是由于噪声造成的。由于噪声的存在，可能会使原有基带信号的正负电平出现逆转，由于抽样判决门限为0，造成判决出错出现误码。(2)有可能是码间干扰的原因。虽然理论分析可以完全消除码间干扰，但是由于平方根升余弦滤波器等部件不可能是完全理想的，所以在仿真及实际工程中码间干扰是不

34、会完全消除的。(3)由于采用相乘器等模块构造解码器，其解码过程也有可能会出错。结束语通过这个毕业设计，使我对MATLAB和SIMULINK有了更进一步的了解和学习，同时，对通信原理、对数字基带传输系统有了更多的了解。明白了如何将一个系统在SIMULINK中构建模型并仿真。在学习阅读了一些参考书后，我以为这个设计会比较简单，以为只要构建出各个模块然后搭建起来仿真就可以了。可是在实际操作工程中我才知道，其实并非简单。尤其是在仿真时，遇到了一些问题，我发现参数设置是很重要的，我参考书籍，根据一些参考书改过参数后，曼彻斯特编码模块编出来的不是曼彻斯特码了，这让我有些不解，不知是哪里出了问题，没办法，只

35、好在纸上画波形图，弄清楚曼彻斯特编码模块的原理，这其中陈老师的讲解给了我莫大的帮助。然后把“Pulse”的抽样时间按编码原理调了下，出来的结果是曼彻斯特编码了。然后就是结果分析的时候出现了问题，首先是误码率太大了，达到了0.5，刚开始不知道问题出在哪了，改其他参数，误码率还是不变，经过思考影响误码率的因素，最终发现判决器“Relay”的判决门限设置错了，改了之后误码率大大减小了。其次，老师说功率谱不对，这让我很郁闷，参数什么的都是按要求设置的，功率谱怎么可能会错呢，左思右想不得其解，最后去问了同学，看了他的模型才发现原来我把频谱仪给接错位置了。从每一个选择到最后仿真的实现，每一步都是顺利进行下一步的基础，只有通过大量的练习才会了解