基于眼图判决的基带传输系统仿真设计——毕业设计论文.doc

课程设计报告题 目： 基于眼图判决的基带传输系统仿真设计 学生姓名： 学生学号： 系 别： 专 业： 届 别： 指导教师： 基于眼图判决的基带传输系统仿真设计1课程设计的任务数字信号的传输方式可以分为基带传输和带通传输。为了使信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特性相匹配。在这个过程中就要用到数字调制。用system view建立一个数字基带传输系统仿真电路，信道中加入高斯白噪声（均值为0，均方差可调），分析理解系统各个模块的功能，并通过观察眼图，判断系统信道中的噪声情况。此次课程设计，学会熟练掌握system view的用法，在该软件的配合下完成各个系统的结构图，还有调试结果图。 2课程设计的背景及应用 2.1研究的意义 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，数字基带系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；第二，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；第三，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。2.2国内外研究现状 目前，数字通信在卫星通信、光纤通信、移动通信等方面发展很快。由于基带传输系统在数字传输系统中有不可替代的作用，其应用范围也随着技术的发展渗入网络通信、卫星通信、手机通信、数字电视、数字电话等生活、科技的各方面，日益成为数字通信传输系统中的关键技术。工业电视采用的基带传输方式。它是工业用的一种视频监控系统，已在宝钢分公司广泛应用。视频信号的传输方式可分为基带传输和调制传输两大类，这里的基带传输是指摄像机输出的视频信号不经过任何处理，直接通过同轴电缆传输到监视端。在卫星通信系统中记忆非线性信道的自适应数字基带预失真线性化技术,提出了一种基于记忆多项式的非直接学习结构的自适应基带预失真方案,给出了自适应算法。仿真结果表明,该方案能有效抑制带外频谱扩散,减小带内失真,降低误比特率,实现卫星通信系统中记忆非线性失真的自适应预失真。基带又叫基频，在大部分手机中，基频都是最昂贵的半导体元件，随着显示屏价格的下降，基频正在成为手机中占成本比例最高的元件。不仅如此，基频还决定了手机平台的选择，很大程度上决定了手机的功能和性能。毫无疑问，基频是手机的心脏。值得一提的是现在wcdma系统向后3g演进的增强，基带传输技术将能够显著提高通信系统的容量和通信质量,具有很好的应用前景。虽然这些技术应用在目前的系统中正式商用化还有待时日,但该技术的使用无疑将加速wcdma向后3g的演进。另外，近来无线通信采用的蓝牙技术中也用到到了基带数据传输技术。在局域网中通常也采用基带传输技术。计算机网络中占主导地位的信号类型是基带信号，特别是在距离不太远的情况，由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，而且基带相对于频带来说较简单，费用也比频带低，同时仍能保持高速率，因此比频带应用广泛得多。而在无线信道和光纤及一些宽带有线信道中，必须把数字基带信号调制在载波上，才能在信道中传输，把这种传输称为数字信号的载波传输。事实上即使在载波传输中也有基带传输信号。发端在调制前,收端在调解之后的处理。虽然就潜在能力而言，频带比基带传输得快且能覆盖较长的距离，但频带需要在每个连接末端接入一个调制解调器，这就提高了设备接入局域网的费用。所以说，基带传输是广泛使用的技术基础，也在广泛地运用于数字传输通信系统中。3课程设计的原理3.1基带系统传输模型及工作原理图1 数字基带信号传输系统模型1） 系统总的传输特性为，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，信源在发送段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，在接受端通过接收滤波器的滤波去噪，由抽样判决器进一步去恢复基带信号，从而完成基带信号的传输。3.2眼图的工作原理 眼图是衡量基带传输系统性能的重要实验手段。眼图能提供大量的信息，其张开部分的宽度决定了接收波形可以不受码间串扰影响抽样判决的时间间隔，最佳抽样判决时刻是眼睛张得最大的时刻，当码间串扰十分严重或信道噪声干扰过大时，眼睛将完全闭合，系统将不能正常工作。图2眼图的模型由该图可以获得以下信息：(1) 最佳抽样时刻在“眼睛”张开最大的时候(2) 对定时误差的灵敏度可以通过眼图的斜边的斜率决定，斜率越大对定时误差的灵敏度越大。(3) 在抽样时刻上眼图上下两分之阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。(4) 眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。(5) 在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬值超过它就可能发生错误判决。(6) 对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接受系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。3.3主要设计框图 图3 主要系统框图4课程设计的仿真4.1 软件system view的介绍system view是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真、能满足从信号处理、滤波器设计，到复杂的通信系统等要求。system view借助大家熟悉的windows窗口环境，以模块化和交互式的界面，为用户提供一个嵌入式的分析引擎。system view由两个窗口组成，分别是系统设计窗口的分析窗口。系统设计窗口，包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计工作区。所有系统的设计、搭建等基本操作，都是在设计窗口内完成。分析窗口包括标题栏、菜单栏、工具条、流动条、活动图形窗口和提示信息栏。提示信息栏显示分析窗口的状态信息、坐标信息和指示分析的进度；活动图形窗口显示输出的各种图形，如波形等。分析窗口是用户观察system view数据输出的基本工具，在窗口界面中，有多种选项可以增强显示的灵活性和系统的用途等功能。在分析窗口最为重要的是接收计算器，利用这个工具我们可以获得输出的各种数据和频域参数，并对其进行分析、处理、比较，或进一步的组合运算。例如信号的频谱图就可以很方便的在此窗口观察到。system view是一个用于现代科学与科学系统设计及仿真打动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统打设计与仿真，到一般系统数字模型建立等各个领域，system view在友好而功能齐全打窗口环境下，为用户提供啦一个精密的嵌入式分析工具。 进入system view后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件（file）、编辑（edit）、参数优选（preferences）、视窗观察（view）、便笺（notepads）、连接（connections）、编译器（compiler）、系统（system）、图符块（tokens）、工具（tools）和帮助（help）共11项功能菜单。如下图（4）所示。图4 system view的界面图 系统视窗左侧竖排为图符库选择区。图符块（token）是构造系统的基本单元模块，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅是代表某一数学模型的图形标志（图符块），图符块的传递特性由该图符块所具有的仿真数学模型决定。创建一个仿真系统的基本操作是，按照需要调出相应的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来。这样一来，用户进行的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题，使用十分方便。进入系统后，在图符库选择区排列着8个图符选择按钮创建系统的首要工作就是按照系统设计方案从图符库中调用图符块，作为仿真系统的基本单元模块。可用鼠标左键双击图符库选择区内的选择按钮。 当需要对系统中各测试点或某一图符块输出进行观察时，通常应放置一个信宿（sink）图符块，一般将其设置为“analysis”属性。analysis块相当于示波器或频谱仪等仪器的作用，它是最常使用的分析型图符块之一。能在dsp、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。具有大量的可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、dsp和射频/模拟功能模块。特别适合于无线电话、无绳电话、调制解调器以及卫星通信系统等的设计；课进行各种系统是与/频域分析和谱分析；对射频/模拟电路进行理论分析和失真分析。 在system view系统窗中完成系统创建输入操作（包括调出图符块、设置参数、连线等）后，首先应对输入系统的仿真运行参数进行设置，因为计算机只能采用数值计算方式，起始点和终止点究竟为何值？究竟需要计算多少个离散样值？这些信息必须告知计算机。假如被分析的信号是时间的函数，则从起始时间到终止时间的样值数目就与系统的采样率或者采样时间间隔有关。实际上，各类系统或电路仿真工具几乎都有这一关键的操作步骤，system view也不例外。如果这类参数设置不合理，仿真运行后的结果往往不能令人满意，甚至根本得不到预期的结果。有时，在创建仿真系统前就需要设置系统定时参数。 时域波形是最为常用的系统仿真分析结果表达形式。进入分析窗后，单击“工具栏”内的绘制新图按钮（按钮1），可直接顺序显示出放置信宿图符块的时域波形，对于码间干扰和噪声同时存在的数字传输系统，给出系统传输性能的定量分析是非常繁杂的事请，而利用“观察眼图”这种实验手段可以非常方便地估计系统传输性能。实际观察眼图的具体实验方法是：用示波器接在系统接收滤波器输出端，调整示波器水平扫描周期ts，使扫描周期与码元周期tc同步（即tsntc，n为正整数），此时示波器显示的波形就是眼图。由于传输码序列的随机性和示波器荧光屏的余辉作用，使若干个码元波形相互重叠，波形酷似一个个“眼睛”，故称为“眼图”。“眼睛”挣得越大，表明判决的误码率越低，反之，误码率上升。system view具有“眼图”这种重要的分析功能。 当需要观察信号功率谱时，可在分析窗下单击信宿计算器图标按钮，出现“system view信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮spectrum，完成功率谱的观察。4.2仿真电路与测试图5 仿真电路电路设置：token0：sourcenoise/pnpn seg（幅度1v，频率100hz，电平数2，偏移0v，产生单极性不归零码，随机产生）token3：信噪比为10db的信号token5：operatorfilters/systemsliner sys filters（analog，butterworth，no. of poles=3，low cutoff:50hz，产生一个低通的butterworth滤波器，用于对信道输出信号进行滤波）token2：operatorsample/holdsample（sample rate=100hz，用于对滤波后的波形进行抽样，抽样速率等于码元速率）眼图参数设置：sink calculatorstyleslicestart0.01，length0.03，在窗口中选择需要观察眼图的波形，点击ok，观察其眼图系统定时设置：start time：0 ，stop time：0.5， sample rate：10000hz改变噪声的幅度可以看到眼睛张开的幅度变化：信道宽度为50hz,噪声幅度为0.01v的眼图与信道宽度为50hz,噪声幅度为0.02v的眼图的比较图6 幅度变化的眼图信道宽度为50hz,噪声幅度为0.01v的眼图与信道宽度为100hz,噪声幅度为0.01v的眼图的比较图7信道宽度变化的眼图4.3 对课程设计的分析表1 参数设置表格序号名称参数token0pn码幅度1v，频率100hztoken2抽样信号sample rate=100hztoken3噪声信号信噪比为10dbtoken5低通滤波器low cutoff50hz（1）由以上的图5可以看出当信道宽度一点时，增加噪声的幅度会使眼图变得小，且线条较乱较粗。（2）由以上的图6可以看出当噪声幅度给定时，加宽信道眼图会变得清晰。4.4 结论根据频谱分析的基本原理，任何信号的频域受限和时域受限不可能同时成立。因此基带信号要满足在频域上的无失真传输，信号其波形在时域上必定是无限延伸的，这就带来了各码元间相互串扰问题。造成判决错误的主要原因是噪声和由于传输特性（包括发、收滤波器和信道特性）不良引起的码间串扰。基带脉冲序列通过系统时，系统的滤波作用使脉冲拖宽，在时间上，它们重叠到邻近时隙中去。接收端在按约定的时隙对各点进行抽样，并以抽样时刻测定的信号幅度为依据进行判决，来导出原脉冲的消息。若重叠到邻接时隙内的信号太强，就可能发生错误判决。若相邻脉冲的拖尾相加超过判决门限，则会使发送的“0”判为“1”。实际中可能出现好几个邻近脉冲的拖尾叠加，这种脉冲重叠，并在接收端造成判决困难的现象叫做码间串扰。 因此可以看出，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。因此应该探索另外的代替途径，即通过设计信号波形，或采用合适的传输滤波器，以便在最小传输带宽的条件下大大减小或消除这种干扰。 奈奎斯特第一准则解决了消除这种码间干扰的问题，并指出信道带宽与码速率的基本关系。即： (4-1）式中rb为传码率，单位为比特/每秒（bps）。fn和bn分别为理想信道的低通截止频率和奈奎斯特带宽。 上式说明了理想信道的频带利用率为