通信建模实验论文.doc

1 任务书试建立一个基带传输模型，采用曼彻斯特码作为基带信号，发送滤波器为平方根升余弦滤波器，滚降系数为0.5，信道为加性高斯信道，接收滤波器与发送滤波器相匹配。发送数据率为1000bps，要求观察接收信号眼图，并设计接收机采样判决部分，对比发送数据与恢复数据波形，并统计误码率。另外，对发送信号和接收信号的功率谱进行估计。假设接收定时恢复是理想的。2 基带系统的理论分析 2.1基带系统传输模型及工作原理(1) 基带系统传输模型如下图所示： （2）系统总的传输特性为，是信道中的噪声 （3）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2.2 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。（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满足奈奎斯特第一准则： 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应具有升余弦滚降特性。如图2所示。这样对应的拖尾收敛速 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。 （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3 基带系统设计方案 31 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。32 发送滤波器和接收滤波器基带系统设计的核心问题是滤波器的选取，根据22的分析，为了使系统冲激响应拖尾收敛速度加快，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：考虑在t0时刻取样，上述方程改写为 ，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。33 信道信道是允许基带信号通过的媒质，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。34 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0。4 simulink下基带系统的设计 simulink是matlab提供的用于对动态系统进行建模，仿真和分析的工具包，它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系统，来实现对系统工作过程的仿真。41 信源的生成曼彻斯特码 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)、pulse generator(脉冲生成器)、rate transition(采样速率转换)、 relay(继电器)、product(乘法器)构成曼彻斯特码的生成电路。模型连接方法如图3所示 图3 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probability of a zero(零码概率)设为05，sample time(采样时间)设为0.001，pulse generator(脉冲生成器)的pulse width(%of period)(脉冲宽度)设为50%，占空比为1/2，attitude(幅度)设为1，sample time(采样时间)为1e-4,phase delay(相位延迟)设为0，表示不经过延迟，起始时刻发10码 。 因bernoulli binary generator(不归零二进制码生成器)的采样速率与pulse generator(脉冲生成器)的采样速率不同， 故rate transition(采样速率转换)对其进行速率转换以匹配相应模块的输入输出要求 。 此时，单极性不归零码经过 relay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1/2的单极性归零脉冲(10)，经过 relay电路后成为双极性归零脉冲(+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。42 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4所示。 图4 传输模块设计图形模块参数设置：square root raised cosine filter(平方根升余弦滤波器)的码元速率为2000,滤波器采样率为10000,滚降系数为0.5，时延delay设为10，awgn channel(高斯信道)的initial seed(起始速度)设为67，mode(模式)设为s/n(信噪比)，s/n设为50，input symbol power(输入功率)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。43 抽样判决恢复利用 relay 、pulse generator、product构成抽样判决电路，并对曼彻斯特码解码，相当于解调过程 图5抽样判决保持框图 模块参数设置： relay 的判决门限设为0，pulse generator的占空比为50%，相位延迟为0，采样率为20000。由于接收恢复定时被假定是理想的，用脉冲发生器实现1000hz的矩形脉冲作为恢复定时脉冲，以乘法器实现在最佳采样时刻对接收滤波器输出采样，然后对结果进行门限判决，最佳门限设置为零，判决输出结果在一个传输码元时隙内保持不变，最后以10倍降速率为1000hz的恢复数据 基带传输系统的统计总图以及传输过程中的各点波形分别如图6、图7所示。 图6 基带传输系统设计总图5 仿真结果 图7 基带传输各点波形从图7的波形来看，传输是有效的。第1行波形是二进制随机信号产生的随机序列，第2行波形是经过乘法器产生的曼彻斯特码是一个连续信号，第3行波形是对第2行波形经过抽样判决后得到的双极性的二进制码，第4行波形是经极性转换后得到的二进制码，与第3行的信号比较，结果相同，延迟了100个码元，产生误码 图8 误码测试模块 误码分析：，为使测试更准确系统仿真时间设为10秒，二进制码元系统采样率1e-3，滤波器采样率为10e3，那么10秒采样10000个点，错误为95个码元，所以误码率为0.00955.1观察到的眼图 为接收滤波器观察到的眼图，从图可看出，在信噪比为40 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9 接受滤波器观察到的眼图 图10 发送信号的频谱图 图11 接收信号的频谱图 分析：曼彻斯特码作为基带信号，经过滤波，调制，采样判决保持解调这一过程，理论上应与原始信号一样，所以两者的功率谱一样。6 遇到的问题及解决的方法（1） bernoulli binary generator(不归零二进制码生成器) 与pulse generator(脉冲生成器 )的采样速率不同，不能匹配相应模块的输入输出要求，故需要rate transition速率转换（2） bernoulli binary generator产生的单极性信号需要用relay转换为双极性（3） 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，传输模块由平方根升余弦传输滤波器、高斯信道、 平方根升余弦接收滤波器 模块组成，且滤波器的采样速率与脉冲生成器的相同，码元速率也相对二进制随机信号提高了两倍（4） 由于接收恢复定时被假定是理想的，用脉冲发生器实现1000hz的矩形脉冲作为恢复定时脉冲，以乘法器实现在最佳采样时刻对接收滤波器输出采样，然后对结果进行门限判决。（5） 时延模块设置参数为100时，此时误码率最低。（6） 当示波器观察波形时，若波形密集此时用鼠标拖动图像进行放大，还有坐标的设置要合理，不然观察到的波形变化不明显。7 课程设计总结 通过这次课程设计，我不