毕业设计（论文）-基于MATLAB的数字基带通信系统仿真.docx

北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文)题 目 基于matlab的数字基带通信系统 仿真 学 号 学生姓名 专业名称 通信与信息工程 所在系(院) 通信与信息工程系 指导教师 年 月 日北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）任务书姓名学号专业通信工程系（院）通信与信息工程设计（论文）题目基于matlab的数字基带通信系统仿真题目分类 工程设计； 工程技术研究； 软件工程（如cai课题等）； 专题研究；艺术设计； 其他 题目来源 自然科学基金与部、省、市级以上科研课题； 企、事业单位委托课题； 院级课题； 自拟课题 其他 指导教师（指导教师组组长及成员姓名）职 称工作单位备注程 韧教授通信与信息工程系组长李 殷讲师通信与信息工程系指导教师游 思 晴助教通信与信息工程系成员张 茹教授通信与信息工程系成员毕业设计(论文)的内容和要求：注意：选题尽量与实际应用需求相结合。要求写明本设计（论文）所涉及的分析方法或技术手段（如定性、定量分析的方法）；要求有独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤和技术指标。数字基带传输系统是把数字基带信号直接送往信道，不经调制直接传输的系统。数字基带通信系统的基本结构由发送滤波器、信道、接收滤波器等部分构成。研究数字基带通信系统是研究数字通信的基础，对于数字频带通信系统的分析通常可以等效到数字基带通信系统上以简化分析。所以研究数字基带通信系统并用软件仿真，具有现实意义。本论文要求在分析数字基带传输基本原理的基础上，设计信道带宽受限且具有高斯白噪声的最佳数字基带通信系统，理论分析其性能，并用眼图验证分析结果。应完成的工作和提交材料要求（课题完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求）： 开题报告：3000字左右； 论文的中文摘要：200-300字左右，包含关键词，并译成英文。英文摘要以250个左右实词为宜； 论文正文不少于15000字； 尽量结合课题，翻译1500汉字以上的有关技术资料或专业文献； 参考文献中，主要的文献应达到10篇以上，其中外文文献在2篇以上。（参考文献参考文献不少于10篇，参考文献目录按gb/t77142005的要求填写）参考文献1 宋文涛.移动通信 m.上海:上海交通大学出版社，1996年01月.2 王华奎.移动通信原理与技术 m.北京:清华大学出版社3 邓华等. matlab通信仿真及应用实例详解 m.北京:人民邮电出版社，2003.4 王立宁.乐光新.詹非matlab与通信仿真 m.北京:人民邮电出版社，2000.5 攀昌信等 通信原理.第五版 m.北京:国防工业出版社6 曹志刚.钱亚生现代通信原理 m.北京:清华大学出版社.1992.7 王立宁，乐光新，詹菲matlab 与通信仿真 m.人民邮电出版社，20008 约翰g普罗克斯.现代通信系统-使用matlab m .西安交通学出版社， 20019 陈萍现代通信实验系统的计算机仿真 m.国防工业出版社，200310 孙亮matlab语言与控制系统仿真 m.北京工业大学出版社，200111 swanson m.kobayashi, m.tewfik. a multimedia data embedding and watermarking technologies j.1998(06)12 delaigle j.vleechouwer, c.macq b. watermarking algorithm based on a human visual model j.1998(03)毕业设计（论文）进度计划（从正式启动时间开始，以周为单位填写）：第 1周-第 2周 课题调研、查资料、撰写开题报告第 3周 根据查询的资料确定总体设计思路，完成开题报告并上交.第 4周-第 7周 毕业设计单元部分研究,并设计出整体框架第 8周 完成论文中期检查报告第 9周-第15周 资料整理，撰写毕业论文；上交毕业设计论文，指导教师审查评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改毕业设计论文，准备答辩。第16周 进行毕设答辩。指导教师签字： 日期： 年 月 日教学单位意见审核人签字：系（院）（盖章）年 月 日学院意见审核专家签字：年 月 日备注1、由指导教师撰写，可根据长度加页，一式三份，教务处、系（院）各留存一份，发给学生一份，任务完成后附在论文内；2、凡审核不通过的任务书，请重新申报。题目 数字基带传输系统的仿真 摘要本论文主要研究了数字信号的基带传输的基本概念及数字信号基带传输的传输过程和如何用matlab软件仿真设计数字基带传输系统。本文首先介绍了matlab仿真软件。然后介绍了本课题的理论依据，包括数字通信，数字基带传输系统的组成及数字基带信号的传输过程。接着介绍了数字基带传输系统的特性包括数字pam信号功率普密度及常用线路码型，并通过比较最终选择双极性不归零码。之后介绍了数字基带信号的最佳接收的条件以及如何通过示波器观察基带信号的波形。最后按照仿真过程基本步骤用matlab的仿真工具实现了数字基带传输系统的仿真过程，对系统进行了分析。关键词 数字基带传输系统 matlab 计算机仿真title digital base band transmission system simulation abstractthis paper mainly studies the baseband transmission of digital signal and the basic concept of baseband transmission of digital signal in the transmission process and how to use matlab software to design and simulation of digital baseband transmission system. this paper first introduces matlab simulation software. then introduces the theoretical basis, including digital communication, digital baseband transmission system and digital baseband signal transmission process. then it introduces the characteristics of digital baseband transmission system includes the digital pam signal power spectrum density and commonly used line code, and through the comparison of the final choice of bipolar nrz. after introducing the digital baseband signal received by the best conditions and how the baseband signal waveform oscilloscope observation. finally, in accordance with the basic steps of simulation process using matlab simulation tool to achieve the digital baseband transmission system simulation process, has carried on the system analysis. keywords digital base band transmission system computer simulation 1.序论11.1 数字基带传输系统概述12. matlab基本知识42.1 matlab简介42.2 matlab特点42.3 matlab优势52.4 matlab常用函数72.5 matlab常用工具箱83.数字基带传输系统的简介103.1 研究意义103.2数字基带传输系统103.2.1 基带传输系统简介103.2.2 基带传输系统结构图113.2.3 基带传输过程114.综合研究基带传输系统的特性134.1数字pam信号134.2数字pam信号功率谱密度144.2.1单极性不归零码（nrz）144.2.2 双极性不归零码154.2.3 单极性归零码（rz）164.2.4双极性归零码174.2.5差分码（相对码）174.3常用线路码型194.3.1 ami码194.3.2 hdb3码204.3.3 cmi码204.3.4 数字双向码204.4数字基带信号的最佳接收214.5带限系统下的基带信号214.5.1 抽样点无码间干扰的基带成型214.5.2 升余弦滚降系统224.5.3 最佳基带系统224.5.4 基带信号眼图224.6 部分响应系统245.基带传输系统的设计及仿真265.1随机信号的产生275.1.1 高斯噪声的产生275.1.2 随机码序列的产生275.1.3 产生数字基带信号的一般方法275.1.4 nrz及rz信号的产生285.1.5 眼图295.2 误码率295.2.1取样判决295.2.2 误码率测量295.4 实验结果306.通信系统发展前景326.1 3g技术32衍射结构也能在带宽不间断的光波波段上产生作用。当dwdm信道数量增加，促使信道宽度从100ghz减小到50ghz，再减小到25ghz时，moems信号处理器能保持其特性而没有过大的纹波，而且还能控制由于高传信速率的带宽扩展所产生的串扰3839北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）1.序论1.1 数字基带传输系统概述 在数字通信系统中，需要将输入的数字序列映射为信号波形在信道中传输，此时信源输出数字序列，经过信号映射后成为适于信道传输的数字调制信号。数字序列中每个数字产生的时间间隔称为码元间隔，单位时间内产生的符号数称为符号速率，它反映了数字符号产生的快慢速度。由于数字符号是按码元间隔不断产生的，经过将数字符号一一映射为相应的信号波形后，就形成了数字调制信号。根据映射后信号的频谱特性，可以分成基带信号和频带信号。通常基带信号指信号的频谱为低通型，而频带信号的频谱为带通型的。由消息转换过来的原始信号所固有的频带称为基本频带，简称“基带”。 来自数据终端的原始数据信号，其频谱一般是从零开始的，往往包含丰富的低频成分，甚至直流分量，故称之为数字基带信号。用数字基带信号直接进行传输，即不搬移基带信号的频谱或只经过简单的码型变换就直接进行传输的方式称为数字基带传输。基带信号所包含的频率范围很宽，可以从直流到高频，所以对用于传输基带信号的信道是有限制的。在某些具有低通特性的有限信道，传输距离不太远的情况下，可以进行数字基带信号直接传输。而对大多数信道，数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到较高的载频处才能在信道中传输，这种传输方式称为数字频带传输。 数字基带传输系统的基本结构主要由基带信号形成器，信道，接收滤波器，同步提取电路和抽样判决器组成。基带信号形成器的作用是将原始的数字信号变换成适合于信道传输的数字基带信号，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，减少码间串扰，利于同步提取和抽样判决。信道是信号通过的媒介，其传输特性通常不满足无失真的传输条件。另外信道还会进入噪声。在通信系统的分析中，常把噪声等效集中在信道中引入。接收滤波器的作用是限制带外噪声进入接收系统，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。同步提取电路的作用是从接收信号中提取用于抽样的位定时脉冲，保证系统可靠有序地工作。抽样判决器的作用是在传输特性不理想的噪声背景下，在规定时刻对接收滤波器的输出波形进行判决，已恢复或再生基带信号。数字基带信号是指信息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的信息代码。数字基带信号的类型很多，常见的有矩形脉冲，三角波，高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常见的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。若数字调制器是以周期性的脉冲序列为载波，用数字序列去调制脉冲载波的某参数，则可将数字序列映射为相应的信号波形，称此数字调制器为数字脉冲调制器，而数字脉冲调制器输出信号波形的功率谱密度是低通型的，所占频带是从直流或低频开始的，其带宽是有限的。称功率谱密度为低通型的数字信号为数字基带信号。若通信信道的传递函数是低通型的，则称此信道为基带信道，又称基带信道为低通信道，如同轴电缆和双绞线有线信道均属基带信道。将数字基带信号通过基带信道传输，则称此传输系统为数字基带传输系统。1.2 仿真数字基带传输系统 通信原理的主要内容就是怎样可靠而有效地实现信息的传输。要使这些传输方法成为现实，就需要制作出相应的发送设备及接收设备。然后在发送端，我们把欲传送的信息变换成某种适宜的信号并将之馈入传输媒体（电缆，光缆，无线电波等）。在接收端，信号又从媒体馈入接收设备，我们再以同发端相反的过程恢复出原来所发送的信息。根据所学的知识，我们知道在什么样的情况下应该选择什么样的传输方式，并能判断出噪声，信道，传输方式等因素将会怎样影响对我们来说非常重要的一些通信指标，如信噪比，误码率，发送频谱等等。 要想充分地了解某种传输方式的特性，最理想的办法莫过于先把它做出来，再对其进行实际测量。不过实际制作一套通信系统所需的周期长，代价高。有时要改变系统的某一两个参数就可能意味着整个系统需要重做。故此对于研究设计人员来说，通过把所有的设计方案，研究问题等都做成硬件，再对硬件进行测量从而获得系统性能的研究方法应属于不得已而为之。较好的研究方法应该是在硬件制作以前就先设法对系统特性做尽可能充分的了解，然后再去做硬件。某种传输方法，当我们把它做成实际系统后，它理应符合通信原理的理论对它的描述。如果我们用通信仪表对实际系统进行实际测量的话，实测结果应该同理论分析给出一致的结果。换句话来说，如果我们在理论阶段所依赖的模型是充分可信的，如果我们将要制作的硬件确实能够按我们的要求去工作，那么我们就可以在制作硬件之前，先对将要制作的实际传输系统作充分的研究，并据此对系统设计是否合理作出评判，如果设计是合理的我们就可以放心地去实现系统，不然就需要修改现有设计再做分析。然而在通信系统中，除非个别极简单的情况，一般我们很难用推公式这种解析的办法得到系统的各项性能指标。在计算机技术十分发达的今天，通信中的许多问题都可以通过计算机仿真的办法来进行研究。 随着计算机技术和信息科学的飞速发展，计算机仿真已经逐渐发展为一门独立的学科并成为信息科学技术的重要组成部分。计算机仿真实质上就是把硬件实验搬进了计算机，我们可以把它看成是一种软件实验。在硬件实验系统中，我们用各种电子元器件制作出通信原理中的理论模型所该规定的各个模板，再把他们通过导线或电缆等接在一起，然后再用示波器，频谱仪，误码仪等通信仪表做各种测量，然后分析测量结果。在软件实验中我们也是这样做，只不过所有通信模块及通信仪表的功能都是用程序来实现的，通信系统的全过程在计算机机中仿真运行。matlab是1984年美国math works 公司推出的一种功能强大，效率高，交互性好的数值计算和可视化计算机高级语言，它将数值分析，矩阵计算，信号处理和图形显示有机地融合为一体，形成了一个极其方便，用户界面有好的操作环境。随着其自身版本的不断提高，matlab得到了各个领域专家学者的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。目前，matlab已广泛应用于科学研究，工程计算，仿真，自动控制等领域，是目前工程上流行最广泛的科学语言。 在科学研究，产品研发领域，在理解了基本理论的基础上，能够应用matlab软件工具进行建模和仿真实验，是理论和实践结合的第一步。当掌握了这个十分有用的研究开发工具后，将能够利用它进行基础的单元试验直至复杂的系统试验。matlab丰富的指令和众多模块搭建的试验环境，以及高效率的试验方法与多方面数据处理，分析及表现方式，可以节约大量人力和物力。在实际数字通信系统中，数字基带传输在应用上虽不如频带传输那么广泛，但仍有相当多的应用范围。此外重要的是数字基带传输系统的基本理论不仅适用于基带传输，而且还适用于频带传输，因为所有窄的带通信号、线性带通系统及等效低通系统对等效低通信号的响应来表示，因而频带传输系统可通过它的等效低通（或等效基带）传输系统的理论分析及计算机仿真来研究它的性能，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。2. matlab基本知识2.1 matlab简介matlab是美国math works公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析一级数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括matlab和simulink两大部分。matlab是矩阵实验室（matrix laboratory）的简称，和mathematica、maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。matlab可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用与工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计、与分析等领域。matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用matlab来解算问题要比用c，fortran等语言完成相同的事情简介得多，并且它吸收了像maple等软件的有点，使matlab成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对c，fortran，c+，java的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到matlab函数库中方便自己以后调用，此外许多的matlab爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以进行下载就可以用了。matlab产品族可以用来进行以下各种工作：数值分析、数值、和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程。matlab的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用matlab函数集）扩展了matlab环境，以及解决这些应用领域内特定类型的问题。2.2 matlab特点1. 此高级语言可用于技术计算2. 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理3. 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题4. 数学函数可用于线性代数、统计、傅里叶变换、筛选、优化以及数值积分等。5. 二维和三维图形函数可用于可视化数据6. 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面7. 各种函数可将基于matlab的算法与外部应用程序和语言（如c、c+、fortran、java、com以及microsoft excel）集成2.3 matlab优势1. 友好的工作平台和编程环境matlab由一系列工具组成。这些工具方便用户用matlab的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括matlab桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着matlab的商业化以及软件本身的不断升级，matlab的用户界面也越来越精致，更加接近windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的matlab提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过变异就可以直接运行，而且能够及时的报告出现的错误及进行出错原因分析。2. 简单易用的程序matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（.m文件）后再一起运行。新版本的matlab语言是基于最为流行的c+语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性强，这也是matlab能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。3. 强大的科学计算机数据处理能力matlab是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，尅也方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而且经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如c和c+。在计算要求相同的情况下，使用matlab的编程工作量会大大减少。matlab的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅里叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方的组的求解、符号运算、傅里叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真。4. 出色的图形处理功能图形处理功能matlab自产生之日起就具有防变的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图像处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的matlab对整个图形处理功能做了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，matlab也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的matlab还着重在图形用户界面（gui）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。5. 应用广泛的模块集合工具箱matlab对许多专门的领域都开发了功能强大的模块和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，matlab已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、lmi控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、dsp与通讯、电力系统仿真等、都在工具箱（toolbox）家族中有了自己的一席之地。6. 实用程序接口和发布平台新版本的matlab可以利用matlab编译器和c/c+数据库和图形库，将自己的matlab程序自动转换为独立于matlab运行的c或c+语言程序。另外，matlab网页服务还容许在web应用中使用自己的matlab数学和图形程序。matlab的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是matlab函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析、和系统仿真等方面的应用。7. 应用软件开发（包括用户界面）在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能；在输入方面，可以直接向excel和hdf5进行连接。2.4 matlab常用函数常用函数abs(x)：纯量的绝对值或向量的长度angle(z)：复数z的相角(phase angle)sqrt(x)：开平方real(z)：复数z的实部 imag(z)：复数z的虚部conj(z)：复数z的共轭复round(x)：四舍五入至最近整数fix(x)：无论正负，舍去小数至最近整数floor(x)：即舍去正小数至最近整数ceil(x)：天花板函数，即加入正小数至最近整数rat(x)：将实数x化为分数表示sign(x)：符号函数 (signum function)。当x0时，sign(x)=1。sum(x): 向量x的元素总和realmax：系统所能表示的最大数值realmin：系统所能表示的最小数值nargin: 函数的输入引数个数plot: x轴和y轴均为线性刻度 loglog: x轴和y轴均为对数刻度画图标注xlabel(input value); % x轴注解ylabel(function value); % y轴注title(two trigonometric functions); % 图形标题grid on; % 显示格线操作符与特殊字符* 矩阵乘法 .* 数组乘（对应元素相乘） 矩阵幂 . 数组幂（各个元素求幂） 左除或反斜杠 / 右除或斜面杠 ./ 数组除（对应元素除） . 继续 , 逗号（分割多条命令）; 分号（禁止结果显示） % 注释 = 赋值 = 相等 complex 建立一个复数 conj 复数配对 exp 指数 fft 一维的快速傅立叶变换2.5 matlab常用工具箱 matlab包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充matlab的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。开放性使matlab广受用户欢迎。除内部函数外，所有matlab主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。matlab软件的安装可以选择组件，因为安装matlab的目的主要是进行信号处理与系统性能分析，则推荐安装的组件如下所示：1. matlab main toolbox主工具箱2. control system toolbox控制系统工具箱3. communication toolbox通讯工具箱4. image processing toolbox图像处理工具箱5. model predictive control toolbox模型预测控制工具箱6. signal processing toolbox信号处理工具箱7. statistics toolbox统计工具箱8. symbolic math toolbox符号数学工具箱9. simulink toolbox动态仿真工具箱10. wavele toolbox小波工具箱 matlab仿真软件能很好的对数字通信系统进行模拟仿真，用户可以根据自己研究的需要，通过使用不同的算法编写程序来构建能够满足一定仿真要求的无线通信信道。3.数字基带传输系统的简介3.1 研究意义数字基带传输系统在实际数字通信系统中的应用虽然没有频带传输应用广泛，但仍有相当多的应用范围。而且最为重要的是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，而且还适用于频带传输，因为所有窄的带通信号、线性带通系统及等效低通系统都对等效低通信号的响应均可用其等效低通信号、等效低通系统及等效低通系统对等效低通信号的响应来表示，因而频带传输系统可通过它的等效低通（或等效基带）传输系统的理论分析及计算机仿真来研究它的性能，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。3.2数字基带传输系统3.2.1 基带传输系统简介如果数字调制器的载波是周期性的脉冲，用数字序列去调制脉冲载波的某参数，则可将数字序列转换成为相应的信号波形，这就被称为数字脉冲调制器。而数字脉冲调制器输出信号波形的功率谱密度是低通型的，所占频带是从直流或低频开始的，其带宽是有限的。那么就称此数字信号为数字基带信号。若通信信道的传递函数是低通型的，则称此信道为基带信道，又称基带信道为低通信道，如同轴电缆和双绞线有线信道均属基带信道。数字基带信号通过基带信道进行传输，则称此传输系统为数字基带传输系统。数字基带信号信道信号形成器信道接收滤波器同步提取抽样判决图3-1数字基带传输系统3.2.2 基带传输系统结构图基带传输系统主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统。信道信号形成器：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，甚至是随机变化的。另外信道还会进入噪声。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：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：在传输特性不理想及噪声背景下，在规定的时刻（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。而用来抽样的位定时脉冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。3.2.3 基带传输过程终端设备编码器所产生的脉冲序列将作为为基带传输系统的输入信号，为了使这种脉冲序列能在信道中进行传输，一般要通过码型变换器将二进制脉冲序列变为双极性码（ami码或hdb3码），有时为了使信号在基带传输系统内的码间干扰降到最低，还要进行波形变换。由于信道特性不理想或者噪声的干扰，会使经过信道的信号受到干扰而变形。在接收端为了减小噪声的影响，首先会把通过信道的信号引入接收滤波器，然后再经过均衡器，校正由于信道特性（包括接收滤波器在内）不理想而产生的波形失真或码间串扰。最后在取样定时脉冲到来时，进行判决以恢复基带数字码脉冲。4.综合研究基带传输系统的特性4.1数字pam信号由于脉冲幅度调制的频带利用率高，所以数字pam信号特别适用于在限带基带信道中的传输。数字pam信号是以脉冲载波的幅度携带数字信息。产生m进制pam（mpam）信号原理图如图所示。图4-1产生mpam信号的原理框图mpam信号的一般表示式可写为 式（4-1）其中g(t)是该数字信号的波形信号，取值与第n时刻的数字符号取值一一映射。m进制符号相对应m个可能的离散幅度值。调制：按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。调制信号：模拟调制调制信号的取值是连续数字调制调制信号的取值是离散的。载波：正弦信号最为载波。用脉冲串或一组数字信号做为载波脉冲载波的三个参数：幅度、位置、宽度。4.2数字pam信号功率谱密度数字基带信号（以下简称为基带信号）的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲容易于形成和变换。图4-2矩形脉冲图4.2.1单极性不归零码（nrz）图4-3单极性不归零码信号波形图特点：极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔。另外位同步信息包含在电平的转换之中，当出现连0序列时没有位同步信息。单极性不归零码的功率谱密度图4-4单极性不归零码的单边功率谱密度4.2.2 双极性不归零码图4-5双极性不归零码信号波形图特点：无直流分量。这样，恢复信号的判决电平为0，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力强。故双极性波形有利于在信道中传输。双极性不归零码的功率谱图4-6双极性不归零码的单边功率谱密度4.2.3 单极性归零码（rz）图4-7单极性归零码信号波形特点：可以直接提取定时信息，是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过度波形。 单极性归零码的功率谱图4-8单极性归零码的单边功率谱密度图4.2.4双极性归零码图4-9双极性归零码的信号波形图特点：除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。双极性归零码的功率谱密度图4-10双极性归零码的单边功率谱密度图4.2.5差分码（相对码）图4-11差分编码特点：利用差分码的相邻码元之间的信号波形变换与否来分别表示绝对码“1”和“0”。图4-12相对码信号波形差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码的，因此称它为相对码波形。而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊的问题。差分码的功率谱 图4-13相对码单边功率谱密度在绝对码的二进制符号“1”和“0”等概出现且各符号之间互不相关的条件下，相对码的功率谱密度与绝对码的功率谱密度相同。通过谱分析，可以了解信号需要占据的频带宽度和信号包含的频谱分量。这样，才能针对信号谱的特点来选择相匹配的信道，以及确定是否可以从信号中提取定时信号。数字基带信号没有确定的频谱函数是随机的脉冲序列，所以只能用功率谱来描述它的频谱特性。由随机过程的相关函数去求随机过程的功率（或能量）谱密度比较复杂。一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机序列的功率谱的公式。设输入的数字序列是平稳的，则pam信号的功率谱密度可以通过如下式子计算得到： 式（42）可以看到，pam信号的功率谱密度不仅受序列的自相关特性的影响，同时受信号波形的影响。因此，可以利用构造不同的自相关特性序列来改变数字基带信号的功率谱密度形状，即基带信号的码型，适应新到的频率特性。4.3常用线路码型在实际数字通信中，经常需要在数字通信设备之间通过同轴电缆或其他有线传输媒介来传输数字基带信号。4.3.1 ami码其编码规则是将二进制消息代码“1”（传号）交替的变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”（空号）保持不变。消息代码：1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1ami码： +1 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1ami码对应的基带信号是正负极性交替的脉冲序列，而0电位保持不变的规律。ami码的优点：1. ami码的编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。2. 由于+1和-1交替，ami码的功率谱中不含直流成分，高、低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处。3. 虽然功率谱中没有离散时钟分量，但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形，便可进行位定时信号的提取。ami码的不足：当原信号码出现连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。图4-14ami码和码的功率谱4.3.2 hdb3码码的全称是3阶高密度双极性码，它是ami码的一种改进型，其目的是为了保持ami码的优点而客服其缺点，使连“0”个数不超过3个。其编码规则如下：当信码的连“0”个数不超过3个时，仍按ami码的规则编，即传号极性交替；当连“0”个数超过3个时则将第4个“0”改为与前面的“1”同极性的脉冲，记为+v或-v，称之为破坏脉冲。相邻的v码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流；为了便于识别，v码的极性应与前一个非“0”脉冲极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”风改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+b或-b；破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。4.3.3 cmi码cmi码是传号反转码的简称，与数字双向码类似，它也是一种双极性二电平码。编码规则是：“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定的用“01”表示。cmi码有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。“10”为禁用码组，这个规律可用来宏观检错。cmi码易于实现。4.3.4 数字双向码又称曼彻斯特（manchester）码.他用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反向波形表示“1”。4.4数字基带信号的最佳接收码间干扰和信道噪声是影响接收端正确判断而造成误码的两个因素。数字基带信号的产生数字基带信号的调制数字基带信号的接收数字基带信号的解调解调器判决抽样输出图5-15加性白高斯噪声信道信道的传输特性和传输过程中噪声的存在是在数字通信系统中影响通信性能的两个主要因素。在噪声干扰中有效的检测出信号能在一定程度上使系统性能达到最佳并达到最好的传输状态。所谓最佳是在某种标准下系统性能达到最佳，最佳接收是个相对的概念，在某种准则下的最佳系统，在另外一种准则下就不一定是最佳的。在某些特定条件下，几种最佳准则也可能是等价的。在数字通信中，最长采用的是输出信噪比最大准则和差错概率最小准则。由数字信号的判决原理我们知道，滤波器输出信号波形和发送信号波形之间的相似程度，滤波器输出信号波形的失真程度都与抽样判决器输出数据的正确与否无关。抽样判决器输出数据正确与否，取决于抽样时刻信号的瞬时功率与噪声平均功率之比，即信噪比。信噪比越大，错误判决的概率就越小；信噪比越小，错误判决概率就越大。为了使错误判决概率尽可能小，就要选择滤波器传输特性使输出信噪比达到最大值时，该滤波器就称为输出信噪比最大的最佳线性滤波器匹配滤波器。4.5带限系统下的基带信号4.5.1 抽样点无码间干扰的基带成型满足抽样点无码间干扰的数字基带系统，其收发等效的基带成型应满足式（4-3），表明了等效的基带成型的频谱特性应该满足的条件，称之为奈奎斯特抽样无码间干扰定理。4.5.2 升余弦滚降系统图5-16升余弦滤波器的冲击响应a=0,它允许的无码间干扰传输的最大符号速率2w波特，频带利用率2波特/hz。a=1,它允许的无码间干扰传输的最大符号速率w波特，频带利用率1波特/hz。由于升余弦滤波器频率特性的平滑性，可以用物理可实现滤波器近似实现。a0,x(t)尾巴衰减比较快，抽样定时出现偏差，但码间干扰比的情况要小。4.5.3 最佳基带系统由于收发波形匹配使抽样时的信噪比最大，因此带限情况下的最佳基带系统设计应该既保证无码间干扰，同时收发匹配，此时的基带系统称为最佳基带系统设计。通常，满足最佳基带系统设计的发送滤波器和接收滤波器的幅度谱可以采用升余弦滚降系统的根号函数，即根号升余弦，其相移特性是线性的。4.5.4 基带信号眼图从理论上讲，只要基带传输总特性h（f）满足奈奎斯特准则，就可实现无码间干扰传输。但在实际中，由于滤波器部件调试不理想或信道特性的变化等因素，都可能使h（f）特性改变，从而使系统性能恶化。计算由于这些因素所引起的误码率非常困难，尤其在码间干扰和噪声同时存在的情况下，系统性能的定量分析更是难以进行。因此在实际应用中需要用简便的实验方法来定性测量系统的性能，其中一个有效的实验方法是观察接收信号的眼图。眼图是指利用实验手段方便的估计和改善系统性能时，在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。此时可以从示波器显示的图形上，观察出码间干扰和噪声的影响，从而估计系统性能的优劣程度。在传输二进制信号波形时，示波器现实的图形很像人的眼睛，故名为“眼图”。为了便于理解，暂先不考虑噪声的影响。是接收滤波器输出的无码间干扰的双极性基带波形，用示波器观察它，并将示波器扫描周期调整到码元周期ts，由于示波器的余辉作用，扫描所得的每一个码元波形将重叠在一起，形成如图（c）所示的迹线细而清晰的大“眼睛”；是有码间干扰的双极性基带波形，由于存在码间串扰，此波形已经失真，示波器的扫描迹线就不完全重合，于是形成的眼图线迹杂乱，“眼睛”张开的较小，且眼图不正，如图（d）所示。眼图的“眼睛”张开得越大，且沿途月端正，表示码间干扰越小，反之，表示码间干扰越大。4-17眼图当存在噪声时，眼图的线迹变成了比较模糊的代状的线，噪声越大，线条越宽，