实验报告-数字信号基带传输系统的实现.docx

数字信号基带传输系统用根升余弦滤波器实现一、 实验目的1. 熟悉使用System View软件，了解各功能模块的操作和使用方法。2. 通过实验进一步掌握、了解数字基带传输系统的构成及其工作原理。3. 观察数字基带传输系统接受端的眼图，掌握眼图的主要性能指标。二、 实验内容用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。三、 实验原理（一） 数字信号基带传输系统原理通信的根本任务是远距离传递信息，因而如何准确地传输数字信息是数字通信的一个重要组成部分。在数字传输系统中，其传输对象通常是二进制数字信息，它可能来自计算机、网络或其它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，设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的离散的波形来表示数字信息。这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。由于未经调制的脉冲电信号所占据的频带通常从直流和低频开始。因而称为数字基带信号。在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传送，我们称之为数字信号的基带传输。而在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。我们把这种传输称为数字信号的调制传输（或载波传输）。如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数传输系统均可等效为基带传输系统。因此掌握数字信号的基带传输原理是十分重要的。通过 SystemView 提供的仿真环境对数字基带传输中的某些问题加以仿真、分析，能帮助我们进一步加深对这些抽象概念的理解，并加深感性认识。二进制数字基带波形都是矩形波，在画频谱时通常只画出了其中能量最集中的频率范围，但这些基带信号在频域内实际上是无穷延伸的。如果直接采用矩形脉冲的基带信号作为传输码型，由于实际信道的频带都是有限的，则传输系统接收端所得的信号频谱必定与发送端不同，这就会使接收端数字基带信号的波形失真。大多数有线传输情况下，信号频带不是陡然截止的，而且基带频谱也是逐渐衰减的，采用一些相对来说比较简单的补偿措施（如简单的频域或时域均衡）可以将失真控制在比较小的范围内。较小的波形失真对于二进制基带信号影响不大，只是使其抗噪声性能稍有下降，但对于多元信号，则可能造成严重的传输错误。当信道频带严格受限时（如数字基带信号经调制通过频分多路通信信道传输），波形失真问题就变得比较严重，尤其在传输多元信号时更为突出。基带信号传输系统的典型模型，如图所示。在发送端，数字基带信号X(t)经发送滤波器输入到信道，发送滤波器的作用是限制发送频带，阻止不必要的频率成分干扰相邻信道。传输信道在这里是广义的，它可以是传输介质（电缆、双绞线等等），也可以是带调制解调器的调制信道。基带信号在信道中传输时常混入噪声n(t)，同时由于信道一般不满足不失真传输条件，因此要引起传输波形的失真。所以在接收端输入的波形与原始的基带信号X(t)差别较大，若直接进行抽样判决可能产生较大的误判。因此在抽样判决之前先经过一个接收滤波器，它一方面滤除带外噪声，另一方面对失真波形进行均衡。抽样和判决电路使数字信号得到再生，并改善输出信号的质量。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 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实际上，具有理想低通特性的信道是难以实现的，而实际应用的是具有滚降特性的信道。其带宽较奈奎斯特带宽增加的程度滚降系数可以表示为 其中B表示滚降信道的带宽。由于升余弦滚降滤波特性可使传输信号具有较大的功率，且收敛快而减小码间干扰，故已得到了广泛的应用。（二） 眼图原理眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜边越陡，系统对定时抖动越敏感。眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；横轴对应判决门限电平。四、实验要求1、 观察系统中各个模块的输出波形，并分析说明系统构成原理。2、 观察低通滤波器的输出波形的眼图，调节信道中噪声的大小，观察眼图变化。3、 比较抽样判决后的输出码元与原始码元有何不同，说明原因。4、 调节噪声大小，分析系统中是否产生误码，说明原因。系统框图Sink1：产生原始码元；Sink11：加入高斯白噪声后的波形；Sink12：经过根升余弦滤波器后的输出波形；Sink13：经过抽样判决后的输出码元。参数设置：Token0：SourceNoise/PNPn Seg（幅度1V，频率10HZ，电平数2，偏移0V，产生单极性不归零码，随机产生）Token3：在专业库中选择CommProcessorsP shape（Select pulse ShapeRectangular，Time offset0，Width0.01s，产生矩形脉冲基带信号）Token2：SourceNoise/PNGauss Noise（均值为0，均方差为0.1的高斯白噪声）Token14：OperatorFilters/systemsLiner Sys Filters（comm-Raised cosine，design,Symbol Rate=10.e-3;Decimate By1,Quant Bit=None;Roll-off Factor=0.5,Tap=512）Token6：OperatorSample/HoldSample（Sample rate=10HZ，用于对滤波后的波形进行抽样，抽样速率等于码元速率）Token7：OperatorSample/HoldHold（Hold Value=Last Sample，Gain1，对抽样后的值延时一段时间，得到恢复后的数字基带信号）Token8：OperatorLogicCompare（Select comparison：a=b True Output=1V，False Output-1V，对抽样值进行判决比较，得到输出码元波形）Token9：产生正弦信号，作为比较器的另一个比较输入（振幅0V，频率0Hz）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五、实验结果记录1、原始基带信号2、加入噪声后的基带信号（高斯白噪声，方差0.01）3、经过根升余弦滤波器后的输出波形4、经过抽样判决后的输出波形5、经过根升余弦滤波器后输出波形的眼图六、实验结果分析1、 信道中加入的噪声干扰越大，眼图越不清晰，越杂乱。当信道中噪声方差为0.5时，根升余弦滤波器输出信号波形的眼图如图所示： 与之前噪声方差为0.1的眼图比较，可以看出，噪声越大，线条越粗，越模糊，“眼睛”张开越小。2、 抽样判决后的输出码元波形与原始基带信号相比，有0.01秒的延时。原因：由抽样判决器延时所引起的。当抽样速率越大时，误差越小。3、 当噪声增大时，会引起误码。例如：当噪声方差0.1V时，输入基带信号为输出信号波形为：两者之间无误码出现。当噪声方差0.5V时，输入基带信号为输出信号波形为：两者之间有误码出现，误码出现的原因是信道中加入的噪声大，对臭氧判决造成了干扰。七、 实验心得通