课程设计--基于SYSTEM_VIEW的基带传输系统设计.doc

基于System View的基带传输系统仿真 摘 要 本课程设计是根据数字信号的基带传输原理，利用System View仿真软件来实现基带传输，然后将信源PN码和波形形成输出的功率谱进行比较，并观察信道输入和输出信号眼图的差别，根据运行结果和波形来分析该基带传输系统的性能及信道对信号传输的影响。在课程设计中，系统开发平台为System View3.0，程序运行平台为Windows XP。设计中，分别调用软件中相应的框图来实现整个基带传输系统的构建。程序经过运行调试，实现了预定的设计目标。 关键词 基带传输系统；眼图；System View3.0 1 引 言 如果把调制与解调过程看作广义信道的一部分，那么任何数字通信系统均可等效为数字信号基带传输系统。本课程设计是利用仿真软件来实现信号的基带传输。 1.1课程设计目的本课程设计是把模拟信号经过信源编码得到的信号变为数字基带信号，将这种信号经过码型变换，不经过调制，直接送到信道传输，从而进行数字信号的基带传输，并分析该过程的正确性及信道对信号传输的影响。通过这次课程设计，我更进一步掌握了基带传输的相关仿真原理以及通过无失真传输条件和眼图来判断信号质量，独立思考和独立解决问题的能力得到了很大的提高。1.2课程设计要求(1) 熟悉System View系统，并在掌握信号基带传输原理的基础上，构造一个简单示意性基带传输系统。（2）观测接收输入和滤波输出的时域波形，观测接收滤波器输出的眼图。根据运行结果和波形来分析该基带传输系统的性能及信道对信号传输的影响。（3）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能够正确阐述和分析实验结果。1.3课程设计步骤 本课程设计利用System View仿真软件来模拟基带传输系统。首先，根据信号基带传输原理画出系统模型，然后对每个模块设置相应的参数，最后通过对传输前后信号的功率谱、眼图的比较分析整个基带传输系统的性能。2 设计原理2.1 System View软件简介美国ELANIX公司于1995年开始推出SystemView软件工具，最早的1.8版为16bit教学版，自1.9版开始升为32bit专业版，目前已推出了5.0版。SystemView是在Windows95/98环境下运行的用于系统仿真分析的软件工具，它为用户提供了一个完整的动态系统设计、仿真与分析的可视化软件环境，能进行模拟、数字、数模混合系统、线性和非线性系统的分析设计，可对线性系统进行拉氏变换和Z变换分析1。 SystemView基本属于一个系统级工具平台，可进行包括数字信号处理（DSP）系统、模拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真分析，并配置了大量图符块（Token）库，用户很容易构造出所需要的仿真系统，只要调出有关图符块并设置好参数，完成图符块间的连线后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库(Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析2。在系统设计和仿真分析方面，System View还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。System View还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。2.2数字基带传输系统模拟信号经过信源编码得到的信号为数字基带信号，将这种信号经过码型变换，不经过调制，直接送到信道传输，称为数字信号的基带传输3。一、基带传输系统的组成基带传输系统的组成框图如图2.1所示。它主要由码波形变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器和取样判决器等5个功能电路组成。 图2.1 基带传输系统模型基带传输系统的输入信号是由终端设备编码器产生的脉冲序列，为了使这种脉冲序列适合于信道的传输，一般要经过码型变换器，码型变换器把二进制脉冲序列变为双极性码（AMI码或HDB3码），有时还要进行波形变换，使信号在基带传输系统内减小码间干扰。当信号经过信道时，由于信道特性不理想及噪声的干扰，使信号受到干扰而变形。在接收端为了减小噪声的影响，首先使信号进入接收滤波器，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。二、数字基带信号传输码型的要求1、有利于提高系统的频带利用率2、基带信号应不含直流分量，同时低频分量要尽量少，因为由于变压器的接入，使信道具有低频截止特性。3、考虑到码型频谱中高频分量的影响电缆中线对间由于电磁辐射而引起的串话随频率升高而加剧，会限制信号的传输距离或传输容量。4、基带信号应具有足够大的定时信号供提取5、基带信号的传输码型应具有误码检测能力6、码型变换设备简单，容易实现三、常用的基带传输码型常见的传输码型有NRZ码、RZ码、AMI码、HDB3码及CMI码，其中最适合基带传输的码型是HDB3码。另外，AMI码也是CCITT建议采用的基带传输码型，但其缺点是当长连0过多时对定时信号提取不利。CMI码一般作为四次群的接口码型。四、数字信号传输的基本准则1、奈奎斯特第一准则如何才能保证信号在传输时不出现或少出现码间干扰，这是关系到信号可靠传输的一个关键问题。奈奎斯特对此进行了研究，提出了不出现码间干扰的条件：当码元间隔T的数字信号在某一理想低通信道中传输时，若信号的传输速率位Rb=2fc（fc为理想低通截止频率），各码元的间隔T=1/2fc，则此时在码元响应的最大值处将不产生码间干扰，且信道的频带利用率达到极限，为2(b/s)Hz。上述条件是传输数字信号的一个重要准则，通常称为奈奎斯特第一准则。即传输数字信号所要求的信道带宽应是该信号传输速率的一半 BW=fc=Rb/2=1/2T （2-2-1）当满足这一条件时，其它码元的拖尾振幅在对应于某一码元响应的最大值处刚好为零。2、滚降低通幅频特性实际传输中，不可能有绝对理想的基带传输系统，这样一来，不得不降低频带利用率，采用具有奇对称滚降特性的低通滤波器作为传输网络。根据推导得出结论：只要滚降低通的幅频特性以点C(fc,1/2)呈奇对称滚降，则可满足无码间干扰的条件（此时仍需满足传输速率=2fc）。滚降系数：a=(fc+fa)-fc/fc （2-2-2）用滚降低通作为传输网络时，实际占用的频带展宽了，则传输效率有所下降，当a=100%时，传输效率即频带利用率只有1(b/s)Hz，比理想低通小了一半。3、眼图 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。SystemView具有“眼图”这种重要的分析功能，眼图能直观地表明数字信号传输系统出现码间干扰和噪声的影响，能评价一个基带系统的性能优劣。3 仿真实现过程3.1 基带传输系统模型简单的基带传输系统原理框图如图3-1所示，该系统并不是无码间干扰设计的，为使基带信号能量更为集中，形成滤波器采用高斯滤波器。PN码发生器低 通高 斯噪声源加性高斯低通型信道图3-1 简单基带传输系统组成框图形 成滤波器接 收判 决 3.2 基带传输系统参数设定1、进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：运行时间：Start Time: 0秒； Stop Time: 0.5秒； 采样频率：Sample Rate：10000Hz。设置窗口如下图3-2所示：图3-2 采样时间窗设置2、当知道系统的每个图符与参数后，就开始建立系统。首先，从左边的图符库中双击或拖出需要的图符，摆好它们各自的位置；然后，双击图符，按照上表中的参数给每个图符设置参数；最后，把鼠标放在图符的左边，当鼠标变成一个箭头时按住左键，这时会看到一根线从图符引出，把它连到要连接的图符即可，按照这个方法把每个图符连接起来组成系统。设计出的系统如图3-3所示。图3-3 数字基带传输系统仿真模型系统中各图符块的设置如表3.1所示：编号图符块属性（Attribute）类型（Type）参数设置（Parameters）0SourcePN SeqAmp=1v,Offset=0v,Rate=100Hz,Levels=2,Phase=0 deg1CommPulse ShapeGaussian,Time Offset=0 sec,Pulse Width=0.01 sec,Std Dev=0.3v.2Adder-3SourceGauss NoiseStd Dev=0.3v,Mean=0v.4OperatorLinear SysButterworth Lowpass IIR,5 Poles,Fc=200Hz.5OperatorSamplerInterpolating,Rate=100Hz,Aperture=0 sec,Aperture Jitter=0 sec,6OperatorHoldLast Value ,Gain=2,Out Rate=10.e+3Hz7OperatorCompareComparison=,True Output=1V,False Output=0v,A input=t6 Output0,B input=t8 Output08SourceSinusoidAmp=0v,Freq=0Hz,Phase=0 deg9SinkAnalysisInput from t0 Output Port010SinkAnalysisInput from t1 Output Port011SinkAnalysisInput from t4 Output Port012SinkAnalysisInput from t7 Output Port0 表 3.1 参数设置表其中，Token1为高斯脉冲形成滤波器；Token3为高斯噪声产生器，设标准偏差 Std Deviation=0.3v，均值Mean=0v；Token4为模拟低通滤波器，来自选操作库中的“LinearSys”图符按钮，在设置参数时，将出现一个设置对话框，在“Design”栏中单击Analog按钮，进一步单击“Filter PassBand”栏中Lowpass按钮，选择Butterworth型滤波器，设置滤波器极点数目：No.of Poles=5（5阶），设置滤波器截止频率：LoCuttoff=200 Hz。3、单击运行按钮，运算结束后按“分析窗”按钮，进入分析窗后，单击“绘制新图”按钮，则Sink9Sink12显示活动窗口分别显示出“PN码输出”、“信道输入”、“信道输出”和“判决比较输出”时域波形，如图3-4所示： 图3-4 （a） 代表信源的PN码输出波形图3-4 （b） 经高斯脉冲形成滤波器后的码序列波形图3-4 （c） 信道输出的接收波形图3-4（d） 判决比较输出波形 4、观察信源PN码和波形形成输出的功率谱。通过两个信号的功率谱可以看出，波形形成后的信号功率谱主要集中在低频端，能量相对集中，而PN码的功率谱主瓣外的分量较大。在分析窗下，单击信宿计算器按钮，在出现的“System Sink Calculator”对话框中单击Spectrum按钮，分别得到Sink9 和Sink10的功率谱窗口（w4:和w5）后，可将这两个功率谱合成在同一个窗口中进行对比，具体操作为：在“System Sink Calculator”对话框中单击Operators按钮和Overlay Plots按钮，在右侧窗口内压住左键选中“w4：Power Spectrum of Sink9” 和“w5：Power Spectrum of Sink10”信息条，使之变成反白显示，最后单击OK按钮即可显示出对比功率谱，如图3-5所示。PN码功率谱高斯滤波形成输出功率谱图3-5 PN码和波形形成器输出功率谱对比5、观察信道输入和输出信号眼图。眼图是衡量基带传输系统性能的重要实验手段。当屏幕上出现波形显示活动窗口（w1:Sink10和w2:Sink11）后，单击“System Sink Calculator”对话框中的Style 和Time Slice按钮，设置好“Start Timesec”和“Lengthsec”栏内参数后单击该对话框内的OK按钮即可，两个眼图如图3-6所示。信道输入眼图信道输出眼图图3-6 信道输入和输出信号眼图从上述眼图可以看出，经高斯滤波器形成处理后的基带信号远比PN码信号平滑，信号能量主要集中于10倍码率以内，经低通型信道后信号能量损失相对小一些。由于信道的不理想和叠加噪声的影响，信道输出眼图将比输入的差些，改变信道特性和噪声强度，眼图会发生明显变化，甚至产生明显的接收误码。4 出现的问题及解决方法4.1 选定模块的问题按照数字基带传输原理系统模型从SystemView的各个库中找所需模块时，由于初次接触此软件不甚熟悉它的操作，所以花了很长时间都找不到我需要使用的滤波器。翻阅有关参考书，研究软件自带的帮助信息，很快熟悉各个模块的位置，同时也掌握了接下来要使用的一些相关操作。4.2 设定参数的问题 首先按照参考资料设置了参数，运行后发现结果不理想，于是根据需要改了一部分参数，经过多次尝试，最终得到了预想的结果。4.3 结果图的比较问题根据课程设计要求，我分别得出了传输前后信号的功率谱和眼图，但都是单独成图，难以看出系统性能，后来经过与同学交流，发现可以将其放在同一图中相比较，如图4.1所示进行设置。图 4.1 功率谱比较设置图比较后能很明显看出前后信号的差异，问题最终就得到了解决。5 结束语这次课程设计历时两个星期，在这两个星期的学习中，我发现了自己的很多不足，理论知识还存在很多漏洞，缺乏实践经验，钻研精神不够，理论联系实际的能力还有待不断地加强和提高。通过本次课程设计，我学会了在System View仿真平台上进行基带传输系统仿真。在以往的课内学习中，我懂得了较多的理论知识，同时也进行了上机实践加强自己对理论的理解并提升了实际操作能力。而本次课程设计相对于实验又有了质的飞跃，我通过最初的构思，然后完成基带传输系统仿真模型，再设置各模块参数，最终在System View仿真平台上进行系统