数字基带通信系统.doc

内蒙古工业大学信息工程学院学校代码： 10128学 号： 内蒙古工业大学信息工程学院实 验 报 告课程名称： 通信原理 实验名称： 数字基带通信系统 实验类型：验证性 综合性 设计性实验室名称： 格物楼B座通信实验室102 班级：电子09-1班 学号： 姓名： 组别： 同组人： 成绩： 实验日期： 2012/6/11 预习报告成绩： 指导教师审核（签名）： 2012年 月 日预习报告一、实验目的1. 了解完整的数字基带通信系统的组成及各部分功能。2. 掌握汉明码的编码规则，了解信道编码在通信系统中的作用。1. 掌握高斯白噪声、带限信道的概念，加深对信道模型的理解。2. 掌握同步信号在数字通信系统中的作用。3. 掌握眼图波形与信号传输畸变的关系。二、实验器材1. 信号源模块 2 信道模拟模块3. 终端模块4. 同步信号提取模块5. 20MHz双踪示波器一台4. 误码率测试仪（可选）一台5. 频率计（选用）一台6. 连接线若干三、预习要求1.复习信道模拟、差错控制编码、位同步提取等数字基带系统原理。2.写出实验方案和步骤，完成“实验内容及步骤”之中的第一项内容。3.完成预习报告，应包括实验名称、目的、方案、步骤和记录表格等。实验报告成绩： 指导教师审核（签名）： 2012 年 月 日实验报告一、实验目的1. 了解完整的数字基带通信系统的组成及各部分功能。2. 掌握汉明码的编码规则，了解信道编码在通信系统中的作用。7. 掌握高斯白噪声、带限信道的概念，加深对信道模型的理解。8. 掌握同步信号在数字通信系统中的作用。9. 掌握眼图波形与信号传输畸变的关系。二、实验器材1. 信号源模块 2 信道模拟模块3. 终端模块5. 同步信号提取模块5. 20MHz双踪示波器一台10. 误码率测试仪（可选）一台11. 频率计（选用）一台12. 连接线若干三、预习要求1.复习信道模拟、差错控制编码、位同步提取等数字基带系统原理。2.写出实验方案和步骤，完成“实验内容及步骤”之中的第一项内容。3.完成预习报告，应包括实验名称、目的、方案、步骤和记录表格等。四、实验原理图4-1 数字基带通信系统实验框图1. 信道在数字通信系统中，如果我们仅着眼于讨论编码和译码，采用编码信道的概念是十分有益的。所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。这样定义是因为从编译码的角度看来，编码器的输出是某一数字序列，而译码器的输入同样也是某一数字序列，他们可能是不同的数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端，可以用一个对数字序列进行变换的方框来加以概括。本实验中可选用无限带宽信道和带限（8K）信道。测量眼图来观察出码间干扰和噪声的影响时应选用带限（8K）信道，从而估计出系统性能的优劣程度。2. 信道噪声非理想信道中必然存在噪声，而其中又以高斯白噪声最为普遍。在本实验中我们用伪随机序列模拟高斯白噪声。伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理。由于它具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点，因此获得了日益广泛的实际应用。目前广泛应用的伪随机噪声都是由数字电路产生的m序列（经滤波等处理后）得到的。伪随机噪声的原理及实现方法请查阅相关参考书。3. 差错控制编码在随机信道中，错码的出现是随机的，且错码之间是统计独立的。在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码有时也称为纠错编码。不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力，有的编码只能检错，不能纠错。汉明码是一种能够纠正一位错码且编码效率较高的线性分组码。表4-1中所列的是一种（7，4）汉明码，它的最小码距d0 3，因此，这种码能纠正一个错码或检测两个错码。表 4-1 （7，4）汉明码信息位监督位信息位监督位654321065432100000000100100011010001010110011100001110111011010101100010001001101010111100110111101111111100010001001010100111接收端收到每个码组后，先进行计算出校正子 ，再判断错码情况，之后进行纠错处理。汉明码的构造原理及实现方法请查阅相关参考书。4. 位同步位同步也称为位定时恢复或码元同步。在任何形式的数字通信系统中，都必须完成位同步信号的提取，即从接收信号中设法恢复出与发端频率相同的码元时钟信号。由于目前的数字通信系统广泛采用自同步法来实现位同步，故本实验采用自同步法。采用自同步法实现位同步首先会涉及两个问题：如果数字基带信号中确实含有位同步信息，即信号功率谱中含有位同步离散谱，就可以直接用基本锁相环提取出位同步信号，供抽样判决使用；如果数字基带信号功率谱中并不含有位定时离散谱时，就必须在接收端对基带信号进行码变换，最后再用锁相环（通常为数字锁相环）提取出位同步信号离散谱分量。提取出位同步信号的原理及方法请查阅相关参考书。五、实验内容及步骤（一）信道模拟1. 按如下系统框图，写出实验方案和步骤，计算8KHz带限信道的无码间干扰的Nyquist速率（最高传码率）及最高频带利用率。图4-2 信道模拟实验框图1. 测试数据：将信号源输出的NRZ码（未编码）输入无限带宽信道，调节噪声功率大小，观察信道输出信号及其误码率，画出无噪声、有噪声条件下的波形。调节噪声功率大小，观察带限信道对信号传输的影响，画出带限信号波形、眼图。（二）差错控制编解码1. 按如下系统框图，写出实验方案和步骤，构建表4-1中所列（7，4）汉明码的监督关系式、求解监督矩阵、生成矩阵，判断纠错能力。图4-3差错控制编解码实验框图2. 测试数据：将输出的NRZ码（未编码）输入信道模拟模块编码输入端，编码后再输入信道，信道输出信号经过解码后输出到终端模块显示，观察通过编解码后信号的误码率，并与同等噪声功率时未编码信号的误码率进行比较，画出波形。信道模拟模块的噪声功率调节电位器固定在噪声功率最小的位置处，用示波器观察信道输出1处的信号，观察编码后的信号是否符合表4-1的规则（注意：为将（7，4）汉明码补足为8位码，我们在每一个（7，4）汉明码前添加了一位零。因此，1000编码将得到01000111）。任意将“误码”拨位开关的右七位中的一位或两位拨为高，观察编码后信号及终端显示的变化，观察纠错能力，并与理论值比较。（三）位同步提取1. 按如下系统框图，写出实验方案和步骤，根据系统传码率，确定要提取的位同步信号的频率。图4-4 数字基带通信系统实验框图2. 测试数据：将信道输出的NRZ码（已编码）输入到同步信号提取模块的“NRZ-IN”输入端，调节噪声功率大小，观察数字环的失锁状态、锁定状态。将提取的位同步信号输入到信道模拟模块的解码位同步信号输入端，观察相位抖动现象；用双踪示波器对输入信号与输出信号、发送端与接收端提取的位同步进行比较，画出波形。在提取的位同步信号的作用下，重新作实验的（一）、（二）内容，并比较。实验结果记录：无噪声情况下的波形有噪声情况下的波形由于没有完全做出实验结果，我们通过查找资料，了解了一些关于数字基带传输系统的内容，加以补充，增长一点这方面的知识。1 仿真软件的设计根据数字基带传输系统模型( 图1) , 用SIMULINK 建立基带传输系统的仿真模型如图2 所示, 该系统仿真模型包括二进制信源、发送滤波器、高斯信道、接收匹配滤波器、接收采样、判决恢复以及信号测量等七部分.图2 基带传输系统仿真模型该仿真模型采用固定步长即FixedStepDiscrete 算法 4 , 系统仿真速率为1E4 次/ s. 数字二进制信源是由Ber noulli Binary 模块和Unipolar to Bipolar Converter 模块产生的双极性不归零码, 速率为1 000 bps. 由于滤波器采样速率等于系统仿真速率1E4 次/ s, 故该信源在进入发送滤波器之前需要通过升速率模块Upsample 将采样速率升高为原来的10 倍. 发送滤波器和接收滤波器相匹配, 且都为平方根升余弦函数, 由Discrete Filter 实现, 其分母系数设置为1, 分子系数通过rcosine( 1, 10, fir/ sqrt, R , 3) 函数计算, 其中R 为滚降系数. 信道采用AWGN Channel 模块实现的高斯信道, 选择信道模式为Es/ No 模式( 单位: dB) . 信源信号经过发送滤波器、信道和接收滤波器后, 被送到乘法器Product 里, 以实现在最佳采样时刻的采样, 然后对采样结果用Relay 模块进行门限判决, 最佳门限设置为0, 判决输出结果由Triggered 进行保持, 在一个传输码元时隙内保持不变. 最后, 对T riggered 输出的信号由Downsample 以10 倍降速率采样得到速率为1 000Hz 的原始基带信号. Er rorRateCalculationg 模块进行误差统计并输出误码率、码元总数和错误码元总数; 离散时间眼图Discrete2T ime Eye Diagram Scope 用于观察接受滤波器输出端基带信号的特征, 并产生眼图.双极性二进制信号本身不含有定时信息, 故需要对其进行非线性处理( 如平方或取绝对值) , 提取时钟的二倍频分量, 最后通过二分频来恢复接收定时脉冲 5 . 定时恢复子系统的内部结构如图3 所示, 其中采用了锁相环来锁定定时脉冲的二次谐波后, 以二分频得出定时脉冲. 用示波器来观察恢复定时与理想定时之间的相位差, 然后通过调整Integer Delay 模块的延迟量Delay 使恢复定时脉冲的上升沿对准眼图最佳采样时刻.图3 定时提取内部结构2 仿真结果与分析在无码间串扰的二进制双极性数字基带传输系统中, 当信源发送/ 10码和/ 00码概率相等, 且在最佳判决门限电平Vd = 0 时, 系统的理论误码率为Pe = 12如图4 中的实线. 取平方根滚升余弦滤波器滚降系数R 为0. 75, IntegerDelay 模块的延迟量Dela y 为4, 高斯信道的信噪比Es/ No 从10. 5 到16 取20个点, 对基带传输系统模型图2 进行仿真, 仿真时间0 到101 s, 传输的总码元数为101 * 1000,ErrorRateCalculation 模块从第二秒开始计算误差, 仿真结果如图4 中的星号离散点. 考虑到发送接收滤波器和仿真误差的影响, 仿真结果和理论计算基本一致. 图5 为该仿真系统接收滤波器不同信噪比下输出端的眼图, 由它可看出, 信噪比越大, 眼图的线迹越细、眼睛越大且清晰, 再由图4 可知误码率也越小. 观察图2 中的显示器Scope 得图6, 比较发送信号和接收信号, 非常吻合. 因此, 该模型基本符合基带传输的理论分析.图4 误码率比较图5 不同信噪比的眼图最佳采样时刻是眼图中/ 眼睛0睁得最大的时刻, 在本系统中是通过调整IntegerDelay 模块的延迟量Dela y 使恢复定时脉冲的上升沿对准理想定时脉冲的上升沿来实现. 取升余弦滤波器滚降系数R 为0. 75、高斯信道的信噪比Es/ No 为14 dB, 而IntegerDelay 模块的延迟量Delay 分别取1, 2, 4, 进行仿真得到对应误码率分别为0. 008 88, 0. 000 52 和2E- 005, 同时用示波器观察理想定时脉冲和恢复定时脉冲的相对位置如图7 所示. 可见Delay 为4 时恢复定时脉冲的上升沿正好对准理想定时脉冲的上升沿, 这个时刻为最佳采样时刻, 误码率最小. 当Delay 取2 和1 时恢复定时脉冲的上升沿偏离理想定时脉冲的上升沿越来越来越远, 即实际抽样时刻距离最佳抽样时刻逐渐增大, 误码率也急剧增大.图6 收发端信元比较l 图7 定时脉冲相对位置高斯信道的信噪比Es/ No 取13 dB 不变, 滚降系数R 和延迟量Dela y 分别取不同的值, 经图1 仿真得表1. 可见滚降系数越大, 实际采样时刻偏离最佳采用时刻时误码率增大的越小, 即滚降系数越大对定时精度的要求越低. 同时在延迟量Dela y 为4 不变时, 测得不同滚降系数的眼图如图8 所示, 可见滚降系数越大线迹越细/ 眼睛0越清晰, 从表1 可看出误码也越小, 但是带宽就越宽. R = 0. 5 时第一零点带宽为1. 5kHz, 而R = 1 时第一零点带宽为2 kHz 6 . 升余弦滚降特性用带宽换来了定时精度的降低和误码率的减小.图8 不同滚降系数的眼图以上系统仿真时都是从第二秒开始统计误差, 当从第一个码元开始统计时, 误码率会有所增大, 这主要是开始位同步不同步的原因. 笔者用该系统不同的信噪比、不同的延迟量和不