数字基带信号传输系统仿真方案.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21 基带系统传输模型及工作原理基带系统传输模型如图1所示。1)系统总的传输特性为H()=GT()C()GR()，n(t)是信道中的噪声。2)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。22 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H()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H()应具有升余弦滚降特性。如图2所示。这样对应的h(t)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，使得系统输出信噪比最大。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12的分析，为了使系统冲激响应h(t)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：H()=GT()GR()考虑在t0时刻取样，上述方程改写为 H()=GT()，GR()，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41 信源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)、Unipolar to Bipolar Converter（单极性向双极性转换器）、Pulse Generator(脉冲生成器)、Constant(常数源模块)、Add（加法器）、Product（乘法器）、Scope(示波器)构成曼彻斯特码的生成电路。模型连接方法如图所示：曼切斯特码如图所示模块参数设置：Bernoulli Binary Generator(不归零二进制码生成器)的Prpbability 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Amplitude(幅度)设为2，Period设为2，Pulse width (脉冲宽度)设为1，占空比为1/2， Phase delay(相位延迟)设为0，表示不经过延迟，Sample time设置为1/2000。Unipolar to Bipolar Converter（单极性向双极性转换器）的M-ary number设为2。Constant(常数源模块)的Constant value设为-1。Bernoulli Binary Generator 用于产生1和0的随机信号，经过Unipolar to Bipolar Converter 变为双极性信号；Pulse Generator用于产生占空比为1/2的单极性归零脉冲(2020)，经过Add加法电路减一后成为双极性脉冲(+1-1+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发送滤波器和接收滤波器、信道为了减小码间干扰，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Upsample(内插函数)、Discrete Filter根升余弦传输滤波器、AWGN Channel(高斯信道)、Discrete Filter根升余弦接收滤波器模块组成，其设计框图如图所示：模块参数设置：Upsample的Upsample factor设为10，Discrete Filter根升余弦传输滤波器的Numerator设为rcosine(2,10,fir/sqrt,0.5,10)，Sample time设为1/10000，AWGN Channel(高斯信道)的Mode选为SNR，SNR设为11，Discrete Filter根升余弦接收滤波器设置与传输滤波器模块相同。43抽样判决器利用Pulse Generatorl、Product、Relay、Triggered Subsystem、Downsample构成抽样判决电路，并通过Pulse Generatorl、Constant、Add、Product模块对接收到的曼彻斯特码进行解码，其抽样判决电路及曼彻斯特码解码电路如图所示：模块参数设置：Pulse Generatorl的Amplitude设为1，Period设为10，Pulse width设为1，Sample time设为1/20000；Relay的Switch on point和Switch off point都设为0，Output when on设为1，Output when off设为-1，当采样点的幅值大于0则判为1，小于0则判为-1；Downsample的Downsample factor设为10；曼彻斯特码解码模块与编码模块设置相同。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（+1-1）码与第2路(+1-1)码相乘得到+1码，第1路（-1+1）码与第2路(+1-1)码相乘得到-1码，这就对曼彻斯特码进行了解码。5 仿真结果分析51 基带传输系统设计总图及各点输出波形基带传输系统的设计总图以及传输过程中的各点波形分别如图所示Scope1的波形：第一行波形是对曼彻斯特码进行10被升速率采样后的波形，将该信号送到传输滤波器中，滤除高频成分得到第二行波形，第三行是第二行波形进过加性高斯白噪声信道传输并通过接收滤波器滤除噪声后的波形，第四行是经过抽样判决器抽样和判决再生产生的曼彻斯特码。Scope2的波形：从图中的波形来看，传输是有效的。第一行是信源端发送的信号波形，第二行是接收端收到的信号波形，与第一行的基带信号比较，波形相同，这说明所设计的基带系统没有产生误码，达到了抗码间干扰和抗噪声干扰的目的。52 眼图观测结果下图为接收滤波器观察到的眼图，从图中可看出，在信噪比为15 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。53 发送信号和接收信号的功率谱左边为发射信号功率谱,左边为及接收信号功率谱54传输过程的误码率当加性高斯白信道信噪比(SNR)为11dB时误码率约为0.0002当加性高斯白信道信噪比(SNR)为12dB时误码率约为0.00003当加性高斯白信道信噪比(SNR)为13dB时误码率为0 SNR为11dB时的误码率 SNR为12dB时的误码率 SNR为12dB时的误码率通过上图的分析,误码率产生的主要原因是信道中信噪比的大小,噪声过大会对信号造成干扰,从而使接收端产生误码。6 遇到的问题及解决的方法1、噪声功率过大使误码率过大,提高加性高斯白噪声信道的信噪比，减小噪声功率使信号得到有效传输。2、接收波形与发送波形有延时，误码率太大，调整Integer Delay的延时参数，使发送信号波形与接收信号波形同步。3、课程设计过程中多次出现错误提示，通过修改模块参数、算法以及某些模块的取舍消除错误。7 结束语本次课程设计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，接收滤波器与发送滤波器相匹配，实现了匹配滤波、减小系统码间干扰，通过抽样判决与曼彻斯特码再生电路恢复信号。示波器观测