基 于 m a t l a b 的数字基带系统仿真毕业论文.docx

南京邮电大学2012届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 背景综述通信产业是一个庞大而飞速发展的产业。新业务和新技术日新月异，要全面面熟这些技术的基本原理几乎是不可能的。但从总体上看，通信技术实际上就是通信系统和通信网技术。通信系统是指点对点通信所需的全部设施，而通信网是由许多通信系统组成的多点之间能相互通信的全部设施。研究通信系统可以用图1.1所示的仙农模型表示。图1.1 通信系统模型信源是发出带传送信息的主题，信宿是该信息的接受者，信源和信宿决定了通信系统的业务性质。例如电话系统传送语音信息、电报或者数据通信系统传送代表某些信息的符号，电视系统传送活动图像的信息等。信道是传送信息的通道，如电缆信道、光缆信道、无线信道等；其容量决定该系统能传送多少信息。编码是泛指把信源输出变化成合适信道传送的信号所需要的设备；而译码就是编码的反变换所需的设备。从这个意义上说，编码和译码实际上包含除信道外的所有通信设备。当给定信源和信宿并选定信道后，这些设备决定通信系统的性能。例如适当的压缩编码可以降低码率以提高通信系统的有效性，亦即同样的信道可以传送更多的信源信息；又如适当的调制方式可以降低误码率以提高通信系统的可靠性等。图1.1中所示的系统是单向通信系统。信息只从信源送到信宿。许多系统是双向的。这时可由两个单向通信系统构成。两边都有信源和信宿，编码和译码合在一起成为终端设备，而信道应该是双向的。所以点对点的通信系统可由信道和终端构成，而当许多终端要互相通信时，就需要用转接点吧这些通信系统连接成通信网。 通原绪论1.2 内容简介在数字通信系统中，信源是信息的来源，但信源输出的是消息（或符号），以消息（或符号）的形式来表达所要传送的信息，一般，信源输出的消息由传感器转换为电信号。新源编码则是对信源输出的消息转换成电信号用尽量低速率的二进制数字信号来表示，即对有剩余的消息进行少剩余的有效编码，又称新源编码器输出的二进制数字序列为信息序列。此信息序列经过信道差错控制编码器在二进制信息序列中引入剩余度，以提高信息传输的可靠性，然后将信道差错控制编码器输出的二进制序列再通过数字调制器，将二进制序列映射为相应的信号波形在通信系统中传输，而通信新到则是物理媒介，将信号波形从发端传到收端，在收端进行反变换，从而将信息从信源送到信宿。数字通信系统的组成框图如图1.2所示。图1.2 数字通信系统的组成数字调制器有二进制以及M进制（M2）之分。二进制数字调制器是将二进制符号“0”映射为信号波形s0t，将二进制符号“1”映射为信号波形s1t。M进制数字调制器则是将每K个二进制符号映射为M=2K个不同信号波形sit，i=0,1,2，M-1中的一个。若此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个参数，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者低频开始，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。若通信新到的传递函数是低通型的，则称此信道为基带信道，又称基带信道为信通信道，如同轴电缆和双绞线有线信道均属于基带信道。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。1.3 研究意义目前，虽然数字基带传输不如带通传输那样应用广泛，但仍有相当多的应用范围。最为重要的原因是，数字基带传输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、线性带通系统以及线性带通系统对带通信号的响应均可以用其等效低通信号、等效低通系统以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以通过它的等效低通（或者等效基带）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，他在数字通信系统中具有普遍意义。此外，在利用对称电缆构成的进程数据通信系统中广泛采用了这种传输方式，而且，随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有迅速的发展趋势，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输。在数字电视信号传输中就广泛运用了数字基带传输技术，他是一种短距离传输方式，一般用于数字化演播室及以服务器为核心的数字化、全硬盘播出系统的串行数字信号(SDI信号)的传送。第二章 MATLAB及其GUI简介2.1 MATLAB的发展 1967年，美国新墨西哥州大学计算机系主任Clever Moler博士在给学生讲授线性代数课程时，为了方便学生调用用于矩阵运算的EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库，利用业余时间为学生编写了EISPACK和LINPACK的接口程序，取名MATLAB。这个程序退出后受到了学生们的广泛欢迎，并广为流传。1984年，Clever Moler博士和一批数学家和软件专家成立了MathWorks公司，发行了MATLAB第一版(DOS版本1.0)，正是吧MATLAB推向市场。内核改用C语言编写，大大提高了运算效率，并增加了计算结果可视化。使研究人员从大量的矩阵运算和繁琐的编程中解脱出来。1990年，MathWorks公司推出了以框图为基础的控制系统仿真工具Simulink，并提供了控制系统中常用的模块库。1992年，MathWorks公司推出了4.0版本，在原来的基础上又进行了较大调整，推出了Windows版本，可以在多个窗口进行命令执行和图形绘制。1999年，推出MATLAB5.3版（Release 11.0），实现了32位运算，并为用户提供了在线帮助。2000年10月底推出了MATLAB6.0正式版（Release 12.0），在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等诸多方面有了极大的改进，并添加了很多新的工具箱和功能函数。2004年，推出MATLAB7.0（Release 14.0）。目前在国际上30多个数学类科技应用软件中，MATLAB在数字计算方面独占鳌头，已经成为国际控制界公认的标准计算软件。 MATLAB发展2.2 MATLAB的主要功能 MATLAB将高性能的数值计算和可视化功能集成，并提供了大量的内置函数，从而被广泛的应用于科学计算、控制系统和信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以很容易对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。 MATLAB功能目前MATLAB系列软件的主要包括以下功能。(1) 数学计算利用以矩阵、向量为基本运算单元的MATLAB进行数学计算是加速算法开发的有效途径，而且MATLAB提供的数学算法凝聚了世界上诸多科学家的辛勤劳动，保证了数字计算精确的结果。MATLAB数学计算的内容有以下8个方面：l 线性代数和矩阵分析与变换。l 数据处理与基本统计。l 快速傅里叶变换（FFT）,相关与协方差计算。l 稀疏矩阵运算。l 三角以及其他初等函数。l Bessel、beta以及其他特殊函数。l 线性方程以及其他特殊函数。l 线性方程以及微分方程求解。l 多维数组的支持。(2) 集成的算话开发编程语言和环境MATLAB提供了一种简便易用的算法开发语言M语言，工程师可以直接利用MATLAB提供的基本数学、图形能力，开发自定义的算法。几乎所有的MATLAB工具箱函数都是利用M语言开发的，这些工具箱包括：l 可视化的程序编辑器、调试器。l 语法风格类似C语言，容易掌握。l JIT加速器加快程序运行速度。l 多维向量及工程师自定义结构，以及数组、结构、单元数组等多种数据结构。l 支持面向对象编程（OOP）。l 流程控制（for、while、if、switch）。l 字符变换。l ASC以及二进制文件输入输出。l 灵活的开放性能够与C、C+、FORTRAN、Java、COM组件以及Excel集成使用。l 支持使用底层I/O手段获取数据、操作数据文件。l MATLAB数据文件MAT文件支持跨平台使用。(3) 开发工具MATLAB提供了各种用于算法开发的工具，其中包括一下几种。l MATLABEditor该工具提供了标准的编辑、调试M语言算法的基本环境，例如可以在该工具中定于断点并且进行单步调试。l M-Lint Code Checker该工具用于分析M语言代码并且向开发人员提出改善代码性能和维护性的建议。l MATLABProfile该工具可以计算每行M语言代码执行消耗的时间。l Directory Reports该工具扫描当前目录下所有的M语言，并且报告文件的代码效率、文件的相关性以及代码覆盖度等信息。(4) 数据的可视化MATLAB提供了功能肺腑的数据可视化功能函数，其中包括如下功能。l 二维、三维绘图，包括离散数据绘图、直线图、封闭折线图（polygon）、网格图、等值线图、极坐标图、直方图等丰富多样的数据可视化手段。l 交互的文本注释编辑能力。l 提供文件I/O，用于显示绘制图形，支持多种图像文件格式，例如：EPS,TIFF,JPEG,PNG,BMP,HDF,AVI,PCX等。l 软硬件支持的OpenGL渲染。l 支持动画和声音。l 多种光源设置、照相机和透视控制。l 对图形界面元素提供了交互式可编辑的控制方法句柄图形。l 能够打印或者到处数据图形文件到其他的应用程序中，例如Word和PowerPoint，共享开发的结果。(5) 交互式编辑创建图形MATLAB提供了交互式工具用于设计、修改图形窗口，在MATLAB的图形窗口中工程师可以完成如下操作。l 拖放数据到集体窗体。l 修改图形窗口中任意对象的属性。l 放大、旋转、平移、修改摄像机或者光线的位置、角度等。l 增加注释和数据标注。l 将图形窗口文件转变为M代码。(6) 图形用户界面开发环境GUIDEl 应用程序向导简化开发步骤。l 下拉及弹出式菜单。l 支持多种界面元素：按钮（PUSH BUTTON）、单选按钮（RADIO BUTTON）、复选框（CHECK BOXES）、滑块（SLIDERS）、文本编辑框（EDIT BOX）和ActiveX控件。l 鼠标事件（Mouse Event）和响应函数（drawback）。l 利用响应函数响应工程师的操作。(7) 开放性、可扩展性强M-语言函数文件是可见的MATLAB程序，所以工程师可以查看源代码。开放的系统设计使工程师能够检查算法的正确性，修改已存在的函数，或者加入自己的新函数，包括以下几个方面。l 使用C或者FORTRAN MEX文件集成已有的/FORTRAN算法。l 在C或者FORTRAN程序中调用MATLAB函数。l 在MATLAB中使用Java语言编程。l 提供COM服务和COM控制支持。l 输入输出各种MATLAB及其他标准格式的数据文件。l 对计算机串口进行输入输出操作。l 加载通用DLL文件。l 创建图文并茂的技术文档，包括MATLAB图形、命令，并可通过Word、HTML输出。(8) 专业应用工具箱MATLAB的工具箱加强了对工程及科学中特殊应用的支持。工具箱也和MATLAB一样是完全工程师化的，可扩展性强。将某个或某几个工具箱与MATLAB联合使用，可以得到一个功能强大的计算组合包，满足工程师的特殊要求。因此MATLAB产品被广泛应用于多个领域。l 测量测试。l 数学建模与分析。l 信号处理。l 财经金融建模与分析。l 图像处理与地理信息。l MATLAB应用程序开发。2.3 GUI的简介图形用户接口（GUI）是用户与计算机程序之间的交互方式，是用户与计算机进行信息交流的方式。通过图形用户接口，用户不需要输入脚本或者命令，不需要了解任务的内部运行方式。计算机在屏幕显示图形和文本，若有扬声器还可以产生声音。用于通过输入输出设备，如：键盘、鼠标、绘制板或者麦克风，与计算机通信。用户界面设定了如何观看和如何感知计算机、操作系统护着应用程序。通常，多是根据用户界面功能的有效性来选择计算机或者程序。图形用户界面（GUI）中包含多个图形对象，如：窗口、图标、菜单和文本的用户界面。以某种方式选择或者激活这些对象，通常引起动作或发生变化。最常见的激活方法是用鼠标或其他单击设备去控制屏幕上的鼠标指针的运动，单击鼠标，标志着对象的选择或其他动作。3MATLAB中的GUI程序为事件驱动的程序。事件包括按下按钮，鼠标单击等。GUI中的每个控件与用户定义的语句相关。当界面上执行某项操作时，则开始执行相关的语句。MATLAB提供了两种创建图形用户接口的方法：通过GUI向导创建的方法和编辑创建GUI的方法。用户可以根据需要，选择适当的方法创建图形用户接口。通常可以参考下面的建议。l 如果创建对话框，可以选择编辑创建GUI的方法。MATLAB中提供了一系列标准对话框，可以通过一个函数简单创建对话框。l 只包含少量控件的GUI，可以采用程序方法创建，每个控件可以由一个函数调用实现。l 复杂的GUI通过向导创建比通过程序创建更简单一些，但是对于大型的GUI，或者由不同的GUI之间相互调用的大型程序，用程序创建更容易一些。第三章 数字基带传输系统3.1 数字基带信号波形及其功率谱密度 3.1.1 数字脉冲幅度调制（PAM）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)信号的原理框图如图3.1.1所示。图3.1.1中的bn是二进制序列，二进制符号间隔为Tb。将每K个二进制符号对应于一个M进制符号（M=2K），而每个M进制符号有对应于M个可能的离散幅度之一，an就是对应于M进制符号的幅度序列，它有M个可能的离散幅度值，Ts为M进制符号间隔或称M进制码元周期，Ts=KTb。gTt是发送滤波器的冲激响应。 PAM信号图3.1.1 产生MPAM信号的原理框图MPAM信号的一般表示式可写为 st=n=-angTt-nTs 3.1.1MPAM信号波形也可以表示成另外一种形式： sit=aigTt i=1,2,3,M 0tTs 3.1.23.1.2 单极性不归零码SNRZ波形及功率谱密度该2PAM信号波形在式（3.1.2）中的幅度值ai为i=1, a1=+Ai=2, a12=0 其中2PAM的发送滤波器冲激响应gTt为矩形不归零脉冲，如图3.1.2所示。图3.1.2 矩形不归零脉冲由于在每个二进制符号间隔Tb内该2PAM信号波形的电平保持不变，或为高电平，或为零电平，所以常称此2PAM信号波形为单极性不归零码。其符号间互不相关的单极性不归零码功率谱密度如图3.1.3所示。图3.1.3 单极性不归零码的单边功率谱密度图从图中可以看出，它的功率谱中含有离散的直流分量以及连续谱，功率谱主瓣宽度为Rb。3.1.3 双极性不归零码DNRZ波形及功率谱密度该2PAM信号波形的幅度ai有两个可能值：a1=+A、a2=-A，发送滤波器的冲激响应gTt为矩形不归零脉冲，称此2PAM信号波形为双极性不归零码。符号间互不相关的双极性不归零码功率谱密度如图3.1.4所示。图3.1.4 双极性不归零码的单边功率谱密度图双极性不归零码序列在二进制符号“1”和“0”等概出现且各符号之间互不相关的条件下，其功率谱密度无离散的直流分量，仅有连续谱，功率谱主瓣宽度为Rb。3.1.4 常用线路码型简介（a） 线路码型的设计原则为匹配于基带信道传输媒介的传输特性，并考虑到在收端提取时钟方便，希望所设计的线路码型应具有以下特性 线路码型设计：（1） 路码的功率谱密度特性匹配于基带信道的频率特性线路码的功率谱密度特性应匹配于基带信道的频率特性。譬如：在磁记录媒介中传输的线路码型的功率谱应无离散的直流分量，其低频分量及高频分量均要小，即将介绍的延迟调制码就符合此要求。（2） 减少线路码频谱中的高频分量尽量减少线路码频谱中的高频分量，使得线路码的带宽比基带信道带宽窄得多，这样一方面可以节省传输频带，另一方面也可以使得在传输时不致引起码间干扰。（3） 便于从接收端的线路码中提取符号同步信号为便于在接收端从收到的线路码中提取符号同步信号（即时钟分量），一方面要求线路码经过简单的非线性变换后能产生离散的时钟分量，可从中提取时钟；另一方面希望线路码的功率谱特性尽量不受信源所产生数字符号的统计特性的影响，便于收端定时恢复，这样，即使在信源输出符号中出现长串连“0”或者连“1”码时，也能从该线路码中恢复时钟。（4） 减少误码扩散对某些线路码型。由于信道传输产生的单个误码会导致译码输出出现多个错误，称此现象为误码扩散，希望误码扩散愈少愈好。（5） 便于误码监测要求在基带传输中具有内在的检错能力，可检测出基带信号码流中错误信号状态。（6） 尽量提高线路码型的编码效率（b） 常用线路码型5（1） AMI码AMI码是传号交替反转码。将输入于编码器的二进制符号“0”（空号）编为AMI码的“0”符号，并映射为相应的零电平波形；将二进制符号“1”（传号）编为交替出现的“+1”和“-1”AMI码，相应映射的信号波形是幅度为+A和-A的半占空归零脉冲，故AMI编码是将二元码变为三元码，并引入相关性，用以改变信号波形的功率谱结构。（2） HDB3码HDB3编码与AMI码类似，它也是将信息符号“1”变为+1或-1的线路码，其相应的信号波形分别是幅度为+A和-A的半占空归零码，但与AMI码不同的是：HDB3码中的连“0”数被限制为小于等于3，当信息符号中出现4个连“0”码时，就用特定码组取代，该特定码组成为取代节。为了在接收端识别出取代节，认为地再取代节中设置“破坏点”，在这些“破坏点”处传号机型交替规律受到破坏。其编码原理是：先将信息符号中的“1”交替变换为+1和-1，然后去检查它的连“0”串情况，当出现4个以上连“0”串时，则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换成与前一非0符号（+1或-1）同级性的符号，显然，这样会破坏“极性交替反转”的规律。该符号被称为破坏符号，用V符号表示（即+1记为+V，-1记为-V）。为使附加V符号后的序列不破坏“极性交替反转”造成的无直流特性，还必须保证相邻V符号也应极性交替。当相邻V符号之间有奇数个非0符号时，就用取代节“000V”（V符号取+1或-1）来取代4个连“0”；当V符号间偶数个非0符号时，则用“B00V”取代节代替4个连“0”，而B符号的极性与前一非0符号的极性相反（以+1记为+B,-1记为-B）。（3） CMI码CMI码是将输入的二进制符号“0”编码为线路码的一对比特“0 1”，将二进制符号“1”编为交替地用“11”或“00”表示的线路码。（4） 数字双相码（又称分相码或Manchester码）将输入的二进制符号“0”编码为一对比特“0 1”，又将二进制符号“1”编码为一对比特“1 0”。3.2 数字PAM信号通过限带基带信道的传输 首先，我们给出理想基带信道的含义。基带信道或等效基带信道线性滤波器的传递函数为Cf。它的冲激响应为ct，若信道是限带于WHz，则当fW时，Cf=0。在信道带宽内的信道的传递函数为Cf=Cfejf fW 式中Cf是限带信道的幅频特性，f是信道的相频特性。Gf=-12dfdfGf是基带信道或等效基带信道的群延迟特性或称为包络时延特性。 理想基带信道若在 fW 带宽内，Cf是恒定的，f是频率的线性函数，即Gf是恒定的，则称此信道是理想基带信道。为了有效利用信道带宽W，在理想基带信道情况下，可合理设计通过限带传输后的信号脉冲波形，以实现在收端抽样时刻的无码间干扰传输，并可使所有传输的符号速率等于或超过信道带宽W。另一方面，若信道特性非理想，则在所传输符号速率等于或超过信道带宽W时，在抽样时刻的抽样值会存在码间干扰，为此在收端抽样之间要加信道均衡器，用来补偿信道特性的不完善，以减小在抽样点的码间干扰。3.2.1 数字PAM基带传输及码间干扰数字PAM基带传输系统的框图如图3.2.1所示。图3.2.1 数字PAM基带传输系统框图该系统由发送滤波器、信道、接收滤波器及抽样、判决器组成，其中信道是由限带线性非时变滤波器及加性白高斯噪声nwt来表征。发送滤波器的传递函数GTf，冲激响应为gTt，基带信道的传递函数为Cf，冲激响应为ct；接收滤波器的传递函数为GRf，冲激响应为gRt。在M进制PAM数字通信系统中，系统输入为M进制幅度序列an，其表示式为n=-ant-nTs 3.2.1式中Ts表示M进制符号周期，M=2K，Ts=KTb，Tb是二进制比特宽度，每个M进制符号对应于K个二进制符号，an表示离散的幅度序列，在每个M进制符号周期Ts内的an是M个可能之一的离散幅度之一。幅度序列an经发送滤波之后得到M进制的PAM信号波形，成为限带信号stst=n=-angTt-nTs 3.2.2经基带信道传输后的接收信号rt为rt=n=-angt-nTs+nwt 3.2.3式中nwt是白高斯噪声，gt是发送滤波器和基带信道线性滤波相级联的冲激响应，即gt=ct*gTt 3.2.4接收信号rt通过接收低通滤波后的输出信号为ytyt=n=-anxt-nTs+t 3.2.5式中 xt=gt*gRt=gTt*ct*gRt 3.2.6t=nwt*gRt 3.2.7对接收滤波的输出信号yt进行周期性抽样，其周期为Ts。设抽样时刻t=t0+mTs，暂设t0=0，瞬时抽样值为ymTs=n=-anxmTs-nTs+mTs 3.2.8简写为ym=n=-anxm-n+m=m=nx0an+nmanxm-n+m 3.2.9式中xm=xmTs，m=mTs，m=0，1，2，。收端的定时信号是从接收滤波器输出的yt中提取，用作抽样及判决的时钟。由式（3.2.9）可以看出，抽样值ym表示式中的第一项x0an表示所希望的接收符号am，其中x0是某常量。式中第二项表示除了第m个符号以外所有其他符号通过系统传输后在t=mTs抽样瞬时的响应值之和，称为码间干扰。m表示加性噪声。3.2.2 无码间干扰基带传输的奈奎斯特准则在数字基带传输系统中，对接收滤波输出信号yt在t=mTs时刻进行抽样的抽样值为ym=m=nx0an+nmanxm-n+m 3.2.10式中的xt=gt*gRt=gTt*ct*gRt，xt的傅氏变换为Xf，即Xf=GTfCfGRf 3.2.11假设基带信道是理想情况，即Cf=c0e-j2ftc fW0 fW 3.2.12式中W是信道带宽，tc表示某个时延值，为了方便起见，暂设tc=0，c0=1。为使式（3.2.9）中的第二项码间干扰为零，则必须满足以下的条件：xmTs-nTs=0 nmxmTs-nTs0 n=m 3.2.13这就意味着，基带传输系统的合成冲激响应必须满足xnTs=1 n=00 n0 3.2.14式（3.2.14）就是无码间干扰基带传输时，系统冲激响应必须满足的条件。相应的要推导出满足式（3.2.14）的xt的傅氏变换Xf应满足的充分必要条件，该充要条件被称为无码间干扰基带传输的奈奎斯特准则。 奈氏准则对应的频域条件为：n=-Xf+mTs=Ts 3.2.15目前，升余弦滤波器已获广泛应用，本仿真也采用此种滤波器，其特性图谱如下：图3.2.2 升余弦滤波器的频率响应图3.2.3 升余弦滤波器的冲激响应此升余弦滤波器的传递函数表示式为Xf=Ts 0f1-2Ts Ts21+cosTsf-1-2Ts 1-2Ts1+2Ts 3.2.16称为滚降因子，取值为01。在=0时，滤波器的带宽W为12Ts，称为奈奎斯特带宽；=0.5时，滤波器的截止频率W为1+2Ts=0.75Rs；=1时，滤波器的截止频率W为1+2Ts=Rs。升余弦滤波器的冲激响应表示式为xt=sintTstTscostTs1-42t2Ts2 3.2.17设x0=1是标称值。 对于=0，xt=sinctTs，它允许的无码间干扰传输的最大符号速率是Rs=1Ts=2W（Baud），其频带利用率为RsW=2Baud/Hz，但它是物理不可能实现的。 对于=1，允许的无码间干扰传输的最大符号速率Rs=1Ts=W（Baud），其频带利用率为RsW=1Baud/Hz。若0，xt的尾巴是随时间以1t3衰减，所以在实际抽样时刻与最佳抽样时刻存在偏差，即具有定时误差时，它在实际抽样点所引起的码间干扰比=0时的小。升余弦滤波器的严格限频特性是物理不可实现的，然后由于01升余弦滤波器频率特性的平滑性，使得有可能用物理可实现滤波器近似实现此频率特性，所以在实际的限带数字通信系统中广泛采用0W 3.3.3则接收到的确定信号的频谱仅取决于发送滤波器的GTf特性，所以接收滤波器的GRf应与发送滤波器GTf共轭匹配，即GRf=GR*fe-j2ft0=GRfe-j2ftR 3.3.4这样，在理想限带信道情况下，既要使收端抽样时刻的抽样值无码间干扰，又要使得在抽样时刻抽样值的信噪比最大，则X升余f=GTfGRf=GTf2e-j2ft0 3.3.5GTf=GRf=X升余f 3.3.6GTf=X升余fe-j2ftT 3.3.7综上所述，数字PAM信号通过限带信道、并受到加性噪声干扰的情况下，在限带信道是理想低通条件下的最佳基带传输的发送及接收滤波器的设计是：总的收发系统的传递函数要符合无码间干扰基带传输的升余弦特性；且又要考虑在抽样时刻信噪比最大的收、发滤波器共轭匹配的条件。在综合考虑这两个方面因素，在设计发送和接收滤波器时，要使得发送和接收滤波器的传递函数模值分别为近似于升余弦的平方根频谱，其相移是线性的，时延t0是用来确保滤波器的物理可实现性。故本仿真使用的基带传输信通框图如图3.3.2所示。图3.3.2 根升余弦发送、接收滤波器基带系统传输框图3.4 眼图 眼图，是针对实际的基带传输系统可以使用的以波形观察方式来评价基带传输系统性能的实验手段。它是用示波器显示基带传输系统接收滤波器的输出基带信号波形。如果将接收波形输入于示波器垂直放大器，同时调整示波器的水平扫描周期为输入码元周期的整数倍（同步），这时在示波器显示屏可观察到类似于人眼的图案,即眼图。 眼图若用示波器观察二进制码序列，在一个码元周期内只能观察到一只“眼睛”，在观看三元码（三电平码）时，可以看到两只“眼睛”，对于M元码（M电平码），则在一个码元周期内有（M-1）只“眼睛”。从“眼睛”的张开程度，可用来观察码间干扰和加性噪声对接收基带信号波形的影响，从而估计出系统的性能，如图3.4.1及图3.4.2。图3.4.1 眼图图3.4.2 基带信号与眼图形成眼图提供了关于数字通信系统大量有用信息：l 在“眼睛”张开度最大的时刻，是最好的抽样时刻；l 眼图斜边的斜率决定定时误差的灵敏度，斜边越陡，对定时误差越敏感，即要求定时越准；l “眼睛”在特定抽样时刻的张开度决定了系统的噪声容限；l 眼图重要的横轴位置对应于判决门限；l 当码间干扰十分严重时，“眼睛”会完全闭合，系统无码严重。3.5 第一类部分响应系统（又名双二进制系统）部分响应系统的基本设计思想是：在既定的信息传输速率下，采用相关编码法，在前后符号之间注入相关性，用来改变信号波形的频谱特性，使得传输的信号波形的频谱变窄，以达到提高系统频带利用率的目的。其关键在于：该系统利用相关编码使现代系统的发送、接收滤波器既能物理可实现又可达到奈氏带宽的要求，但是另一方面，相关编码会使该基带传输系统在收端抽样时刻引入码间干扰，然而此码间干扰是受控的，是已知的，所以在收端检测时可解除其相关性，恢复出原始数字序列 第一类部分响应。因此，利用相关编码引入受控码间干扰的基带传输系统，它的带宽为W(Hz)（奈氏带宽），以2W（Baud）的奈氏速率进行传输，达到理论上最大频带利用率2Baud/Hz，且又能用物理可实现滤波器近似实现其频率特性。第一类部分响应系统是在相邻的两个码元之间引入码间干扰。由于理想低通系统的传递函数为Hf=Ts f12Ts0 其他 ，其冲激响应为ht=sintTstTs，如果用ht以及 ht的时延Ts的波形作为系统的冲激响应，那么它的系统带宽肯定限制在-12Ts，12Ts，也就是说，系统的频带利用率为2bit/Hz。接系统的冲激响应函数gt=ht+ht-Ts=sinctTs+sinct-TsTs=sintTstTs11-tTs 3.5.1可以看出，这个系统的冲击响应的衰减是理想低通冲激响应函数衰减的11-tTs，它比理想低通系统冲激响应函数衰减快，因此相对于对定时精度的要求降低，它的系统响应为Gf=1+e-2jfTsHf=2TscosfTse-2fTs f12Ts0 其他 3.5.2第一类部分响应系统并不满足抽样点无码间干扰的条件，其每个抽样点仅受前一个码元的影响，因此可以通过减去前一码元的干扰来确定当前抽样点的值，从而正确判决。图3.5.1表示第一类部分响应基带传输系统的框图。图3.5.1 第一类部分响应系统框图第四章 GUI用户图形界面4.1 设计的主要内容 利用Matlab对数字基带通信进行模拟，主要实现码型变换、计算功率谱密度、模拟眼图等功能，利用图形用户界面GUI可以实现码型变换、升余弦模拟等。界面要求能够演示出所要求的实验结果，适合通信仿真实验的要求。能完全准确地实现数字基带通信系统各过程的仿真，能够形成系统，观察整体的性能和改进措施效果。在仿真实验过程中，可以设计系统模拟基带通信，并且通过修改一些参数去观察波形的变化。当用户使用图形界面时，不但能够直观观察到波形，还能够自行修改参数，更新界面，观察到不同的波形用GUI实现可操作化的图形用户界面。该设计能实现码型的变换、画出功率谱图、设计升余弦滚降特性、实现眼图和部分响应的仿真，通过使用图形用户界面的编制，可实现各过程波形的显示。GUI可按如下设计：将整个系统做成一个总界面，界面包括有：码型及其功率谱密度、无码间串扰、升余弦滚降系统、眼图、部分响应等模拟功能按钮，编辑各个按钮的回调函数，使用户点击按钮时能够进入到这个按钮相关的波形图界面。4.2 图形用户界面的打开和初步设计4.2.1 GUI可选控件简介3l Push Button：按钮，当按下按钮时则产生操作，如按下OK按钮时进行相应操作并关闭对话框。l Toggle Button：开关按钮，该按钮包含两个状态，第一次按下按钮时按钮状态为“开”，再次按下时其状态改变为“关”。状态为“开”时进行响应的操作。l Radio Button：单选按钮，用于在一组选项中选择一个并且每次只能选择一个。用鼠标单击选项即可选中相应的选项，选择新的选项时原来的选项自动取消。l Check Box：复选框，用于同时选中多个选项。当需要想用户提供多个相互独立的选项时，可以使用复选框。l Edit Text：文本编辑框，用户可以在其中输入或修改文本字符串。程序以文本为输出时使用该工具。l Static Text：静态文本。静态蚊子控制文本行的显示，用于向用户显示程序使用说明、显示滑动条的相关数据等。用户不能修改静态文本的内容。l Slider：滑动条，通过滑动条的方式指定参数。指定数据的方式可以由拖动滑动条、单机滑动槽的空白处，或者单击按钮。滑动条的位置显示的为指定数据范围的百分比。l List Box：列表框，列表框显示选项列表，用户可以选择一个或多个。l Pop-Up Menu：弹出式菜单，当用户单击箭头时弹出选项列表。l Axes：坐标系，用于在GUI中添加图形或图像。l Panel：面板，用于将GUI中的控件分组管理和显示。使用面板将相关控件分组显示可以使软件更容易理解。面板可以包含各种控件，包括按钮、坐标系及其他面板等。面板包含标题和边框等用户显示面板的属性和边界。面板中的控件与面板间的位置为相对位置，当移动面板时，这些控件在面板中的位置保持不改变。l Button Group：按钮组，按钮组类似于面板，但是按钮组的控件只包括单选按钮或者开关按钮。按钮中的所有控件，其他控制代码必须卸载按钮组的SelectChangeFcn响应函数中，而不是用户接口控制响应函数中。按钮组会忽略其中控件的原有属性。l ActiveX Component：ActiveX控件，用于在GUI中显示控件，该功能只有在Windows操作系统下可用。4.2.2 结构框架设计在Matlab命令行运行guide命令打开图形用户启动界面GUIDE Quick Start对话框，选择Blank GUI(Default)，单击“OK”按钮，新建一个图形用户界面设计界面，如图4.2.1所示。根据仿真需要，图形用户界面共分为三块，分别为码型选择块、升余弦系统滚降系数输入块以及实现仿真对应功能块。在码型选择块设定一个Pop-Up Menu弹出式菜单用于选择码型，其选择项为单极性不归零码（SNRZ）和双极性不归零码（DNRZ），在升余弦滚降系统系数输入块设定一个Edit Text文本编辑框用于用户输入具体的升余弦滚降系数，其中01，在实现仿真对应功能块设定Push Button按钮三个，分别对应于波形功率谱密度仿真、升余弦滚降系统特性仿真、眼图仿真三大内容，实现任务书的具体要求。图4.2.2即为初步设定的图形用户仿真界面。图4.2.1 创建一个图形用户界面设计界面图4.2.2 初步设定的图形用户设计界面（a） 功率谱密度仿真首先，根据单极性不归零码和双极性不归零码的定义，构造二者的生成函数分别为SNRZ: d=(sign(randn(1,N_data)+1)/2; dd=sigexpand(d,N_sample);DNRZ: d=sign(randn(1,N_data); dd=sigexpand(d,N_sample);式中sigexpand函数是将输入的序列扩展成为N-1个0的序列，代码如下：function out=sigexpand(d,M) N=length(d); out=zeros(M,N); out(1,:)=d; out=reshape(out,1,M*N); 根据傅里叶变换定义，编写脚本文件T2F.m用于计算信号的傅里叶变换。functionf,sf=T2F(t,st)dt = t(2) - t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(st);f=-N/2*df:df:N/2*df-df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);其次，把所生成的输入信号与gTt信号卷积后再进行傅里叶变换，便可以得到所求的输入信号的功率谱密度，代码如下：gt=ones(1,N_sample);st=conv(dd,gt);f,stf=T2F(t,st(1:length(t);最后，根据MATLAB绘图函数，编写绘图代码如下：单极性不归零码绘图部分 figure(1) subplot(211); plot(t,st(1:length(t);grid axis(0 20 -0.5 1.5);ylabel(单极性NRZ波形); subplot(212); plot(f,10*log(abs(stf.2/Ts);grid axis(-5 5 -40 150);ylabel(单极性NRZ功率谱密度(dB/Hz);双极性不归零码绘图部分 figure(1) subplot(211); plot(t,st(1:length(t);grid axis(0 20 -1.5 1.5);ylabel(双极性NRZ波形); subplot(212); plot(f,10*log(abs(stf.2/Ts);grid axis(-5 5 -40 150);ylabel(双极性NRZ功率谱密度(dB/Hz);（b） 升余弦滚降系统