数字基带传输系统的设计与仿真_09250419.doc

*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2012年秋季学期通信系统综合训练题 目： 数字基带传输系统的仿真实现 专业班级： 09级通信（4）班 姓 名： 苟新伟 学 号： 09250419 指导教师： 陈海燕 成 绩： 摘 要这次通信系统综合训练是以Matlab/Sumulink为工具，实现基带传输系统的仿真与实现。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。关键词：Matlab/Sumulink；基带传输系统；曼彻斯特码 前 言现代通信的发展趋势为数字化，随着现代通信技术的不断开发，数字调制技术已日趋成熟，在各个领域都得到了广泛的应用和认同。因此本文对数字基带传输系统进行了仿真。现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；这就要借助于功能强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。现代计算机科学技术快速发展，已经研发出了新一代的可视化的仿真软件。这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。本文使用的是功能强大的MATLAB软件。MATLAB是一种使用简便的、特别适用于科学研究和工程计算的高级语言，与其他计算机语言相比，它的特点是简洁和智能化，具有极高的编程和调试效率。通过使用MATLAB工具箱函数对数字调制进行仿真，更能直观彻底的掌握数字通信，数字调制的原理。有助于我们的学习和研究，加深对知识的理解和运用。MATLAB的便利性还体现在它的仿真结果还可以存放到MATLAB 的工作空间里做事后处理。方便我们修改参数对不同情况下的输出结果进行对比。由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。 目 录第1章基带传输系统原理31.1数字基带传输系统的介绍31.2 数字基带信号41.3数字通信系统模型61.3.1 数字通信系统的模型71.3.2数字基带传输系统模型8第2章基带传输系统的设计方案92.1 信源的设计92.2 发送滤波器和接收滤波器的设计92.3 信道的设计102.4 抽样判决器的设计102.5 码间干扰及解决方案11第3章基带传输系统的总体设计113.1信源的建模及相关参数设置123.2发送滤波器、信道、接收匹配滤波器的建模及参数设置123.3抽样与判决器的建模及参数设置133.4基带传输系统的总模型13第4章SIMULINK下的仿真结果分析144.1 曼彻斯特编码前与编码后波形154.2 发送数据波形与接收数据波形154.3 经过滤波器、信道的各点时域波形154.4 曼彻斯特码元与解码后的波形比较164.5 接收眼图波形与分析164.6 发送信号与接收信号功率谱估计与分析174.7 误码率统计与分析18总结19参考文献20致谢21 第1章 基带传输系统原理1.1数字基带传输系统的介绍 在数字传输系统中，其传输的对象通常是二进制数字信号，它可能是来自计算机、电传打字机或其它数字设备的各种数字脉冲，也可能是来自数字电话终端的脉冲编码调制（PCM）信号。这些二进制数字信号的频带范围通常从直流和低频开始，直到某一频率m f ，我们称这种信号为数字基带信号。在某些有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以不经过调制和解调过程在信道中直接传送，这种不使用调制和解调设备而直接传输基带信号的通信系统，我们称它为基带传输系统。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过程，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，相应地，在接收端必须经过解调过程，才能恢复数字基带信号。我们把这种包括了调制和解调过程的传输系统称为数字载波传输系统。数字基带传输系统的模型如图 1-1 所示，它主要包括码型变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器、均衡器和取样判决器等部分1。 图1.1 数字基带传输系统模型数字 基带传输系统 的输入信号是由终端设备或编码设备产生的二进制脉 冲序列，通常是单极 性的矩形脉冲信号（NRZ 码）。为了使这种信号适合于信道的传输，一般要经过码形变换器，把单极性的二进制脉冲变成双极 性脉冲（如 AMI 码或 3 HDB 码）。发送滤波器对码脉冲进行波形变换，以减小信号在基带传输系统中传输时产生的码间串扰。信号在传输过程中，由于信道特性不理想 及加性噪声的影响，会使接收到的信号波形产生失真，为了减小失 真对信号的影响，接收信号首先进入接收滤波器滤波，然后 再经均衡器对 失真信号进行校正，最后由取样判决器恢复数字基带脉冲序列。目前，虽然在实际使用的数字通信系统中，基带传输方式不如数字载波传 输方式那样应用广泛，但由于数字基带传输系统是数字通信系统中最基本 的传输方式，而且从理论上来说，任何一种线性载波传输系统都可以等效为基带传输系统，因此理解数字信号的基带传输过程十分重要。 数字基带信号有二元码和三元码，有归零码和非归零码等，有的具有直流分量，在波形上具有不同的特点，他们有不同的特点，有的低频成份多，有的高频成份多，有的具有直流分量，有的占有带宽等，所有这些在波形处理时会对一些学生产生模糊的概念，针对本科类的学生要求，他们如何理解、辨别、掌握这些信号波形的特点，同时可以让学生在仿真过程中对通信原理的各种概念加深理解。另外，此仿真实验只需在计算机的虚拟实验室即可，不受实验场地、环境的限制2。软件的功能主要有： 1） 实现各种常用码型的数字基带信号仿真；2） 能产生随机的数字信号序列，具有普遍性； 3)能绘制直观、清晰、准确、可靠的数字基带 信号仿真图形；4)要对相应的码型的特点进行相应的描述。图 1.2 仿真结构图 在通信中，数字基带信号有多种码型表示，它们在传输过程中有随机性，为了让这种波形描述具有普遍性，m 序列伪随机码来作为码型的仿真数字序列。利用 MATLAB 软件仿真出每一种码型，让学生通过仿真软件的使用，加深对码和波形的理解。1.2 数字基带信号不同形式的数字基带信号（又称为码型）具有不同的频谱结构，为适应信道的传输特性及接收端再生、恢复数字基带信号的需要，必须合理地设计数字基带信号，即选择合适的信号码型。适合于在有线信道中传输的数字基带信号形式称为线路传输码型。一般来说，选择数字基带信号码型时，应遵循以下基本原则3：（1） 数字基带信号应不含有直流分量，且低频及高频分量也应尽量的少。在基带传输系统中，往往存在着隔直电容及耦合变压器，不利于直流及低频分量的传输。此外，高频分量的衰减随传输距离的增加会快速地增大，另一方面，过多的高频分量还会引起话路之间的串扰，因此希望数字基带信号中的高频分量也要尽量的少。（2） 数字基带信号中应含有足够大的定时信息分量。基带传输系统在接收端进行取样、判决、再生原始数字基带信号时，必须有取样定时脉冲。一般来说，这种定时脉冲信号是从数字基带信号中直接提取的。这就要求数字基带信号中含有或经过简单处理后含有定时脉冲信号的线谱分量，以便同步电路提取。实际经验告诉我们，所传输的信号中不仅要有定时分量，而且定时分量还必须具有足够大的能量，才能保证同步提取电路稳定可靠的工作。（3） 基带传输的信号码型应对任何信源具有透明性，即与信源的统计特性无关。这一点也是为了便于定时信息的提取而提出的。信源的编码序列中，有时候会出现长时间连“0”的情况，这使接收端在较长的时间段内无信号，因而同步提取电路无法工作。为避免出现这种现象，基带传输码型必须保证在任何情况下都能使序列中“1”和“0”出现的概率基本相同，且不出现长连“1”或“0”的情况。当然，这要通过码型变换过程来实现。码型变换实际上是把数字信息用电脉冲信号重新表示的过程。此外，选择的基带传输信号码型还应有利于提高系统的传输效率；具有较强的抗噪声和码间串扰的能力及自检能力。实际系统中常常根据通信距离和传输方式等不同的要求，选择合适的基带码型。1.3数字通信系统模型1.3.1 数字通信系统的模型图 1.3 数字通信系统模型信源 信 源 编码器信道编码器数字调制器数字解调器信道译码器 信 源译码器信宿信道噪声数字信源数字信宿编码信道1.3.2数字基带传输系统模型 图 1.4 数字基带传输系统模型 (1-1) (1-2)(1-3)1.3.3 余弦滚降基带传输系统 升余弦滚降传输特性H()可表示为 (1-4)H()是对截止频率b的理想低通特性H0()按H()的滚降特性进行“圆滑”得到的，H1()对于b具有奇对称的幅度特性，其上、下截止角频率分别为b+1、b-1。它的选取可根据需要选择，升余弦滚降传输特性H1()采用余弦函数， 此时H()为 (1-5)a 称为滚降系数4。1.3.4 眼图眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称 为 “眼图”。从“眼图”上可 以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。眼图 的 “眼睛” 张开的大小反映着码间串扰的强弱。 “眼睛”张的 越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰 ，“眼睛”将 张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正6。眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰7。（1）最佳抽样时刻应 在 “眼睛” 张开最大的时刻。 （2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏。（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。 （4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。（5）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。 第2章 基带传输系统的设计方案2.1 信源的设计 信息传播过程简单地描述为：信源信道信宿。其中，“信源”是信息的发布者，即上载者；“信宿”是信息的接收者，即最终用户。在传统的信息传播过程中，对信源的资格有严格的限制，通常是广播电台、电视台等机构，采用的是有中心的结构。而在计算机网络中，对信源的资格并无特殊限制，任何一个上网者都可以成为信源5. 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。2.2 发送滤波器和接收滤波器的设计滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。基带系统设计的核心问题是滤波器的选取，根据分析，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，H()=GT()GR()考虑在t0时刻取样，上述方程改写为，于是有，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滤波器。2.3 信道的设计信道指通信的通道，是信号传输的媒介，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。2.4 抽样判决器的设计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。2.5 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5。解决方案： 要求基带系统的传输函数H(f)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。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。 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或者匹配滤波，使得系统输出性噪比最大。 第3章 基带传输系统的总体设计3.1信源的建模及相关参数设置曼彻斯特码基带信号源需用到的simulink模块有“Bernoulli Binary Generator”、 “Pulse Generator”、“Relay”、“Product”。考虑到设计要求，“Bernoulli Binary Generator”参数设置为“Sample time”为“1/1000”，其余参数为默认值；“Pulse Generator” 参数设置为“Sample time”为“1e-4”，“Period”为“10”“Pulse Width”为“5”，其余参数为默认值。“Relay”判决门限为0.5，大于0.5输出1，小于0.5则输出-1，其余参数为默认。“Product”所有参数均为为默认值。其模型搭建方式如下图所示伯努利二进制信源模块及参数的设置： 图 3.1Bernoulli模块参数由伯努利信源产生曼彻斯特码建模及参数设置： Pulse模块参数 Relay模块参数 图 3.2曼彻斯特码参数设置3.2发送滤波器、信道、接收匹配滤波器的建模及参数设置 发送滤波器参数 AWGN参数 图3.3滤波器参数设置3.3抽样与判决器的建模及参数设置 Pulse恢复定时模块参数 Relay判决模块参数 图 3.4抽样判决器参数设置3.4基带传输系统的总模型：图3.5 基带传输系统的总模型图 第4章 SIMULINK下的仿真结果分析4.1 曼彻斯特编码前与编码后波形 图 4.1曼彻斯特编码前后波形图4.2 发送数据波形与接收数据波形 图4.2发送数据波形与接收数据波形图从以上两图可以看出，曼彻斯特的编码完全正确，发送数据波形与接收数据波形完全吻合，由于误码率很低且示波器的显示范围有限，在图 8中看不到传输错误的码元。通过接收端与发送端时域波形对比，可以看出设计的抽样判决器的抽样判决门限比较合理，可以顺利的完成对基带信号的抽样判决，与理论分析相一致。4.3 经过滤波器、信道的各点时域波形 图4.3 经过滤波器、信道的各点时域波形 上图第一个波形为发送滤波器输出端时域波形，产生了规律的比较适合信道传输的波形，比较光滑。中间的波形为信道输出端的时域波形，由于信噪比不是太高，对发送滤波器输出的信号影响不明显。最下端的波形为接收滤波器输出时域波形。可以见的，噪声被基本滤除，接收滤波器输出波形比较平滑。4.4 曼彻斯特码元与解码后的波形比较图4.4 曼彻斯特码元与解码后的波形比较 通过这两个波形比较，可以看出数据经过发送滤波器、AWGN信道、接收滤波器、采样、判决恢复后，基本完全与原波形一致。4.5 接收眼图波形与分析 图 4.5接收眼图波形与分析（1）从上图中可以看出，眼图的线迹比较细，比较清晰，并且“眼睛”很大，说明误码率比较低，码间串扰与噪声对系统传输可靠性影响不大。（2）从上图中可以看出最佳时刻是0.2,0.7,1.2,1.7左右等时刻“眼睛”最大即抽样最佳时刻。（3）因为眼图眼边的斜率比较大，所以看出定时误差灵敏度比较敏感。（4）“眼睛”张开的宽度为可抽样的时间范围。（5）抽样时刻，上下两个阴影区的间隔距离之半为噪声容限，若噪声瞬时值超过它就可能发生错判。4.6 发送信号与接收信号功率谱估计与分析 发送信号功率谱 接收信号功率谱 图 4.6发送信号与接收信号功率谱估计与分析从两图比较中可以看出，接收信号的功率谱与发送信号的功率谱基本完全一样，说明整个基带传输系统模型的设计是合理的，能满足要求，具有较好的抗码间串扰的能力。4.7 误码率统计与分析 图4.7 Display 图 4.8发送数据波形与接收数据波形 通过误码率统计“Display”模块可知该系统的误码率为0.0095，且误码率会随着仿真时间的增长逐步降低。由图 14发送数据波形与接收数据波形比较，可以看到中间有一处出现了错误：原码为“0”，接收到的却是“1”。原因可能有以下几个方面：、误码有可能是由于噪声造成的。由于噪声的存在，可能会使原有基带信号的正负电平出现逆转，由于抽样判决门限为0，造成判决出错出现误码。、有可能是码间干扰的原因。虽然理论分析可以完全消除码间干扰，但是由于平方根升余弦滤波器等部件不可能是完全理想的，所以在仿真及实际工程中码间干扰是不会完全消除的。、由于采用相乘器等模块构造解码器，其解码过程也有可能会出错。 总 结本次通信系统综合训练主要是利用MATLAB软件来进行数字基带通信系统的仿真。在整个实验过程中，存在着以下几个问题。1、 刚开始对系统的整体构成不是很熟悉，思维比较模糊，后来和其他小组同学进行了交流，明白了整个系统的构成。知道了程序设计的步骤和流程。2、 由于是对于Matlab软件使用不熟练，所以没有过多采用老师建议的simulink仿真，这个在下次实验中我们会继续研究和努力。3、 鉴于我们是一个大程序的书写，在运行中总会存在问题，是结果运行不出来。我们刚开始是采用分部运行，逐次更改错误，后来经过同学们共同的努力，我们学会了使用断点来查找错误和单步运行程序，这对我们以后的实验有很大的帮助。4、 我们对整个训练的结果在仿真前没有大体的概念，导致我们面对仿真结果也难以判断正误。由于知识掌握的不牢固，使我们在编程过程中存在了理解的偏差。今后我们要扎实基础，对于系统的过程了如指掌。遇到不会的，先查书自己解决，实在不行，再互相讨论。 最后，细节决定成败。不做系统，许多细小的环节是注意不到的。而这诸多环节往往影响你整个系统的正常运转。这可真应验了“细节决定一切”这句话。这一切告诉我做任何事情必须从全局出发，并且要注意其中的任何一个细节。 参考文献 1 宋祖顺.现代通信原理M.北京：电子工业出版社，2001，2.2 樊昌信.通信原理M.北京：国防工业出版社，1999，10.3 Proakis，张力军. 数字通信（第四版）M. 北京：电子工业出版社，2004，7.4 吴玲达，李国辉，杨冰等. 计算机通信原理与技术M. 北京：国防科技大学出版社，20035 孙丽华. 信息论与纠错编码M. 北京：电子工业出版社，2005