基于MATLAB 的数字信号基带传输系统仿真

1、第 20 卷 第 4 期2004 年 7 月基于 MA TL AB森 林 工 程FOR EST EN GIN EER IN GVol采样时间要和前一个模块的采样时间一致U nit Delay (函数中只设有限个变量,Mux20 No的数字信号基带传输系统仿真文中按照仿真过程基本步对系统性能进行了分析 。Qu Zhongshui ( Harbin Science andTechnology University , Harbin 150080) , Wang Jianwei , Zhu Yong (Nort heast Forestry University , Harbin 150040)SI

2、MUL IN K is t he integration environment for modeling , simulation and analysis of t he dynamic system inMA TLAB. According to t he basic steps , t he simulation of digital signal base band transmission system is realized by,即s设置。对 于 基 带 信 号 的 延 迟 设 置,考虑利用输入变量u模块库的模块14J ul. , 2004曲中水1,王建卫2,朱 泳2(1.哈尔

3、滨理工大学 ,哈尔滨 150080 ; 2.东北林业大学 ,哈尔滨 150040)摘 要 : SIMUL IN K是 MA TLAB 中动态系统建模 、仿真和分析的一个集成环境 ,骤用 MA TLAB 的仿真工具 SIMUL IN K实现了数字信号基带传输系统的仿真过程 ,关键词 :数字信号 ;基带传输系统 ; MA TLAB ;仿真中图分类号 : TP311 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 005X (2004) 04 - 0031 - 03Digital Signal Base Band Transmission System Simulation Based on MAT

4、LAB/Abstract :SIMUL IN K tool , and t he system capability is analyzed.Key words : digital signal ; base band transmission system ; MA TLAB ; simulation1 引 言MA TLAB 是美国 Mat hworks 公司开发的适合(s) ,即系统采样时间 。于是采用信道编码模块的函于工 程 各 领 域 分 析 设 计 与 复 杂 计 算 的 软 件 。SIMUL IN K 仿真工具包是 MA TLAB 的一个附加组件 ,是实现动态系统建摸 、仿真和分析

5、的一个集数的采样时间特性设为继承前一模块 ,time = - 1simulink 模 块 库 中 提 供 的sample采 用单 位 延 迟成环境 。 1 ,2 数字基带传输系统主要由信道信号形成器 、信道 、接收滤波器 、抽样判决器和同步系统等部件组成 。文中应用 SIMUL IN K 实现了数字信号基带传输系统仿真 。 1 ,3 ,4 ,5 器) 。对其中所有 U nit Delay 模块设置初始信号为1 ,采样时间为继承其它的模块 ,即 Sample Time= - 1 。采用对于输入一次查四位 ,对于码元每位被查四次的模式 ,当信号在延迟中 ,同时被预输出 ,实现无因果关系的码元间的因

6、果输出 。为节省2 数字信号基带传输系统仿真过程下面具体介绍仿真过程 。内存空间 ,在 s用原有变量的原则下 ,在充分利的向211 信道编码器和解码器的设计量特 性 ,把 输 入 的4个 信 号 用simulink提 供 的合理的设计首先在于选择基带信号码型 ,文中采用三阶高密度双极性码( HDB3)最低码速为singals &systems (信号与系统)(向量合成模块)输入向量u 。模块Mux的功能是将2048kbp s 码元 ,间隔为 T = 1/ 2097152 (s) 。HDB3码是现在应用较广泛的码型之一 。下面说明信道编码器和解码器的设计 。在 simulink 的模块库中 ,没

7、有对信道直接编码的模块 ,故而采用s 函数 ,自行设计编码程序 。HDB3 码对输入的基带信号要求一次至少读入四位进行比较和输出 ,但从 simulink 中对离散系统工作状态可以知道一次只能判决一位 ,因此必须采用对前三位延时保留一个码元持续时间T = 1/ 2097152收稿日期 : 2003 - 03 - 01基金项目 :哈尔滨市青年基金项目(项目号 0161218034) 。第一作者简介 :曲中水(1971 - ) ,男 ,山东省龙口人 ,哈尔滨理工大学讲师 ,主要从事信号处理 。多个输入顺序合成一个向量输出信号。整体设计模型如图 1。图 1 整体设计模型图其中 , S - Funct

8、ion 模块是使函数的参数以模块形式在模型中运行。模块 In1 功能是对一个子系统或外部输入提供一个输入端口。模块 Out1 功能是对一个子系统或内部输出提供一个输出端口。参数保持默认 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.32森 林 工 程 第 20 卷值。信道编码函数的输入得到解决 ,就可以设计函数了。在 simulink 中是系统采样时才初始化。具体实现解码分两步进行 ,程序实现 HDB3码向 AM I 码的解码 ;AM I 码基带信号解码 。考虑到时间特性 ,是没有因果关系的 ,故而

9、也只能采用延时的办法产生码元间因果关系 ,才能在程序中实现信息恢复 。和信道编码一样采用 s 函数来实现模块功能 ,由于有四个输入关系 ,用同样方法来模块 Mux 实现多信号输入合成向量实现 s 函数的一个输入 u 。因而实现和信道编码类似 。s 函数的程序实现 HDB3 码向 AM I 码的解码 。212 信号源设计在 simulink 中没有这种信号源 ,对它的仿真模块采用子系统方式 。主体采用 source ( 信号模块库)的模块U nifor Random Number (产生均匀分布的随机数) 。该模块用于产生在指定时间区间内的有起始种子的随机数 ,它的参数 Sample time

10、=01000000477 。其它参数保持默认值 ,因而它产生的值在 01 之间变化 ,在用 Nonlinear ( 非线性模块库)的模块 Switch ( 两个输入模块)进行判决 。模块 Switch 功能是根据第二个输入决定输出其他两个中的一个 ;判决方式是当第二个输入大于或等于参数 Threshold 的值 ,则输出第一个 ,否则输出第三个 。由于模块 U nifor Random Number 产生的数均匀分布 ,参数可任意设 ;为了检验编码和解码器对 B HD3 码的效果 ,加大连 “0”码的机率 ,这里设参数Threshold = 0175。对于模块 Switch 的另两个输入用 S

11、ouce (源模块库)的 Constant (常数源模块) 。它的功能是产生一个常数输出信号 。它们的参数 Constant value 分别设为 “1”和 “0”。且参数设为 “1”的模块用信号线和模块 Switch 的第一个入口相连 。如图 2 所示 。图 2 信号源设计图213信道设计现实世界中多是白噪声高斯信道 ,且通常的噪声多是加性噪声 。在 simulink 的模块库中 , source库中 有 仿 真 白 噪 声 的 模 块 Band - Limited WhiteNoise (白噪声信号) 。它的功能是产生适合连续或混合系统的正态分布随机信号 。把它加入信道就成了白噪声高斯信道

12、 。该模块的参数 Sample time =0100000447 和信号源一致 ,其它参数可以任意设置以达到干扰的目的 。214滤波器设计发送和接收滤波器性能的好坏直接决定了基带传输通信系统的好坏 。在仿真中 ,使用 simulink 提供的 Discrete (离散模块库)中的模块 Discrete Fil2ter ( 离散滤波器) ,等效理想低通特性的升余弦滤波器是数字信号基带传输系统的最理想选择 。因此 ,采用改进的升余弦窗 ,即哈明窗来设计 。 3 215同步系统在仿真实现中用 mat h 库中的模块 gain (增益模块)和 Nonlinear 中的模块 Sat uration (饱

13、和度模块)来进行放大限幅 。滤波器用 4 中设计的窄带滤波器 。采用simulink 模块库中提供的 U nit Delay(单位延迟器)模仿移相器的功能 ,用时间延迟来实现相位的变化 ,只要合理选定时间 ,能实现最佳判决 。实现时 ,把它置于脉冲形成电路之后 ,来实现对抽样的延迟 。脉冲形成模块主要功能是寻找需要的f波上的点 ,选择抽样点在码元的中间时刻 ,即f波的极值点 ,由于波形有正负两部分 ,则选用 Nonlin2ear (非线性模块库)的模块 Switch ( 两个输入模块)两个作比较器 ,进行离散化 ,得到抽样脉冲 ;根据电路的衰减不同 ,其参数可调整 ,这里第一个模块 Switc

14、h 参数 t hreshold = 0195 ,另一个设为 -0195。对于模块Switch 的输入用Souce (源模块库)的 Constant (常数源模块) 。它们的参数 Constant value 分别设为 “1”、“0”和 “ - 1”。且参数设为 “1”的模块用信号线和模块 Switch 的第一个入口相连 。如图 3 所示 。图 3 脉冲形成模块图 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第 4 期 曲中水等 :基于 MA TLAB 的数字信号基带传输系统仿真其中两模块 Swit

15、ch 后的模块是 Mat h 库中的同步系统具体实现如图 4 所示 。Sum ( 求和模块) ;它的功能是对输入信号求和 ,然后输出结果 。4216抽样判决部分的设计图 4 同步系统图33抽样判决分为抽样和判决两部分 。抽样是接收滤波器的输出信号和定时脉冲的输出信号相乘 ,到定时点时的值再送判决器 ,根据开始规定的判决规则进行判决 。因此抽样部分可用mat h (数学库)中的模块 p roduct (乘法器)来实现 。模块 p roduct的功能是对每个输入进行乘法运算 ,然后输出 。由于是对定时信号和信息求积 ,则它的参数 Numberof inp ut s = 2 。判决部分用两个 Non

16、linear (非线性模块库)的模块 Switch (两个输入模块)来比较 ,参数设定 t hreshold = 0185。Souce ( 源模块库)的Constant (常数源模块 )三个 。它们的参数Con2stant value 分别设为 “1”、“0”和 “ - 1”。鉴于模块 Switch 的判决准则 ,参数设为 “1”的模块用信号线和第一个模块 Switch 的第一个入口相连 , “ -1”模块和另一个模块 Switch的最后一个入口相连 。如图 5 所示 。图 5 抽样判决图3 传输性能分析 1 ,6 评价通信系统的性能主要有两个方面 ,一是有效性 ,二是可靠性 。得到pe与 S

17、 / N的关系曲线 ,保持现有的带宽和码速不变 ,只有提高信噪比S /N,才能降低误码率pe 。在仿真中 ,对信源输出和解码器输出作模 2 运算 ,只要得到 “1”码的就是传错了 ;因此 ,求出最后的 “1”码个数和总码元数的比值 ,就是误码率 。考虑中间编码和解码模块的延时 ,须在信源输出进行延时 ,采用六个 Discrete (离散模块库)的U nit Delay 模块 ,参数分别设为1、1 、1、0 、0 、0 ,重点分析仿真中成功的结果 ,得到系统特性 ,并运用到仿真中 ,计算出不等概率情况下的误码率 。结 论文中探讨了通信系统仿真的基本步骤 ,给出MA TLAB 在数字信号基带传输系统的仿真过程 ,对系统性能进行了仿真比较 , 还对信噪比对系统误码率的影响进行了仿真 。参 考 文 献 1 樊昌兴编著.通信原理(第五版) M .北京 :国防工业出版社 , 2002. 2 王沫然编著. SIMUL IN K 建模和仿真 M .北京 :电子工业出版社 , 2002. 3 程佩青.数字信号处理教程(第二版) M .北京 :清华大学出版社 , 2001. 4 肖田元主编.数字通信原理 M .北京 :清华大学出版社.2000. 5 唐泽鹏. Matlab 在通信中的仿真应用J .电声技术 , 2001 ,(11) : 4245. 6 王立宁编著. Matlab 与通信仿真 M