通信原理课程设计 基于MATLAB的数字基带传输系统的研究和分析

塔里木大学信息工程学院通信原理课程设计第0页共18页塔里木大学信息工程学院通信原理课程设计2016届课程设计《基于MATLAB的数字基带传输系统的研究与分析》课程设计说明书学生姓名学号所属学院信息工程学院专业通信工程班级通信16-1指导教师蒋霎塔里木大学教务处制摘要本论文主要研究了数字信号的基带传输的基本概念及数字信号基带传输的传输过程和如何用MATLAB软件仿真设计数字基带传输系统。本文首先介绍了本课题的理论依据，包括数字通信，数字基带传输系统的组成及数字基带信号的传输过程。接着介绍了数字基带传输系统的特性包括数字PAM信号功率普密度及常用线路码型，并通过比较最终选择双极性不归零码。然后介绍了MATLAB仿真软件。之后介绍了数字基带信号的最佳接收的条件以及如何通过示波器观察基带信号的波形。最后按照仿真过程基本步骤用MATLAB的仿真工具实现了数字基带传输系统的仿真过程，对系统进行了分析。关键字：数字基带传输系统MATLAB计算机仿真；目录1.前言 22.正文 22.1数字基带传输系统 22.2数字基带信号 32.2.1基本的基带信号波形 32.2.2基带传输的常用码型 42.3实验原理 72.3.1数字通信系统模型 72.3.2数字基带传输系统模型 73.1MATLAB软件简介 83.1．1软件介绍 83.1.2Matlab语言的特点 94.1实验内容 94.1.1理想低通特性 94.1.2余弦滚降特性 104.1.3Matlab设计流程图 114.1.4余弦滚降系基于matlab的程序及仿真结果 11致谢 14参考文献 15附录 16塔里木大学信息工程学院通信原理课程设计第15页共19页信息工程学院通信原理课程设计第1页共19页1.前言与模拟通信相比，数字通信具有许多优良的特性，它的主要缺点就是设备复杂并且需要较大的传输带宽。近年来，随着大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度和技术难度大大降低，同时高效的传输压缩技术以及光纤等大容量传输介质的使用正逐步使带宽问题得到了解决。因此，数字传输方式日益受到欢迎。通信原理计算机仿真实验，是对数字基带传输系统的仿真。仿真工具是MATLAB程序设计语言。MATLAB是一种先进的高技术程序设计语言，主要用于数值计算及可视化图形处理。特点是将数值分析、矩阵计算、图形、图像处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中伪科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的编程工具。运用MATLAB，可以对数字基带传输系统进行较为全面地研究。为了使本科类学生学好通信课程，我们进行了试点，通过课程设计的方式针对通信原理的很多内容进行了仿真。2.正文2.1数字基带传输系统数字处理的灵活性使得数字传输系统中传输的数字信息既可以来自计算机，电传机等数据终端的各种数字代码，也可以来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码（PCM）信号等。在原理上，数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输，但在实际传输中，视系统的要求和信道情况，一般需要进行不同方式的编码，并且选用一组取值有限的离散波形来表示。这些取值离散的波形可以是未经调制的电信号，也可以是调制后的信号。未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或很低频率开始，称为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。例如，在计算机局域网中直接传输基代脉冲。这种不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，称为数字基带传输系统。而把包括调制和调解过程的传输系统称为数字带通（或频带）传输系统。目前，虽然数字基带传输系统不如带通传输那样应用广泛，但对于基带传输系统的研究仍是十分有意义的。这是因为，第一，在利用对称电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用了这种传输方式；第二，随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有迅速发展的趋势，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；第三，基带传输中包含带通传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是带通传输系统必须考虑的问题；第四，理论上也可证明，任何一个采用线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统来研究。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。图1-1数字基带传输系统模型简单的说，信源的信息以数字基带信号的形式从发送端经由信道传到接收端的收信者，所构成的系统称为数字基带传输系统。1）信道信号形成器（发送滤波器）

它的功能是产生适合于信道传输的基带信号波形。因为其输入的信号一般是经过码型编码器产生的传输码，相应的基本波形通常是矩形脉冲，其频谱很宽，不利于传输，发送滤波器用于压缩输入信号频带，把输入码转换成适宜于信道传输的基带信号波形。

2）信道

信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如双绞线、同轴电缆等。信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，且含有加性噪声)(tn，因此会引起传输波形失真。本论文研究的数字基带传输系统采用零均值的高斯白噪声信道，即AWGN信道。

3）接收滤波器

它是用来接收信号，尽可能的滤除信道噪声和其他干扰，对信道进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决器的判决。

4）抽样判决器

抽样判决器则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。

5）定时脉冲和同步提取

用来抽样的位定时脉冲依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时脉冲的准确与否将直接影响判决结果。2.2数字基带信号2.2.1基本的基带信号波形数字基带信号是数字信息的电波形表示，它可以用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号的类型有很多，以下是几种基本的基带信号波形。单极性波形这是一种最简单基带信号波形。它用正电平和零电平分别对应二进制代码“1”和“0”；或者说，它在一个码元时间内用脉冲的有或无来表示“1”和“0”。该波形的特点是电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL，CMOS电路产生；缺点是有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离的传输。双极性波形它用正电平和负电平的脉冲分别表示二进制代码的“1”和“0”。因其正负电平的幅度相等，极性相反，故当“1”和“0”等概率出现时无支流分量，有利于在信道中传输，并且在接收端恢复信号的判决电平为零值，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。单极性归零波形所谓归零波形是指它的有电脉冲宽度小于码元宽度，即信号电压在一个码元终止时刻前总要回到零电平。通常，归零波形使用半占空码，即占空比（/）为50%，从单极性RZ波形可以直接提取定时信息，它是其他码型提取位同步信息时常采用的一种过渡波形。与归零波形相对应，上面的单极性波形和双极性波形属于非归零波形，其占空比/=100%。双极性归零波形它是双极性波形的归零形式。它兼有双极性和归零波形的特点。由于其相邻脉冲之间存在零电位的间隔，使得接收端很容易识别出每个码元的起止时刻，从而使收发双方能保持正确的位同步。差分波形这种波形是用相邻码元的电平的跳变和不变表示消息代码，而与码元本身的电位或极性无关。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此也称相对码波形，而相应的称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相应调制系统中可用于解决载波相位模糊问题。多电平波形上述波形的电平取值只有两种，即一个二进制相对码对应一个脉冲。为了提高频带利用率，可以采用多电平波形或多值波形。由于多电平波形的一个脉冲对应多个二进制码，在波特率相同的条件下，比特率提高了，因此多电平波形在频带受限的高速数据传输系统中得到了广泛应用。2.2.2基带传输的常用码型（1）AMI码AMI码的全称是传号交替反转码。编码规则：把码元序列中的“1”码变为极性交替变化的传输码+1、-1、+1、-1、…，而码元序列中的“0”码保持不变。例如：消息码：0110000000110011…AMI码：0-1+10000000-1+100-1+1…AMI码对应的波形是具有正，负，零三种电平的脉冲序列。它可以看成是单极性波形的变形，即“0”仍对应零电平，而“1优点：无直流分量，且其低频和高频分量也较少，能量集中在频率为1/2码速处；编解码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果它是AMI—RZ波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性RZ波形，从中可以提取位定时分量。缺点：当码元序列中出现长连“0”时，信号的电平长时间不跳变，会造成提取定时信号的困难。（2）HDB3HDB3码全称是三阶高密度双极性码。它是为了克服传输波形中出现长连“0”编码规则：（1）检查消息码中“0”的个数。当连“0”数目小于等于3时，HDB3码与AMI码一样（2）如果出现四个以上连“0”串时，则将每4个连“0”化作一小节，定义为B00V，称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲。（3）V与前一个相邻的非“0”脉冲极性相同，并且要求相邻的V码之间极性必须交替。V的取值为+1或-1。（4）B的取值可选0，+1，-1，以使V同时满足（3）中的两个要求。（5）V码后面的传号码极性极性也要交替。例如：消息码：100001000011000000001AMI码：-10000+10000-1+100000000-1HDB3码：-1000–V+1000+V-1+1–B00–V+B00+V-1其中的脉冲和脉冲与脉冲波形相同，用V或B符号表示的目的是为了示意该非零码是由原信码的“0”变换而来的。HDB3码的编码规则虽然比较复杂，但解码却比较简单。从编码过程中可以看出，每一个V码总是与其前一个非0码（包括B码在内）同极性，因此从收到的码序列中可以很容易地找到破坏点V码，于是可断定V码及其前3个码都为“0”码，再将所有的-1变为HDB3码的特点是明显的，它既保留AMI码无直流分量，便于直接传输的优点，又克服了长连0串（连0的个数最多3个）的出现，HDB3码的频谱中既消除了直流和甚低频分量，又消除了方波中的高频分量，非常适合基带传输系统的特性要求。因此，HDB3码是目前实际系统中应用最广泛的码型。虽然（3）双相码双相码又称曼彻斯特码。它用一个周期的正负对称方波来代表码元“0”，而用它的反相波形来代表码元“1”。编码规则：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示。例如：消息码：1100101双相码：10100101100110这种码在每个码元的中心部位都发生电平跳变，因此有利于定时同步信号的提取，而且定时分量的大小不受信源统计特性的影响。曼彻斯特码中，由于正负脉冲各占一半，因此无直流分量，但这种码占用的频带增加了一倍。曼彻斯特码适合在较短距离的同轴电缆信道上传输。（4）差分双相码为了解决双相码因极性反转而引起的译码错误，可以采用差分双相码的概念。双相码是利用每个码元持续时间中间的电平跳变进行同步和信码表示。而在差分双相码编码中，每个码元中间的电平跳变用于同步，而每个码元的开始处是否存在额外的跳变用来确定信码。（5）密勒码密勒码又称延迟调制码，是双相码的一种变形。编码规则：“1”码用码元中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。“0”码有两种情况：单个“0”时，在码元持续时间内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变，连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替。（6）CMI码CMI码是传号反转码的简称，与双相码类似，它也是一种双极性二电平码。编码规则：“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定的用“01”表示。图2-2CMI编码序列图2.3实验原理2.3.1数字通信系统模型图图2-3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2.3.2数字基带传输系统模型图2-4数字基带传输系统模型假设为发送滤波器的输入符号序列，在二进制的情况下，符号的取值为0，1或-1，+1。为分析方便，我们把这个序列对应的基带信号表示成这个信号是由时间间隔为的单位冲激函数构成的序列，其每一个的强度则由决定。当激励发送滤波器时，发送滤波器产生大输出信号为式中：“*”是卷积符号；是单个作用下形成的发送基本波形，即发送滤波器的冲激响应。设发送滤波器的传输特性为，则由下式确定若再设信道的传输特性为，接收滤波器的传输特性为，则图1-2所示的基带传输系统的总传输特性为其单位冲激响应为是在单个作用下，形成的输出波形。因此在冲激脉冲序列作用下，接收滤波器输出信号可表示为式中，是加性噪声经过接收滤波器后输出的噪声。然后，抽样判决器对进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列。例如，我们为了确定第k个码元的取值，首先应该在时刻上对进行抽样，以确定在该样点上的值。由上式可得式中：是第k个接收码元波形的抽样值，它是确定的依据；是除第k个码元以外的其它码元波形在第k个抽样时刻上的总和，它对当前码元的判决起着干扰的作用，所以称之为码间串扰值，由于是以概率出现的，故码间串扰值通常是一个随机变量；是输出噪声在抽样瞬间的值，它是一种随机干扰，也会影响第k个码元的正确判决。2.3.3无码间串扰的传输条件要是码元传输速率为Rs（Bd）的信号不存在码间串扰，理论上所需要的最小系统带宽为Rs/2（Hz）。最小系统带宽成立的条件是，系统传输函数H（发）是2-5(b)所示的矩形函数，系统的冲激响应即H（f）的傅里叶变换为h（t）=sinc(t/Ts),如图2-5（a）所示（Ts=1/Rs），sinc(t/Ts)称为理想奈奎斯特脉冲。图2-5（a）图2-5（b）3.1MATLAB软件简介3.1．1软件介绍MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：●数值分析●数值和符号计算●工程与科学绘图●控制系统的设计与仿真●数字图像处理技术●数字信号处理技术●通讯系统设计与仿真MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任CleveMoler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。3.1.2Matlab语言的特点1、编程效率高2、用户使用方便3、扩充能力强4、语句简单，内涵丰富5、高效方便的矩阵和数组运算6、方便的绘图功能4.1实验内容4.1.1理想低通特性满足奈奎斯特第一准则的有很多种，容易想到的一种极限情况，就是为理想低通型。冲激响应传输特性图2-5理想低通传输系统特性理想低通信号的主要缺点：a.工程上难以实现；物理上难以实现；b.尾部衰减慢（冲激响应h(t)波形收敛速度较慢，拖尾以1/t速率衰减，当存在定时误差时会带来比较大的干扰）如果抽样时刻稍有偏差，就会出现严重的码间串扰。4.1.2余弦滚降特性为了解决理想低通特性存在的问题，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢下降，这称为“滚降”。只要在滚降段中心频率处呈奇对称的振幅特性，就必然可以满足奈奎斯特第一准则，从而实现无码间串扰传输。按余弦特性滚降的传输函数可表示为其相应的为式中，为滚降系数，用于描述滚降程度。它定义为式中，为奈奎斯特带宽；是超出奈奎斯特带宽的扩展量。4.1.3Matlab设计流程图为变量赋初值为变量赋初值计算升余弦滚降统的频谱Xf生成升余弦滚降系统时域信号xt画出升余弦滚降系统的频谱画出升余弦滚降系统波形开始结束图2-6设计流程图4.1.4余弦滚降系基于matlab的程序及仿真结果余弦滚降系统基于matlab仿真源程序如下:Ts=1;%采样间隔N=17;%采样点数dt=Ts/N;%时间采样间隔df=1.0/(20.0*Ts);t=-10*Ts:dt:10*Ts;f=-2/Ts:df:2/Ts;a=[0,0.5,1];forn=1:length(a)fork=1:length(f)ifabs(f(k))>0.5*(1+a(n))/TsXf(n,k)=0;elseifabs(f(k))<0.5*(1-a(n))/TsXf(n,k)=Ts;elseXf(n,k)=0.5*Ts*(1+cos(pi*Ts/(a(n)+eps)*(abs(f(k))-0.5*(1-a(n))/Ts)));end;end;xt(n,:)=sinc(t/Ts).*(cos(a(n)*pi*t/Ts))./(1-4*a(n)^2*t.^2/Ts^2+eps);endsubplot(211);plot(f,Xf);axis([-1101.2]);xlabel('f/Ts');%加x轴说明ylabel('升余弦滚降系统的频谱');%加y轴说明legend('α=0','α=0.5','α=1');%加图例subplot(212);plot(t,xt);axis([-1010-0.51.1]);xlabel('t');%加x轴说明ylabel('升余弦滚降系统的时域波形');%加y轴说明legend('α=0','α=0.5','α=1');%加图例程序运行结果如下图所示：图2-7程序运行图4.2.1结论在上述运行结果中我们可以看出，频域波形在滚降段中心频率处呈奇对称特性，满足奈奎斯特第一准则。图可证明，滚降系数越大，超出奈奎斯特带宽的扩展量越大，要求带宽增大。时域波形中，滚降系数越大，波形的拖尾衰减越快，对位定时精度要求越低。数学分析证明，升余弦滚降系统的不但满足抽样值上无码间串扰的传输条件，且各抽样值之间又增加了一个零点，其尾部衰减较快，这样有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。但是这种系统所占频带带宽是理想低通系统的2倍，频带利用率为，是基带系统最高利用率的一半。本次实验主要是利用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。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。由于是对于Matlab软件使用不熟练，所以没有采用simulink仿真，这个在下次实验中我们会继续研究和努力。鉴于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，我学会了使用断点来查找错误和单步运行程序，这对我以后的实验有很大的帮助。我对整个实验的结果在仿真前没有大体的概念，导致我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。通过此次课程设计，学到了很多理论以及实践的知识，总结如下：1、未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或很低频率开始，称为数字基带信号。2、不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，称为数字基带传输系统。而把包括调制和调解过程的传输系统称为数字带通（或频带）传输系统。3、余弦滚降系统频域波形在滚降段中心频率处呈奇对称特性，满足奈奎斯特第一准则。滚降系数越大，超出奈奎斯特带宽的扩展量越大，要求带宽增大。4、升余弦滚降系统的不但满足抽样值上无码间串扰的传输条件，且各抽样值之间又增加了一个零点，其尾部衰减较快，这样有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。致谢在这次课设中，首先要感谢蒋霎老师的悉心指导，她严谨的治学态度，一丝不苟的敬业精神给我留下了深刻的印象。在实验仿真过程中我对编码不太理解，但是老师和同学们的帮助下学会了。在此，谨向蒋老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。此外感