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1、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;眼图;滚降;数字基带传输系统 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
2、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
3、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。 邵阳学院课程设计(论文) 目 录 第 1 章 数字基带传输系统1 1.1 概述1 1.2 数字基带系统的简介1 1.2.1 数字基带信号1 1.2.2 数字基带传输2 1.2.3 数字基带传输系统2 1.2.4 数字基带传输的要求
4、及常用码型3 第 2 章 MATLAB 仿真软件介绍5 2.1 MATLAB 简介5 2.2 MATLAB 在通信系统中的仿真应用7 第 3 章 基带传输系统特性的研究9 3.1 基带传输的功率谱研究9 3.2 眼图在基带传输系统的应用11 3.3 基带系统的基带传输特性13 3.3.1 升余弦滚降传输特性.13 3.3.2 部分响应系统14 3.4 基带传输系统的设计及仿真.16 总结19 参考文献20 致谢22 附录:数字基带传输系统的源程序23 邵阳学院课程设计(论文) 1 第 1 章 数字基带传输系统 1.1 概述 20 世纪 60 年代出现了数字传输技术,它采用了数字信号来传递信息,
5、从此通 信进入了数字化时代。目前,通信网已基本实现数字化,在我国公众通信网中传输 的信号主要是数字信号。数字通信技术的应用越来越广泛,例如数字移动通信、数 字卫星通信、数字电视广播、数字光纤通信、数字微波通信、数字视频通信、多媒 体通信等等。数字通信系统主要的两种通信模式:数字频带传输通信系统,数字基带 传输通信系统。 数字基带信号 指未经调制的数字信号,它所占据的频谱是从零频或很低频 率开始的。 数字基带传输系统 指不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统,常用 于传输距离不太远的情况下。 研究数字基带传输系统的原因:实际中,基带传输不如频带传输应用广泛,但 对基带传输的研究仍有非常重要的意
6、义。这是因为:第一,数字基带系统在近程数 据通信系统中广泛采用;第二,数字基带系统的许多问题也是频带传输系统必须考 虑的问题;第三,随着数字通信技术的发展,基带传输这种方式也有迅速发展的趋 势,它不仅用于低速数据传输,而且还用于高速数据传输;第四,在理论上,任何 一个线性调制的频带传输系统,总是可以有一个等效的基带载波调制系统所替代。 因此,很有必要对基带传输系统进行综合系统的分析。 1.2 数字基带系统的简介 1.2.1 数字基带信号 通信的根本任务是远距离传输信息,准确地传输数字信息是数字通信中的一个 重要环节。在数字传输系统中,其传输对象通常是二进制数字信息。它可能是来自 计算机、网络或
7、其他数字设备的各种数字代码,也可能来自数字电话终端的脉冲编 码信号。数字信息在一般情况下可以表示为一个数字序列: ,, a2 a1a0a1a2an 简记为。是数字序列的基本单元,称为码元。每一个码元只能取离散 anan 的有限个值,例如在二进制中,取 0 或 1 两个值;在 M 进制中,取 anan 0,1,2,M-1 等 M 个值,或者取二进制码的 M 种排列。 由于码元只有有限个可能取值,所以通常用不同幅度的脉冲表示码元的不同取 值,例如用幅度为 A 的矩形脉冲表示 1,用幅度为-A 的矩形脉冲表示为 0。这种脉 冲信号被称为数字基带信号,这是因为它们所占据的频带通常从直流和低频开始。 1
8、.2.2 数字基带传输 在数字传输系统中所传输的通常是二元数字信号。设计数字传输系统要考虑的 基本想法是选择一组有限个离散的波形来表示数字信息。这些离散波形可以是载波 进行调制后的波形,也可以是不经过调制的不同电平信号。来自数据终端的原始数据 信号,或者是来自模拟信号经数字化处理后的 PCM 码组,M 序列等等都是基带数 字信号。 这些信号往往包含丰富的低频分量。有些场合可以不经过载波调制和解调 过程而直接传输,称为基带传输。 系统基带波形被脉冲变换器变换成适应信道传输的码型后,就送入信道,一方 面受到信道特性的影响,使信号产生畸变;另一方面信号被信道中的加性噪声所叠 加,造成信号的随即畸变。
9、因此,在接收端必须有一个接收滤波器,使噪声尽可能 受到抑制,为了提高系统的可靠性,在安排一个有限整形器和抽样判决器组成的识 别电路,进一步排除噪声干扰和提取有用信号。对于抽样判决,必须有同步信号提 取电路。在基带传输中,主要采用位同步。同步信号的提取方式采用自同步方式 (直接法) 。同步系统性能的好坏将直接影响通信质量的好坏,甚至会影响通信能否 正常进行。 1.2.3 数字基带传输系统 基带传输包含着数字通信技术的许多问题,频带传输是基带信号调制后再传输 的,因此频带传输也存在基带问题。基带传输的许多问题,频带传输同样须考虑。 如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分,则任何数字传输系统均可
10、等效为 基带传输系统。理论上还可证明,任何一个采用线性调制的频带传输系统,总是可 以由一个等效的基带传输系统来代替。 数字基带系统的基本结构如图 1.1 所示。 邵阳学院课程设计(论文) 3 信道信号 形成器 信道接收 滤波器 抽样 判决器 同步 提取 数字 基带信号 )(tn )(wGT)(wC)(wGR 图 1.1 数字基带传输系统 信道信号形成器:基带传输系统的输入是由终端设备或编码器产生的脉冲序列, 它不一定适合直接在信道中传输。信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换 成适合于信道传输的基带信号,这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的, 其目的是与信道匹配,便于传输,减小码间
11、串扰,利于同步提取和抽样判决。 信道:允许基带信号通过的媒质。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件, 恒参信道如(明线、同轴电缆、对称电缆、光纤通道、无线电视距中继、卫星中继 信道)对信号传输的影响主要是线形畸变;随参信道如(短波电离层反射、对流层 散射信道等)对信号传输的影响主要有频率弥散现象(多径传播) 、频率的选择性衰 落。信道的线性噪声和加性噪声的影响。在通信系统的分析中,常常把噪声 n(t)等 效,集中在信道中引入。 接收滤波器:主要作用是滤除带外噪声,对信道特性均衡,使输出的基带波形 有利于抽样判决。 抽样判决器:它是在传输特性不理想及噪声背景下,在由位定时脉冲控制的特 殊点对接
12、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。 自同步法的同步提取电路:有两部分组成,包括非线型变换处理电路和窄带滤 波器或锁相环。非线型变换处理电路的作用是使接收信号或解调后的数字基带信号 经过非线型变换处理电路后含有位同步分量或位同步信息。窄带滤波器或锁相环的 作用是滤除噪声和其他频谱分量,提取纯净的位同步信号。 1.2.4 数字基带传输的要求及常用码型 在实际基带传输系统中,并非所有的原始基带数字信号都能在信道中传输。例 如,有的信号含有丰富的直流和低频成分,不便提取同步信号;有的信号易于形成 码间串扰等。因此,基带传输系统首先面临的问题是选择什么样的信号形式,即传 输码型的选择
13、和基带脉冲波形的选择。 为了在传输信道中获得优良的传输特性,一般要将信码信号变化为适合于信道 传输特性的传输码,即进行适当的码型变换。 对传输码型的要求如下: (1) 传输信号的频谱中不应有直流分量,低频分量和高频分量也要小。 (2) 码型中应包含定时信息,有利于定时信息的提取,尽量减小定时抖动。 (3) 码型变换设备要简单可靠。 (4) 码型具有一定检错能力,若传输码型有一定的规律性,则可根据这一规 律性检测传输质量,以便做到自动检测。 (5) 编码对信息类型不应有任何限制,即对信源具有透明性。 常用的码型有 AMI 码、HDB3 码、分相码、反转码 AMI 等。 邵阳学院课程设计(论文)
14、5 第 2 章 MATLAB 仿真软件介绍 2.1 MATLAB 简介 美国 MATHWORK 公司于 1967 年推出了“Matrix Laboratory”(缩写为 MATLAB)软件包,不断更新和扩充。它是一种功能强、效率高便于进行科学和工 程计算的交互式软件包。其中包括:一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建 模和系统控制和优化等应用程序。 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 等语言完相同 的事情简捷得多 。在新的版本中也加入了对 C,FORTRAN,c+ ,JAVA 的
15、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,非常的方便。 MATLAB 的基础是矩阵计算 ,但是由于他的开放性 ,并且 mathwork 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。 当前流行的 MATLAB 6.5/7.0 包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工 具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包 。功能工具包用 来扩充 MATLAB 的符号计算 ,可视化建模仿真 ,文字处
16、理及实时控制等功能 。 学科工具包是专业性比较强的工具包 ,控制工具包 ,信号处理工具包 ,通信工 具包等都属于此类 。 开放性使 MATLAB 广受用户欢迎 。除内部函数外 ,所有 MATLAB 主包文 件和各种工具包都是可读可修改的文件 ,用户通过对源程序的修改或加入自己 编写程序构造新的专用工具包 。 Matlab 的优势和特点: (1)友好的工作平台和编程环境 MATLAB 由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB 的函数和 文件,其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB 桌面和命令窗口、 历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文 件的浏览器。随着 MATLAB 的商业化以及软件本身的不断升级, MATLAB 的 用户界面也越来越精致,更加接近Windows 的标准界面,人机交互性更强,操 作更简单。而且新版本的 MATLAB 提供了完整的联机查询、帮助系统,极大的 方便了用户的使用。简单的编程环境提 供了比较完备的调试系统,程序不必经 过编译就可以直接运行,而且能够及时 地报告出现