2023年数字基带传输系统课程设计.doc

邵阳学院课程设计〔论文〕 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局部，比照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 现代通信的开展趋势为数字化，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。现代社会开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开展，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开展。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比照。  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。 II 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 局部响应系统 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 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，从此通信进入了数字化时代。目前，通信网已根本实现数字化，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、数字电视播送、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开展，基带传输这种方式也有迅速开展的趋势，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、网络或其他数字设备的各种数字代码，也可能来自数字 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： …，,,,,,…,,… 简记为｛｝。是数字序列的根本单元，称为码元。每一个码元只能取离散的有限个值，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。 1.2.2 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根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，ΔM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。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局部，那么任何数字传输系统均可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。 数字基带系统的根本结构如图1.1所示。 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 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：有两局部组成，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，提取纯洁的位同步信号。 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，假设传输码型有一定的规律性，那么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。 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的根本数据单位是矩阵，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。在新的版本中也参加了对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，非常的方便。 　　MATLAB的根底是矩阵计算，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，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比拟强的工具包，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广受用户欢送。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参加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拟完备的调试系统，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的错误及进行出错原因分析。 　　〔2〕简单易用的程序语言 　　Matlab一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输