通信系統(tǒng)綜合訓(xùn)練-數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn).doc

實(shí)踐教學(xué)實(shí)踐教學(xué)蘭州理工大學(xué)蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2010年秋季學(xué)期通信系統(tǒng)綜合訓(xùn)練通信系統(tǒng)綜合訓(xùn)練題目：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)專業(yè)班級：07級通信（4）班姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：成績：I摘摘要要數(shù)字通信系統(tǒng)有兩種主要的通信模式:數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)，數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)指不經(jīng)載波調(diào)制而直接傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)，常用于傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下。本次綜合訓(xùn)練通過分析數(shù)字基帶信號傳輸?shù)奶匦裕\(yùn)用數(shù)值仿真的方法，對數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)作了模擬。關(guān)鍵詞：MATLAB；眼圖；滾降；數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)II前前言言隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展與數(shù)字器件的廣泛使用數(shù)字信號處理在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越重要。數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)，本次綜合訓(xùn)練就是為了研究數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)而進(jìn)行的。數(shù)字信號的傳輸方式按其在傳輸中對應(yīng)的信號的不同可分為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)和數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)。不使用調(diào)制和解調(diào)而直接傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。雖然在實(shí)際使用的數(shù)字通信系統(tǒng)中基帶傳輸不如頻帶傳輸那樣廣泛，但是，對于基帶傳輸系統(tǒng)的研究仍然是十分有意義的。1)在頻帶傳輸制式里同樣存在基帶傳輸?shù)膯栴}(如碼間干擾等)，因?yàn)樾诺赖暮x是相對的，若把調(diào)制解調(diào)器包括在信道中(如廣義信道)，則頻帶傳輸就變成了基帶傳輸?？梢哉f基帶傳輸是頻帶傳輸?shù)幕A(chǔ)。2)隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，基帶傳輸這種方式也有迅速發(fā)展的趨勢。目前它不僅用于低速數(shù)據(jù)傳輸而且還用于高速數(shù)據(jù)傳輸。3)理論上也可以證明，任何一個采用線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以由一個等效的基帶傳輸系統(tǒng)所替代。目目錄錄第1章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng).11.1概述.11.2數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介.11.2.1數(shù)字基帶信號.11.2.2數(shù)字基帶傳輸.21.2.3數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng).21.2.4數(shù)字基帶傳輸?shù)囊蠹俺Ｓ么a型.3第2章MATLAB仿真軟件介紹.52.1MATLAB簡介.52.2MATLAB在通信系統(tǒng)中的仿真應(yīng)用.8第3章基帶傳輸系統(tǒng)特性的研究.93.1基帶傳輸?shù)墓β首V研究.93.2眼圖在基帶傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用.113.3基帶系統(tǒng)的基帶傳輸特性.133.3.1升余弦滾降傳輸特性.133.3.2部分響應(yīng)系統(tǒng).143.4基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真.16參考文獻(xiàn).19總結(jié).20致謝.21附錄：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的源程序.221第第1章章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)1.11.1概述概述20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了數(shù)字傳輸技術(shù)，它采用了數(shù)字信號來傳遞信息，從此通信進(jìn)入了數(shù)字化時代。目前，通信網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，在我國公眾通信網(wǎng)中傳輸?shù)男盘栔饕菙?shù)字信號。數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，例如數(shù)字移動通信、數(shù)字衛(wèi)星通信、數(shù)字電視廣播、數(shù)字光纖通信、數(shù)字微波通信、數(shù)字視頻通信、多媒體通信等等。數(shù)字通信系統(tǒng)主要的兩種通信模式:數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)，數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。數(shù)字基帶信號指未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號，它所占據(jù)的頻譜是從零頻或很低頻率開始的。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)指不經(jīng)載波調(diào)制而直接傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)，常用于傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下。研究數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的原因：實(shí)際中，基帶傳輸不如頻帶傳輸應(yīng)用廣泛，但對基帶傳輸?shù)难芯咳杂蟹浅Ｖ匾囊饬x。這是因?yàn)椋旱谝唬瑪?shù)字基帶系統(tǒng)在近程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中廣泛采用；第二，數(shù)字基帶系統(tǒng)的許多問題也是頻帶傳輸系統(tǒng)必須考慮的問題；第三，隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，基帶傳輸這種方式也有迅速發(fā)展的趨勢，它不僅用于低速數(shù)據(jù)傳輸，而且還用于高速數(shù)據(jù)傳輸；第四，在理論上，任何一個線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以有一個等效的基帶載波調(diào)制系統(tǒng)所替代。因此，很有必要對基帶傳輸系統(tǒng)進(jìn)行綜合系統(tǒng)的分析。1.21.2數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介1.2.1數(shù)字基帶信號通信的根本任務(wù)是遠(yuǎn)距離傳輸信息，準(zhǔn)確地傳輸數(shù)字信息是數(shù)字通信中的一個重要環(huán)節(jié)。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸對象通常是二進(jìn)制數(shù)字信息。它可能是來自計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)或其他數(shù)字設(shè)備的各種數(shù)字代碼，也可能來自數(shù)字電話終端的脈沖編碼信號。數(shù)字信息在一般情況下可以表示為一個數(shù)字序列：，a2a1a0a1a2an2簡記為。是數(shù)字序列的基本單元，稱為碼元。每一個碼元只能取anan離散的有限個值，例如在二進(jìn)制中，取0或1兩個值；在M進(jìn)制中，取anan0，1，2，M-1等M個值，或者取二進(jìn)制碼的M種排列。由于碼元只有有限個可能取值，所以通常用不同幅度的脈沖表示碼元的不同取值，例如用幅度為A的矩形脈沖表示1，用幅度為-A的矩形脈沖表示為0。這種脈沖信號被稱為數(shù)字基帶信號，這是因?yàn)樗鼈兯紦?jù)的頻帶通常從直流和低頻開始。1.2.2數(shù)字基帶傳輸在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中所傳輸?shù)耐ǔＪ嵌獢?shù)字信號。設(shè)計(jì)數(shù)字傳輸系統(tǒng)要考慮的基本想法是選擇一組有限個離散的波形來表示數(shù)字信息。這些離散波形可以是載波進(jìn)行調(diào)制后的波形也可以是不經(jīng)過調(diào)制的不同電平信號。來自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號，或者是來自模擬信號經(jīng)數(shù)字化處理后的PCM碼組，M序列等等都是基帶數(shù)字信號。這些信號往往包含豐富的低頻分量。有些場合可以不經(jīng)過載波調(diào)制和解調(diào)過程而直接傳輸，稱為基帶傳輸。系統(tǒng)基帶波形被脈沖變換器變換成適應(yīng)信道傳輸?shù)拇a型后，就送入信道，一方面受到信道特性的影響，使信號產(chǎn)生畸變；另一方面信號被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號的隨即畸變。因此，在接收端必須有一個接收濾波器，使噪聲盡可能受到抑制，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在安排一個有限整形器和抽樣判決器組成的識別電路，進(jìn)一步排除噪聲干擾和提取有用信號。對于抽樣判決，必須有同步信號提取電路。在基帶傳輸中，主要采用位同步。同步信號的提取方式采用自同步方式（直接法）。同步系統(tǒng)性能的好壞將直接影響通信質(zhì)量的好壞，甚至?xí)绊懲ㄐ拍芊裾＿M(jìn)行。1.2.3數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)基帶傳輸包含著數(shù)字通信技術(shù)的許多問題，頻帶傳輸是基帶信號調(diào)制后再傳輸?shù)?，因此頻帶傳輸也存在基帶問題?；鶐鬏?shù)脑S多問題，頻帶傳輸同樣須考慮。如果把調(diào)制與解調(diào)過程看作是廣義信道的一部分，則任何數(shù)字傳輸系統(tǒng)均可等效為基帶傳輸系統(tǒng)。理論上還可證明，任何一個采用線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以由一個等效的基帶傳輸系統(tǒng)來代替。數(shù)字基帶系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。3信道信號形成器信道接收濾波器抽樣判決器同步提取數(shù)字基帶信號)(tn)(wGT)(wC)(wGR圖1.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)信道信號形成器：基帶傳輸系統(tǒng)的輸入是由終端設(shè)備或編碼器產(chǎn)生的脈沖序列，它不一定適合直接在信道中傳輸。信道信號形成器的作用就是把原始基帶信號變換成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘枺@種變換主要是通過碼型變換和波形變換來實(shí)現(xiàn)的，其目的是與信道匹配，便于傳輸，減小碼間串?dāng)_，利于同步提取和抽樣判決。信道：允許基帶信號通過的媒質(zhì)。信道的傳輸特性通常不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，恒參信道如（明線、同軸電纜、對稱電纜、光纖通道、無線電視距中繼、衛(wèi)星中繼信道）對信號傳輸?shù)挠绊懼饕蔷€形畸變；隨參信道如（短波電離層反射、對流層散射信道等）對信號傳輸?shù)挠绊懼饕蓄l率彌散現(xiàn)象（多徑傳播）、頻率的選擇性衰落。信道的線性噪聲和加性噪聲的影響。在通信系統(tǒng)的分析中，常常把噪聲n(t)等效，集中在信道中引入。接收濾波器：主要作用是濾除帶外噪聲，對信道特性均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。抽樣判決器：它是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在由位定時脈沖控制的特殊點(diǎn)對接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。自同步法的同步提取電路：有兩部分組成，包括非線型變換處理電路和窄帶濾波器或鎖相環(huán)。非線型變換處理電路的作用是使接收信號或解調(diào)后的數(shù)字基帶信號經(jīng)過非線型變換處理電路后含有位同步分量或位同步信息。窄帶濾波器或鎖相環(huán)的作用是濾除噪聲和其他頻譜分量，提取純凈的位同步信號。1.2.4數(shù)字基帶傳輸?shù)囊蠹俺Ｓ么a型在實(shí)際基帶傳輸系統(tǒng)中，并非所有的原始基帶數(shù)字信號都能在信道中傳輸。4例如，有的信號含有豐富的直流和低頻成分，不便提取同步信號；有的信號易于形成碼間串?dāng)_等。因此，基帶傳輸系統(tǒng)首先面臨的問題是選擇什么樣的信號形式，即傳輸碼型的選擇和基帶脈沖波形的選擇。為了在傳輸信道中獲得優(yōu)良的傳輸特性，一般要將信碼信號變化為適合于信道傳輸特性的傳輸碼，即進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇a型變換。對傳輸碼型的要求如下：（1）傳輸信號的頻譜中不應(yīng)有直流分量，低頻分量和高頻分量也要小。（2）碼型中應(yīng)包含定時信息，有利于定時信息的提取，盡量減小定時抖動。（3）碼型變換設(shè)備要簡單可靠。（4）碼型具有一定檢錯能力，若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，則可根據(jù)這一規(guī)律性檢測傳輸質(zhì)量，以便做到自動檢測。（5）編碼對信息類型不應(yīng)有任何限制，即對信源具有透明性。常用的碼型有AMI碼、HDB3碼、分相碼、反轉(zhuǎn)碼AMI等。5第第2章章MATLAB仿真軟件介紹仿真軟件介紹2.12.1MATLAB簡介簡介美國MATHWORK公司于1967年推出了“MatrixLaboratory”（縮寫為MATLAB）軟件包，不斷更新和擴(kuò)充。它是一種功能強(qiáng)、效率高便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，c+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用，非常的方便。MATLAB的基礎(chǔ)是矩陣計(jì)算，但是由于他的開放性，并且mathwork也吸收了像maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。當(dāng)前流行的MATLAB6.57.0包括擁有數(shù)百個內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。Matlab的優(yōu)勢和特點(diǎn)：（1）友好的工作平臺和編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，6人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時地報(bào)告出現(xiàn)的錯誤及進(jìn)行出錯原因分析。（2）簡單易用的程序語言Matlab一個高級的距陣陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序(M文件)后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個領(lǐng)域的重要原因。（3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C+。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如距陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。（4）出色的圖形處理功能MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和距陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使他不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖7形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。（5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱MATLAB對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來說，他們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和CC+數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個重要特色就是他有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。（7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5。82.22.2MATLAB在通信系統(tǒng)中的仿真應(yīng)用在通信系統(tǒng)中的仿真應(yīng)用MATLAB工具有很強(qiáng)的仿真能力可以仿真NR碼、NRZ碼、AMI碼、PAM碼等各種編碼及分析其功率譜。同時可以仿真通信系統(tǒng)的應(yīng)用。這里主要介紹仿真的理論基礎(chǔ)：1.時域抽樣和頻域抽樣若信號函數(shù)s(t)為定義在時間區(qū)間（-，+）上的連續(xù)函數(shù)，按區(qū)間-T2，T2截短為ST（t）再對ST（t）按時間間隔t均勻取樣，取樣點(diǎn)數(shù)：N（t）=Tt；仿真時用這個樣值函數(shù)來表示S（t）。如果信號的最高頻率為fH，那么必須有fH0.5t設(shè)為Bs，Bs=0.5t稱為仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬。若信號s(t)的頻譜S（f）為定義在頻率區(qū)間（-，+）上的連續(xù)函數(shù)，按區(qū)間-Bs，Bs截?cái)郤（f），然后f均勻取樣。N（t）=2Bsf=N；f=1T如果仿真程序設(shè)定的頻域采樣間隔是f，那么就不能仿真截?cái)鄷r間1f的信號。2.頻域分析函數(shù)t2f的功能是作傅立葉變換格式：X=t2f（x）函數(shù)f2t的功能是作傅立葉反變換格式：x=t2f（X）其中x是時域信號x（t）的截短抽樣取得的取樣值矢量。X是傅立葉X（f）的取樣值矢量。3.取樣判決和誤碼率的測量設(shè)矢量a表示發(fā)送的碼序列，矢量y表示在判決觀測到的疊加有噪聲的接收信號。接收端在每隔一個碼元間隔Ts取一個點(diǎn)作為判決量。所有取樣結(jié)果構(gòu)成一個矢量；若取樣時刻無偏差則b=y(1:L:N)，若取樣時刻有Kt的恒定偏差，則b=y（1+k：L：N）。若判決門限為vth則判決結(jié)果為c=sign（b-vth）雙極性或c=sign（b-vth）+1）2單極性。若在一次觀察中發(fā)送的碼元是長度為M的矢量a，對應(yīng)的判決結(jié)果是c。誤碼數(shù)是a與c中不相同的符號數(shù)，即n_err=length（find（a=c）于是誤碼率為Pe=n_errM.對于基帶系統(tǒng)的研究，誤碼率是一個非常重要的概念，也是評價(jià)系統(tǒng)好壞的重要參數(shù)。在用matlab仿真系統(tǒng)中，在模擬實(shí)際的條件下，達(dá)到理想的誤碼率是我們的目標(biāo)。9第第33章章基帶傳輸系統(tǒng)特性的研究基帶傳輸系統(tǒng)特性的研究3.13.1基帶傳輸基帶傳輸?shù)墓β首V研究的功率譜研究在通信中，除測試信號外，數(shù)字基帶信號通常都是隨機(jī)脈沖序列。因?yàn)槿粼跀?shù)字通信系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)字序列不是隨機(jī)的，而是確知的，則消息就不攜帶任何信息，通信就失去意義。研究隨機(jī)脈沖序列的頻譜，要從統(tǒng)計(jì)分析的角度出發(fā)，研究它的功率譜密度。設(shè)一個二進(jìn)制隨機(jī)脈沖序列如圖3.1所示。這里g1（t）和g2（t）分別代表符號的0和1，Ts為每一個碼元寬度。應(yīng)當(dāng)說明的是，圖中雖然把g1（t）和g2（t）都畫成了三角形（高度不同），但實(shí)際上g1（t）和g2（t）可以是任意的脈沖。)(ts)2(1STtgTs)2(2STtg圖3.1任一隨機(jī)脈沖序列示意波形現(xiàn)在假設(shè)序列中任一碼元序列時間Ts內(nèi)g1（t）和g2（t）出現(xiàn)的概率分別為P，1P，且認(rèn)為它們的出現(xiàn)是互不依賴的（統(tǒng)計(jì)獨(dú)立），則該序列s(t)可寫成：（3-)()(ttsnns1）其中1）隨機(jī)基帶序列的功率譜密度)(ts由于，故當(dāng)T時，將變成)()(tutsTT)(tsT)()()(tvtuts于是，的功率密度譜Ps（w）最后表示為)(ts221)()()()1()()(fGfGPPfwPPwPsvwusPnTtgPnTtgtsssn1)()()(21以概率以概率10（3-)()()1()(221smsssmffmfGPmfPGf2）式3-2是雙邊的功率譜密度表示式。如果寫成單邊的，則有)()0()1()0()()(0912)(2212221fGPPGffGfGPPfwPsss（3-3）0)()()1()(221212fmffmfGPmfPGfsmsss其中、分別為g1（t）、g2（t）的傅立葉變換。)(1fG)(2fGTsfs1從公式3-3可以得出如下結(jié)論：（1）隨機(jī)脈沖序列功率譜包括兩部分：連續(xù)譜和離散。（2）當(dāng)g1（t）和g2（t）、p、Ts給定后，隨機(jī)脈沖序列功率譜就確定了。（3）根據(jù)連續(xù)譜可以確定隨機(jī)序列的寬度；根據(jù)離散譜可以確定隨機(jī)序列是否包含直流成分（m=0）及定時信號(m=1)。連續(xù)譜總存在，而離散譜視情況而定。對于單極性波形：若假設(shè)g1（t）=0g2（t）=g(t)隨機(jī)脈沖序列的功率譜密度（雙邊）為（3-)()()1()()1()(22smssssmffmfGPffGPPfwP4）式中，是的頻譜函數(shù)。當(dāng)，且為矩形脈沖，即)(fG)(tg21p)(tg則（3-4）式將變成（3-)(41)(4)(2ffTSaTwPsss5）可知有連續(xù)譜和直流分量。對于雙極性波形：若假設(shè)g1（t）=g2（t）=g(t)，則有2)()1(4)(fGPPfwPss)()()12(2smssmffmfGPf（3-6）同理，當(dāng)，且為矩形脈沖，式（3-6）將變成21p)(tg其它021)()(STttgtg11（3-7)()(2sssfTSaTwP）可知只有連續(xù)譜分量。由以上分析可以看出，隨機(jī)脈沖序列的功率譜密度可能包括兩個部分：連續(xù)譜和離散譜。對于連續(xù)譜而言，代表數(shù)字信息的g1（t）和)(WPu)(wPvg2（t）不能完全相同，故，因而總是存在的；對于離散譜)()(21fGfG)(wPu來說，在一般情況下，它也總是存在的。但我們?nèi)菀子^察到，若g1（t）和g2（t）是雙極性的脈沖，且波形出現(xiàn)概率相同，則式（3-3）中的第二、第三項(xiàng)為零，故此時沒有離散譜。上述結(jié)果是十分有意義的，它一方面使我們了解隨機(jī)脈沖序列頻譜的特點(diǎn)，以及如何去具體地計(jì)算它的功率譜密度；另一方面利用它的離散譜是否存在這一特點(diǎn)，將使我們明確能否從脈沖序列中直接提取離散分量，以及采用怎樣的方法可以從基帶脈沖序列中獲得所需的離散分量。這一點(diǎn)在研究位同步、載波同步等問題時將是重要的。在MATLAB仿真時，若x是時域取樣值矢量，X是對應(yīng)的傅立葉變量，那么x的功率譜矢量：P=（X.conj(x)）T。其中conj為共軛復(fù)數(shù)函數(shù)。分析數(shù)字信號的脈沖序列碼的功率譜可以知道信號功率的分布，根據(jù)主要功率集中在哪個頻段，可以確定信號帶寬，進(jìn)而考慮信道帶寬和傳輸網(wǎng)絡(luò)（濾波器、均衡器）的傳輸特性。同時利用它的離散譜是否存在這個特點(diǎn)，可以明確能否從脈沖序列中直接提取所需的離散分量和采取怎樣的方法可以從序列中獲得所需的離散分量，以便在接收端用這些成分作位同步定時等。脈沖序列碼主要研究NRZ碼、RZ碼、AMI碼。分析噪聲的功率譜密度可以知道噪聲對系統(tǒng)的影響，并且可以人為的仿真噪聲。3.23.2眼圖在基帶傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用眼圖在基帶傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用為了使系統(tǒng)達(dá)到最佳化，估計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)劣程度并觀察碼間干擾和噪聲對系統(tǒng)的影響。眼圖的跡線與接收的基帶脈沖序列的波形失真程度成正比。失真越厲害，眼圖的跡線就越模糊。而眼睛張開大小反映了碼間干擾的強(qiáng)弱。在實(shí)際系統(tǒng)中，完全消除碼間串?dāng)_是十分困難的，而碼間串?dāng)_對誤碼率的影響目前尚無法找到數(shù)學(xué)上便于處理的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，還不能進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。為了衡量基帶傳輸系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，在實(shí)驗(yàn)室中，通常用示波器觀察接收信號波形的方法來分12析碼間串?dāng)_和噪聲對系統(tǒng)性能的影響，這就是眼圖分析法。如果將輸入波形輸入示波器的Y軸，并且當(dāng)示波器的水平掃描周期和碼元定時同步時，在示波器上顯示的圖形很象人的眼睛，因此被稱為眼圖。二進(jìn)制信號傳輸時的眼圖只有一只“眼睛”，當(dāng)傳輸三元碼時，會顯示兩只“眼睛”。眼圖是由各段碼元波形疊加而成的，眼圖中央的垂直線表示最佳抽樣時刻，位于兩峰值中間的水平線是判決門限電平。圖3.2眼圖的一般描述在無碼間串?dāng)_和噪聲的理想情況下，波形無失真，“眼”開啟得最大。當(dāng)有碼間串?dāng)_時，波形失真，引起“眼”部分閉合。若再加上噪聲的影響，則使眼圖的線條變得模糊，“眼”開啟得小了，因此，“眼”張開的大小表示了失真的程度。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串?dāng)_和噪聲的影響，可評價(jià)一個基帶傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)的傳輸性能。通常眼圖可以用圖3.2所示的圖形來描述。由圖3.2可以看出：（1）眼圖張開的寬度決定了接收波形可以不受串?dāng)_影響而抽樣再生的時間間隔。顯然，最佳抽樣時刻應(yīng)選在眼睛張開最大的時刻。（2）眼圖斜邊的斜率，表示系統(tǒng)對定時抖動（或誤差）的靈敏度，斜邊越陡，系統(tǒng)對定時抖動越敏感。（3）眼圖左（右）角陰影部分的水平寬度表示信號零點(diǎn)的變化范圍，稱為零點(diǎn)失真量，在許多接收設(shè)備中，定時信息是由信號零點(diǎn)位置來提取的，對于這種設(shè)備零點(diǎn)失真量很重要。（4）在抽樣時刻，陰影區(qū)的垂直寬度表示最大信號失真量。（5）在抽樣時刻上、下兩陰影區(qū)間隔的一半是最小噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就有可能發(fā)生錯誤判決；13（6）橫軸對應(yīng)判決門限電平。為了研究噪聲和信道帶寬引起的信號失真與眼圖關(guān)系，我們可以用附錄中的程序1在MATLAB工具中進(jìn)行仿真。其中我們設(shè)置了眼圖的參數(shù)如顯示的碼元個數(shù)，利用眼圖在多個時間段內(nèi)記錄到的數(shù)據(jù)重疊起來顯示。把程序保存為M文件后，按F5就可執(zhí)行，即可生成某個信號的眼圖，如圖3.3。而且，可選擇不同的信號函數(shù)就可看到眼圖的變化。圖3.3AMI信號的眼圖3.33.3基帶系統(tǒng)的基帶傳輸特性基帶系統(tǒng)的基帶傳輸特性3.3.1升余弦滾降傳輸特性基帶脈沖傳輸?shù)难芯康幕境霭l(fā)點(diǎn)，就是使基帶脈沖傳輸獲得足夠小的誤碼率，必須最大限度的減小碼間串?dāng)_和隨機(jī)噪聲的影響。碼間串?dāng)_的大小取決于輸入序列和系統(tǒng)輸出波形g(t)在抽樣時刻上的取值。)(wH)()(bnnTthaTR識別電路na圖3.4基帶傳輸特性的分析模型)()(bnnTtatd由于理想基帶傳輸特性實(shí)際的無法實(shí)現(xiàn)并且沖擊響應(yīng)尾巴衰減幅度大、收斂慢，從而對抽樣判決要求十分嚴(yán)格，稍有偏差就會造成碼間串?dāng)_。于是提出了升余弦特性。14升余弦滾降函數(shù)：（3-82)2(1)2cos(sinbbbbTTTTpiTTpiTTpith）其沖擊響應(yīng)實(shí)現(xiàn)比較容易，對定時的要求可降低要求，然而頻帶利用率卻下降。為了加深對數(shù)字信號基帶波形串?dāng)_以及升余弦滾降濾波特性的認(rèn)識，我們編寫了附錄中的程序2。由于升余弦脈沖波形的參數(shù)的值的不同，程序運(yùn)行后，命令窗口提示輸入?yún)?shù)的值，范圍在0到1之間。如果我們選擇參數(shù)的值為0.5并按空格鍵，即出現(xiàn)升余弦脈沖波形滾降信號的功率譜圖3.5及眼圖3.6。圖3.5升余弦脈沖波形滾降信號的功率譜圖圖3.6升余弦脈沖波形滾降信號的眼圖153.3.2部分響應(yīng)系統(tǒng)部分響應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)是有控制地在某些碼元的抽樣時刻引入碼間串?dāng)_，有規(guī)律的，而在其余碼元的抽樣時刻無碼間串?dāng)_。部分響應(yīng)系統(tǒng)能夠改變數(shù)字脈沖序列的頻譜分布，降低對定時的要求，同時達(dá)到壓縮傳輸頻帶，提高頻帶利用率的目的。部分響應(yīng)技術(shù)在高速、大容量傳輸系統(tǒng)中得到推廣和應(yīng)用。部發(fā)送濾波接收濾波信道模2判決抽樣脈沖Tb+相加圖3.7部分響應(yīng)系統(tǒng)框圖分響應(yīng)波形的一般形式可以是N個波形之和，其表達(dá)式為：xxsin（3-9）bbbbNbbbbbbTNtTTNtTRTtTTtTRtTtTRtg)1()1(sin)()(sinsin)(21其中加權(quán)系數(shù)，為整數(shù)。1R2RNR主要考慮五類部分響應(yīng)系統(tǒng)的波形型、型、型、型、型。目前應(yīng)用最多是型、型部分響應(yīng)系統(tǒng)。第型部分響應(yīng)信號的頻譜能量主要集中在低頻段，使用于傳輸系統(tǒng)中信道頻帶高端受限的情況，這種信號又稱為雙二進(jìn)制編碼信號。第型部分響應(yīng)信號無直流分量，而且低頻分量也少，便于通過載波電路，實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制。以上兩類部分響應(yīng)信號的抽樣值電平數(shù)比其它類別少，這也是它們得到廣泛應(yīng)用的原因之一。表3.1五類系統(tǒng)參數(shù)表類別R1R2R3R4R5型11000型1210016型21-100型10-100型-1020-1為了加深了解部分響應(yīng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的認(rèn)識，我們編寫了程序3（見附錄），程序運(yùn)行后，命令窗口會提示輸入r1、r2、r3、r4、r5的參數(shù)值。當(dāng)我們選擇型時，MATLAB界面就出現(xiàn)功率譜（圖3.8）和眼圖（圖3.9）。圖3.8部分響應(yīng)系統(tǒng)的波形型的功率譜圖圖3.9部分響應(yīng)系統(tǒng)的波形型的眼圖173.43.4基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真通信系統(tǒng)仿真原理：MATLAB用編程的方式在軟件上對基帶系統(tǒng)進(jìn)行仿真?？紤]到實(shí)際中有噪聲的存在，以及對濾波器性能的要求，我們對基帶傳輸函數(shù)選擇升余弦滾降函數(shù)。并且實(shí)際中，我們對系統(tǒng)有較低的誤碼率，并且系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中易于完成，且成本低，我們采取匹配濾波器，在最大信噪比接收條件下對基帶最佳化。并假設(shè)信道特性理想即，且我們忽略匹配器的時1)(fC延。大大的減少了編程的復(fù)雜程度，但系統(tǒng)的誤碼率卻相差很小。為了分析仿真的可行性，并比較與理論上的研究值的差別，仿真時我們在繪出實(shí)測曲線的同時還考慮理論曲線以作以比較。如圖3.10就是一個以上所設(shè)計(jì)的基帶傳輸系統(tǒng)。由于匹配器對于輸入信號的要求，碼序列我們采用隨機(jī)的沖擊序列信號。碼序列a發(fā)送濾波信道接收濾波碼序列a取樣判決白噪聲n02PeEbn0GT(f)G(f)GR(f)圖3.10基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖在基帶信道是理想限帶情況下，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)發(fā)送濾波器及接收濾波器，使得在接收端抽樣時刻的碼間干擾為零，則系統(tǒng)的合成傳遞函數(shù)必須滿足以下兩個條件：（3-10）)()()()(fHfGfCfGRT（3-11）02)()()(ftfffRCT式中，分別是發(fā)送濾波器，信道，接收濾波器的相頻)(fT)(fc)(fR特性，是一時間延遲，其中，分別是發(fā)送濾波器，0tRCTtttt0TtCtRt信道，接收濾波器引入的時延，W為升余弦濾波器的截止頻率（此W值取決于符號速率及升余弦滾降因子的值）。sR在接收端抽樣時刻無碼間干擾條件下，引起誤碼的是加性噪聲，此時，最佳接收的濾波器應(yīng)匹配于所接收的確定信號，使接收端抽樣時刻的信噪比最大。設(shè)限帶信道是理想低通特性，并設(shè)信道不引入時延（）0Ct18（3-12）wfwfwffC01)2()(則接收到的確定信號的頻譜僅取決于發(fā)送濾波器的的特性，所以接)(fGT收濾波器的應(yīng)與發(fā)送濾波器共軛匹配，這樣，在理想限帶信道情)(fGR)(fGT況下，既要使接收端抽樣時刻的抽樣值無碼間干擾，又要使得在抽樣時刻抽樣值的信噪比最大，則（3-13）)()()(fGfGfHTR（3-14）)()()(fHsqrtfGfGTR綜上所述，數(shù)字PAM信號通過限帶信道、并受到加性噪聲干擾的情況下，在限帶信道是理想低通條件下的最佳基帶傳輸?shù)陌l(fā)送及接收濾波器的設(shè)計(jì)是：總的收發(fā)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)要符合無碼間干擾基帶傳輸?shù)纳嘞姨匦?；且又要考慮在抽樣時刻信噪比最大的收、發(fā)濾波共軛匹配的條件。在綜合考慮這兩方面因素的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)發(fā)送及接受濾波器時，要使發(fā)送及接收濾波器的傳遞函數(shù)的模值分別是近似于升余弦的平方根頻譜，其相移是線性的，時延是用來0t確保濾波器的物理可實(shí)現(xiàn)性。編寫的程序見附錄主程序。在程序的調(diào)試過程中，應(yīng)注意調(diào)試技巧。1、合理的清除命令窗口的內(nèi)容。最簡單的方法用clc命令函數(shù)。2、每運(yùn)行一次程序后，要清除workspace工作站。3、在程序有錯誤時，觀察命令窗口可方便的找到出錯的位置。4、合理利用help功能函數(shù)。5、在workspace中可以觀察每次程序運(yùn)行后的各個參數(shù)的值，這樣可減少調(diào)試時間。運(yùn)行程序后，圖3.11就是系統(tǒng)的仿真圖。其中，我們可以任意改變圖象的顏色、曲線的實(shí)虛等。紅色的代表實(shí)則曲線，藍(lán)色的代表理論曲線。19圖3.11基帶接收系統(tǒng)從圖3.11中可以看出，實(shí)測的曲線非常接近理論曲線。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真達(dá)到了本實(shí)驗(yàn)的要求。參考參考文獻(xiàn)文獻(xiàn)1南利平.通信原理簡明教程M.清華大學(xué)出版社，20062朱光榮.綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)J.電子科技文摘20065:613王旭曹旭超.移動通信系統(tǒng)的發(fā)展與未來J.科技信息200718:41654龐沁華，吳偉陵.通信原理（合定本）M.北京郵電大學(xué)出版社20055孫祥.MATLAB7.0基礎(chǔ)教程M.北京：清華大學(xué)出版社20056魏玲，劉敏.MATLAB通信仿真與應(yīng)用M北京：國防工業(yè)出版社20017黃葆華楊曉靜.通信原理M.西安電子科技大學(xué)出版社20078樊昌信.通信原理教程M.北京：電子工業(yè)出版社20059申普兵.數(shù)據(jù)通信技術(shù)M.北京：國防工業(yè)出版社200610黎洪松.數(shù)字通信原理M.西安電子科技大學(xué)出版社200511王興亮.數(shù)字通信原理與技術(shù)M.西安電子科技大學(xué)出版社200220總結(jié)總結(jié)本次綜合訓(xùn)練對數(shù)字基帶信號傳輸?shù)奶匦赃M(jìn)行了分析，并通過對基帶傳輸理論的深入理解，運(yùn)用數(shù)值仿真的方法，對基帶傳輸?shù)奶匦宰髁四M。研究結(jié)果表明，傳輸基帶信號受到約束的主要因素是系統(tǒng)的頻率特性。當(dāng)然可以有意地加寬傳輸頻帶使這種干擾減小到任意程度。然而這會導(dǎo)致不必要地浪費(fèi)帶寬。如果展寬得太多還會將過大的噪聲引入系統(tǒng)。因此應(yīng)該探索另外的代替途徑，即通過設(shè)計(jì)信號波形，或采用合適的傳輸濾波器，以便在最小傳輸帶寬的條件下大大減小或消除這種干擾?？紤]到實(shí)際中有噪聲的存在，以及對濾波器性能的要求，我們對基帶傳輸函數(shù)選擇升余弦滾降函數(shù)。并且實(shí)際中，我們對系統(tǒng)有較低的誤碼率，并且系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中易于完成，且成本低，我們采取匹21配濾波器，在最大信噪比接收條件下對基帶最佳化。本次綜合訓(xùn)練對我們深入了解數(shù)字通信具有積極意義。致謝致謝本次的綜合訓(xùn)練是在我的導(dǎo)師陳海燕老師的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的，在我的訓(xùn)練過程中無不傾注著陳老師辛勤的汗水和心血。陳老師治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)、專業(yè)知識淵博，更為重要的是她無私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪，從陳老師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理，這將是我終身的財(cái)富。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意！我還要感謝的是我們計(jì)通院的領(lǐng)導(dǎo)，為我們的學(xué)習(xí)提供了良好的環(huán)境和條件，此外還得到了許多老師的熱情關(guān)心和幫助。在日常學(xué)習(xí)和生活中，我的同學(xué)、朋友給予了我很大幫助。22在此，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！附錄：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的源程序附錄：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的源程序1.AMI編碼y1=xn%輸出y1初始化num=0%計(jì)數(shù)器初始化fork=1:length(xn)ifxn(k)=1num=num+1%1計(jì)數(shù)器ifnum2=fix(num2)%偶數(shù)個1時輸出1進(jìn)行極性交替(fix朝零方向取整)23y1(k)=1elsey1(k)=-1endendendAMI=y1(1:length(xn)2.升余弦脈沖波形滾降信號N=31sn=100T=1Tb=TK=TbT%決定發(fā)送速率s=source(sn)s=(-1).(s+ones(