基于SIMULINK的基帶傳輸系統(tǒng)的仿真

1、通信系統(tǒng)建模與仿真課程設(shè)計(jì) 2008 級(jí) 通信工程 專業(yè) 班級(jí) 題 目 基于SIMULINK的基帶傳輸系統(tǒng)的仿真 姓 名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 2011年6月1日1 任務(wù)書試建立一個(gè)基帶傳輸模型，采用曼徹斯特碼作為基帶信號(hào)，發(fā)送濾波器為平方根升余弦濾波器，滾降系數(shù)為0.5，信道為加性高斯信道，接收濾波器與發(fā)送濾波器相匹配。發(fā)送數(shù)據(jù)率為1000bps，要求觀察接收信號(hào)眼圖，并設(shè)計(jì)接收機(jī)采樣判決部分，對(duì)比發(fā)送數(shù)據(jù)與恢復(fù)數(shù)據(jù)波形，并統(tǒng)計(jì)誤碼率。另外，對(duì)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的功率譜進(jìn)行估計(jì)。假設(shè)接收定時(shí)恢復(fù)是理想的。2 基帶系統(tǒng)的理論分析2.1基帶系統(tǒng)傳輸模型和工作原理1) 信道的傳輸特性為C(w),接收濾波

2、器的傳輸特性為設(shè)系統(tǒng)總的傳輸特性為GR(w),則基帶傳輸系統(tǒng)的總的傳輸特性為:H(w)=GT(w)C(w)GR(w)，n(t)是信道中的噪聲。2)基帶系統(tǒng)的工作原理：信源是不經(jīng)過調(diào)制解調(diào)的數(shù)字基帶信號(hào)，信源在發(fā)送端經(jīng)過發(fā)送濾波器形成適合信道傳輸?shù)拇a型，經(jīng)過含有加性噪聲的有線信道后，在接收端通過接收濾波器的濾波去噪，由抽樣判決器進(jìn)一步去噪恢復(fù)基帶信號(hào)，從而完成基帶信號(hào)的傳輸。22 基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的碼間干擾及噪聲干擾碼間串?dāng)_和信道噪聲是影響基帶傳輸系統(tǒng)性能的兩個(gè)主要因素:1)碼間干擾及解決方案碼間干擾：由于基帶信號(hào)受信道傳輸時(shí)延的影響，信號(hào)波形將被延遲從而擴(kuò)展到下一碼元，形成碼間干擾，造成系統(tǒng)誤碼

3、。解決方案：要求基帶系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H()滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則： 若不能滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則，在接收端加入時(shí)域均衡，減小碼間干擾。基帶系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)H()應(yīng)具有升余弦滾降特性。如圖2所示。這樣對(duì)應(yīng)的h(t)拖尾收斂速度快，能夠減小抽樣時(shí)刻對(duì)其他信號(hào)的影響即減小碼間干擾。 2)噪聲干擾及解決方案 噪聲干擾：基帶信號(hào)沒有經(jīng)過調(diào)制就直接在含有加性噪聲的信道中傳輸，加 性噪聲會(huì)疊加在信號(hào)上導(dǎo)致信號(hào)波形發(fā)生畸變。 解決方案： 在接收端進(jìn)行抽樣判決；匹配濾波，使得系統(tǒng)輸出性噪比最大。3 基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案31 信源常見的基帶信號(hào)波形有：?jiǎn)螛O性波形:是一種最簡(jiǎn)單的基帶信號(hào)波形,用正電平和零電平分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制碼1

4、和0,易于用TTL，CMOS電路產(chǎn)生，但直流分量大，要求傳輸線路具有直流傳輸能力，不利于信道傳輸。雙極性波形:用正負(fù)電平的脈沖分別表示二進(jìn)制代碼1和0,故當(dāng)“1”和“O”等概率出現(xiàn)時(shí)無(wú)直流分量，有利于在信道中傳輸，且在接收端恢復(fù)信號(hào)的判決電平為零，抗干擾能力較強(qiáng)。單極性歸零波形:通常,歸零波形使用半占空碼,信號(hào)電壓在一個(gè)碼元終止時(shí)刻前回到零電平.雙極性歸零波形:兼有雙極性和歸零波形的特點(diǎn),由于相鄰脈沖之間存在零電位的間隔,使得接收端很容易識(shí)別出每個(gè)碼元的起始時(shí)刻,從而使收發(fā)雙方能夠保持正確的位同步.基于于以上考慮采用雙極性歸零碼曼徹斯特碼作為基帶信號(hào)。3.2 發(fā)送濾波器和接收濾波器1)濾波器的

5、作用發(fā)送濾波器:用于壓縮輸入信號(hào)頻帶,把傳輸碼變成適用于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)波形.接收濾波器:用于接收信號(hào),盡可能濾除信道噪聲和其他干擾,對(duì)信道特性進(jìn)行均衡,使其輸出的基帶波形有利于抽樣判決.2)選擇基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題是濾波器的選取，根據(jù)12的分析，為了使系統(tǒng)沖激響應(yīng)h(t)拖尾收斂速度加快，減小抽樣時(shí)刻偏差造成的碼間干擾問題，要求發(fā)送濾波器應(yīng)具有升余弦滾降特性；要得到最大輸出信噪比，就要使接收濾波器特性與其輸入信號(hào)的頻譜共扼匹配同時(shí)系統(tǒng)函數(shù)滿足：H()=GT()GR()考慮在t0時(shí)刻取樣，上述方程改寫為 H()=GT()，GR()，于是求解出，因此，在構(gòu)造最佳基帶傳輸系統(tǒng)時(shí)要使用平方根升余

6、弦濾波器作為發(fā)送端和接收端的濾波器。33信道 信道是允許基帶信號(hào)通過的媒質(zhì)，通常為有線信道，如市話電纜、架空明線等。信道的傳輸特性通常不滿足無(wú)失真?zhèn)鬏敆l件，且含有加性噪聲。因此本次系統(tǒng)仿真采用高斯白噪聲信道。3.4 抽樣判決器 抽樣判決器是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時(shí)刻(由位定時(shí)脈沖控制)對(duì)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(hào)。抽樣判決關(guān)鍵在于判決門限的確定，由于本次設(shè)計(jì)采用雙極性碼，故判決門限為0。4 SIMULINK下基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1信源的建模1)模型說明:曼徹斯特的編碼規(guī)則是這樣的，即將二級(jí)制碼“1”編成“10，將“0”碼編成“01”，在這里由于采用了二進(jìn)

7、制雙極性碼，則將“1”編成“+1-1”碼，而將“0”碼編成“-1+1”碼。用SIMULINK中的Bernoulli Binary Generator(不歸零二進(jìn)制碼生成器)、Relay、Pulse Generator(脈沖生成器)、Product（乘法器）、Scope(示波器)構(gòu)成曼徹斯特碼的生成電路。2）各個(gè)參數(shù)設(shè)置：Bernoulli Binary Generator 用于產(chǎn)生1和0的隨機(jī)信號(hào)，經(jīng)過Relay變?yōu)殡p極性信號(hào)；Pulse Generator用于產(chǎn)生占空比為1/2的單極性歸零脈沖(1010)，經(jīng)過Relay成為雙極性脈沖(+1-1+1-1)。兩路雙極性信號(hào)成為乘法器Produc

8、t的輸入，相乘后的結(jié)果是：第1路不歸零碼的1碼與第2路(+1-1)碼相乘得到(+1-1)，第1路-1碼與第2路(+1-1)碼相乘得到(-1+1)碼，這就是曼徹斯特碼。曼切斯特碼如圖所示(下圖中,第一個(gè)波形是不歸零二進(jìn)制碼生成器產(chǎn)生的單極性碼,第二個(gè)波形是經(jīng)瑞利變換產(chǎn)生的雙極性不歸零碼,第三個(gè)波形是曼切斯特碼)42 發(fā)送濾波器和接收濾波器、信道為了減小碼間干擾，在最大輸出信噪比時(shí)刻輸出信號(hào)，減小噪聲干擾，傳輸模塊由Upsample(內(nèi)插函數(shù))、Discrete Filter根升余弦傳輸濾波器、AWGN Channel(高斯信道)、Discrete Filter根升余弦接收濾波器模塊組成，其設(shè)計(jì)框

9、圖如圖所示：模塊參數(shù)設(shè)置：Upsample的Upsample factor設(shè)為10，Discrete Filter根升余弦傳輸濾波器的Numerator設(shè)為rcosine(2,10,fir/sqrt,0.5,10)，Sample time設(shè)為1/10000，AWGN Channel(高斯信道)的Mode選為SNR，SNR設(shè)為34，Discrete Filter根升余弦接收濾波器設(shè)置與傳輸濾波器模塊相同。43抽樣判決1)抽樣判決模型圖：2)說明:曼徹斯特碼解碼模塊與編碼模塊設(shè)置相同。兩路雙極性信號(hào)成為乘法器Product的輸入，相乘后的結(jié)果是：第1路不歸零碼的（+1-1）碼與第2路(+1-1)碼

10、相乘得到+1碼，第1路（-1+1）碼與第2路(+1-1)碼相乘得到-1碼，這就對(duì)曼徹斯特碼進(jìn)行了解碼。3)主要參數(shù)設(shè)置：5 仿真結(jié)果分析51 基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖及各點(diǎn)輸出波形基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總圖以及傳輸過程中的各點(diǎn)波形分別如圖所示Scope的波形：第一個(gè)波形是對(duì)曼徹斯特碼進(jìn)行10被升速率采樣后的波形，將該信號(hào)送到傳輸濾波器中，濾除高頻成分得到第二個(gè)波形，第三個(gè)是第二個(gè)波形進(jìn)過加性高斯白噪聲信道傳輸并通過接收濾波器濾除噪聲后的波形，第四個(gè)是經(jīng)過抽樣判決器抽樣和判決再生產(chǎn)生的曼徹斯特碼。Scope1的波形:從下圖中的波形來(lái)看，傳輸是有效的。第一行是信源端發(fā)送的信號(hào)波形，第二行是接收端收到的信號(hào)

11、波形，與第一行的基帶信號(hào)比較，波形相同，這說明所設(shè)計(jì)的基帶系統(tǒng)沒有產(chǎn)生誤碼，達(dá)到了抗碼間干擾和抗噪聲干擾的目的。52 眼圖觀測(cè)結(jié)果圖為接收濾波器觀察到的眼圖，從圖中可看出，在信噪比為34dB下觀察眼圖，“眼睛”睜開的角度很大，且沒有“雜線”，說明系統(tǒng)在該信噪比下具有很好的抗碼間干擾能力。53 發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的功率譜使用模塊如有圖所示，將其設(shè)置為雙邊帶，功率譜密度如圖所示：（下圖分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的功率譜）（1）輸入信號(hào) （2）輸出信號(hào)6 遇到的問題及解決的方法1)將信源|發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、 抽樣采樣等模塊連接到一塊后,發(fā)現(xiàn)誤碼率很大,因?yàn)闆]有意識(shí)到要在抽樣采樣之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼,2)將整個(gè)模型畫好之后,運(yùn)行發(fā)現(xiàn)誤碼率在50%左右,與實(shí)際相差較大,沒有考慮到輸入信號(hào)與輸出信號(hào)有延時(shí)，加上延時(shí)模塊后并調(diào)整延時(shí)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)延時(shí)時(shí)間與理論值相差較大。3）當(dāng)信噪比較小時(shí)誤碼率較大