數(shù)字通信無串?dāng)_傳輸系統(tǒng)的虛擬實(shí)現(xiàn)

1、數(shù)字通信無串?dāng)_傳輸系統(tǒng)的虛擬實(shí)現(xiàn)引言數(shù)字通信將成為通信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，是現(xiàn)代社會(huì)必不可不的一種通信工具，LabVIEW所體現(xiàn)的一大革新就是將框圖轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)識(shí)別和編譯的程序，使用圖形化的工作平臺(tái)作為一種程序設(shè)計(jì)語言來開發(fā)儀器軟件。這樣可以幫助工程師將問題形象化，輕松完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減輕編程負(fù)擔(dān)本論文主要是使用LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信無串?dāng)_傳輸系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)，也就是使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬通信原理中比較難以理解的碼間串?dāng)_及其消除的問題，從而為將來同學(xué)更好的學(xué)習(xí)并理解通信原理中關(guān)于

2、無碼間串?dāng)_這部分內(nèi)容提供一個(gè)很好的模擬系統(tǒng)以便清楚的看到碼間串?dāng)_的產(chǎn)生及其消除碼間串?dāng)_的過程。1 概述1.1 虛擬儀器所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測試平臺(tái)，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)；可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成。無論哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭建到筆記本電腦、臺(tái)式PC或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)(甚至可以是掌上電腦)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。虛擬儀器通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬

3、件的成本和體積，并通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。虛擬儀器的最大特點(diǎn)就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實(shí)現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的設(shè)計(jì)思想。虛擬儀器的功能可由用戶自己定義，故自從引進(jìn)了VI的技術(shù),這就使用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的意愿,設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng),就像溫度測量計(jì)、電壓表、圖表記錄器、數(shù)字儀和信號(hào)分析計(jì)等,都可在同一基本硬件配置相同的機(jī)器上用不同的軟件而實(shí)現(xiàn)。VI的另一用途是方案論證,用于在設(shè)計(jì)方案的論證過程中。

4、對(duì)于一種設(shè)計(jì)要求,我們可能有各種不同的實(shí)現(xiàn)方法,如果每個(gè)方法都用傳統(tǒng)的儀器試驗(yàn)一遍不僅花大量的人力,還要大量的財(cái)力。而用基本硬件和基本軟件組合的VI可方便地實(shí)現(xiàn)各種方法,以比較各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。如今,計(jì)算機(jī)是開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu),可以提供處理、存儲(chǔ)和顯示的能力,所以可將計(jì)算機(jī)用作電子儀器的助動(dòng)器。使用戶自定義各種儀器功能成為現(xiàn)實(shí)。1.2虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEWLabVIEW是美國國家儀器公司(National Instruments)開發(fā)的一種完全的、開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，全稱是laboratory virtual instrument engineering workben

5、ch （即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）。LabVIEW與Visual C+、VisualBasic、LabWindows/CVI等編程語言不同，后者采用的是基于文本語言的程序代碼（Code），而LabVIEW則是使用圖形化程序設(shè)計(jì)語言G（Graphic），用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。LabVIEW所運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常的相似。利用它組建儀器測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也大大簡化了程序的設(shè)計(jì)。LabVIEW包含有專門用于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的函數(shù)庫和開發(fā)工具庫。LabVIEW的程序設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)的“虛擬儀器”，即“VIs

6、”。在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上利用函數(shù)庫和開發(fā)工具庫產(chǎn)生一個(gè)前面版（FrontPanel）；在后臺(tái)則是利用圖形化的編程語言編制用于控制前面板的框圖程序。程序的前面板具有與傳統(tǒng)儀器相類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)和鍵盤指令。LabVIEW的核心是VI。VI有一個(gè)人機(jī)對(duì)話的用戶界面前面板（FrontPanel）和相當(dāng)于源代碼功能的框圖程序（Diagram）。前面板接受來自框圖程序的指令。在VI的前面板 中，控件（Controls）模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的框圖程序；而指示器（Indicators）則是模擬了儀器的輸出裝置并顯示由框圖程序獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當(dāng)把一個(gè)控件或指示器放置到前面板上時(shí)，L

7、abVIEW便在框圖程序中相應(yīng)的產(chǎn)生了一個(gè)終端（Terminals），這個(gè)從屬于控件或指示器的終端不能隨意的被刪除，只有刪除它對(duì)應(yīng)的控件或指示器時(shí)它才會(huì)隨之一起被刪除。 總之，LabVIEW作為圖形化編程語言，程序設(shè)計(jì)簡單、直觀、開發(fā)效率高。為虛擬儀器開發(fā)提供了一種快捷、方便和功能強(qiáng)大的軟件工具，體現(xiàn)了“軟件即儀器”的理念。2 設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及開發(fā)環(huán)境本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要開發(fā)工具是美國NI公司出品的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件LabVIEW，即在普通PC機(jī)上安裝LabVIEW8.0軟件，在LabVIEW8.0平臺(tái)上開發(fā)設(shè)計(jì)虛擬儀器。本次畢設(shè)主要是對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)無串?dāng)_傳輸系統(tǒng)進(jìn)行分析，

8、提出設(shè)計(jì)模型。用LabVIEW實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊內(nèi)容，包括碼元序列，系統(tǒng)函數(shù)，抽樣，抽樣疊加，再生判決恢復(fù)，對(duì)系統(tǒng)函數(shù)的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；對(duì)理想傳輸及其它無串?dāng)_情況與發(fā)生串?dāng)_情況進(jìn)行對(duì)比。2.2 設(shè)計(jì)原理及其思想二進(jìn)制數(shù)字基帶波形都是矩形波，在畫頻譜時(shí)通常只畫出了其中能量最集中的頻率范圍，但這些基帶信號(hào)在頻域內(nèi)實(shí)際上是無窮延伸的。如果直接采用矩形脈沖的基帶信號(hào)作為傳輸碼型，由于實(shí)際信道的頻帶都是有限的，則傳輸系統(tǒng)接收端所得的信號(hào)頻譜必定與發(fā)送端不同，這就會(huì)使接收端數(shù)字基帶信號(hào)的波形失真。大多數(shù)有線傳輸情況下，信號(hào)頻帶不是陡然截止的，而且基帶頻譜也是逐漸衰減的，采用一些相對(duì)來說比較簡單的補(bǔ)償措施（如簡

9、單的頻域或時(shí)域均衡）可以將失真控制在比較小的范圍內(nèi)。較小的波形失真對(duì)于二進(jìn)制基帶信號(hào)影響不大，只是使其抗噪聲性能稍有下降，但對(duì)于多元信號(hào)，則可能造成嚴(yán)重的傳輸錯(cuò)誤。當(dāng)信道頻帶嚴(yán)格受限時(shí)（如數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)調(diào)制通過頻分多路通信信道傳輸），波形失真問題就變得比較嚴(yán)重，尤其在傳輸多元信號(hào)時(shí)更為突出。為了研究波形傳輸?shù)氖д鎲栴}，我們首先來看一下基帶信號(hào)傳輸系統(tǒng)的典型模型。抽樣判決接收濾波器發(fā) 送濾波器傳輸信道基帶信號(hào)X（t） 輸出噪聲n(t) 圖2.1在發(fā)送端，數(shù)字基帶信號(hào)X(t)經(jīng)發(fā)送濾波器輸入到信道，發(fā)送濾波器的作用是限制發(fā)送頻帶，阻止不必要的頻率成分干擾相鄰信道。傳輸信道在這里是廣義的，它可以是傳

10、輸介質(zhì)（電纜、雙絞線等等），也可以是帶調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制信道。基帶信號(hào)在信道中傳輸時(shí)?；烊朐肼昻(t)，同時(shí)由于信道一般不滿足不失真?zhèn)鬏敆l件，因此要引起傳輸波形的失真。所以在接收端輸入的波形與原始的基帶信號(hào)X(t)差別較大，若直接進(jìn)行抽樣判決可能產(chǎn)生較大的誤判。因此在抽樣判決之前先經(jīng)過一個(gè)接收濾波器，它一方面濾除帶外噪聲，另一方面對(duì)失真波形進(jìn)行均衡。抽樣和判決電路使數(shù)字信號(hào)得到再生，并改善輸出信號(hào)的質(zhì)量。根據(jù)頻譜分析的基本原理，任何信號(hào)的頻域受限和時(shí)域受限不可能同時(shí)成立。因此基帶信號(hào)要滿足在頻域上的無失真?zhèn)鬏?，信?hào)其波形在時(shí)域上必定是無限延伸的，這就帶來了各碼元間相互串?dāng)_問題。造成判決錯(cuò)誤的主要

11、原因是噪聲和由于傳輸特性（包括發(fā)、收濾波器和信道特性）不良引起的碼間串?dāng)_。基帶脈沖序列通過系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的濾波作用使脈沖拖寬，在時(shí)間上，它們重疊到鄰近時(shí)隙中去。接收端在按約定的時(shí)隙對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行抽樣，并以抽樣時(shí)刻測定的信號(hào)幅度為依據(jù)進(jìn)行判決，來導(dǎo)出原脈沖的消息。若重疊到鄰接時(shí)隙內(nèi)的信號(hào)太強(qiáng)，就可能發(fā)生錯(cuò)誤判決。若相鄰脈沖的拖尾相加超過判決門限，則會(huì)使發(fā)送的“0”判為“1”。實(shí)際中可能出現(xiàn)好幾個(gè)鄰近脈沖的拖尾疊加，這種脈沖重疊，并在接收端造成判決困難的現(xiàn)象叫做碼間串?dāng)_。 因此可以看出，傳輸基帶信號(hào)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(huì)導(dǎo)致不必要

12、地浪費(fèi)帶寬。如果展寬得太多還會(huì)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(hào)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。碼間串?dāng)_與信道噪聲是影響基帶信號(hào)進(jìn)行可靠傳輸?shù)闹饕蛩?，而它們都與基帶傳輸系統(tǒng)的傳輸特性有密切的關(guān)系。使基帶系統(tǒng)的總傳輸特性能夠把碼間串?dāng)_和噪聲的影響減到足夠小的程度，是基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于碼間串?dāng)_和信道噪聲產(chǎn)生的機(jī)理不同，本次畢設(shè)只涉及到碼間串?dāng)_的部分的研究。2.3 設(shè)計(jì)方案1. 對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行碼型編碼，設(shè)計(jì)一個(gè)NRZ碼序列發(fā)生器，產(chǎn)生模擬輸出信號(hào)方波。2. 設(shè)計(jì)兩種信道（理想低通，升余弦滾降）來消除數(shù)字基帶

13、信號(hào)傳輸時(shí)產(chǎn)生的碼間串?dāng)_，設(shè)計(jì)合理的參數(shù)。3. 對(duì)一個(gè)幅度為A的矩形脈沖表示的單個(gè)碼元通過基帶傳輸信道后的時(shí)域波形進(jìn)行抽樣，取出11個(gè)抽樣點(diǎn)。4. 對(duì)一個(gè)脈沖序列通過上面所設(shè)計(jì)的傳輸信道，然后進(jìn)行抽樣，抽樣后的每一個(gè)碼元的時(shí)域波形進(jìn)行疊加，最后進(jìn)行抽樣判決恢復(fù)原始碼元，通過調(diào)整參數(shù)，觀察疊加后的效果，即發(fā)生串?dāng)_與消除串?dāng)_。5. 對(duì)發(fā)生串?dāng)_與無串?dāng)_時(shí)進(jìn)行時(shí)域的分析和比較。3 設(shè)計(jì)過程與分析3.1 數(shù)字基帶信號(hào)的產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號(hào)是數(shù)字信號(hào)的電脈沖表示，不同形式的數(shù)字基帶信號(hào)具有不同的頻譜結(jié)構(gòu)，合理地設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號(hào)以使數(shù)字信息變換為適合于信道傳輸特性的頻譜結(jié)構(gòu)，是基帶傳輸首先要考慮的問題。

14、通常又把數(shù)字信息的電脈沖表示過程稱為碼型變換，在有線信道中傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號(hào)又稱為線路傳輸碼型。數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜中含有豐富的低頻分量乃至直流分量。當(dāng)傳輸距離很近時(shí)，高頻分量衰減也不大。但是數(shù)字設(shè)備之間長距離有線傳輸時(shí)，高頻分量衰減隨距離的增加而增大，同時(shí)信道中通常還存在隔直流電容或耦合變壓器，因而傳輸頻帶的高頻和低頻部分均受限。 圖3.1模塊完成產(chǎn)生單極性NRZ碼的功能： 圖3.1模塊內(nèi)部功能介紹如下：提取子數(shù)組函數(shù)：Array subset 函數(shù)從一個(gè)數(shù)組中提取出維數(shù)與它相等或比它少的一個(gè)數(shù)組。它連接一個(gè)輸入數(shù)組以后，輸入端口對(duì)數(shù)就自動(dòng)與輸入數(shù)組的維數(shù)適合。每個(gè)端口上一個(gè)參數(shù)是定位提取子數(shù)

15、組位置的索引值，下一個(gè)參數(shù)是提取子數(shù)組的長度。插接一維數(shù)組函數(shù)：Interleave 1D Arrays 函數(shù)從輸入的n個(gè)一維數(shù)組中依次取出單個(gè)數(shù)值，插接成一個(gè)新的一維數(shù)組，新的數(shù)組長度等于1n,1是輸入數(shù)組中最短一個(gè)的長度。創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)：Build Array 可將單個(gè)數(shù)值建立成一個(gè)只有一個(gè)成員的數(shù)組，還可將一個(gè)一維數(shù)組建成只有一行的二維數(shù)組。圖3.2為前面版產(chǎn)生的信號(hào)：圖3.23.2數(shù)字基帶系統(tǒng)的脈沖傳輸通信的根本任務(wù)是遠(yuǎn)距離傳遞信息，因而如何準(zhǔn)確地傳輸數(shù)字信息是數(shù)字通信的一個(gè)重要組成部分。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸對(duì)象通常是二進(jìn)制數(shù)字信息，它可能來自計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)或其它數(shù)字設(shè)備的各種數(shù)字代碼

16、。也可能來自數(shù)字電話終端的脈沖編碼信號(hào)，設(shè)計(jì)數(shù)字傳輸系統(tǒng)的基本考慮是選擇一組有限的離散的波形來表示數(shù)字信息。這些離散波形可以是未經(jīng)調(diào)制的不同電平信號(hào)，也可以是調(diào)制后的信號(hào)形式。由于未經(jīng)調(diào)制的脈沖電信號(hào)所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開始，因而稱為數(shù)字基帶信號(hào)。在某些有線信道中，特別是傳輸距離不大遠(yuǎn)的情況下，數(shù)字基帶信號(hào)可以直接傳送，我們稱之為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸。而在另外一些信道，特別是無線信道和光信道中，數(shù)字基帶信號(hào)則必須經(jīng)過調(diào)制，將信號(hào)頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。我們把這種傳輸稱為數(shù)字信號(hào)的調(diào)制傳輸（或載波傳輸）。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)傳輸系統(tǒng)均可等效為基帶傳

17、輸系統(tǒng)。3.2.1 基帶傳輸過程分析數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的模型 如圖 3.3 T（w） C(w) R(w)信源碼形編碼接受濾波器信道發(fā)送濾波器 S(t) 碼形譯碼再生判決 圖3.3它主要由信道信號(hào)形成器、信道、接收濾波器和抽樣判決器組成。為了保證系統(tǒng)可靠有序地工作，還應(yīng)有同步系統(tǒng)。 各部分的作用簡述如下：信道信號(hào)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，它往往不適合直接送到信道中傳輸。信道信號(hào)形成器的作用就是把原始基帶信號(hào)變換成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)，這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：它

18、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失真?zhèn)鬏敆l件，甚至是隨機(jī)變化的。另外信道還會(huì)進(jìn)入噪聲。 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：它的主要作用是濾除帶外噪聲，對(duì)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)。而用來抽樣的位定時(shí)脈沖則依靠同步提取電路從接收信號(hào)中提取，位定時(shí)的準(zhǔn)確與否將直接影響判決效果。 本次畢設(shè)中通過討論系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和沖激響應(yīng)，用以解決碼間串?dāng)_現(xiàn)象。

19、 3.3發(fā)生碼間串?dāng)_的虛擬設(shè)計(jì)3.3.1 碼間串?dāng)_產(chǎn)生的原理分析：依據(jù)圖1可建立基帶傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖3.4。（圖3.4）圖中， 表示發(fā)送濾波器的傳遞函數(shù)， 表示基帶傳輸系統(tǒng)信道的傳遞函數(shù)， 表示接收濾波器的傳遞函數(shù)。為方便起見，假定輸入基帶信號(hào)的基本脈沖為單位沖激 ，這樣由輸入符號(hào)序列 決定的發(fā)送濾波器輸入信號(hào)可以表示為 其中 是 的第 個(gè)碼元，對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)， 的取值為 0 、 1 （單極性信號(hào)）或 -1 、 +1 （雙極性信號(hào)）。定義 表示從發(fā)送濾波器至接收濾波器總的傳輸特性，即。則由圖3.4可得抽樣判決器的輸入信號(hào)為 式中， 是 的傅氏反變換，為系統(tǒng)的沖激響應(yīng)，可表示為是加性噪

20、聲 通過接收濾波器 后所產(chǎn)生的輸出噪聲。抽樣判決器對(duì) 進(jìn)行抽樣判決，以確定所傳輸?shù)臄?shù)字信息序列 。為了判定其中第 個(gè)碼元 的值，應(yīng)在 瞬間對(duì) 抽樣。這里 是傳輸時(shí)延，通常取決于系統(tǒng)的傳輸函數(shù) 。顯然，此抽樣值為式中，右邊第一項(xiàng) 是第 個(gè)接收基本波形在抽樣瞬間 所取得的值，它是確定 信息的依據(jù)；第二項(xiàng) 是除第 個(gè)以外的其它所有接收基本波形在 瞬間所取值的總和，它對(duì)當(dāng)前碼元 的判決起著干擾的作用，稱之為碼間串?dāng)_值。這種因信道頻率特性不理想引起波形畸變，從而導(dǎo)致實(shí)際抽樣判決值是本碼元脈沖波形的值與其它所有脈沖波形拖尾的疊加，并在接收端造成判決困難的現(xiàn)象叫碼間串?dāng)_（或碼間干擾）。由于 是隨機(jī)的，所以碼

21、間串?dāng)_值一般是一個(gè)隨機(jī)變量；第三項(xiàng) 是輸出噪聲在抽樣瞬間的值，顯然它是一個(gè)隨機(jī)干擾。由于隨機(jī)性的碼間串?dāng)_和噪聲的存在，使抽樣判決電路在判決時(shí)可能判對(duì)，也可能判錯(cuò)。例如，假設(shè) 的可能取值為 0 與 1 ，判決電路的判決門限為 ，則這時(shí)的判決規(guī)則為：若 成立，則判 為 1 ；反之則判 為 0 。顯然，只有當(dāng)碼間干擾和隨機(jī)干擾很小時(shí)，才能保證上述判決的正確；當(dāng)干擾及噪聲嚴(yán)重時(shí)，則判錯(cuò)的可能性就很大。3.3.2設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)機(jī)理：碼元序列在經(jīng)過不具有升余弦滾降特性的系統(tǒng)抽樣后，前面的碼元對(duì)后面的若干碼元都有影響，會(huì)發(fā)生碼元間的混疊，即產(chǎn)生碼間串?dāng)_。（1）抽樣時(shí)刻的選?。?此模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)抽樣時(shí)刻的選取：模塊

22、內(nèi)部功能介紹如下： 檢索數(shù)組函數(shù)：Index Array 可以得到n維數(shù)組的元素或子數(shù)組，其中數(shù)據(jù)端口Array連接被索引的數(shù)組，數(shù)據(jù)端口index（row）指明數(shù)組的行索引，disabled index(col)是其列索引: For 循環(huán)有兩個(gè)固定的端口，計(jì)數(shù)端口count是一個(gè)輸入端口，除非使用自動(dòng)索引功能，否則都要在For循環(huán)框外，為count端口連接一個(gè)整形數(shù)，指定循環(huán)執(zhí)行的次數(shù)。如果連接其他類型的數(shù)值，Labview自動(dòng)把它強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為最接近的整形數(shù)。對(duì)正好的兩個(gè)數(shù)之間的數(shù)，則轉(zhuǎn)化為接近的偶數(shù)。此圖3.5模塊的功能是完成傳輸系統(tǒng)選取11個(gè)時(shí)刻對(duì)序列中的單個(gè)碼元分別進(jìn)行抽樣。注：紅色圓點(diǎn)

23、顯示位置即為傳輸系統(tǒng)選取的11個(gè)抽樣時(shí)刻，綠色曲線為傳輸系統(tǒng)的沖激響應(yīng)波形圖3.5抽樣間隔由控制（2）對(duì)單個(gè)碼元進(jìn)行抽樣此圖3.6模塊實(shí)現(xiàn)單個(gè)碼元經(jīng)過系統(tǒng)后進(jìn)行抽樣：圖3.6模塊內(nèi)部功能介紹如下：檢索數(shù)組函數(shù)： 用索引數(shù)組函數(shù)Index Array 可以得到n維數(shù)組的元素或子數(shù)組，其中數(shù)據(jù)端口Array連接被索引的數(shù)組，數(shù)據(jù)端口index（row）指明數(shù)組的行索引，disabled index(col)是其列索引，提取完序列中的單個(gè)碼元后分別與系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行相乘運(yùn)算，進(jìn)行抽樣。 （3）抽樣后的碼元疊加此圖3.7模塊完成碼元序列經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后的碼元疊加波形：圖3.7 模塊內(nèi)部功能介紹如下： 替換數(shù)

24、組成員函數(shù)： Replace Array Subset 函數(shù)與 Index Array 函數(shù)在為數(shù)組成員定位的方法上是一致的，但是它不是要索引出定位后的成員，而是用另外的數(shù)據(jù)替換它。替換后的數(shù)組與原來的數(shù)組大小和數(shù)據(jù)類型是完全一致的。 Compound Arithmetic 函數(shù)將數(shù)組，族，字符串等組合合并起來，進(jìn)行輸出。如圖3.8注：藍(lán)色波形為碼元序列經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后的各個(gè)碼元疊加后的實(shí)際波形。圖3.8（4）理論值與實(shí)際值的比較：此圖3.9模塊實(shí)現(xiàn)碼元序列經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后碼元疊加后的實(shí)際波形與應(yīng)有的理論值相比圖3.9模塊內(nèi)部功能介紹如下： 提取子數(shù)組函數(shù)： Array Subset 函數(shù)從一個(gè)數(shù)

25、組中提取出維數(shù)與它相等或比它少的一個(gè)數(shù)組。它連接一個(gè)輸入數(shù)組以后，輸入端口對(duì)數(shù)組就自動(dòng)與輸入數(shù)組維數(shù)適合。每對(duì)端口上一個(gè)參數(shù)是定位提取子數(shù)組位置的索引值，下一個(gè)參數(shù)是提取子數(shù)組的長度。合成簇函數(shù)： Bundle函數(shù)當(dāng)不接入輸入?yún)?shù)cluster時(shí)，Bundle函數(shù)把element 0到n-1打包生成含有n個(gè)元素的新簇，并在Output cluster 中輸出。輸入元素的數(shù)目可以任意，接入端子的順序決定了所生成簇中元素的順序。當(dāng)接入了輸入?yún)?shù) cluster 時(shí)，輸入元素的端子數(shù)目自動(dòng)調(diào)整為與cluster所含元素?cái)?shù)目相同，函數(shù)功能為替換cluster中的指定元素，并將替換結(jié)果在output c

26、luster 中輸出。沒有接入替換元素的原簇元素保持不變。接入元素的順序必須與cluster中所含元素的順序按類匹配。創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)：Build Array 可將單個(gè)數(shù)值建立成一個(gè)只有一個(gè)成員的數(shù)組，還可將一個(gè)一維數(shù)組建成只有一行的二維數(shù)組。刪除數(shù)組成員函數(shù) Delete From Array 函數(shù)用于刪除數(shù)組中的某些成員，它的外形以及定位數(shù)組成員的方式與Insert Inter Array 函數(shù)很相似。在它的Array 輸入?yún)?shù)下面是length參數(shù)，即刪除長度。這個(gè)參數(shù)如果不連接，默認(rèn)值是1。這是假如array參數(shù)輸入一個(gè)二維數(shù)組，那么deleted portion 參數(shù)輸出是一個(gè)一維數(shù)組。

27、注：藍(lán)色波形為碼元經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后的實(shí)際碼元序列的疊加波形，紅色圓點(diǎn)位置為碼元序列經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后應(yīng)恢復(fù)的理論值，實(shí)際波形上與紅點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置時(shí)刻的值為碼元經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后的實(shí)際值。如圖3.10圖3.10通過圖中藍(lán)色波形與紅色圓點(diǎn)位置的比較可知碼元序列經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后，在抽樣時(shí)刻前后碼元間的波形發(fā)生了混疊，發(fā)生了碼間串?dāng)_。（5）抽樣判決恢復(fù)與比較 此圖3.11模塊完成抽樣判決恢復(fù)的碼元序列與實(shí)際發(fā)送的碼元序列的比較：圖3.11模塊內(nèi)部功能介紹如下：數(shù)組大小函數(shù)： Array size 函數(shù)連接一維數(shù)組時(shí)，它返回一個(gè)數(shù)值，表示數(shù)組有幾個(gè)成員。給它連接二維數(shù)組時(shí)，它返回一個(gè)一維數(shù)組，前一個(gè)數(shù)值表示輸入的二維數(shù)

28、組有幾行，后一個(gè)數(shù)值表示輸入的二維數(shù)組有幾列。檢索數(shù)組函數(shù)：用索引數(shù)組函數(shù)Index Array 可以得到n維數(shù)組的元素或子數(shù)組，其中數(shù)據(jù)端口Array連接被索引的數(shù)組，數(shù)據(jù)端口index（row）指明數(shù)組的行索引，disabled index(col)是其列索引創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)：Build Array 可將單個(gè)數(shù)值建立成一個(gè)只有一個(gè)成員的數(shù)組，還可將一個(gè)一維數(shù)組建成只有一行的二維數(shù)組。公式節(jié)點(diǎn)：用來進(jìn)行抽樣判決，設(shè)置抽樣判決電平為0.5，當(dāng)抽樣恢復(fù)后的值大于或等于0.5時(shí)，判決為1，當(dāng)小于0.5時(shí)，判決為0。注：綠色波形為實(shí)際發(fā)送的碼元序列波形，紅色波形為碼元經(jīng)過系統(tǒng)抽樣判決后恢復(fù)的估計(jì)值，藍(lán)色

29、波形為碼元經(jīng)過系統(tǒng)再生判決后恢復(fù)的判決值。如圖3.12圖3.12通過波形比較，實(shí)際發(fā)送的碼元序列中的第15與17個(gè)碼元在經(jīng)過系統(tǒng)抽樣，碼元疊加，再生判決后發(fā)生了誤碼，由0變成了1，判決值與實(shí)際值不符，即發(fā)生了碼間串?dāng)_。3.4 滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則的基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.4.1 奈奎斯特第一準(zhǔn)則從理論上講，我們期望碼間干擾值為零，因此，研究無碼間干擾時(shí)的H(w)具有十分重要的意義。所謂無碼間干擾，就是h(t)在抽樣時(shí)刻的值應(yīng)滿足下式: (3.2.4-1)也就是說，h(t)的值除t=0時(shí)不為零外，在其他所有抽樣點(diǎn)上均為零。由式可以看出，此時(shí)不存在碼間干擾。現(xiàn)在需要找到滿足式(3.2.4-1)的H(

30、w)。無碼間干擾時(shí)基帶傳輸特性應(yīng)滿足：(3.2.4-2)若基帶系統(tǒng)的傳輸特性H(w)能滿足式(3.2.4-2),則可消除碼間干擾。這是檢驗(yàn)一個(gè)給定的系統(tǒng)傳輸特性H(w)是否會(huì)引起碼間干擾的準(zhǔn)則，稱為奈奎斯特第一準(zhǔn)則。式(3.2.4-2)的物理意義: 基帶系統(tǒng)的傳輸特性H（w）沿w軸平移再相加起來，在區(qū)間疊加的結(jié)果為一條水平直線，即為一固定數(shù)值。 如圖3.13圖3.133.4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.2.1 設(shè)計(jì)分析利用Formula Node(公式節(jié)點(diǎn)) 產(chǎn)生系統(tǒng)函數(shù)的沖激響應(yīng)，圖3.14圖3.14在程序中有時(shí)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，這時(shí)如果單純依靠編寫圖形代碼的方法來實(shí)現(xiàn)是很復(fù)雜的，而且程序的可讀性

31、會(huì)變差。這種情況下，可以使用公式節(jié)點(diǎn)Formula Node.公式節(jié)點(diǎn)中的文本看上去就像一小段C語言的程序。公式節(jié)點(diǎn)中也可以聲明變量，可以使用C語言的語法，可以加語句注釋，每個(gè)公式語句也是以分號(hào)結(jié)束。公式節(jié)點(diǎn)中允許使用的函數(shù)名可以在上下幫助窗口中找到。而算數(shù)符，語法和函數(shù)的詳細(xì)說明則需要在下一級(jí)的幫助窗口中才能找到。系統(tǒng)函數(shù)特性由發(fā)送碼元間隔T 和系統(tǒng)抽樣間隔t 控制，當(dāng)t=nT時(shí)，系統(tǒng)函數(shù)才具有奇對(duì)稱升余弦形狀，此時(shí)系統(tǒng)才等效于具有升余弦滾降特性的基帶系統(tǒng)。當(dāng)碼元序列通過該系統(tǒng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無碼間串?dāng)_。此時(shí) 值才有意義，即為滾降系數(shù)。通過設(shè)定不同的值來選定不同滾降特性的升余弦信號(hào)。當(dāng)tnT時(shí)，系

32、統(tǒng)函數(shù)則不具有奇對(duì)稱升余弦形狀。當(dāng)碼元序列通過此系統(tǒng)時(shí)，會(huì)發(fā)生碼間串?dāng)_現(xiàn)象。如圖3.15圖3.153.4.2.2 理論基礎(chǔ)我們可以按圖3.16圖3.16所示的構(gòu)造思想去設(shè)計(jì)H()特性，只要圖中的Y()具有對(duì)W1呈奇對(duì)稱的振幅特性，則H()即為所要求的。這種設(shè)計(jì)也可看成是理想低通特性按奇對(duì)稱條件進(jìn)行“圓滑”的結(jié)果，上述的“圓滑”， 通常被稱為“滾降”。 定義滾降系數(shù)為其中W1是無滾降時(shí)的截止頻率，W2為滾降部分的截止頻率。 顯然，01。不同的有不同的滾降特性。具有滾降系數(shù)的余弦滾降特性H()可表示成它所對(duì)應(yīng)的沖激響應(yīng)為：實(shí)際的H()可按不同的來選取由圖所示余弦滾降系統(tǒng)： (a)傳輸特性 （b）沖

33、激響應(yīng)當(dāng) ，即采用余弦滾降時(shí)，對(duì)應(yīng)的 仍舊保持從 開始，向左、右每隔 出現(xiàn)一個(gè)零點(diǎn)的特點(diǎn)，滿足抽樣瞬間無碼間串?dāng)_的條件，但式中第二個(gè)因子 對(duì)波形的衰減速度是有很大影響的。一方面， 的存在，會(huì)產(chǎn)生新的零點(diǎn)，加速 的 “尾巴”衰減；另 一方面， 波形的 “尾巴”按 的規(guī)律衰減，比理想低通時(shí)小得多。 衰減的快慢還與 有關(guān)， 越大，衰減越快，碼間串?dāng)_越小，錯(cuò)誤判決的可能性越小。輸出信號(hào)頻譜所占據(jù)的帶寬 。當(dāng) 時(shí)， ，頻帶利用率為 2Baud/Hz ； 時(shí)， ，頻帶利用率為 1Baud/Hz ；一般情況下， =0 1 時(shí)， ，頻帶利用率為 2 1Baud/Hz ?？梢钥闯?越大， “尾部” 衰減越快，但

34、帶寬越寬，頻帶利用率越低。因此，用滾降特性來改善理想低通，實(shí)質(zhì)上是以犧牲頻帶利用率為代價(jià)換取的。這是一種現(xiàn)實(shí)有用的限制頻帶、提高頻帶利用率的途徑，實(shí)際中通常取0.20.6。太小一方面實(shí)現(xiàn)困難， 太大則犧牲頻帶利用率。從理論和實(shí)際來看，一般取=0.5。（1）當(dāng) 時(shí)，為 無 “滾降”的理想基帶傳輸系統(tǒng)， 的“尾巴” 按 的規(guī)律衰減。理論分析：H(w)設(shè)計(jì)為理想低通型時(shí)，有理想低通濾波器的沖激響應(yīng)是抽樣函數(shù)，如圖所示：從圖中可以看出，輸入數(shù)據(jù)若以波特速率傳送時(shí)，理想低通濾波器的沖激響應(yīng)在時(shí)不為0,在其他抽樣時(shí)刻時(shí)都等于0，這表明采用這種波形作為接收波形時(shí)，不存在碼間干擾，如果該系統(tǒng)的碼元傳輸速率大于

35、，將會(huì)存在碼間干擾。因?yàn)橄到y(tǒng)的頻帶寬度為，而最高碼元傳輸速率為，因而采用理想低通濾波器沖激響應(yīng)作為接收波形時(shí)，其頻帶利用率為2波特/赫。設(shè)系統(tǒng)頻帶為赫，則該系統(tǒng)無碼間干擾時(shí)最高的傳輸速率為2波特，我們把這個(gè)傳輸速率稱為奈奎斯特速率。理想低通系統(tǒng)： （a） 傳輸特性； (b) 沖激響應(yīng)雖然理想低通濾波特性達(dá)到了系統(tǒng)有效性能的極限，可這種特性實(shí)際上是不可能達(dá)到的，因?yàn)樗髠鬟f函數(shù)有無限陡峭的過渡帶。 理想低通系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在兩個(gè)問題：（一）是過度帶無限陡峭，不能實(shí)現(xiàn)；即便使用很復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)也只能接近理想特性（二）是理想的沖激響應(yīng)h(t) 的“尾巴”很長，衰減很慢，當(dāng)定時(shí)存在偏差時(shí)， 可能出現(xiàn)嚴(yán)

36、重的碼間串?dāng)_?？紤]到實(shí)際的傳輸系統(tǒng)總是可能存在定時(shí)誤差的，因而，一般不采用Heq()=H()，而只把這種情況作為理想的“標(biāo)準(zhǔn)”或者作為與別的系統(tǒng)特性進(jìn)行比較時(shí)的基礎(chǔ)。（2）11 時(shí)，是實(shí)際中常采用的升余弦頻譜特性，這時(shí)，H()可表示為，此時(shí)帶寬為 無串?dāng)_速率為 最大頻帶利用率為 ，與 比頻帶利用率下降。 系統(tǒng)響應(yīng)波形拖尾收斂速度加快： 。 （3），一般升余弦滾降特性 對(duì)上圖 所示的升余弦滾降特性， 。其無滾降截止頻率為 ，系統(tǒng)帶寬 系統(tǒng)無碼間干擾的最大碼元速率為 ；系統(tǒng)最大頻帶利用率為：3.5 碼間串?dāng)_的消除 當(dāng)系統(tǒng)為具有升余弦滾降特性時(shí)，碼元序列經(jīng)系統(tǒng)抽樣后，僅在本碼元的抽樣時(shí)刻上有最大值，

37、而對(duì)其他碼元的抽樣時(shí)刻信號(hào)值無影響，即在抽樣點(diǎn)上不存在碼間串?dāng)_。（1）預(yù)設(shè)序列 如圖3.17圖3.17（2）抽樣 當(dāng) 時(shí)，滿足t=nT，即此時(shí)系統(tǒng)為具有奇對(duì)稱升余弦形狀，此時(shí)滾降系數(shù)值有意義選定，此時(shí)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)及其對(duì)碼元的抽樣時(shí)刻顯示如圖3.18所示注：綠色波形為系統(tǒng)的沖激響應(yīng)波形，紅點(diǎn)位置為系統(tǒng)選取的對(duì)碼元的抽樣時(shí)刻圖3.18（3）抽樣后碼元疊加注：藍(lán)色波形為碼元經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后的實(shí)際碼元序列的疊加波形，紅色圓點(diǎn)位置為碼元序列經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后應(yīng)恢復(fù)的理論值，實(shí)際波形上與紅點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置時(shí)刻的值為碼元經(jīng)過系統(tǒng)抽樣后的實(shí)際值。圖3.19由圖3.19可看出，紅點(diǎn)位置與疊加波形完全吻合，碼元序列經(jīng)過系統(tǒng)

38、抽樣后沒有發(fā)生碼元間的混疊現(xiàn)象，即解決了實(shí)現(xiàn)了無碼間串?dāng)_。（4）抽樣判決 注：綠色波形為實(shí)際發(fā)送的碼元序列波形，紅色波形為碼元經(jīng)過系統(tǒng)抽樣判決后恢復(fù)的估計(jì)值，藍(lán)色波形為碼元經(jīng)過系統(tǒng)再生判決后恢復(fù)的判決值。圖3.20 由圖3.20可看出經(jīng)系統(tǒng)傳輸后的波形經(jīng)抽樣再生判決后可準(zhǔn)確無誤的恢復(fù)原始碼元。結(jié)論通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過討論系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和沖激響應(yīng)，以及奈奎斯特第一準(zhǔn)則中對(duì)無碼間干擾時(shí)的H(w)的要求，在由系統(tǒng)函數(shù)特性由發(fā)送碼元間隔T 和系統(tǒng)抽樣間隔t 控制，當(dāng)t=nT時(shí)，系統(tǒng)函數(shù)才具有奇對(duì)稱升余弦形狀，此時(shí)系統(tǒng)才等效于具有升余弦滾降特性的基帶系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用具有升余弦滾降特性時(shí)，碼元序列

39、經(jīng)系統(tǒng)抽樣后，僅在本碼元的抽樣時(shí)刻上有最大值，而對(duì)其他碼元的抽樣時(shí)刻信號(hào)值無影響，使用labview實(shí)現(xiàn)在數(shù)字通信無碼間串?dāng)_傳輸系統(tǒng)上進(jìn)行了虛擬的實(shí)現(xiàn)?？蓪?shí)際上在基帶傳輸系統(tǒng)中，傳輸特性（包括收、發(fā)濾波器，信道特性）的不理想以及噪聲的存在都會(huì)引起的碼間串?dāng)_。實(shí)際的基帶傳輸系統(tǒng)不可能完全滿足無碼間串?dāng)_傳輸條件，因而碼間串?dāng)_是不可避免的，可以從二個(gè)方向上進(jìn)行改進(jìn)。方向一 時(shí)域均衡對(duì)系統(tǒng)的傳輸函數(shù) 進(jìn)行校正，使其達(dá)到或接近無碼間串?dāng)_要求的特性。理論和實(shí)踐表明，在基帶系統(tǒng)中插入一種可調(diào)（或不可調(diào)）濾波器就可以補(bǔ)償整個(gè)系統(tǒng)的幅頻和相頻特性，從而減小碼間串?dāng)_的影響。這個(gè)對(duì)系統(tǒng)校正的過程稱為均衡，實(shí)現(xiàn)均衡的

40、濾波器稱為均衡器。均衡器又分為頻域均衡器和時(shí)域均衡器。頻域均衡的思路是利用幅度均衡器和相位均衡器來補(bǔ)償傳輸系統(tǒng)的幅頻和相頻特性的不理想性，以達(dá)到所要求的理想形成波形，從而消除符號(hào)間干擾，是以保持形成波形的不失真為出發(fā)點(diǎn)的；時(shí)域均衡的思路是根據(jù)大多數(shù)高、中速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的判決可靠性，都是建立在消除取樣點(diǎn)的符號(hào)間干擾的基礎(chǔ)上，并不要求傳輸波形的所有細(xì)節(jié)都與奈氏準(zhǔn)則所要求的理想波形一致，利用接收波形本身來進(jìn)行補(bǔ)償，消除取樣點(diǎn)的符號(hào)間干擾，提高判決的可靠性。時(shí)域均衡是對(duì)信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行處理，較之頻域均衡更為直接和直觀。方向二部分響應(yīng)系統(tǒng)隨著高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)頻帶利用率的要求越來越高，簡單消

41、除碼間串?dāng)_有時(shí)不能滿足提高頻帶利用率的要求。近年來，部分響應(yīng)系統(tǒng)在高速、大容量系統(tǒng)中得到應(yīng)用。對(duì)無碼間干擾理想低通系統(tǒng)及升余弦系統(tǒng)進(jìn)行比較（見下表）可知： 頻帶利用率 沖激響應(yīng)波形 過渡帶 低通型 2B/Hz 拖尾大，收斂慢 無 升余弦型 1B/Hz 拖尾小，收斂快 有 (1)雖然理想低通能達(dá)到無碼間干擾且頻帶最節(jié)省，但要求系統(tǒng)的碼元速率和取樣定時(shí)十分準(zhǔn)確，另外物理上難以實(shí)現(xiàn)。(2)等效理想低通傳輸特性，例如升余弦滾降特性，這種特性的單位沖激響應(yīng)的“尾巴”衰減較快，對(duì)定時(shí)要求不像理想低通那樣嚴(yán)格，但所需的頻帶變寬了，頻帶利用率下降了。 因此，高的頻帶利用率和系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)的“尾巴”衰減快是相互矛盾的，