通信系統(tǒng)建模與仿真基于Simulink的基帶傳輸系統(tǒng)的仿真設(shè)計

1、. . . . 通信系統(tǒng)建模與仿真課程設(shè)計題 目 基于Simulink的基帶傳輸系統(tǒng)的仿真 2013年6月14日1 任務(wù)書試建立一個基帶傳輸模型，發(fā)送數(shù)據(jù)為二進制雙極性不歸零碼，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。（1） 設(shè)計接收機采樣判決部分，對比發(fā)送數(shù)據(jù)與恢復(fù)數(shù)據(jù)波形，并統(tǒng)計誤碼率。（2） 要求觀察接收信號眼圖，說明眼圖意義與影響因素，改變影響眼圖的參數(shù)，觀察是否有變化。（3） 設(shè)計定時提取系統(tǒng)，說明定時提取的原理，觀察定時提取脈沖的波形，說明其正確性。2 基帶系統(tǒng)的理論分析（1.基帶系統(tǒng)傳輸模型和

2、工作原理；2.基帶系統(tǒng)設(shè)計中的碼間干擾和噪聲干擾以與解決方案，3.定時提取原理）1.基帶系統(tǒng)傳輸模型和工作原理數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成框圖如圖 1 所示，它通常由脈沖形成器、發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、抽樣判決器與碼元再生器組成。系統(tǒng)工作過程與各部分作用如下。抽樣判決抽樣判決接 收濾波器帶限信 道發(fā) 送濾波器 M進制 數(shù)字信息 輸出 定時信號 圖 1 ：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)方框圖發(fā)送濾波器進一步將輸入的矩形脈沖序列變換成適合信道傳輸?shù)牟ㄐ?。這是因為矩形波含有豐富的高頻成分，若直接送入信道傳輸，容易產(chǎn)生失真?；鶐鬏斚到y(tǒng)的信道通常采用電纜、架空明線等。信道既傳送信號，同時又因存在噪聲和頻率特性不

3、理想而對數(shù)字信號造成損害，使得接收端得到的波形與發(fā)送的波形具有較大差異。接收濾波器是收端為了減小信道特性不理想和噪聲對信號傳輸?shù)挠绊懚O(shè)置的。其主要作用是濾除帶外噪聲并對已接收的波形均衡，以便抽樣判決器正確判決。抽樣判決器首先對接收濾波器輸出的信號在規(guī)定的時刻（由定時脈沖控制）進行抽樣，獲得抽樣信號，然后對抽樣值進行判決，以確定各碼元 是 “1”碼還是“0” 碼。2.基帶系統(tǒng)設(shè)計中的碼間干擾和噪聲干擾以與解決方案實際通信中傳輸信道的帶寬是有限的，帶限信道的沖擊響應(yīng)在時間上是無限的，因此一個時隙代表數(shù)據(jù)的波形經(jīng)過帶限信道后將在鄰近的其他時隙上形成非零值，即波形的拖尾。拖尾和鄰近時隙的傳輸波形相互

4、疊加，形成傳輸數(shù)據(jù)之間的混疊，造成碼間串擾。由于隨機性的碼間串擾和噪聲的存在，使抽樣判決電路在判決時可能出錯。顯然，只有當碼間干擾和隨機干擾很小時，才能保證上述判決的正確；當干擾與噪聲嚴重時，則判錯的可能性就很大。1）碼間干擾與解決方案碼間干擾解決方案： 要求基帶系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H(w)滿足奈奎斯特第一準則：若不能滿足奈奎斯特第一準則，在接收端加入時域均衡，減小碼間干擾?；鶐到y(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。這樣對應(yīng)的h(t)拖尾收斂速度快，能夠減小抽樣時刻對其他信號的影響即減小碼間干擾。2)噪聲干擾與解決方案噪聲干擾：基帶信號沒有經(jīng)過調(diào)制就直接在含有加性噪聲的信道中傳輸，加

5、性噪聲會疊加在信號上導(dǎo)致信號波形發(fā)生畸變。解決方案：在接收端進行抽樣判決；匹配濾波，使得系統(tǒng)輸出性噪比最大。3.定時提取原理：雙極性二進制信號本身不含定時信息，需要對其進行非線性處理（取絕對值），提取時鐘的二倍頻分量，最后通過二分頻來恢復(fù)接收定時時鐘。用鎖相環(huán)來鎖定定時脈沖的二次諧波后以二分頻得出定時脈沖。用示波器觀察恢復(fù)定時與理想定時之間的相位差，然后通過調(diào)整Integer Delay模塊的延時量使恢復(fù)定時脈沖的上升沿對準眼圖最佳采樣時刻。3 基帶系統(tǒng)設(shè)計方案（分別對各模塊的選擇說明原因）信源的選擇：本次課程設(shè)計的發(fā)送數(shù)據(jù)為二進制雙極性不歸零碼。在simulink的模塊庫中“Bernoull

6、i BinaryGenerator（伯努利二進制信源）”模塊可產(chǎn)生伯努利分布的隨機二進制數(shù)序列。再通過一個“Relay”模塊即可將其變?yōu)殡p極性不歸零碼。發(fā)送濾波器和接收濾波器的選擇：基帶系統(tǒng)設(shè)計的核心問題是濾波器的選取，根據(jù)對信源的分析，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，同時為了得到最大輸出信噪比，在此選擇平方根升余弦濾波器作為發(fā)送（接收）濾波器，滾降系數(shù)為0.5，接收濾波器與發(fā)送濾波器相匹配。以得到最佳的通信性能（即誤碼率最?。┬诺赖倪x擇：信道是允許基帶信號通過的媒質(zhì)，通常為有線信道，信道的傳輸特性通常不滿足無

7、失真?zhèn)鬏敆l件，且含有加性噪聲。因此本次系統(tǒng)仿真采用加性高斯信道。抽樣判決器的選擇：抽樣判決器是在傳輸特性不理想與噪聲背景下，在規(guī)定時刻(由位定時脈沖控制)對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。根據(jù)二進制雙極性不歸零碼的特點，在接收中的判決門限為0。采用“Relay”判決模塊進行判決，用“Product”相乘器模塊進行采樣，“TriggeredSubsystem”保持模塊構(gòu)成抽樣判決器。5：對比發(fā)送數(shù)據(jù)與恢復(fù)數(shù)據(jù)波形用“Scope”模塊，統(tǒng)計誤碼率用“Error Rate Calculation”模塊。4 SIMULINK下基帶系統(tǒng)的設(shè)計（分別說明各模塊參數(shù)設(shè)置情況，最后給出

8、總的模型圖）1信源的建模與相關(guān)參數(shù)設(shè)置二進制雙極性不歸零碼用到的simulink模塊有“Bernoulli BinaryGenerator”、“Relay”?？紤]到設(shè)計要求，“Bernoulli BinaryGenerator”參數(shù)設(shè)置為“Sample time”為“1/1000”，其余參數(shù)為默認值；“PulseGenerator” 參數(shù)設(shè)置為“Sample time”為“1e-4”，“Period”為“10”“Pulse Width”為“5”，其余參數(shù)為默認值?！癛elay”判決門限為0.5，大于0.5輸出1，小于0.5則輸出-1，其余參數(shù)為默認。其模型搭建方式如下圖所示發(fā)送濾波器、信道、接

9、收匹配濾波器的建模與參數(shù)設(shè)置： 發(fā)送濾波器參數(shù) AWGN參數(shù) 匹配接收濾波器參數(shù)抽樣與判決器的建模與參數(shù)設(shè)置： Relay判決模塊參數(shù)基帶傳輸系統(tǒng)的總模型：定時提取子系統(tǒng)：5 仿真結(jié)果分析（波形對比分析，誤碼率分析，接收信號眼圖分析等）1、發(fā)送數(shù)據(jù)波形與接收數(shù)據(jù)波形從以上兩圖可以看出，發(fā)送數(shù)據(jù)波形與接收數(shù)據(jù)波形完全吻合，由于誤碼率很低且示波器的顯示圍有限，在圖中看不到傳輸錯誤的碼元。通過接收端與發(fā)送端時域波形對比，可以看出設(shè)計的抽樣判決器的抽樣判決門限比較合理，可以順利的完成對基帶信號的抽樣判決，與理論分析相一致。2、經(jīng)過升速率，發(fā)送濾波器，高斯信道，接收匹配濾波器后各點時域波形：3、接收眼圖

10、波形與分析：加性高斯信道的信噪比為50dB時：（1）從上圖中可以看出，眼圖的線跡比較細，比較清晰，并且“眼睛”很大，說明誤碼率比較低，碼間串擾與噪聲對系統(tǒng)傳輸可靠性影響不大。（2）從上圖中可以看出最佳時刻是0.5,1.5左右等時刻“眼睛”最大即抽樣最佳時刻。（3）因為眼圖眼邊的斜率比較大，所以看出定時誤差靈敏度比較敏感。（4）“眼睛”開的寬度為可抽樣的時間圍。（5）抽樣時刻，上下兩個陰影區(qū)的間隔距離之半為噪聲容限，若噪聲瞬時值超過它就可能發(fā)生錯判。加性高斯信道的信噪比為10dB時：（6）從上圖可以看出眼圖比較亂，說明誤碼率較大。對比兩圖可發(fā)現(xiàn)噪聲對系統(tǒng)的傳輸有很大影響。4、誤碼率統(tǒng)計與分析：通

11、過誤碼率統(tǒng)計“Error Rate Calculation”模塊?？芍撓到y(tǒng)的誤碼率為0.001，且誤碼率會隨著仿真時間的增長逐步降低。出現(xiàn)錯誤的原因可能有以下幾個方面：、誤碼有可能是由于噪聲造成的。由于噪聲的存在，可能會使原有基帶信號的正負電平出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，由于抽樣判決門限為0，造成判決出錯出現(xiàn)誤碼。、有可能是碼間干擾的原因。雖然理論分析可以完全消除碼間干擾，但是由于平方根升余弦濾波器等部件不可能是完全理想的，所以在仿真與實際工程中碼間干擾是不會完全消除的。、由于采用相乘器等模塊構(gòu)造解碼器，其解碼過程也有可能會出錯。5：定時提取脈沖的波形：（上圖是定時提取系統(tǒng)的輸出波形，下圖是以Pulse Ge

12、neratorl模塊作為理想接收恢復(fù)定時的輸出波形。）（1）：當定時提取子模塊延時4個時隙時：（2） ：當定時提取子模塊延時8個時隙時：（1） （2）對比兩圖可發(fā)現(xiàn)定時提取模塊延時改變，眼圖變化不大，但誤碼率差別很大。當延時為4時，誤碼率小，說明恢復(fù)定時脈沖的上升沿對準了眼圖的最佳采樣時刻，且與理想定時器的采樣時刻一樣。延時改變時，誤碼率增大，與理想定時器的采樣時刻不對應(yīng)。6 遇到的問題與解決的方法因為通信建模書上有相似的例題，所以只是把兩個例題的模塊組合到一起，然后修改下要求的參數(shù)。但仿真后眼圖很亂，而且發(fā)送數(shù)據(jù)與恢復(fù)數(shù)據(jù)波形相比有一定延時。經(jīng)過思考影響眼圖的因素，最終發(fā)現(xiàn)原因在加性高斯信道上，信噪比高，眼圖就好，信噪比低眼圖就很亂。由于發(fā)送濾波器和接收濾波器的濾波延時均設(shè)計為10個傳輸碼元時隙，所以在傳輸中共延時20個時隙，所以接收數(shù)據(jù)比發(fā)送數(shù)據(jù)延時了20個碼元。7 結(jié)束語（收獲、體會和改進設(shè)計的建議） 這次的課程設(shè)計雖然時間很短，但我學到了很多東西。通過這次的課程設(shè)計，讓我更加清楚明