基于眼圖判決的基帶傳輸系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)——

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 基于眼圖判決的基帶傳輸系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 系 別： 專 業(yè)： 屆 別： 指導(dǎo)教師： 基于眼圖判決的基帶傳輸系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)用System View建立一個(gè)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真電路，信道中加入高斯白噪聲（均值為0，均方差可調(diào)），分析理解系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能，并通過觀察眼圖，判斷系統(tǒng)信道中的噪聲情況。2課程設(shè)計(jì)的背景及應(yīng)用 2.1研究的意義 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?，?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；第二，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

2、，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；第三，在理論上，任何一個(gè)線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以有一個(gè)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。2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，數(shù)字通信在衛(wèi)星通信、光纖通信、移動通信等方面發(fā)展很快。由于基帶傳輸系統(tǒng)在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中有不可替代的作用，其應(yīng)用范圍也隨著技術(shù)的發(fā)展?jié)B入網(wǎng)絡(luò)通信、衛(wèi)星通信、手機(jī)通信、數(shù)字電視、數(shù)字電話等生活、科技的各方面，日益成為數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)電視采用的基帶傳輸方式。它是工業(yè)用的一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)，已在寶鋼分公司廣泛應(yīng)用。視頻信號的傳輸方式可分為基帶傳輸和調(diào)制傳輸兩大類，這里的基

3、帶傳輸是指攝像機(jī)輸出的視頻信號不經(jīng)過任何處理，直接通過同軸電纜傳輸?shù)奖O(jiān)視端。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中記憶非線性信道的自適應(yīng)數(shù)字基帶預(yù)失真線性化技術(shù),提出了一種基于記憶多項(xiàng)式的非直接學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)基帶預(yù)失真方案,給出了自適應(yīng)算法。仿真結(jié)果表明,該方案能有效抑制帶外頻譜擴(kuò)散,減小帶內(nèi)失真,降低誤比特率,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中記憶非線性失真的自適應(yīng)預(yù)失真?；鶐в纸谢l，在大部分手機(jī)中，基頻都是最昂貴的半導(dǎo)體元件，隨著顯示屏價(jià)格的下降，基頻正在成為手機(jī)中占成本比例最高的元件。不僅如此，基頻還決定了手機(jī)平臺的選擇，很大程度上決定了手機(jī)的功能和性能。毫無疑問，基頻是手機(jī)的心臟。值得一提的是現(xiàn)在WCDMA系統(tǒng)向后3G

4、演進(jìn)的增強(qiáng)，基帶傳輸技術(shù)將能夠顯著提高通信系統(tǒng)的容量和通信質(zhì)量,具有很好的應(yīng)用前景。雖然這些技術(shù)應(yīng)用在目前的系統(tǒng)中正式商用化還有待時(shí)日,但該技術(shù)的使用無疑將加速WCDMA向后3G的演進(jìn)。另外，近來無線通信采用的藍(lán)牙技術(shù)中也用到到了基帶數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。在局域網(wǎng)中通常也采用基帶傳輸技術(shù)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中占主導(dǎo)地位的信號類型是基帶信號，特別是在距離不太遠(yuǎn)的情況，由于在近距離范圍內(nèi)，基帶信號的功率衰減不大，從而信道容量不會發(fā)生變化，而且基帶相對于頻帶來說較簡單，費(fèi)用也比頻帶低，同時(shí)仍能保持高速率，因此比頻帶應(yīng)用廣泛得多。而在無線信道和光纖及一些寬帶有線信道中，必須把數(shù)字基帶信號調(diào)制在載波上，才能在信道中傳輸

5、，把這種傳輸稱為數(shù)字信號的載波傳輸。事實(shí)上即使在載波傳輸中也有基帶傳輸信號。發(fā)端在調(diào)制前,收端在調(diào)解之后的處理。雖然就潛在能力而言，頻帶比基帶傳輸?shù)每烨夷芨采w較長的距離，但頻帶需要在每個(gè)連接末端接入一個(gè)調(diào)制解調(diào)器，這就提高了設(shè)備接入局域網(wǎng)的費(fèi)用。所以說，基帶傳輸是廣泛使用的技術(shù)基礎(chǔ)，也在廣泛地運(yùn)用于數(shù)字傳輸通信系統(tǒng)中。3課程設(shè)計(jì)的原理3.1基帶系統(tǒng)傳輸模型及工作原理圖1 數(shù)字基帶信號傳輸系統(tǒng)模型1） 系統(tǒng)總的傳輸特性為，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，信源在發(fā)送段經(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，在接受端通

6、過接收濾波器的濾波去噪，由抽樣判決器進(jìn)一步去恢復(fù)基帶信號，從而完成基帶信號的傳輸。3.2眼圖的工作原理 眼圖是衡量基帶傳輸系統(tǒng)性能的重要實(shí)驗(yàn)手段。眼圖能提供大量的信息，其張開部分的寬度決定了接收波形可以不受碼間串?dāng)_影響抽樣判決的時(shí)間間隔，最佳抽樣判決時(shí)刻是眼睛張得最大的時(shí)刻，當(dāng)碼間串?dāng)_十分嚴(yán)重或信道噪聲干擾過大時(shí)，眼睛將完全閉合，系統(tǒng)將不能正常工作。圖2眼圖的模型由該圖可以獲得以下信息：(1) 最佳抽樣時(shí)刻在“眼睛”張開最大的時(shí)候(2) 對定時(shí)誤差的靈敏度可以通過眼圖的斜邊的斜率決定，斜率越大對定時(shí)誤差的靈敏度越大。(3) 在抽樣時(shí)刻上眼圖上下兩分之陰影區(qū)的垂直高度，表示最大信號畸變。(4)

7、眼圖中央的橫軸位置應(yīng)對應(yīng)判決門限電平。(5) 在抽樣時(shí)刻上，上下兩分支離門限最近的一根線跡至門限的距離表示各相應(yīng)電平的噪聲容限，噪聲瞬值超過它就可能發(fā)生錯誤判決。(6) 對于利用信號過零點(diǎn)取平均來得到定時(shí)信息的接受系統(tǒng)，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域大小，表示零點(diǎn)位置的變動范圍，這個(gè)變動范圍的大小對提取定時(shí)信息有重要的影響。3.3主要設(shè)計(jì)框圖 圖3 主要系統(tǒng)框圖4課程設(shè)計(jì)的仿真4.1 軟件System view的介紹System View是一個(gè)信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真、能滿足從信號處理、濾波器設(shè)計(jì)，到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等要求。System View借助大家熟悉的Win

8、dows窗口環(huán)境，以模塊化和交互式的界面，為用戶提供一個(gè)嵌入式的分析引擎。System View由兩個(gè)窗口組成，分別是系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口的分析窗口。系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口，包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具條、滾動條、提示欄、圖符庫和設(shè)計(jì)工作區(qū)。所有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、搭建等基本操作，都是在設(shè)計(jì)窗口內(nèi)完成。分析窗口包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具條、流動條、活動圖形窗口和提示信息欄。提示信息欄顯示分析窗口的狀態(tài)信息、坐標(biāo)信息和指示分析的進(jìn)度；活動圖形窗口顯示輸出的各種圖形，如波形等。分析窗口是用戶觀察System View數(shù)據(jù)輸出的基本工具，在窗口界面中，有多種選項(xiàng)可以增強(qiáng)顯示的靈活性和系統(tǒng)的用途等功能。在分析窗口最為重要的是接收計(jì)算

9、器，利用這個(gè)工具我們可以獲得輸出的各種數(shù)據(jù)和頻域參數(shù)，并對其進(jìn)行分析、處理、比較，或進(jìn)一步的組合運(yùn)算。例如信號的頻譜圖就可以很方便的在此窗口觀察到。System View是一個(gè)用于現(xiàn)代科學(xué)與科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真打動態(tài)系統(tǒng)分析平臺。從濾波器設(shè)計(jì)、信號處理、完整通信系統(tǒng)打設(shè)計(jì)與仿真，到一般系統(tǒng)數(shù)字模型建立等各個(gè)領(lǐng)域，System View在友好而功能齊全打窗口環(huán)境下，為用戶提供啦一個(gè)精密的嵌入式分析工具。 進(jìn)入System View后，屏幕上首先出現(xiàn)該工具的系統(tǒng)視窗，系統(tǒng)視窗最上邊一行為主菜單欄，包括：文件（File）、編輯（Edit）、參數(shù)優(yōu)選（Preferences）、視窗觀察（View）、便箋

10、（Notepads）、連接（Connections）、編譯器（Compiler）、系統(tǒng)（System）、圖符塊（Tokens）、工具（Tools）和幫助（Help）共11項(xiàng)功能菜單。如下圖（4）所示。圖4 System View的界面圖 系統(tǒng)視窗左側(cè)豎排為圖符庫選擇區(qū)。圖符塊（Token）是構(gòu)造系統(tǒng)的基本單元模塊，相當(dāng)于系統(tǒng)組成框圖中的一個(gè)子框圖，用戶在屏幕上所能看到的僅僅是代表某一數(shù)學(xué)模型的圖形標(biāo)志（圖符塊），圖符塊的傳遞特性由該圖符塊所具有的仿真數(shù)學(xué)模型決定。創(chuàng)建一個(gè)仿真系統(tǒng)的基本操作是，按照需要調(diào)出相應(yīng)的圖符塊，將圖符塊之間用帶有傳輸方向的連線連接起來。這樣一來，用戶進(jìn)行的系統(tǒng)輸入完全是

11、圖形操作，不涉及語言編程問題，使用十分方便。進(jìn)入系統(tǒng)后，在圖符庫選擇區(qū)排列著8個(gè)圖符選擇按鈕創(chuàng)建系統(tǒng)的首要工作就是按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案從圖符庫中調(diào)用圖符塊，作為仿真系統(tǒng)的基本單元模塊?？捎檬髽?biāo)左鍵雙擊圖符庫選擇區(qū)內(nèi)的選擇按鈕。 當(dāng)需要對系統(tǒng)中各測試點(diǎn)或某一圖符塊輸出進(jìn)行觀察時(shí)，通常應(yīng)放置一個(gè)信宿（Sink）圖符塊，一般將其設(shè)置為“Analysis”屬性。Analysis塊相當(dāng)于示波器或頻譜儀等儀器的作用，它是最常使用的分析型圖符塊之一。能在DSP、通訊和控制系統(tǒng)應(yīng)用中構(gòu)造復(fù)雜的模擬、數(shù)字、混合和多速率系統(tǒng)。具有大量的可選擇的庫，允許用戶有選擇地增加通訊、邏輯、DSP和射頻/模擬功能模塊。特別適合于

12、無線電話、無繩電話、調(diào)制解調(diào)器以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)；課進(jìn)行各種系統(tǒng)是與/頻域分析和譜分析；對射頻/模擬電路進(jìn)行理論分析和失真分析。 在System View系統(tǒng)窗中完成系統(tǒng)創(chuàng)建輸入操作（包括調(diào)出圖符塊、設(shè)置參數(shù)、連線等）后，首先應(yīng)對輸入系統(tǒng)的仿真運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能采用數(shù)值計(jì)算方式，起始點(diǎn)和終止點(diǎn)究竟為何值？究竟需要計(jì)算多少個(gè)離散樣值？這些信息必須告知計(jì)算機(jī)。假如被分析的信號是時(shí)間的函數(shù)，則從起始時(shí)間到終止時(shí)間的樣值數(shù)目就與系統(tǒng)的采樣率或者采樣時(shí)間間隔有關(guān)。實(shí)際上，各類系統(tǒng)或電路仿真工具幾乎都有這一關(guān)鍵的操作步驟，System View也不例外。如果這類參數(shù)設(shè)置不合理，仿真運(yùn)行

13、后的結(jié)果往往不能令人滿意，甚至根本得不到預(yù)期的結(jié)果。有時(shí)，在創(chuàng)建仿真系統(tǒng)前就需要設(shè)置系統(tǒng)定時(shí)參數(shù)。 時(shí)域波形是最為常用的系統(tǒng)仿真分析結(jié)果表達(dá)形式。進(jìn)入分析窗后，單擊“工具欄”內(nèi)的繪制新圖按鈕（按鈕1），可直接順序顯示出放置信宿圖符塊的時(shí)域波形，對于碼間干擾和噪聲同時(shí)存在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，給出系統(tǒng)傳輸性能的定量分析是非常繁雜的事請，而利用“觀察眼圖”這種實(shí)驗(yàn)手段可以非常方便地估計(jì)系統(tǒng)傳輸性能。實(shí)際觀察眼圖的具體實(shí)驗(yàn)方法是：用示波器接在系統(tǒng)接收濾波器輸出端，調(diào)整示波器水平掃描周期Ts，使掃描周期與碼元周期Tc同步（即TsnTc，n為正整數(shù)），此時(shí)示波器顯示的波形就是眼圖。由于傳輸碼序列的隨機(jī)性和示波

14、器熒光屏的余輝作用，使若干個(gè)碼元波形相互重疊，波形酷似一個(gè)個(gè)“眼睛”，故稱為“眼圖”?！把劬Α睊甑迷酱?，表明判決的誤碼率越低，反之，誤碼率上升。System View具有“眼圖”這種重要的分析功能。 當(dāng)需要觀察信號功率譜時(shí)，可在分析窗下單擊信宿計(jì)算器圖標(biāo)按鈕，出現(xiàn)“System View信宿計(jì)算器”對話框，單擊分類設(shè)置開關(guān)按鈕spectrum，完成功率譜的觀察。4.2仿真電路與測試圖5 仿真電路電路設(shè)置：Token0：SourceNoise/PNPn Seg（幅度1V，頻率100HZ，電平數(shù)2，偏移0V，產(chǎn)生單極性不歸零碼，隨機(jī)產(chǎn)生）Token3：信噪比為10db的信號Token5：Opera

15、torFilters/systemsLiner Sys Filters（Analog，Butterworth，No. of Poles=3，Low Cutoff:50HZ，產(chǎn)生一個(gè)低通的Butterworth濾波器，用于對信道輸出信號進(jìn)行濾波）Token2：OperatorSample/HoldSample（Sample rate=100HZ，用于對濾波后的波形進(jìn)行抽樣，抽樣速率等于碼元速率）眼圖參數(shù)設(shè)置：Sink Calculatorstyleslicestart0.01，Length0.03，在窗口中選擇需要觀察眼圖的波形，點(diǎn)擊OK，觀察其眼圖系統(tǒng)定時(shí)設(shè)置：Start Time：0 ，St

16、op Time：0.5， Sample Rate：10000HZ改變噪聲的幅度可以看到眼睛張開的幅度變化：信道寬度為50HZ,噪聲幅度為0.01V的眼圖與信道寬度為50HZ,噪聲幅度為0.02V的眼圖的比較圖6 幅度變化的眼圖信道寬度為50HZ,噪聲幅度為0.01V的眼圖與信道寬度為100HZ,噪聲幅度為0.01V的眼圖的比較圖7信道寬度變化的眼圖4.3 對課程設(shè)計(jì)的分析表1 參數(shù)設(shè)置表格序號名稱參數(shù)Token0PN碼幅度1V，頻率100HZToken2抽樣信號Sample rate=100HZToken3噪聲信號信噪比為10dbToken5低通濾波器Low Cutoff50HZ（1）由以上的

17、圖5可以看出當(dāng)信道寬度一點(diǎn)時(shí)，增加噪聲的幅度會使眼圖變得小，且線條較亂較粗。（2）由以上的圖6可以看出當(dāng)噪聲幅度給定時(shí)，加寬信道眼圖會變得清晰。4.4 結(jié)論根據(jù)頻譜分析的基本原理，任何信號的頻域受限和時(shí)域受限不可能同時(shí)成立。因此基帶信號要滿足在頻域上的無失真?zhèn)鬏敚盘柶洳ㄐ卧跁r(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。造成判決錯誤的主要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)_?；鶐}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)隙對各點(diǎn)進(jìn)行抽樣，并以抽樣時(shí)刻測定的信號幅度為依據(jù)進(jìn)行判決，來導(dǎo)出原脈沖的

18、消息。若重疊到鄰接時(shí)隙內(nèi)的信號太強(qiáng)，就可能發(fā)生錯誤判決。若相鄰脈沖的拖尾相加超過判決門限，則會使發(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。 奈奎斯特第一準(zhǔn)則解決了消除這種碼間干擾的問題，并指出信道帶寬與碼速率的基本關(guān)系。即： (4-1）式中Rb為傳碼率，單位為比特/每秒（bps）。fn和Bn分別為理想信道的低通截止頻率和奈奎斯特帶寬。 上式說明了理想信道的頻帶利用率為 (4-2） 實(shí)際上，具有