通信系統(tǒng)建模與仿真——基于Simulink的基帶傳輸系統(tǒng)的仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上通信系統(tǒng)建模與仿真課程設(shè)計(jì)For personal use only in study and research; not for commercial use For personal use only in study and research; not for commercial use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(shū)試建立一個(gè)基帶傳輸模型，發(fā)送數(shù)據(jù)為二進(jìn)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(jì)接

2、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。（2） 要求觀察接收信號(hào)眼圖，說(shuō)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(jì)定時(shí)提取系統(tǒng)，說(shuō)明定時(shí)提取的原理，觀察定時(shí)提取脈沖的波形，說(shuō)明其正確性。2 基帶系統(tǒng)的理論分析（1.基帶系統(tǒng)傳輸模型和工作原理；2.基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的碼間干擾和噪聲干擾以及解決方案，3.定時(shí)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(guò)程及各部分作用如下。 抽樣判決抽樣判決接 收濾波器帶限信 道發(fā) 送濾波器 M

3、進(jìn)制 數(shù)字信息 輸出 定時(shí)信號(hào) 圖 1 ：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)方框圖發(fā)送濾波器進(jìn)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?yàn)榫匦尾ê胸S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(hào)，同時(shí)又因存在噪聲和頻率特性不理想而對(duì)數(shù)字信號(hào)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(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚O(shè)置的。其主要作用是濾除帶外噪聲并對(duì)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(duì)接收濾波器輸出的信號(hào)在規(guī)定的時(shí)刻（由定時(shí)脈沖控制）進(jìn)行抽樣，獲得抽樣信號(hào)，然后對(duì)抽樣值進(jìn)行

4、判決，以確定各碼元 是 “1”碼還是“0” 碼。2.基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的碼間干擾和噪聲干擾以及解決方案實(shí)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(shí)間上是無(wú)限的，因此一個(gè)時(shí)隙內(nèi)代表數(shù)據(jù)的波形經(jīng)過(guò)帶限信道后將在鄰近的其他時(shí)隙上形成非零值，即波形的拖尾。拖尾和鄰近時(shí)隙的傳輸波形相互疊加，形成傳輸數(shù)據(jù)之間的混疊，造成碼間串?dāng)_。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)可能出錯(cuò)。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。1）碼間干擾及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(zhǔn)則： 若不能

5、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?；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(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(méi)有經(jīng)過(guò)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.定時(shí)提取原理：雙極性二進(jìn)制信號(hào)本身不含定時(shí)信息，需要對(duì)其進(jìn)行非線性處理（取絕對(duì)值），提取時(shí)鐘的二倍頻分量，最后通過(guò)二分頻來(lái)恢復(fù)接收定時(shí)時(shí)鐘。用鎖相環(huán)來(lái)鎖定定時(shí)脈沖的二次諧波后以二分頻得出定時(shí)脈沖。用示

6、波器觀察恢復(fù)定時(shí)與理想定時(shí)之間的相位差，然后通過(guò)調(diào)整Integer Delay模塊的延時(shí)量使恢復(fù)定時(shí)脈沖的上升沿對(duì)準(zhǔn)眼圖最佳采樣時(shí)刻。3 基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（分別對(duì)各模塊的選擇說(shuō)明原因） 信源的選擇：本次課程設(shè)計(jì)的發(fā)送數(shù)據(jù)為二進(jìn)制雙極性不歸零碼。在simulink的模塊庫(kù)中“Bernoulli Binary Generator（伯努利二進(jìn)制信源）”模塊可產(chǎn)生伯努利分布的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)序列。再通過(guò)一個(gè)“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(jì)的核心問(wèn)題是濾波器的選取，根據(jù)對(duì)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(shí)刻偏差造成的碼

7、間干擾問(wèn)題，要求發(fā)送濾波器應(yīng)具有升余弦滾降特性，同時(shí)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（即誤碼率最小） 信道的選擇：信道是允許基帶信號(hào)通過(guò)的媒質(zhì)，通常為有線信道，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)。根據(jù)二進(jìn)制雙極性不歸零碼的特點(diǎn)，在接收中的判決門限為0。采用“Relay”判決模塊進(jìn)行判決

8、，用“Product”相乘器模塊進(jìn)行采樣，“Triggered Subsystem”保持模塊構(gòu)成抽樣判決器。5：對(duì)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(jì)誤碼率用“Error Rate Calculation”模塊。4 SIMULINK下基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（分別說(shuō)明各模塊參數(shù)設(shè)置情況，最后給出總的模型圖）1信源的建模及相關(guān)參數(shù)設(shè)置二進(jìn)制雙極性不歸零碼用到的simulink模塊有“Bernoulli Binary Generator”、“Relay”。考慮到設(shè)計(jì)要求，“Bernoulli Binary Generator”參數(shù)設(shè)置為“Sample time”為“1/1000”，其余參數(shù)為默

9、認(rèn)值；“Pulse Generator” 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(rèn)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(rèn)。其模型搭建方式如下圖所示發(fā)送濾波器、信道、接收匹配濾波器的建模及參數(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及參數(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(shí)提取子系統(tǒng)：5 仿真結(jié)果分析（波形對(duì)比分析，誤碼率分析，接收信號(hào)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)

10、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范圍有限，在圖中看不到傳輸錯(cuò)誤的碼元。通過(guò)接收端與發(fā)送端時(shí)域波形對(duì)比，可以看出設(shè)計(jì)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(duì)基帶信號(hào)的抽樣判決，與理論分析相一致。2、經(jīng)過(guò)升速率，發(fā)送濾波器，高斯信道，接收匹配濾波器后各點(diǎn)時(shí)域波形：3、接收眼圖波形與分析：加性高斯信道的信噪比為50dB時(shí)：（1）從上圖中可以看出，眼圖的線跡比較細(xì)，比較清晰，并且“眼睛”很大，說(shuō)明誤碼率比較低，碼間串?dāng)_與噪聲對(duì)系統(tǒng)傳輸可靠性影響不大。（2）從上圖中可以看出最佳時(shí)刻是0.5,1.5左右等時(shí)刻“眼睛”最大即抽樣最佳時(shí)刻。（3）因?yàn)檠蹐D眼邊的斜率比較大，

11、所以看出定時(shí)誤差靈敏度比較敏感。（4）“眼睛”張開(kāi)的寬度為可抽樣的時(shí)間范圍。（5）抽樣時(shí)刻，上下兩個(gè)陰影區(qū)的間隔距離之半為噪聲容限，若噪聲瞬時(shí)值超過(guò)它就可能發(fā)生錯(cuò)判。加性高斯信道的信噪比為10dB時(shí)：（6）從上圖可以看出眼圖比較亂，說(shuō)明誤碼率較大。對(duì)比兩圖可發(fā)現(xiàn)噪聲對(duì)系統(tǒng)的傳輸有很大影響。4、誤碼率統(tǒng)計(jì)與分析：通過(guò)誤碼率統(tǒng)計(jì)“Error Rate Calculation”模塊。可知該系統(tǒng)的誤碼率為0.001，且誤碼率會(huì)隨著仿真時(shí)間的增長(zhǎng)逐步降低。出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因可能有以下幾個(gè)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(huì)使原有基帶信號(hào)的正負(fù)電平出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，由于抽樣判決門限為0，造成判決

12、出錯(cuò)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，所以在仿真及實(shí)際工程中碼間干擾是不會(huì)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(guò)程也有可能會(huì)出錯(cuò)。5：定時(shí)提取脈沖的波形：（上圖是定時(shí)提取系統(tǒng)的輸出波形，下圖是以Pulse Generatorl模塊作為理想接收恢復(fù)定時(shí)的輸出波形。）（1）：當(dāng)定時(shí)提取子模塊延時(shí)4個(gè)時(shí)隙時(shí)：（2） ：當(dāng)定時(shí)提取子模塊延時(shí)8個(gè)時(shí)隙時(shí)：（1） （2）對(duì)比兩圖可發(fā)現(xiàn)定時(shí)提取模塊延時(shí)改變，眼圖變化不大，但誤碼率差別很大。當(dāng)延時(shí)為4時(shí)，誤碼率小，說(shuō)明恢復(fù)定時(shí)脈沖的上升沿對(duì)準(zhǔn)了眼圖的最佳采樣

13、時(shí)刻，且與理想定時(shí)器的采樣時(shí)刻相同。延時(shí)改變時(shí)，誤碼率增大，與理想定時(shí)器的采樣時(shí)刻不對(duì)應(yīng)。6 遇到的問(wèn)題及解決的方法因?yàn)橥ㄐ沤?shū)上有相似的例題，所以只是把兩個(gè)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(shí)。經(jīng)過(guò)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(shí)均設(shè)計(jì)為10個(gè)傳輸碼元時(shí)隙，所以在傳輸中共延時(shí)20個(gè)時(shí)隙，所以接收數(shù)據(jù)比發(fā)送數(shù)據(jù)延時(shí)了20個(gè)碼元。7 結(jié)束語(yǔ)（收獲、體會(huì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的建議） 這次的課程設(shè)計(jì)雖然時(shí)間很短，但我學(xué)到了很多東西。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，讓我更加清楚明了的學(xué)習(xí)到Simulink中的通信系統(tǒng)模型的搭建流程及各種功能模塊的作用和參數(shù)設(shè)置的具體情況，同時(shí)，也讓我學(xué)會(huì)了當(dāng)遇到問(wèn)題時(shí)，該如何思考及解決，根據(jù)產(chǎn)生及影響問(wèn)題的因素去尋找解決方法。并且，這次的課程設(shè)計(jì)大大提高了我的動(dòng)手操作能力、問(wèn)題分析及解決的能力。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中應(yīng)該再加入一些對(duì)功率，頻譜等的測(cè)量以便更好地分析系統(tǒng)性能。8 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)指導(dǎo)教師： 成績(jī)：（總頁(yè)數(shù)在10頁(yè)左右）專心-專注-專業(yè)僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For personal use only in study and re