數(shù)字基帶傳輸

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告院系： 信息工程學(xué)院 學(xué)號(hào)： 姓名： 日期： 2015年1月12日一、實(shí)習(xí)目的1.“數(shù)字基帶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)” 是針對(duì)通信專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是結(jié)合通信原理及matlab的課本知識(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)建立通信系統(tǒng)，掌握數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的工作原理，加深對(duì)通信系統(tǒng)及信號(hào)的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)把書本知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐設(shè)計(jì)能力。要求我們利用所學(xué)專業(yè)知識(shí)和軟件工具，掌握通信系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、仿真技巧，深入理解通信系統(tǒng)的基本組成，擴(kuò)長(zhǎng)專業(yè)背景知識(shí)，培養(yǎng)工程技能和實(shí)際操作能力。2掌握數(shù)字基帶系統(tǒng)的Simulink建模及仿真過(guò)程二、實(shí)習(xí)要求 1.系統(tǒng)軟件仿真：通過(guò)simulink對(duì)典型通信系統(tǒng)（如數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)）的各組成

2、部分進(jìn)行建模和仿真分析，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)仿真。2.分析結(jié)果，完成報(bào)告：分析比較軟件仿真結(jié)果，完成設(shè)計(jì)報(bào)告。三、實(shí)習(xí)內(nèi)容(一) 實(shí)習(xí)題目 數(shù)字基帶通信系統(tǒng)建模與仿真（增量調(diào)制+miller+循環(huán)碼+TDM，匹配濾波器，抽樣判決，高斯信道）(二) 實(shí)習(xí)安排校內(nèi)實(shí)習(xí)：5-306實(shí)驗(yàn)室(三) 實(shí)習(xí)過(guò)程（基本原理、實(shí)習(xí)安排，工作內(nèi)容，心得體會(huì)）1、 基本原理在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸?shù)膶?duì)象通常是二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。這些二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的頻帶范圍通常從直流和低頻開(kāi)始，直到某一頻率，我們稱這種信號(hào)為數(shù)字基帶信號(hào)。它不經(jīng)過(guò)調(diào)制而直接傳送的方式，即發(fā)送端不使用調(diào)制器，接收端也不使用解調(diào)器。和頻帶傳輸相比，基帶傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：

3、設(shè)備簡(jiǎn)單；易做成一機(jī)多速率；適應(yīng)性強(qiáng)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的輸入信號(hào)是由終端設(shè)備或編碼設(shè)備產(chǎn)生的二進(jìn)制脈沖序列，通常是單極性的矩形脈沖信號(hào)（NRZ 碼）。為了使這種信號(hào)適合于信道的傳輸，一般要經(jīng)過(guò)碼形變換器。信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于信道特性不理想及加性噪聲的影響，會(huì)使接收到的信號(hào)波形產(chǎn)生失真，為了減小失真對(duì)信號(hào)的影響，接收信號(hào)首先進(jìn)入匹配濾波器濾波，然后再由抽樣判決器恢復(fù)數(shù)字基帶脈沖序列。目前，雖然在實(shí)際使用的數(shù)字通信系統(tǒng)中，基帶傳輸方式不如數(shù)字載波傳輸方式那樣應(yīng)用廣泛，但由于數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)中最基本的傳輸方式，而且從理論上來(lái)說(shuō)，任何一種線性載波傳輸系統(tǒng)都可以等效為基帶傳輸系統(tǒng)，因此數(shù)

4、字信號(hào)的基帶傳輸過(guò)程十分重要。 根據(jù)課題數(shù)字基帶通信系統(tǒng)建模與仿真（增量調(diào)制+miller+循環(huán)碼+TDM，匹配濾波器，抽樣判決，高斯信道）的要求，可得原理框圖為：米勒編碼循環(huán)碼編碼DM調(diào)制Voice信源信號(hào)米勒編碼循環(huán)碼編碼DM調(diào)制Shengyin信源信號(hào)解時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用匹配濾波器高斯信道匹配濾波器輸出聲音DM解調(diào)循環(huán)碼解碼米勒解碼抽樣判決輸出聲音DM解調(diào)循環(huán)碼解碼米勒解碼抽樣判決圖1-1原理圖用simulink所制作的電路圖：圖1-2原理電路圖其中聲音的讀入文件 voice shengyinwavs,fs=wavread(www.wav); wavs1,fs1=wavread(qqq.w

5、av);t_end1=1/fs1*length(wavs1); t_end=1/fs*length(wavs);t1=(1/fs1:1/fs1:t_end1); t=(1/fs:1/fs:t_end);shengyin=t1 wavs1; voice=t wavs;bianma1與bianma2為增量調(diào)制和循環(huán)編碼，增量調(diào)制（）是一種模擬信號(hào)數(shù)字化的方法，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；循環(huán)碼具有循環(huán)移位特性且能糾錯(cuò)的分組碼循環(huán)碼是線性碼的一個(gè)重要的子類，其目的是為了檢錯(cuò)和糾錯(cuò)數(shù)字碼圖1-3增量調(diào)制與循環(huán)編碼mlbm1和mlbm為米勒編碼。米勒碼是一種變形雙向碼，為了使數(shù)字信號(hào)更好的傳輸所進(jìn)行的碼型

6、變換圖1-4米勒編碼tdm為時(shí)分復(fù)用（TDM），是采用同一物理連接的不同時(shí)段來(lái)傳輸不同的信號(hào)，也能達(dá)到多路傳輸?shù)哪康?。時(shí)分多路復(fù)用以時(shí)間作為信號(hào)分割的參量，故必須使各路信號(hào)在時(shí)間軸上互不重疊。圖1-5時(shí)分復(fù)用高斯信道其包含了各種頻率的特定噪聲頻譜密度的的特征，從而導(dǎo)致了信道中錯(cuò)誤的任意分布。圖1-6高斯信道jtdm為解時(shí)分復(fù)用是為了使時(shí)分復(fù)用后的一路分為原來(lái)的兩路圖1-7解時(shí)分復(fù)用pplbqhecypj為匹配濾波器和抽樣判決，其中匹配濾波器是為了提高輸出信噪比，抽樣判決是為了恢復(fù)原始的輸入信號(hào)圖1-8匹配濾波與抽樣判決mljm為米勒解碼圖1-9米勒解碼yima為循環(huán)碼譯碼和DM解調(diào)圖1-10循

7、環(huán)譯碼與DM解調(diào)2、實(shí)習(xí)安排第一周：查閱資料，掌握simulink仿真軟件的運(yùn)用。第二周：繪制框圖，分模塊制作，仿真第三周：寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，驗(yàn)收3、工作內(nèi)容我的工作：高斯信道，匹配濾波器，整合高斯信道，匹配濾波器和抽樣判決A、 高斯信道高斯信道（Gaussian channel，通信專業(yè)術(shù)語(yǔ)）是一個(gè)射頻通信信道，其包含了各種頻率的特定噪聲頻譜密度的的特征，從而導(dǎo)致了信道中錯(cuò)誤的任意分布。經(jīng)查閱，高斯信道可由隨機(jī)序列發(fā)生器和輸入信號(hào)相加構(gòu)成輸出輸入相加器隨機(jī)序列發(fā)生器圖2-1高斯框圖系統(tǒng)圖為：圖2-2高斯信道參數(shù)無(wú)需設(shè)置，使用其本身自帶參數(shù)即可仿真結(jié)果：圖2-3高斯仿真圖由圖可知：經(jīng)過(guò)高斯信道后，波

8、形發(fā)生了變化，變得雜亂，與原波形相差較大。B、 匹配濾波器在數(shù)字通信系統(tǒng)中，濾波器是其中重要部件之一，它直接影響數(shù)字信號(hào)的恢復(fù)。其作用主要有兩個(gè)方面：1.使濾波器輸出有用信號(hào)的成分盡可能強(qiáng)2.抑制信號(hào)帶外噪聲，使濾波器的輸出噪聲成分盡可能小，減小噪聲對(duì)信號(hào)判決的影響。通信系統(tǒng)的誤碼率與輸出的信噪比有關(guān)，接收端輸出的信噪比越大，則系統(tǒng)的誤碼率越小。因此，若在每次判決之前，輸出信噪比最大，則該系統(tǒng)一定是誤碼率最小的系統(tǒng)。匹配濾波器傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)：設(shè)接收濾波器的傳輸函數(shù)為H(f)，沖激響應(yīng)為h(t)，濾波器輸入碼元s(t)的持續(xù)時(shí)間為Ts，信號(hào)和噪聲之和r(t)為 式中，s(t) 為信號(hào)碼元，n(t

9、) 為 高斯白噪聲。并設(shè)信號(hào)碼元s(t)的頻譜密度函數(shù)為S(f)，噪聲n(t)的雙邊功率譜密度為Pn(f) = n0/2，n0為噪聲單邊功率譜密度。由于假定濾波器是線性的，根據(jù)線性電路疊加定理，當(dāng)濾波器輸入電壓r(t)中信號(hào)和噪聲兩部分時(shí)，濾波器的輸出電壓y(t)中也包含相應(yīng)的輸出信號(hào)和輸出噪聲兩部分，即y(t)= s0(t)+ n0(t) 這時(shí)的輸出噪聲功率No等于在抽樣時(shí)刻t0上，輸出信號(hào)瞬時(shí)功率與噪聲平均功率之比為為了求出r0的最大值，我們利用施瓦茲不等式求 r0的最大值等號(hào)成立的條件是(k為任意常數(shù))若在白噪聲干擾的背景下，按上式設(shè)計(jì)的線性濾波器，將能在給定時(shí)刻t0上獲得最大輸出信噪比

10、(2E/n0)。 t0是輸出信噪比最大的時(shí)刻。這種濾波器就是最大信噪比意義下的最佳線性濾波器，由于它的傳輸特性與信號(hào)頻譜的復(fù)共軛相一致，稱此濾波器為匹配濾波器。 匹配濾波器的的特性還可以用沖激響應(yīng)函數(shù)h(t)：可見(jiàn)，匹配濾波器的沖激響應(yīng)h(t)就是信號(hào)s(t)的鏡像s(-t)，但在時(shí)間軸上(向右)平移了t0。t0是輸出信噪比最大的時(shí)刻。 實(shí)際的匹配濾波器：一個(gè)實(shí)際的匹配濾波器應(yīng)該是物理可實(shí)現(xiàn)的，其沖激響應(yīng)必須符合因果關(guān)系，在輸入沖激脈沖加入前不應(yīng)該有沖激響應(yīng)出現(xiàn)，即必須有：即要求滿足條件或滿足條件這表明，接收濾波器輸入端的信號(hào)碼元s(t)在抽樣時(shí)刻t0之后必須為零。通常選擇在碼元末尾抽樣，即選

11、t0 = Ts。故匹配濾波器的沖激響應(yīng)可以寫為這時(shí)，若匹配濾波器的輸入電壓為s(t)，則輸出信號(hào)碼元的波形為：式中表明，匹配濾波器輸出信號(hào)碼元波形是輸入信號(hào)碼元波形的自相關(guān)函數(shù)的k倍。k是一個(gè)任意常數(shù)，它r0(t)與的最大值無(wú)關(guān)；通常取k 1。所以匹配濾波器的設(shè)計(jì)：當(dāng)輸入幅度為1 碼元寬度為TS 矩形脈沖時(shí)，觀察輸出波形并給出結(jié)論。則設(shè)接收信號(hào)碼元s(t)的表示式為試求其匹配濾波器的特性和輸出信號(hào)碼元的波形。解：信號(hào)波形是一個(gè)矩形脈沖，其頻譜為令k=1，t0=Ts，可得其匹配濾波器的傳輸函數(shù)為得到此匹配濾波器的沖激響應(yīng)為h(t)的形狀是s(t)的波形以t=Ts/2為軸線反轉(zhuǎn)而來(lái)，由于s(t)的

12、波形對(duì)稱于t=Ts/2，所以反轉(zhuǎn)后，波形不變。求出此匹配濾波器的輸出信號(hào)波形為圖2-4匹配濾波器因?yàn)槭街械模ǎ┦抢硐肜硐敕e分器的傳輸函數(shù)，而exp（-j2f Ts）是延遲時(shí)間為Ts的延遲電路的傳輸函數(shù)。由此可得匹配濾波器的方框圖為：圖2-5匹配濾波器框圖根據(jù)原理圖可得以下設(shè)計(jì)：圖2-6匹配濾波器其中參數(shù)設(shè)為： 圖2-7參數(shù)圖由于要使原始信號(hào)是一個(gè)矩形且在原點(diǎn)為一，所以在參數(shù)設(shè)置上initial value（起始值）為1，final value（終止值）為0，step time為1，所以time delay設(shè)為1其仿真結(jié)果為：圖2-8匹配濾波器仿真圖整合：匹配濾波器是在高斯白噪聲背景下，能使輸出

13、信噪比達(dá)到最大的線性濾波器。而抽樣判決是在傳輸特性不理想以及噪聲的背景下，在規(guī)定時(shí)刻對(duì)接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣判決，已恢復(fù)或再生基帶信號(hào)。所以整合高斯信道，匹配濾波器和抽樣判決器后的電路為圖2-9整合圖主要參數(shù)的設(shè)置為： 圖2-10參數(shù)圖仿真圖為：圖2-11整合后的仿真圖由于輸出波形比輸入波形延時(shí)一個(gè)單位，所以在輸入后加一個(gè)延時(shí)器，可使誤碼率降低由仿真圖可知，將relay的判決門限設(shè)為0.4即可恢復(fù)原波形信源采用伯努利二進(jìn)制信源，是為了之后的觀察 由于一種匹配濾波器只能對(duì)應(yīng)特定的輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。匹配濾波器具有時(shí)延適應(yīng)性，不具有頻移適應(yīng)性。也就是說(shuō)，當(dāng)信號(hào)的頻率特性不發(fā)生改變，只是時(shí)間上出

14、現(xiàn)延時(shí)，這時(shí)匹配濾波器不變；當(dāng)信號(hào)的頻率特性發(fā)生改變時(shí)，匹配濾波器的頻率特性也要隨之改變。所以在加入整體電路中，參數(shù)還得做調(diào)整。4、心得體會(huì)A、高斯信道由于本身系統(tǒng)高斯信道的參數(shù)設(shè)置問(wèn)題，所以采用了簡(jiǎn)易版的高斯信道B、匹配濾波器step中的step time 與transport delay 中的time delay設(shè)置的參數(shù)一致之所以加unary minus是由于延時(shí)是向右延時(shí)四、參考文獻(xiàn)1、通信系統(tǒng)中matlab基礎(chǔ)及仿真應(yīng)用 趙謙 西安電子科技大學(xué)出版社2、MATLAB/simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析邵玉斌 編著3、現(xiàn)代通信系統(tǒng)（matlab版）劉樹(shù)棠譯電子工業(yè)出版社4、現(xiàn)代通信原理與技術(shù)張輝 曹琳娜 主編5、通信原理-基于matlab的計(jì)算機(jī)仿真郭文彬桑林編著北京郵電大學(xué)出版社6、matlab程序設(shè)計(jì)與綜合應(yīng)用張德豐等編著清華大學(xué)出版社五、實(shí)習(xí)體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)主要是利用仿真軟件來(lái)進(jìn)行數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的仿真。在剛開(kāi)始我對(duì)系統(tǒng)的整體構(gòu)成不是很熟悉，思維比較模糊，后來(lái)通過(guò)查資料，明白了整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成。通過(guò)本次訓(xùn)練，我對(duì)基帶傳輸理論有了較深的理解，學(xué)到了很多的知識(shí)。本次綜合訓(xùn)練對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)傳輸?shù)奶匦赃M(jìn)行了分析，運(yùn)用數(shù)值仿真的方法，對(duì)基帶傳輸?shù)奶匦宰髁四M。研究結(jié)果表明，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。在整個(gè)過(guò)程中，剛開(kāi)始結(jié)果運(yùn)行不出來(lái)。