實(shí)驗(yàn)八 基于Matlab的數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)-

1、實(shí)驗(yàn)八基于Matlab的數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)的組成;2掌握數(shù)字基帶信號(hào)的波形和功率譜特點(diǎn);3 掌握眼圖的相關(guān)知識(shí);4 利用Matlab仿真畫(huà)出幾種數(shù)字基帶信號(hào)的波形及功率譜函數(shù)。2. 實(shí)驗(yàn)原理2.1 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)可進(jìn)一步細(xì)分為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)、數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)、模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)主要研究數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。2.2 數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)原理上說(shuō),數(shù)字信息可以直接用數(shù)字代碼序列表示和傳輸,但在實(shí)際傳輸中,視系統(tǒng)的要求和信道的情況,一般需要進(jìn)行不同形式的編碼,并且選用一組取值有限的離散波形來(lái)表示。這些取值離散的波形可以是未經(jīng)

2、調(diào)制的電信號(hào),也可以是調(diào)制后的信號(hào)。未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)所占據(jù)的頻譜是從零頻率或很低頻率開(kāi)始,稱(chēng)為數(shù)字基帶信號(hào)。在某些具有低通特性的有線信道中,特別是在傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下,基帶信號(hào)可以不經(jīng)過(guò)載波調(diào)制而直接進(jìn)行傳輸。例如,在計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中直接傳輸基帶脈沖。這種不經(jīng)載波調(diào)制而直接傳輸數(shù)字基帶信號(hào)的系統(tǒng),稱(chēng)為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),其系統(tǒng)框圖如圖8.1所示: 圖8.1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)框圖圖8.1是一個(gè)典型的數(shù)字基帶信號(hào)傳輸系統(tǒng)方框圖,其中各方框的功能和信號(hào)傳輸?shù)奈锢磉^(guò)程簡(jiǎn)述如下:(1信道信號(hào)形成器。它的功能是產(chǎn)生適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)波形。(2信道。是允許基帶信號(hào)通過(guò)的媒質(zhì),通常稱(chēng)為有線信道。信號(hào)通

3、過(guò)信道時(shí),會(huì)受信道特性的影響產(chǎn)生失真,還會(huì)引入噪聲。(3接收濾波器。用來(lái)接收信號(hào),盡可能濾除信道噪聲和其他干擾,對(duì)信道特性進(jìn)行均衡,使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。(4抽樣判決器。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)。2.3 數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)是信源發(fā)出的、未經(jīng)調(diào)制或頻譜變換、直接在有效頻帶與信號(hào)頻譜相對(duì)應(yīng)的信道上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào),是消息代碼的電波形,是用不同的電平或脈沖來(lái)表示相應(yīng)的消息代碼。數(shù)字基帶信號(hào)的種類(lèi)很多,如單/雙極性碼、單/雙極性歸零碼、差分碼、AMI碼、HDB3碼、PST碼以及雙相碼等等。在實(shí)際系統(tǒng)

4、中,對(duì)傳輸用的基帶信號(hào)的要求主要有兩點(diǎn):(1 對(duì)各種代碼的要求,期望將原始信息符號(hào)編制成適合于傳輸用的碼型;(2 對(duì)所選碼型的電波形要求,期望電波形適宜于在信道中傳輸。前一問(wèn)題稱(chēng)為傳輸碼型的選擇;后一問(wèn)題稱(chēng)為基帶脈沖的選擇。以矩形脈沖為例,介紹幾種基本的基帶信號(hào)波形。(1 單極性不歸零碼它用正電平和零電平的脈沖分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制碼“1”和“0”。 圖8.2 單極性不歸零碼波形(2 雙極性不歸零碼它用正、負(fù)電平的脈沖分別表示二進(jìn)制碼“1”和“0”。 圖8.3 雙極性不歸零碼波形(3 單極性歸零碼所謂歸零(Return-to-zero,RZ波形是指它的有電脈沖寬度小于碼元寬度T,即信號(hào)電壓在一個(gè)碼元終

5、止時(shí)刻前總要回到零電平。通常,歸零波形使用半占空碼,即占空比(/ T為50%。 圖8.4 單極性歸零碼波形(4雙極性歸零碼它是雙極性碼的歸零形式,兼具有雙極性和歸零碼的特點(diǎn)。 圖8.5 雙極性歸零碼本實(shí)驗(yàn)采用圖8.4所示的由矩形脈沖組成的單極性歸零碼波形。2.4 數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜密度(1 數(shù)字基帶信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式(n n s t s t += (8.1其中:(121s n s g t nT ,Ps t g t nT ,-P = (8.2 (1g t 和(2g t 分別表示消息碼元“0”和“1”,s T 為碼元寬度。(2數(shù)字基帶信號(hào)功率譜密度公式 ( (212221211s s BB B B

6、 m P f f P P G f G f f PG mf P G mf f mf += + (8.3(3 數(shù)字基帶信號(hào)功率譜密度 圖8.6 單極性信號(hào)的功率譜密度(實(shí)線表示單極性非歸零碼,虛線表示單極性歸零碼 圖8.7 雙極性信號(hào)的功率譜密度(實(shí)線表示雙極性非歸零碼,虛線表示雙極性歸零碼從圖8.6和圖8.7可以看出:(1數(shù)字基帶信號(hào)功率譜密度包含連續(xù)譜和離散譜。連續(xù)譜始終存在,決定信號(hào)的功率分布,用于確定信號(hào)的帶寬。(2離散譜在某些情況不存在,當(dāng)離散譜存在時(shí)即為碼元頻率的N次諧波分量,攜帶了位同步定時(shí)信息,用于接收端位同步定時(shí)提取。當(dāng)符號(hào)“0”出現(xiàn)的概率(1211P kg tg t=(8.4

7、且01k<<時(shí),不存在離散譜。2.5 眼圖對(duì)于一個(gè)實(shí)際的基帶傳輸系統(tǒng),碼間干擾是不可避免的,而碼間干擾問(wèn)題與發(fā)送濾波器特性、信道特性、接收濾波器特性等因素有關(guān),因而誤碼率的計(jì)算就變得非常困難,特別是在信道特性不能完全確定的情況下,甚至得不到一種合適的定量分析的方法。利用實(shí)驗(yàn)手段可以方便地估計(jì)系統(tǒng)性能,用一個(gè)示波器跨接在接收濾波器的輸出端,然后調(diào)整示波器水平掃描周期,使其與接收碼元的周期同步。這時(shí)就可以從示波器顯示的圖形上,觀察出碼間干擾和噪聲的影響,從而估計(jì)出系統(tǒng)性能的優(yōu)劣程度。由于在傳輸二進(jìn)制信號(hào)波形時(shí),示波器顯示的圖形很像人的眼睛故稱(chēng)之為眼圖。在無(wú)噪聲存在的情況下,一個(gè)二進(jìn)制的

8、基帶系統(tǒng)將在接收濾波器輸出端得到一個(gè)基帶脈沖的序列。如果基帶傳輸特性是無(wú)碼間干擾的,用示波器觀察信號(hào)波形,并將示波器掃描周期調(diào)整到碼元的周期T,這時(shí)信號(hào)波形的每一個(gè)碼元將重疊在一起。由于信號(hào)波形時(shí)無(wú)碼間干擾的,因而重疊的圖形完全重合,故示波器顯示的跡線又細(xì)又清晰,如圖8.8所示: 圖8.8 無(wú)碼間干擾時(shí)的眼圖當(dāng)波形存在碼間干擾時(shí),示波器顯示的圖像如圖8.9所示: 圖8.9 存在碼間干擾時(shí)的眼圖從圖8.9和圖8.10我們可以看到,當(dāng)波形無(wú)碼間干擾時(shí),眼圖像一只完全張開(kāi)的眼睛,當(dāng)波形存在碼間干擾時(shí),示波器的掃描跡線不完全重合,形成的線跡較粗而且也不清晰。眼圖中央的垂直線表示最佳的抽樣時(shí)刻,眼圖的“

9、眼睛”張開(kāi)大小反映著碼間干擾的強(qiáng)弱。應(yīng)該注意的是,從圖形上并不能觀察到隨機(jī)噪聲的全部形態(tài)。 圖8.10 眼圖的模型圖8.10中:<1> 最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)是“眼睛”張開(kāi)最大的時(shí)刻;<2> 對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度可由眼圖的斜邊斜率決定,斜率越陡,對(duì)應(yīng)的定時(shí)誤差就越 靈敏;<3> 眼圖的陰影區(qū)的垂直高度表示信號(hào)幅度畸變范圍;<4> 眼圖中央的橫軸位置對(duì)應(yīng)判決門(mén)限電平;<5> 在抽樣時(shí)刻上,上下兩陰影區(qū)的間隔距離的一半為噪聲容限(或稱(chēng)噪聲邊際,即若噪聲瞬時(shí)值超過(guò)這個(gè)容限,則就可能發(fā)生錯(cuò)誤判決。3. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.1.1 基本內(nèi)容

10、:掌握數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),并利用Matlab完成仿真。3.2 實(shí)驗(yàn)步驟Step1. 打開(kāi)Matlab,新建一個(gè).m文件;Step2. 產(chǎn)生要輸入的比特流;Step3. 產(chǎn)生基帶信號(hào),畫(huà)出其信號(hào)波形和頻譜圖;Step4. 添加噪聲,畫(huà)出其輸出信號(hào)波形和頻譜圖;Step5. 接收濾波器,畫(huà)出其輸出信號(hào)波形和頻譜圖;Step6. 抽樣判決器輸出,畫(huà)出其輸出信號(hào)波形和頻譜圖;主要函數(shù)介紹:7.用randint函數(shù)產(chǎn)生長(zhǎng)為length的比特流,例如:input=randint(1,length;8.產(chǎn)生單極性歸零信號(hào):for i=1:length(bit%length(m表示信號(hào)m的長(zhǎng)度if bit

11、(i=0bits=zeros(1,N;elsebits=ones(1,N;endsig=sig,bits;end9.添加噪聲:y = awgn(x,SNR 在信號(hào)x中加入高斯白噪聲。信噪比SNR以dB為單位。x的強(qiáng)度假定為0dBW。如果x是復(fù)數(shù),就加入復(fù)噪聲。y = awgn(x,SNR,SIGPOWER 如果SIGPOWER是數(shù)值,則其代表以dBW為單位的信號(hào)強(qiáng)度;如果SIGPOWER為'measured',則函數(shù)將在加入噪聲之前測(cè)定信號(hào)強(qiáng)度。y = awgn(,POWERTYPE 指定SNR和SIGPOWER的單位。POWERTYPE可以是'dB'或'

12、;linear'。如果POWERTYPE是'dB',那么SNR以dB為單位,而SIGPOWER以dBW為單位。如果POWERTYPE是'linear',那么SNR作為比值來(lái)度量,而SIGPOWER以瓦特為單位;濾波器設(shè)計(jì):在MATLAB下設(shè)計(jì)IIR濾波器可使用Butterworth函數(shù)設(shè)計(jì)出巴特沃斯濾波器,使用Cheby1函數(shù)設(shè)計(jì)出契比雪夫I型濾波器,使用Cheby2設(shè)計(jì)出契比雪夫II型濾波器,使用ellipord函數(shù)設(shè)計(jì)出橢圓濾波器。下面主要介紹第三種方法。用到的函數(shù)主要有:Wp=a/(fs/2; %若為低通,a為一個(gè)頻率值,若為帶通a為一個(gè)頻率范圍a

13、1 a2Rp=c; % c為通帶最大衰減分貝Rs=d; % d為阻帶最小衰減分貝b,a=ellip(n,Rp,Rs, Wp;sf0=filter(b,a,signal10.功率譜繪制第一步:cxn=xcorr(bitg,'unbiased' %計(jì)算序列的自相關(guān)函數(shù)nfft=1024;CXk=fft(cxn,nfft;Pxx=abs(CXk;第二步:index=0:round(nfft/2-1;k=index*fs/nfft;plot_Pxx=10*log10(Pxx(index+1;第三步: plot(k,plot_Pxx;4. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容及要求用Matlab實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶系統(tǒng)

14、的傳輸,數(shù)字基帶信號(hào)采用單極性歸零碼,要求畫(huà)出系統(tǒng)框圖中每一個(gè)輸出點(diǎn)的信號(hào)波形以及功率譜圖(基帶信號(hào),通過(guò)信道后的信號(hào),通過(guò)接收濾波器的信號(hào),抽樣判決后的信號(hào)。5. 擴(kuò)展內(nèi)容用Matlab實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶系統(tǒng)的傳輸,數(shù)字基帶信號(hào)采用雙極性不歸零碼,要求畫(huà)出系統(tǒng)框圖中每一個(gè)輸出點(diǎn)的信號(hào)波形以及功率譜圖(基帶信號(hào),通過(guò)信道后的信號(hào),通過(guò)接收濾波器的信號(hào),抽樣判決后的信號(hào)。6. 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果仿真條件:以下仿真中采用的基帶信號(hào)是多元碼波形,經(jīng)過(guò)信道,接收濾波器,最后經(jīng)抽樣判決后輸出。 123信息信號(hào)波形 500100015002000250030003500400045005000010203040信息信號(hào)的功率譜圖8.11信號(hào)及其功率譜 添加噪聲后信號(hào)后波形0500100015002000250030003500400045005000-40-202040添加噪聲后的信號(hào)功率譜圖8.12加噪聲后的信號(hào)及其功率譜 123通過(guò)接收濾波器后波形 0500100015002