1、通信原理課程設(shè)計(jì)說明書目錄1、課程設(shè)計(jì)的目的及意義2、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)理論知識介紹3、設(shè)計(jì)步驟4、源程序及運(yùn)行結(jié)果5、心得體會6、參考文獻(xiàn)1、課程設(shè)計(jì)的目的及意義隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能變得越來越復(fù)雜，為了高效地完成各類研發(fā)工作，需要借助計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)工具。通過仿真，學(xué)生可以更好地理解理論課程中所涉及到的概念、原理與計(jì)算方法。由于在理論課上必須將復(fù)雜性限制在較低的程度，以保證能夠進(jìn)行分析。在仿真過程中，允許我們方便地改變系統(tǒng)參數(shù)，而且通過仿真結(jié)果進(jìn)行交互式和可視化的顯示，可以迅速評估這些改變的影響，因此可以學(xué)習(xí)到更復(fù)雜和更實(shí)際的系統(tǒng)工作特性。通過課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐學(xué)習(xí)，培

2、養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問題的能力。這次課程設(shè)計(jì)以仿真形式進(jìn)行，使學(xué)生能夠掌握一種基本的仿真軟件對通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是 通信原理課程中非常重要的一部分基礎(chǔ)性內(nèi)容為了使學(xué)生加深列通信系統(tǒng)的理解，其中的一些概念、原理往往需要用實(shí)驗(yàn)來澄清，但是該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)板在市場上沒有銷售，而且該實(shí)驗(yàn)幾乎無法用硬件實(shí)現(xiàn)；一些替代性的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于受多種因素影響，也往往不能滿足要求因此，開發(fā)一套數(shù)字基帶傳轱系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)軟件是很有必要的。 在仿真軟件設(shè)計(jì)中采用了 Mathworks 公司的 MATLAB 作為仿真工具，其仿真平臺 SIMUINK 具有可視化建模和動態(tài)仿真的功能。用 SIMULIN

3、K 構(gòu)造仿真系統(tǒng)，方法簡單直觀，開發(fā)的仿真 系統(tǒng)使用時(shí)間流動態(tài)仿真，可以準(zhǔn)確描述真實(shí)系統(tǒng)的每一細(xì)節(jié)，并且在仿真進(jìn)行的同時(shí)具有較強(qiáng)的交互功能，易于使用。另外該軟件還具有較好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。 本次課程設(shè)計(jì)采用仿真工具 SIMUIINK，設(shè)計(jì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)軟件的系統(tǒng)定義、模型構(gòu)造的過程通過對仿真結(jié)果分析和誤碼性能測試表明，該仿真系統(tǒng)完全符合實(shí)驗(yàn)要求 。 MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink

4、兩大部分。 MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、 可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中， 為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案， 并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 2、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)理論知識介紹2.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的簡介 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的介紹 在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸?shù)膶ο笸ǔＪ嵌M(jìn)制數(shù)字信 號，它可能是來自計(jì)算

5、機(jī)、電傳打字機(jī)或其它數(shù)字設(shè)備的各種數(shù)字脈沖，也可能是來自 數(shù)字 終端的脈沖編碼調(diào)制（PCM）信號。這些二進(jìn)制數(shù)字信號的頻帶范圍通常從直 流和低頻開始，直到某一頻率m f ，我們稱這種信號為數(shù)字基帶信號。在某些有線信道 中，特別是在傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下，數(shù)字基帶信號可以不經(jīng)過調(diào)制和解調(diào)過程在信 道中直接傳送，這種不使用調(diào)制和解調(diào)設(shè)備而直接傳輸基帶信號的通信系統(tǒng)，我們稱它 為基帶傳輸系統(tǒng)。而在另外一些信道，特別是無線信道和光信道中，數(shù)字基帶信號則必 須經(jīng)過調(diào)制過程，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸，相應(yīng)地，在接收端必須 經(jīng)過解調(diào)過程，才能恢復(fù)數(shù)字基帶信號。我們把這種包括了調(diào)制和解調(diào)過程的傳

6、輸系統(tǒng) 稱為數(shù)字載波傳輸系統(tǒng)。一種不搬移基帶信號頻譜的傳輸方式。未對載波調(diào)制的待傳信 號稱為基帶信號，它所占的頻帶稱為基帶，基帶的高限頻率與低限頻率之比通常遠(yuǎn)大于1。 由信號源產(chǎn)生或形成的數(shù)字信號都有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是它的頻譜都是從零頻或零 頻附近開始一直擴(kuò)展到很寬，這種信號稱為數(shù)字基帶信號。在某些場合的通信中，基帶 信號不需要調(diào)制就可以直接在某些信道中傳輸，這種直接傳輸基帶信號的系統(tǒng)就稱為基 帶傳輸系統(tǒng)。2.2、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)基帶傳輸系統(tǒng)的組成框圖如圖所示。它主要由碼波形變換器、發(fā)送濾波器、基帶傳輸波形信道、接收濾波器和取樣判決器等 5 個(gè)功能電路組成。 基帶傳輸系統(tǒng)的輸入信號是由終端設(shè)備

7、編碼器產(chǎn)生的脈沖序列， 為了使這種脈沖序列適合于信道的傳輸， 一般要經(jīng)過碼型變換器，碼型變換器把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)殡p極性碼 （AMI碼 或HDB3 碼） ，有時(shí)還要進(jìn)行波形變換，使信號在基帶傳輸系統(tǒng)內(nèi)減小碼間干擾。當(dāng)信號經(jīng)過信道時(shí)，由于信道特性不理想及噪聲的干擾，使信號受到干擾而變形。在接收端為了減小噪聲的影響，首先使信號進(jìn)入接收濾波器，然后再經(jīng)過均衡器，校正由于信道特性（包括接收濾波器在內(nèi)）不理想而產(chǎn)生的波形失真或碼間串?dāng)_。最后在取樣定時(shí)脈沖到來時(shí)，進(jìn)行判決以恢復(fù)基帶數(shù)字碼脈沖。2.3、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的工作原理在發(fā)送端數(shù)字基帶信號X（t）經(jīng)發(fā)送濾波器輸入到信道發(fā)送濾波器的作用是限制發(fā)送頻帶

8、阻止不必要的頻率成分干擾相鄰信道。傳輸信道在這里是廣義的它可以是傳輸介質(zhì)電纜、雙絞線等等也可以是帶調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制信道。基帶信號在信道中傳輸時(shí)常混入噪聲n（t）同時(shí)由于信道一般不滿足不失真?zhèn)鬏敆l件因此要引起傳輸波形的失真。 所以在接收端輸入的波形與原始的基帶信號X（t）差別較大若直接進(jìn)行抽樣判決可能產(chǎn)生較大的誤判。因此在抽樣判決之前先經(jīng)過一個(gè)接收濾波器它一方面濾除帶外噪聲另一方面對失真波形進(jìn)行均衡。抽樣和判決電路使數(shù)字信號得到再生并改善輸出信號的質(zhì)量。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)鬏斝盘柶洳ㄐ卧跁r(shí)域上必定是無限延伸的這就帶

9、來了各碼元間相互串?dāng)_問題。造成判決錯(cuò)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)_。基帶脈沖序列通過系統(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(cuò)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

10、。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 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 實(shí)際上具有理想低通特性的信道是難以實(shí)現(xiàn)的而實(shí)際應(yīng)用的是具有滾降特性的信道。其帶寬較奈奎斯特帶寬增加的程度滾降系數(shù)可以表示為 其中B表示滾降信道的帶寬。由于升余弦滾降濾波特性可使傳輸信號具有較大的功率且

11、收斂快而減小碼間干擾故已得到了廣泛的應(yīng)用。3、設(shè)計(jì)步驟3.1 滾降低通幅頻特性實(shí)際傳輸中，不可能有絕對理想的基帶傳輸系統(tǒng)，這樣一來，不得不降低頻帶利用率，采用具有奇對稱滾降特性的低通濾波器作為傳輸網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)推導(dǎo)得出結(jié)論：只要滾降低通的幅頻特性以點(diǎn)C(fc,1/2)呈奇對稱滾降，則可滿足無碼間干擾的條件（此時(shí)仍需滿足傳輸速率=2fc）。滾降系數(shù)：a=(fc+fa)-fc/fc用滾降低通作為傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)，實(shí)際占用的頻帶展寬了，則傳輸效率有所下降，當(dāng)a=100%時(shí)，傳輸效率即頻帶利用率只有1(b/s)Hz，比理想低通小了一半。3.2 濾波器濾波器原理圖：實(shí)驗(yàn) 余弦滾降基帶傳輸系統(tǒng)升余弦滾降傳輸特性H(

12、)可表示為 H()是對截止頻率b的理想低通特性H0()按H()的滾降特性進(jìn)行“圓滑”得到的，H1()對于b具有奇對稱的幅度特性，其上、下截止角頻率分別為b+1、b-1。它的選取可根據(jù)需要選擇，升余弦滾降傳輸特性H1()采用余弦函數(shù)， 此時(shí)H()為 稱為滾降系數(shù)。3.3 眼圖眼圖是指利用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)和改善（通過調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時(shí)在示波器上觀察到的一種圖形。觀察眼圖的方法是：用一個(gè)示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時(shí)示波器屏幕上看到的圖形像人的眼睛，故稱 為 “眼圖”。從“眼圖”上可 以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)

13、劣程度。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)的傳輸性能。眼圖 的 “眼睛” 張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱。 “眼睛”張的 越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越小；反之表示碼間串?dāng)_越大。 當(dāng)存在噪聲時(shí)，噪聲將疊加在信號上，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。若同時(shí)存在碼間串?dāng)_ ， “眼睛”將 張開得更小。與無碼間串?dāng)_時(shí)的眼圖相比，原來清晰端正的細(xì)線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串?dāng)_越大，眼圖越不端正。眼圖對于展示數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串?dāng)_的大小和噪聲的強(qiáng)弱，有助于直觀地了解碼間串?dāng)_和

14、噪聲的影響，評價(jià)一個(gè)基帶系統(tǒng)的性能優(yōu)劣；可以指示接收濾波器的調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_。（ 1 ）最佳抽樣時(shí)刻應(yīng) 在 “眼睛” 張開最大的時(shí)刻。 （ 2 ）對定時(shí)誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。斜率越大，對定時(shí)誤差就越靈敏。（ 3 ）在抽樣時(shí)刻上，眼圖上下兩分支陰影區(qū)的垂直高度，表示最大信號畸變。 （ 4 ）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，噪聲瞬時(shí)值超過它就可能發(fā)生錯(cuò)誤判決。（ 6 ）對于利用信號過零點(diǎn)取平均來得到定時(shí)信息的接收系統(tǒng)，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域的大小，表示零點(diǎn)位置的變動范圍，這個(gè)變

15、動范圍的大小對提取定時(shí)信息有重要的影響。4、源程序及運(yùn)行結(jié)果41余弦滾降系統(tǒng)基于matlab仿真源程序如下:% 數(shù)字基帶信號傳輸 升余弦滾降系統(tǒng)的頻譜及其時(shí)域波形Ts=1;N=17;dt=Ts/N;df=1.0/(20.0*Ts);t=-10*Ts:dt:10*Ts;f=-2/Ts:df:2/Ts;a=0,0.75,1;for n=1:length(a) for k=1:length(f) if abs(f(k)0.75*(1+a(n)/Ts Xf(n,k)=0; elseif abs(f(k)0.75*(1-a(n)/Ts Xf(n,k)=Ts; else Xf(n,k)=0.75*Ts*(

16、1+cos(pi*Ts/(a(n)+eps)*(abs(f(k)-0.75*(1-a(n)/Ts); end; end; xt(n,:)=sinc(t/Ts).*(cos(a(n)*pi*t/Ts)./(1-4*a(n)2*t.2/Ts2+eps);endsubplot(211);plot(f,Xf);axis(-1 1 0 1.2);xlabel(f/Ts);ylabel(（褚）升余弦滾降系統(tǒng)的頻譜);legend(=0,=0.75,=1);subplot(212);plot(t,xt);axis(-10 10 -0.5 1.1);xlabel(t);ylabel(（褚）升余弦滾降系統(tǒng)的時(shí)域

17、波形);legend(=0,=0.75,=1);程序運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：在上述運(yùn)行結(jié)果中我們可以看出，頻域波形在滾降段中心頻率處呈奇對稱特性，滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則。圖可證明，滾降系數(shù)越大，超出奈奎斯特帶寬的擴(kuò)展量越大，要求帶寬增大。 時(shí)域波形中，滾降系數(shù)越大，波形的拖尾衰減越快，對位定時(shí)精度要求越低。4.2升余弦滾降系統(tǒng)眼圖程序段如下：% 數(shù)字基帶信號波形及其眼圖% 文件名：褚棟興.mTs=1;N=15;eye_num=6;a=1;N_data=1000;dt=Ts/N;t=-3*Ts:dt:3*Ts;% 產(chǎn)生雙極性數(shù)字信號d=sign(randn(1,N_data);dd=sigexpand

18、(d,N); % 基帶系統(tǒng)沖擊響應(yīng)（升余弦）ht=sinc(t/Ts).*(cos(a*pi*t/Ts)./(1-4*a2*t.2/Ts2+eps);st=conv(dd,ht);tt=-3*Ts:dt:(N_data+3)*N*dt-dt;subplot(211)plot(tt,st);axis(0 20 -1.2 1.2);xlabel(t/Ts);ylabel(基帶信號);subplot(212)% 畫眼圖ss=zeros(1,eye_num*N);ttt=0:dt:eye_num*N*dt-dt;for k=3:50 ss=st(k*N+1:(k+eye_num)*N); drawnow; plot(ttt,ss); hold on;end;xlabel(t/Ts);ylabel(基帶信號眼圖);% 將輸入的序列擴(kuò)成間隔為N-1個(gè)0的序列functionout=sigexpand(d,M)N=length(d);out=zeros(M,N);out(1,:)=d;out=reshape(out,1,M*N);程序運(yùn)行后仿真結(jié)果如下： 如圖，波形幅度沒有衰減，無碼間串?dāng)_。可通過抽樣判決后還原接收信號。若干段數(shù)字基帶波形疊加后形成眼圖形狀。眼圖“眼睛”張開