毕业设计论文数字基带传输系统及matlab仿真管理资料.docx

毕业设计论文数字基带传输系统及matlab仿真管理资料.docx

《毕业设计论文数字基带传输系统及matlab仿真管理资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文数字基带传输系统及matlab仿真管理资料.docx（55页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计论文数字基带传输系统及matlab仿真管理资料

摘要

伴随着现代计算机科学技术快速发展，新一代的可视化的仿真软件也随着产生。

这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。

通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性，有助于我们更好地研究通信系统性能。

本文主要研究通信系统中的关键技术——数字基带传输，主要包括基带系统的组成、传输的方式及无码间串扰条件的特性研究。

还着重的研究基于Matlab语言的数字基带传输特性，通过Matlab设计并仿真基带系统，在比较实测系统与理论研究的基础上加深了对基带传输特性的理解。

以便基带传输理论和仿真在实际中得到更广泛的应用。

理论知识是用来指导具体实践的。

本文在深刻理解通信系统理论的基础上利用Matlab强大的仿真功能，设计了许多具体的通信系统仿真模型。

在仿真模型设计过程中，本文对模型设计的目的、具体的结构组成、仿真流程以及仿真结果都给出了具体详实的分析和说明。

最后，本文对所做的研究工作进行了总结，并且提出了今后的工作和研究方向。

关键词基带传输系统，Matlab，仿真

Abstract

Withthedevelopmentofcomputer,thesuccessfulresearchanddevelopmentofnewgenerationvisualsimulationsoftwarewereburned.Thesimulationsoftwareispowerfulwhichmakestheprocessofdesignandanalysisofcommunicationssystemsimulationmoreintuitionalandconvenient.Today,thecommunicationssystemsimulationisrapiddeveloping.Communicationssystemsimulationhascomprehensiveadaptabilityandwonderfulagility,whichishelpfulforustoresearchthefunctionofcommunicationssystemwell.

Thetextintroducesmostlyaboutkeytechnologyofcorrespondencesystemwhichisnumericbasebandtransmission.ItincludesstructureofthecorrespondencesystemanditdoestransmitmannerandtheconditionofwithoutInter-codeinterference.Infollowing,thetextemphasizesstudiesnumericbasebandtransmissionbase-onmatlablanguageandweuseittodesignandimitatebasebandsystem.Wecomparetrue-testsystemwiththeoreticsystem,sowegetmoreunderstandinginthefieldofbasebandtransmission.

Theoryaimstoguidepractice.Onthebaseofdeepcomprehensionofcommunicationssystemtheory,thepaperdesignsmanyconcretesimulationmodels.Intheprocessofmodelsdesign,thepaperanalysestheintention,configuration,simulationlinksandsimulationresults.

Intheend,thepapersummarizesmaincontentoftheresearchandsomefollowingstudyandresearchobjectsaresuggested.

KeyWordsbasebandtransmissionsystem,matlab,simulation

第1章绪论

课题背景及研究的意义

现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。

这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。

现代计算机科学技术快速发展，已经研发出了新一代的可视化的仿真软件。

这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。

通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程，对通信系统的发展起着举足轻重的作用。

通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性，有助于我们更好地研究通信系统性能。

Matlab是一种适用于工程应用各领域分析设计与复杂计算的科学计算软件，由美国Mathworks公司于1984年正式推出。

Matlab是矩阵（Matrix）和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的要求，现已成为大学教学和科研中最常用且必不可少的工具。

MATLAB提供的动态仿真工具Simulink可以有效地对系统进行建模，由于仿真过程是交互式的，可以灵活改变仿真参数，并且可以立即得到修改参数后的仿真结果。

在通信领域通常利用Simulink建立通信网络的简化模型并连接成系统即可直接进行控制器的设计和仿真。

Matlab是一种编程语言和可视化工具，它能对数据以图形的方式显示出来，使数据间的关系明了。

Matlab所包含的应用工具箱的功能非常丰富，提供的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域或者两者的混合时间域里进行建模，其中通信系统工具箱中包含了对通信系统进行分析和仿真所需的信源编码、纠错编码、信道、调制解调以及其他所用的库函数和模块。

文中利用Matlab对数字基带传输系统进行了建模和仿真并对结果进行了分析，结果表明所建立的仿真系统达到了较高的精度。

由于基带传输系统在数字传输系统中有不可替代的作用，其应用范围也随着技术的发展渗入网络通信、卫星通信及测控、手机通信、数字电视、数字电话等生活、科技的各方面，日益成为数字通信传输系统中的关键技术[1]。

MATLAB技术的国内外发展现状

Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Matlab和Simulink两大部分。

Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使Matlab成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

可以直接调用,近些年来随着计算机技术、网络技术、信号处理、通信技术、自动控制技术的突飞猛进，系统仿真技术的研究力度也在不断加大，发展速度不断加快，应用领域不断扩大。

Matlab是当今最优秀的科技应用软件之一，它以强大的科学计算与可视化功能、简单易用、开放式可扩展环境，特别是所附带的30多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中成为计算机辅助设计和分析、算法研究和应用开发的基本工具和首选平台。

Matlab具有其他高级语言难以比拟的一些优点，如编写简单、编程效率高、易学易懂等，因此Matlab语言也被通俗地称为演算纸式科学算法语言。

在控制、通信、信号处理及科学计算等领域中，Matlab都被广泛地应用，已经被认可为能够有效提高工作效率、改善设计手段的工具软件，掌握了Matlab就好比掌握了开启这些专业领域大门的钥匙。

Matlab是从事众多工业、科研领域的必备工具。

无论是在校学生，还是已经参加工作的工程技术人员和科研人员，都非常渴望快速学习Matlab并熟练运用它来解决各种科学问题、工程问题。

本文研究的主要内容

首先根据论文设计的具体要求，通过高级通信系统建模与仿真的实际操作，采用系统级方法，完成用Matlab建立通信系统模型；然后，对系统中各个实体进行实际程序编写，实现通信系统。

其次，注重分析系统的设计变化影响，如无码间干扰数字基带传输特性等的具体功能实现仿真。

包括信号生成、编码器、误码率的分析、眼图的分析、无码间干扰基带系统的抗噪性能、多径传播与信道均衡主要对通信性能分析比较。

设置观察窗口，分析数据和波形。

最后，对通信系统中的各个部分进行详细的分析，并在Matlab中实现具体的数字通信系统的仿真功能。

第2章基带传输系统

目前，在实际使用的数字通信中，虽然基带传输不如频带传输那样广泛，但是，对于基带传输系统的研究仍然是十分有意义的。

这是因为：

首先，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；其次，随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；最后，理论上也可以证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所替代。

基带传输系统组成

模拟信号经过信源编码得到的信号为数字基带信号，将这种信号经过码型变换，不经过调制，直接送到信道传输，称为数字信号的基带传输。

。

它主要由码波形变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器和取样判决器等5个功能电路组成[2]。

基带传输系统模型

基带传输系统的输入信号是由终端设备编码器产生的脉冲序列，为了使这种脉冲序列适合于信道的传输，一般要经过码型变换器，码型变换器把二进制脉冲序列变为双极性码（AMI码或HDB3码），有时还要进行波形变换，使信号在基带传输系统内减小码间干扰。

当信号经过信道时，由于信道特性不理想及噪声的干扰，使信号受到干扰而变形。

在接收端为了减小噪声的影响，首先使信号进入接收滤波器，然后再经过均衡器，校正由于信道特性（包括接收滤波器在内）不理想而产生的波形失真或码间串扰。

最后在取样定时脉冲到来时，进行判决以恢复基带数字码脉冲。

码形变换器：

基带传输系统的输入是由终端设备或编码器产生的脉冲序列，它往往不适合直接送到信道中传输。

信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。

信道：

是允许基带信号通过的媒质。

信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，恒参信道如（明线、同轴电缆、对称电缆、光纤通道、无线电视距中继、卫星中继信道）对信号传输的影响主要是线形畸变；随参信道如（短波电离层反射、对流层散射信道等）对信号传输的影响主要有频率弥散现象（多径传播）、频率的选择性衰落。

信道的线性噪声和加性噪声的影响。

接收滤波器：

它的主要作用的滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。

抽样判决器：

它是在传输特性不理想及噪声背景下，在由位定时脉冲控制的特殊点对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。

数字基带信号传输码型

1.数字基带信号传输码型的要求

（1）有利于提高系统的频带利用率。

（2）基带信号应不含直流分量，同时低频分量要尽量少，因为由于变压器的接入，使信道具有低频截止特性。

（3）考虑到码型频谱中高频分量的影响。

电缆中线对间由于电磁辐射而引起的串话随频率升高而加剧，会限制信号的传输距离或传输容量。

（4）基带信号应具有足够大的定时信号供提取。

（5）基带信号的传输码型应具有误码检测能力。

（6）码型变换设备简单，容易实现。

2.常用的基带传输码型

常见的传输码型有传号交替反转码--I码、三阶高密度双极性码—HDB3码、分相码——Manchester码、传号反转码——CMI码以及4B3T码等。

另外，AMI码也是CCITT建议采用的基带传输码型，但其缺点是当长连"0"过多时对定时信号提取不利。

CMI码一般作为四次群的接口码型。

（1）传号交替反转码——AMI码

AMI（AlternateMarkInversion）码又称为平衡对称码。

这种码的编码规则是：

把码元序列中的“1”码变为极性交替变化的传输码+1、-1、+1、-1、…，面码元序列中的“0”码保持不变。

例如：

码元序列：

10011010111100

AMI码：

+100-1+10-10+1-1+1-100

。

AMI码波形

由AMI码的编码规则可以看出，由于+1和-1各占一半，因此，这种码中无直流分量，且其低频和高频分量也较少，信号的能量主要集中在fT/2处，其中fT为码元速率。

AMI

，为便于比较，图中还画出了NRZ及HDB3码的功率谱。

此外，AMI码编码过程中，将一个二进制符号变成了一个三进制符号，即这种码脉冲有三种电平，因此这种码称为伪三电平码，也称为1B1T码型。

AMI码除了上述特点外，还有编译码电路简单及便于观察误码情况等优点。

但是AMI码有一个重要的缺陷，就是当码元序列中出现长连“0”时，会造成提取定时信号的困难，因而实际系统中常采用AMI码的改进型——HDB3码。

NRZ、AMI码及

码功率谱

（2）HDB3码

HDB3（HighDensityBipo1ar3）是三阶高密度双极性码，它是为了克服传输波形中出现长连“0”码的情况而设计的AMI码的改进型。

HDB3码的编码规则是：

把码元序列进行AMI编码，然后去检查AMI码中连0的个数，如果没有四个以上（包括四个）连0串时，则这时的AMI码就是HDB3码。

如果出现四个以上连0串时，则将每4个连0小段的第4个0变成与其前一个非0码（+1或-1）相同的码。

显然，这个码破坏了“极性交替反转”的规则，因而称其为破坏码，用符号V表示（即+1记为+V，-1记为-V）。

为了使附加V码后的序列中仍不含直流分量，必须保证相邻的V码极性交替。

这一点，当相邻的V码之间有奇数个非0码时，是能得到保证的；但当相邻的V码之间有偶数个非0码时，则得不到保证。

这时再将该连0小段中的第1个0变+B或-B，B的极性与其前一个非0码相反，并让后面的非零码从V码后开始再极性交替变化。

例如：

码元序列：

1000010100001000011

AMI码：

+10000-10+10000-10000+1-1

HDB3码：

+1000+V-10+1-B00-V+1000+V-1+1

上例中，第1个V码和第2个V码之间，有2个非0码（偶数），故将第2个4连0小段中的第1个0变成-B；第2个V码和第3个V码之间,有1个非0码（奇数），不需变化。

最后可看出，HDB3码中，V码与其前一个非0码（+1或-1）极性相同，起破坏作用；相邻的V码极性交替；除V码外，包括B码在内的所有非0码极性交替。

。

HDB3码波形

虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。

从编码过程中可以看出，每一个V码总是与其前一个非0码（包括B码在内）同极性，因此从收到的码序列中可以很容易地找到破坏点V码，于是可断定V码及其前3个码都为0码。

再将所有的-1变为+1后，便可恢复原始信息代码。

HDB3码的特点是明显的，它既保留AMI码无直流分量，便于直接传输的优点，又克服了长连0串（连0的个数最多3个）的出现，。

由图可见，HDB3码的频谱中既消除了直流和甚低频分量，又消除了方被中的高频分量，非常适合基带传输系统的特性要求。

因此，HDB3码是目前实际系统中应用最广泛的码型。

虽然HDB3码比AMI码的性能更好，但它仍属于1B/1T码型。

（3）曼彻斯特（Manchester）码

曼彻斯特码又称数字双相码或分相码。

（b）所示，（a）为对应的NRZ码波形。

曼彻斯特码用一个周期的方波来代表码元“1”，而用它的反相波形来代表码元“0”。

曼彻斯特码和CMI码波形

这种码在每个码元的中心部位都发生电平跳变，因此有利于定时同步信号的提取，而且定时分量的大小不受信源统计特性的影响。

曼彻斯特码中，由于正负脉冲各占一半，因此无直流分量，但这种码占用的频带增加了一倍。

曼彻斯特码适合在较短距离的同轴电缆信道上传输。

（4）CMI码

CMI码称为传号反转码。

在CMI码中，“1”码（传号）交替地用正、负电平脉冲来表示，而“0”码则用固定相位的一个周期方波表示，（c）所示。

CMI码和曼彻斯特码相似，不含有直流分量，且易于提取同步信号。

CMI码的另一个特点是具有一定的误码检测能力。

这是因为，CMI码中的“l”码相当于用交替的“

”和“11”两值码组表示，而“0”码则固定地用“01”码组表示。

正常情况下，序列中不会出现“10”码组，且“

”和“11”码组连续出现的情况也不会发生，这种相关性可以用来检测因干扰而产生的部分错码。

根据原CCITT的建议，CMI码可用作脉冲编码调制四次全群的接口码以及速率低于8448kb/s的光纤数字传输系统中的线路传输码型。

此外，CMI码和曼彻斯持码一样都是将一位二进制码用一组两位二进制码表示，因此称其为1B2B码。

（5）4B3T码

4B3T码是1B/1T码的改进型，它把4个二进制码元变换为3个三进制码元。

显然，在相同信息速率的条件下，4B3T码的码元传输速率要比1B/1T码的低，因而提高了系统的传输效率。

4B3T码的变换过程中需要同步信号，变换电路比较复杂，故一般较少采用。

无码间串扰传输系统及奈奎斯特（Nyquist）准则

基带系统传输特性及码间串扰

在基带传输系统中，由于系统（主要是信道）特性不理想，接收端收到的数字基带信号波形会发生畸变，使码元之间互相产生干扰。

此外，信号在传输过程中受信道加性噪声的影响，还会使接收波形叠加上随机干扰，造成接收端判决时发生误码。

为了消除或减小这些干扰，必须合理地设计基带传输系统，为此先对系统特性和信号波形进行讨论。

基带传输系统总的传输特性

可写为

（）

式中，

——为发送滤波器；

——为物理传输信道；

——为接收滤波器。

相应地，基带传输系统的冲激响应为

（）

分析可见，为了获得足够小误码率，必须最大限度地减小码间串扰及随机噪声的影响，这需要合理地设计基带信号和基带传输系统。

从理论上说，只要合理地设计系统的传输特性，码间串扰是可以消除的；但对随机噪声来说，只能尽量减小其影响，不能完全消除。

数字信号传输的基本标准

1.奈奎斯特第一准则

如何才能保证信号在传输时不出现或少出现码间干扰，这是关系到信号可靠传输的一个关键问题。

奈奎斯特对此进行了研究，提出了不出现码间干扰的条件：

当码元间隔T的数字信号在某一理想低通信道中传输时，若信号的传输速率位Rb=2fc（fc为理想低通截止频率），各码元的间隔T=1/2fc，则此时在码元响应的最大值处将不产生码间干扰，且信道的频带利用率达到极限，为2（b/s）·Hz。

上述条件是传输数字信号的一个重要准则，通常称为奈奎斯特第一准则。

即传输数字信号所要求的信道带宽应是该信号传输速率的一半BW=fc=Rb/2=1/2T

当满足这一条件时，其它码元的拖尾振幅在对应于某一码元响应的最大值处刚好为零。

2.滚降低通幅频特性

实际传输中，不可能有绝对理想的基带传输系统，这样一来，不得不降低频带利用率，采用具有奇对称滚降特性的低通滤波器作为传输网络。

根据推导得出结论：

只要滚降低通的幅频特性以点C（fc,1/2）呈奇对称滚降，则可满足无码间干扰的条件（此时仍需满足传输速率=2fc）。

滚降系数：

a=[（fc+fa）-fc]/fc

用滚降低通作为传输网络时，实际占用的频带展宽了，则传输效率有所下降，当a=100%时，传输效率即频带利用率只有1（b/s）·Hz，比理想低通小了一半。

3.眼图

眼图是利用实验手段方便地估计和改善（通过调整）系统性能时在示波器上观察到的一种图形。

在传输二进制信号波形时，示波器显示的图形很像人的眼睛，故名“眼图”。

眼图可以定性反映码间串扰的大小和噪音的大小，通过上述模型可以获得以下信息：

（1）最佳抽样时刻应选择在眼图中眼睛张开的最大处。

（2）对定时误差的灵敏度，由斜边斜率决定，斜率越大，对定时误差就越灵敏。

（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支的垂直宽度，都表示了最大信号畸变。

（4）在抽样时刻上，上、下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各自相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生判决差错。

（5）对于信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要影响。

SDH传输

SDH传输技术简介

SDH网是对原有PDH（PlesiochronousDigitalHierarchy准同步系列）网的一次革命。

PDH是异步复接，在任一网络节点上接入接出低速支路信号都要在该节点上进行复接、码变换、码速调整、定时、扰码、解扰码等过程，并且PDH只规定了电接口，对线路系统和光接口没有统一规定，无法实现全球信息网的建立。

随着SDH技术引入，传输系统不仅具有提供信号传播的物理过程的功能，而且提供对信号的处理、监控等过程的功能。

SDH通过多种容器C和虚容器VC以及级联的复帧结构的定义，使其可支持多种电路层的业务，如各种速率的异步数字系列、DQDB、FDDI、ATM等，以及将来可能出现的各种新业务。

段开销中大量的备用通道增强了SDH网的可扩展性。

通过软件控制使原来PDH中人工更改配线的方法实现了交叉连接和分插复用连接，提供了灵活的上/下电路的能力，并使网络拓扑动态可变，增强了网络适应业务发展的灵活性和安全性，可在更大几何范围内实现电路的保护、高度和通信能力的优化利用，从而为增强组网能力奠定基础，只需几秒就可以重新组网。

特别是SDH自愈环，可以在电路出现故障后，几十毫秒内迅速恢复。

SDH的这些优势使它成为宽带业务数字网的基础传输网[3]。

SDH传输网的拓扑结构

SDH网是由SDH网元设备通过光缆互连而成的，网络节点（网元）和传输线路的几何排列就构成了网络的拓扑结构。

网络的有效性（信道的利用率）、可靠性和经济性在很大程度上与其拓扑结构有关。

1.链型网:

此种网络拓扑是将网中的所有节点一一串联，而首尾两端开放。

2.星型网:

此种网络拓扑是将网中一网元作为特殊节点与其他各网元节点相连，其他各网元节点互不相连。

3.环型网:

网上任何一个网元节点都不对外开放的网络拓扑形式。

这是当前使用最多的网络拓扑形式，它具有很强的生存性，即自愈功能较强。

4.网孔型网:

将所有网元节点两两相连，就形成了网孔形网络拓扑。

在电力通信网中，应用最多的网络拓扑是链型、环型和环链组合，可构成更加复杂的网络。

（a）

链型