数字基带传输系统的仿真设计.docx
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数字基带传输系统的仿真设计.docx
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数字基带传输系统的仿真设计
摘要
在当今信息化社会中,随着通信技术的飞速发展,相关的通信理论、技术也得到了飞速发展。
数字通信已成为信息传输的重要手段,数字通信的新设备不断涌现,全球数字化已成为当今社会发展的主要潮流,人们越来越离不开数字通信,越来越期望了解和掌握数字通信技术。
数字通信是迅速发展的信息技术,目前将科研的发展前沿与基础的通信理论有机结合阐述的著作还很少。
MATLAB是MathWorks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件,其强大的计算和图形功能使其在科学计算和工程领域赢得了众多的用户。
经过许多专家、工程师在自己相关领域的扩充,MATLAB成为了一个多领域、多学科、多功能的优秀科技应用软件,从而被广泛地应用于各领域和学科的研究与仿真。
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,实验设计中利用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。
关键字:
数字通信、matlab仿真
Abstract
Intoday'sinformationsociety,alongwiththerapiddevelopmentofcommunicationtechnology,thecommunicationtheory,technologyisalsoobtainedtherapiddevelopment.Digitalcommunicationhasbecomeanimportantmeansofinformationtransmission,digitalcommunicationnewequipmentconstantlyemerging,globaldigitalhasbecomethemaintrendintoday'ssocialdevelopment,peoplemoreandmorewithoutdigitalcommunication,moreandmoreexpecttounderstandandgraspdigitalcommunicationtechnology.Digitalcommunicationistherapiddevelopmentoftheinformationtechnology,atpresentthedevelopmentofscientificresearchfrontierandbasiccommunicationtheoryorganiccombinationofpaperworkislittle.
MATLABisMathWorkscompanylaunchedasetofhighperformancenumericalcalculationandvisualizationsoftware,itspowerfulcalculationandgraphicsfunctionsinthescientificcomputingandengineeringfieldshaswonnumeroususers.Aftermanyexperts,engineersintheirrespectivefieldsextended,MATLABbecomemorethanafield,multidisciplinary,multi-functionofexcellenttechnologyapplicationsoftware,whichiswidelyappliedinmanyfieldsandsubjectresearchandsimulation.MATLABisaprogramminglanguageandvisualizationtool,itcantodataingraphicsdisplaymode,therelationshipbetweendataandMATLABcontainsapplicationkitfunctionisveryrich,withtheSIMULINKisausedtodynamicsystemmodeling,simulationandanalysissoftwarepackage,supportlinesexandnonlinearsystem,canbeincontinuoustimedomain,thediscretetimedomainoramixtureofbothinthetimedomainmodel,includingcommunicationsystemtoolboxcontainsthecommunicationsystemanalysisandsimulationareneededsourcecoding,errorcorrectioncoding,channel,modemandotherusedlibraryfunctionandmodule,thedesignofexperimentsusingMATLABtodigitalbasebandtransmissionsystemmodelingandsimulationandtheresultsareanalyzed,andtheresultsshowthattheestablishedsimulationsystemtoachievethehighpure.Keyword:
digitalcommunication、matlabsimulation
一、设计的目的及意义4
1.1、引言4
二、数字基带传输系统5
2.1、数字基带传输系统的简介5
2.2、数字基带传输系统的组成5
2.3、数字基带信号的码型7
2.3.1:
数字基带传输对码型有如下要求7
2.3.2:
常用的线路传输型码7
2.4、数字基带传输系统的准则8
三、设计步骤9
四、设计结果及分析15
五、心得体会15
参考文献
一、设计目的及意义
1.1引言
数字基带传输系统是《通信原理》课程中非常重要的一部分基础性内容,为了使学生加深列通信系统的理解,其中的一些概念、原理往往需要用实验来澄清,但是该实验的实验板在市场上没有销售,而且该实验几乎无法用硬件实现;一些替代性的实验,其实验结果由于受多种因素影响,也往往不能满足要求.因此,开发一套数字基带传轱系统仿真实验软件是很有必要的。
在仿真软件设计中采用了Mathworks公司的MATLAB作为仿真工具,其仿真平台SIMUINK具有可视化建模和动态仿真的功能。
用SIMULINK构造仿真系统,方法简单直观,开发的仿真系统使用时间流动态仿真,可以准确描述真实系统的每一细节,并且在仿真进行的同时具有较强的交互功能,易于使用。
另外该软件还具有较好的可扩展性和可维护性。
本文给出了采用仿真工具SIMUIINK,设计数字基带传输系统仿真实验软件的系统定义、模型构造的过程.通过对仿真结果分析和误码性能测试表明,该仿真系统完全符合实验要求。
MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称,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是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
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MATLAB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,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用。
二、数字基带传输系统
2.1数字基带传输系统的简介
数字基带传输系统的介绍在数字传输系统中,其传输的对象通常是二进制数字信号,它可能是来自计算机、电传打字机或其它数字设备的各种数字脉冲,也可能是来自数字电话终端的脉冲编码调制(PCM)信号。
这些二进制数字信号的频带范围通常从直流和低频开始,直到某一频率mf,我们称这种信号为数字基带信号。
在某些有线信道中,特别是在传输距离不太远的情况下,数字基带信号可以不经过调制和解调过程在信道中直接传送,这种不使用调制和解调设备而直接传输基带信号的通信系统,我们称它为基带传输系统。
而在另外一些信道,特别是无线信道和光信道中,数字基带信号则必须经过调制过程,将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输,相应地,在接收端必须经过解调过程,才能恢复数字基带信号。
我们把这种包括了调制和解调过程的传输系统称为数字载波传输系统。
一种不搬移基带信号频谱的传输方式。
未对载波调制的待传信号称为基带信号,它所占的频带称为基带,基带的高限频率与低限频率之比通常远大于1。
由信号源产生或形成的数字信号都有一个共同特点,就是它的频谱都是从零频或零频附近开始一直扩展到很宽,这种信号称为数字基带信号。
在某些场合的通信中,基带信号不需要调制就可以直接在某些信道中传输,这种直接传输基带信号的系统就称为基带传输系统
2.2、数字基带传输系统组成
基带传输系统的组成框图如图所示。
它主要由码波形变换器、发送滤波器、基带传输波形信道、接收滤波器和取样判决器等5个功能电路组成。
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。
对不同的数字基带传输系统,应根据不同的信道特性及系统指标要求,选择不同的数字脉冲波形。
原则上可选择任意形状的脉冲作为基带信号波形,如矩形脉冲、三角波、高斯脉冲及升余弦脉冲等。
但实际系统常用的数字波形是矩形脉冲,这是由于矩形脉冲易于产生和处理。
下面我们就以矩形脉冲为例,介绍常用的几种数字基带信号波形。
(1).单极性波形(NRZ)这是一种最简单的二进制数字基带信号波形。
这种波形用正(或负)电平和零电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码,也就是用脉冲的有无来表示码元的“1”和“0”,这种波形的特点是脉冲的极性单一,有直流分量,且脉冲之间无空隙,即脉冲的宽度等于码元宽度。
故这种脉冲又称为不归零码(NRZ---NonReturntoZero)NRZ波形一般用于近距离的电传机之间的信号传输。
(2)双极性波形在双极性波形中,用正电平和负电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码,这种波形的脉冲之间也无空隙。
此外,从信源的统计规律来看,“1”码和“0”码出现的概率相等,所以这种波形无直流分量。
同时这种波形具有较强的抗干扰能力。
故双极性波形在基带传输系统中应用广泛。
(3)单极性归零波形(RZ)这种波形的特点是脉冲的宽度(τ)小于码元的宽度(T),每个电脉冲在小于码元宽度的时间内总要回到零电平,故这种波形又称为归零波(RZ---ReturntoZero)。
归零波形由于码元间隔明显,因此有利于定时信息的提取。
但单极性RZ波形中仍含有直流分量,且由于脉冲变窄,码元能量减小,因而在匹配接收时,输出信噪比较不归零波形的低。
(4)双极性归零波形这种波形是用正电平和负电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码,但每个电脉冲在小于码元宽度的时间内都要回到零电平,这种波形兼有双极性波形和归零波形的特点。
(5)差分波形(相对码波形)信息码元与脉冲电平之间的对应关系是固定不变的(绝对的),故称这些波形为绝对码波形,信息码也称为绝对码。
所谓差分波形是一种把信息码元“1”和“0”反映在相邻信号码元的相对电平变化上的波形,差分波形中,码元“1”和“0”分别用电平的跳变和不变来表示,即用相邻信号码元的相对电平来表示码元“1”和“0”,故差分波形也称为相对码波形。
差分波形也可以看成是差分码序列bn对应的绝对码波形,差分码bn与绝对码an之间的关系可用以下的编码方程表示bnbn1⊕an(1.1)式中,⊕为模2和运算符号。
由上式看出,当绝对码an每出现一个“1”码时,差分码bn电平变化一次;当an出现“0”码时,差分码bn电平与前一码元bn-1相同。
可见,bn前后码元取值的变化代表了原信码na中的“1”和“0”。
由式(1.1)可以导出译码方程为anbn-1⊕bn(1.2)由上式可看出,译码时只要检查前后码元电平是否有变化就可以判决发送的是“1”码还是“0”码。
(6)多电平脉冲波形(多进制波形)上述各种波形都是二进制波形,实际上还存在多电平脉冲波形,也称为多进制波形。
这种波形的取值不是两值而是多值的。
例如,代表四种状态的四电平脉冲波形,每种电平可用两位二进制码元来表示,如00代表-3E,代表-E,代0110表E,11代表3E,这种波形一般在高速数据传输系统中用来压缩码元速率,提高系统的频带利用率。
但在相同信号功率的条件下,多进制传输系统的抗干扰性能不如二进制系统。
2.3、数字基带传输系统的码型
2.3.1:
数字基带传输对码型有如下要求:
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
常见的传输码型有NRZ码、RZ码、AMI码、HDB3码及CMI码,其中最适合基带传输的码型是HDB3码。
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。
2.3.2:
常用的线路传输型码
前面提到,为满足基带传输系统的特性要求,必须选择合适的传输码型。
基带传输系统中常用的线路传输型码主要有:
传号交替反转码---AMI码、三阶高密度双极性码---3HDB码、分相码---Manchester码、传号反转码---CMI码以及4B3T码等。
下面我们详细地介绍这些码型。
1、传号交替反转码---AMI码
(AMIAlternateMarkInversion)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、…,而码元序列中的“0”码保持不变。
例如:
码元序列:
10011010111100
AMI码:
100-110-101-11-100
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2Tf处,其中Tf为码元速率。
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,因此我们把这种码称为伪三电平码,也称为1B/1T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。
2、HDB3码
HDB3(HighDensityBipolar3)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”码情况而设计的AMI码的改进型。
HDB3码的编码规则是:
1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3HDB码。
2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,记为-V)-1。
3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变成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:
10000-1010000–100001–1
HDB3码:
1000V-101-B00-V1000V-11
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。
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,HDB3码的频谱中既消除了直流和甚低频分量,又消除了方波中的高频分量,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,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”。
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,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“1”码相当于用交替的“00”和“11”两位码组表示,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“00”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群的接口码型以及速率低于8448kb/s的光纤数字传输系统中的线路传输码型。
此外,CMI码和曼彻斯特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。
2.4、数字基带传输系统的准则
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。
三、设计步骤
1、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。
2、滤波器
滤波器原理图:
升余弦滚降滤波器频域特性:
实验余弦滚降基带传输系统
升余弦滚降传输特性H(ω)可表示为
H(ω)是对截止频率ωb的理想低通特性H0(ω)按H1(ω)的滚降特性进行“圆滑”得到的,H1(ω)对于ωb具有奇对称的幅度特性,其上、下截止角频率分别为ωb+ω1、ωb-ω1。
它的选取可根据需要选择,升余弦滚降传输特性H1(ω)采用余弦函数,此时H(ω)为
称为滚降系数。
余弦滚降系统基于matlab仿真源程序如下:
%数字基带信号传输 码
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