基于MATLAB的数字基带传输系统的仿真-课程设计报告书

通信工程专业《通信仿真综合实践》研究报告

基于MATLAB的数字基带传输系统的仿真设计

学生：***

学生学号：20*****

指导教师：**

所在学院：信息技术学院

专业班级：通信工程

中国

2016 年 5月

信息技术学院

课程设计任务书

信息技术院通信工程专业 20** 级，学号 201***** ****

一、课程设计课题：

基于MATLAB的数字基带传输系统的仿真设计

二、课程设计工作日自 2016 年 5 月 12 日至 2016 年 5 月 24 日

三、课程设计进行地点：图书馆

四、程设计任务要求：

1.课题来源:

指导教师指定题目

2.目的意义:.

1）综合应用《掌握和精通MATLAB》、《通信原理》等多门课程知识，使学生建立通信系统的整体概念

2）培养学生系统设计与系统开发的思想

3）培养学生独立动手完成课程设计项目的能力

3.基本要求:

1) 数字基带信号直接送往信道：

2）传输信道中的噪声可以看作加性高斯白噪声

3）可用滤波法提取定是信号

4）对传输系统要有清楚的理论分析

5）把整个系统中的各个子系统自行构造，并对其性能进行测试

6）最终给出信号的仿真结果（信号输出图形）

课程设计评审表

基于MATLAB 的数字基带传输系统的仿真

概述 ：本课程设计主要研究了数字信号的基带传输的基本概念及数字信号基带传输的传输过程和如何用MATLAB 软件仿真设计数字基带传输系统。首先介绍了本课题的理论依据及相关的基础知识，包括数字基带信号的概念，数字基带传输系统的组成及各子系统的作用，及数字基带信号的传输过程。最后按照仿真过程基本步骤用MATLAB 的仿真工具实现了数字基带传输系统的仿真过程，对系统进行了分析。

第一部分 原理介绍

一、数字基带传输系统 1）数字基带传输系统的介绍

未经调制的数字信号所占的频谱是从零频或很低频率开始,称为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下,基带信号可以不经载波调制而直接传输。这种不经载波调制直接传输数字基带信号的系统，称为数字基带传输系统。 数字基带系统的基本结构可以由图1 的模型表示.其中包括发送滤波器、传输信道、接收滤波器、抽样判决等效为传输函数为H (w) 基带形成网络,对于无码间干扰的基带传输系统来说, H (w) 应满足奈奎斯特第一准则, 在实验中一般取H (w) 为升余弦滚降特性.在最佳系统下, 取C(w) = 1,GT (w) 和GR(w) 均为升余弦平方根特性.传输信道中的噪声可看作加性高斯白噪声, 用产生高斯随机信号的噪声源表示. 位定时提取电路,在定时精度要求不高的场合, 可以用滤波法提取定时信号,滤波法提取位定时的原理可用图2表示。

图1 基带传输系统模型

设发送滤波器的传输特性 ,

则

ω

ωπ

d e H t g jwt R ?

∞

∞

-=

)(21

)()(ωT G

若设信道的传输特性为C)(w),接收滤波器的传输特性为 ,则基带传输系统的总传输特性为

其中单位冲激响应

H(t)是在单个δ(t)作用下,H(w)形成的输出波形.接收滤波器输出信号r(t)可表示为是加信噪声n(t)经过滤波器后输出的噪声。 a为滚降系数。

图2 滤波法提取定时信号原理图

根据以上系统分析, 用SIMU LINK 搭建仿真模型. 首先把系统分解成信号发生器、发送/ 接收滤波器、传输信道、Manchester 编/ 解码器、位定时提取电路和采样判决电路这几个子系统. 然后对子系统分别进行构造和测试: 这些子系统是由SIMULINK 模块库提供的基本模块以及通信工具箱、数字信号处理工具箱提供的专用模块搭建并且经过封装形成的。

(1)发送滤波器

它的功能是产生适用于信道传输的基带信号波形。发送滤波器用于压缩输入信号频带，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形

(2)信道

是允许基带信号通过的媒介，通常为有线信道，如双绞线、同轴电缆等。

(3)接收滤波器

它用来接收信号，尽可能滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。

(4)抽样判决器

是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻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。

(5)Manchester 编码器/ 解码器

)

(

)

(

)

(

)

(ω

ω

ω

ω

R

T

G

C

G

H=

)

(

)

(h

)

(t

n

nT

t

a

t

r

R

s

n

n

+

-

=∑∞

-∞

=

ω

ω

π

d

e

H

t jwt

?∞∞-

=)

(

2

1

)(h

)

(ω

R

G

)

(t

n

R

为便于在接收端提取位定时信号, 在传输中使用了含有丰富定时信息的Manchester 码, Manchester 编码器和解码器就完成码变换的功能, 编码规则为1→+ 1-1; 0→-1+ 1[ 2] . (6)定时脉冲和同步提取

用来抽样的位定时脉冲依靠同步提取电路从接收信号提取，位定时的准确与否直接影响判决效果。

二、升余弦滚降基带传输系统 1）升余弦滚降基带传输系统介绍

理想低通特性的基带系统具有很大的频带利用率。但实际上理想低通系统在应用中存在两个问题：一是实现极其困难，二是理想冲击响应h （t ）的”拖尾”很长，衰减很慢，当定时存在偏差时，可能出现严重的码间串扰。实际使用中采用余弦频谱特性的系统，其系统传输特性如下：

????????????

????? ??+= 0-2sin 12T T )H(S S

ωπαωS S T T ()()()()s

1||1||-1-1||0T T T T S

S S π

ωπωππωαααα+≥

+≤≤

α=0时，是前面所描述的理想低通系统。α=1时，就是升余弦频谱特性，H （ω）可以表示为

???

?????

??+=02cos 12)(H s s T T ωω

s

s

T T πωπω2||2|| ≤

其中α称为滚降系数。用来描述滚降程度。s T 为系统的输入数据的符号间隔。 2）眼图的介绍

眼图是指通过用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能的一种方法。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称 为 “眼图”。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。眼图的“眼睛” 开的大小反映着码间串扰的强弱。“眼睛”的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰，“眼睛”将开得更小。与无码间

串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。

（1）最佳抽样时刻应在“眼睛”开最大的时刻。

（2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏。（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。

（4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。

（5）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相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。

（6）对于利用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围，这个变动围的大小对提取定时信息有重要的影

响。

图3 眼图

第二部分直接用MATLAB编程仿真

一、升余弦滚降系统仿真

1）余弦滚降系统仿真源程序

% 数字基带信号传输码间串扰升余弦滚降系统的频谱及其时域波形

% 文件名 szjd.m a=0,0.5,2

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=[0,0.5,2];

for n=1:length(a)

for k=1:length(f)

if abs(f(k))>0.5*(1+a(n))/Ts

Xf(n,k)=0;

elseif abs(f(k))<0.5*(1-a(n))/Ts

Xf(n,k)=Ts;

else

Xf(n,k)=0.5*Ts*(1+cos(pi*Ts/(a(n)+eps)*(abs(f(k))-0.5*(1-a(n))/Ts)));

end;

end;

xt(n,:)=sinc(t/Ts).*(cos(a(n)*pi*t/Ts))./(1-4*a(n)^2*t.^2/Ts^2+eps);

end

subplot(211);

plot(f,Xf);

axis([-1 1 0 1.2]);

xlabel('f/Ts');

ylabel('升余弦滚降系统的频谱');

legend('α=0','α=0.5','α=2');

subplot(212);

plot(t,xt);

axis([-10 10 -0.5 1.1]);

xlabel('t');

ylabel('升余弦滚降系统的时域波形'); legend('α=0','α=0.5','α=2'); 2）余弦滚降系统仿真图形

-10

-8-6-4-2

0246810

-0.500.51t

升余弦滚降系统的时域波形

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

00.2

0.4

0.6

0.8

100.20.40.60.81f/Ts

升余弦滚降系统的

频谱

3)仿真结果分析

在上述运行结果中我们可以看出，频域波形在滚降段中心频率处呈奇对称特性，满足奈 奎斯特第一准则。图可证明，滚降系数越大，超出奈奎斯特带宽的扩展量越大，要求带宽增大。

时域波形中，滚降系数越大，波形的拖尾衰减越快，对位定时精度要求越低。

第三部分 利用Simulink 工具箱进行仿真

一、升余弦滚降系统眼图仿真 1） 升余弦滚降系统眼图源程序 % 数字基带信号波形及其眼图 % 文件名：eyee.m

x=randint(3000,1,2); %产生3000行一列的二进制随机数x

y=[[0];rcosflt(x,1,10)];%x通过一个升余弦滤波器得到y

Fd=1/2;Fs=10;offset=0; %设定采样频率、偏置等参数

figure(1)

t=1:30061;

plot(t,y);axis([1,300,-0.5,1.5]);%绘出y的时域图形

grid

figure(2)

eyescat(y,Fd,Fs,offset)

t1=t';

D=[t1 y];

%把y与时间变量t1组成文字变量D,在工作空间workspace的数据（30061行2列）sim('eyeE') %启动仿真系统

-0.5

0.5

1

1.5

2）升余弦滚降系统眼图仿真图

图4 y 的时域图形

0.2

0.4

0.6

0.81 1.2 1.4

1.6

1.8

2

time (second)

a m p l i t u d e

Eye-Pattern Diagram

图5 眼图

3）升余弦滚降系统眼图的仿真结果分析

如图，波形幅度没有衰减，无码间串扰。可通过抽样判决后还原接收信号。若干段数字基带波形叠加后形成眼图形状。眼图’眼睛’开越大，眼图越端正，表示码间串扰越小。上图为理想状态下的眼图，不存在码间串扰。

4）加性高斯白噪声信道仿真

第四部分设计过程和体会

一、设计过程

本次课程设计主要是利用MATLAB软件来进行数字基带通信系统的仿真。在整个课程设计过程中，存在着以下几个问题。

（1）刚开始对系统的整体构成不是很熟悉，思维比较模糊，后来和其他小组同学进行了交流，明白了整个系统的构成。知道了程序设计的步骤和流程。

（2）由于是对于Matlab软件使用不熟练，所以没有过多采用老师建议的simulink仿真，这个在下次课程设计中我们会继续研究和努力。

（3）鉴于我们是一个大程序的书写，在运行中总会存在问题，是结果运行不出来。我们刚开始是采用分部运行，逐次更改错误，后来经过同学们共同的努力，我们学会了使用断点来查找错误和单步运行程序，这对我们以后的课程设计有很大的帮助。

（4）我们对整个课程设计的结果在仿真前没有大体的概念，导致我们面对仿真结果也难以断正误。由于知识掌握的不牢固，使我们在编程过程中存在了理解的偏差。今后我们要扎实基础，对于系统的过程了如指掌。遇到不会的，先查书自己解决，实在不行，再互相讨论。

二、心得体会

知识是靠平时的积累的，能力是在实践过程中培养的。在设计的过程中发现自己有很多不足的地方，让我明白自己的动手能力有待提高，思维方式需要转变，相关的知识面药拓宽。在设计过程中还发现自己对以前所学过的知识理解得不深刻，掌握得不牢固。要做好一个课

程设计并非是件很简单的事，它需要平时的知识积累和经验积累。所以今后一定要注意在平时多思考相关问题，多接触这种设计性的题目，以增强自己的动手能力，思考能力。这样做不仅可以巩固所学过的知识，而且还能学到很多在书本上所没有学到过的知识。

参考文献

[1]《通信原理》（第5版）樊昌信等编著国防工业 2001年

[2]《MATLAB信息工程工具箱技术手册》巍主编国防工业 2004年

[3]《MATLAB通信仿真开发手册》屹主编妍编著国防工业 2004年

[4]《MATLAB通信仿真及应用实例详解》邓华等编著人民邮电 2003年

[5]《现代通信系统仿真及应用》仲令世文造坤电子科技大学 1997年