基于.SIMULINK的基带传输系统的仿真设计

1任务书
试建立一个基带传输模型，采用曼彻斯特码作为基带信号，发送滤波器为平方根升余弦滤波器，滚降系数为0.5，信道为加性高斯信道，接收滤波器与发送滤波器相匹配。

发送数据率为1000bps，要求观察接收信号眼图，并设计接收机采样判决部分，对比发送数据与恢复数据波形，并统计误码率。

另外，对发送信号和接收信号的功率谱进行估计。

假设接收定时恢复是理想的。

2基带系统的理论分析
2.1基带系统传输模型和工作原理
1)信道的传输特性为C(w),接收滤波器的传输特性为设系统总的传输特性为GR(w),则基带传输系统的总的传输特性为:H(w)=GT(w)C(w)GR(w)，n(t)是信道中的噪声。

2)基带系统的工作原理：信源是不经过调制解调的数字基带信号，信源在发送端经过发送滤波器形成适合信道传输的码型，经过含有加性噪声的有线信道后，在接收端通过接收滤波器的滤波去噪，由抽样判决器进一步去噪恢复基带信号，从而完成基带信号的传输。

2．2 基带系统设计中的码间干扰及噪声干扰
码间串扰和信道噪声是影响基带传输系统性能的两个主要因素:
1)码间干扰及解决方案
码间干扰：由于基带信号受信道传输时延的影响，信号波形将被延迟从而扩展到下一码元，形成码间干扰，造成系统误码。

解决方案：
①要求基带系统的传输函数H(ω)满足奈奎斯特第一准则：
若不能满足奈奎斯特第一准则，在接收端加入时域均衡，减小码间干扰。

②基带系统的系统函数H(ω)应具有升余弦滚降特性。

如图2所示。

这样对应的h(t)拖尾收敛速度快，能够减小抽样时刻对其他信号的影响即减小码间干扰。

2)噪声干扰及解决方案
噪声干扰：基带信号没有经过调制就直接在含有加性噪声的信道中传输，加性噪声会叠加在信号上导致信号波形发生畸变。

解决方案：
①在接收端进行抽样判决；②匹配滤波，使得系统输出性噪比最大。

3基带系统设计方案
3．1 信源
常见的基带信号波形有：
单极性波形:是一种最简单的基带信号波形,用正电平和零电平分别对应二进制码'1'和'0',易于用TTL，CMOS电路产生，但直流分量大，要求传输线路具有直流传输能力，不利于信道传输。

双极性波形:用正负电平的脉冲分别表示二进制代码'1'和'0',故当“1”和“O”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，且在接收端恢复信号的判决电平为零，抗干扰能力较强。

单极性归零波形:通常,归零波形使用半占空码,信号电压在一个码元终止时刻前回到零电平.
双极性归零波形:兼有双极性和归零波形的特点,由于相邻脉冲之间存在零电位的间隔,使得接收端很容易识别出每个码元的起始时刻,从而使收发双方能够保持正确的位同步.
基于于以上考虑采用双极性归零码——曼彻斯特码作为基带信号。

3.2 发送滤波器和接收滤波器
1)滤波器的作用
发送滤波器:用于压缩输入信号频带,把传输码变成适用于信道传输的基带信号波形.
接收滤波器:用于接收信号,尽可能滤除信道噪声和其他干扰,对信道特性进行均衡,使其输出的基带波形有利于抽样判决.
2)选择
基带系统设计的核心问题是滤波器的选取，根据1．2的分析，为了使系统冲激响应h(t)拖尾收敛速度加快，减小抽样时刻偏差造成的码间干扰问题，要求发送滤波器应具有升余弦滚降特性；要得到最大输出信噪比，就要使接收滤波器特
性与其输入信号的频谱共扼匹配同时系统函数满足：
H(ω)=GT(ω)GR(ω)考虑在t0时刻取样，上述方程改写为H(ω)=GT(ω)，GR(ω)，于是求解出，因
此，在构造最佳基带传输系统时要使用平方根升余弦滤波器作为发送端和接收端的滤波器。

3．3信道
信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。

信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，且含有加性噪声。

因此本次系统仿真采用高斯白噪声信道。

3.4 抽样判决器
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(由位定时脉冲控制)
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。

抽样判决关键
在于判决门限的确定，由于本次设计采用双极性码，故判决门限为0。

4SIMULINK下基带系统的设计
4.1信源的建模
1)模型
说明:曼彻斯特的编码规则是这样的，即将二级制码“1”编成“10"，将“0”码
编成“01”，在这里由于采用了二进制双极性码，则将“1”编成“+1-1”码，
而将“0”码编成“-1+1”码。

用SIMULINK中的Bernoulli Binary Generator(不
归零二进制码生成器)、Relay、Pulse Generator(脉冲生成器)、Product（乘法器）、Scope(示波器)构成曼彻斯特码的生成电路。

2）各个参数设置：
Bernoulli Binary Generator 用于产生1和0的随机信号，经过Relay变为双极性信号；Pulse Generator用于产生占空比为1/2的单极性归零脉冲(1010)，经过Relay成为双极性脉冲(+1-1+1-1)。

两路双极性信号成为乘法器Product的输入，相乘后的结果是：第1路不归零码的1码与第2路(+1-1)码相乘得到(+1-1)，第1路-1码与第2路(+1-1)码相乘得到(-1+1)码，这就是曼彻斯特码。

曼切斯特码如图所示(下图中,第一个波形是不归零二进制码生成器产生的单极性码,第二个波形是经瑞利变换产生的双极性不归零码,第三个波形是曼切斯特码)
4．2 发送滤波器和接收滤波器、信道
为了减小码间干扰，在最大输出信噪比时刻输出信号，减小噪声干扰，传输模块由Upsample(内插函数)、Discrete Filter根升余弦传输滤波器、AWGN Channel(高斯信道)、Discrete Filter根升余弦接收滤波器模块组成，其设计框图如图所示：
模块参数设置：Upsample的Upsample factor设为10，Discrete Filter根升余弦传输滤波器的Numerator设为rcosine(2,10,'fir/sqrt',0.5,10)，Sample time设为1/10000，AWGN Channel(高斯信道)的Mode选为SNR，SNR设为34，Discrete Filter根升余弦接收滤波器设置与传输滤波器模块相同。

4．3抽样判决
1)抽样判决模型图：
2)说明:曼彻斯特码解码模块与编码模块设置相同。

两路双极性信号成为乘法器Product的输入，相乘后的结果是：第1路不归零码的（+1-1）码与第2路(+1-1)码相乘得到+1码，第1路（-1+1）码与第2路(+1-1)码相乘得到-1码，这就对曼彻斯特码进行了解码。

3)主要参数设置：
5仿真结果分析
5．1 基带传输系统设计总图及各点输出波形
基带传输系统的设计总图以及传输过程中的各点波形分别如图所示
Scope的波形：
第一个波形是对曼彻斯特码进行10被升速率采样后的波形，将该信号送到传输滤波器中，滤除高频成分得到第二个波形，第三个是第二个波形进过加性高斯白噪声信道传输并通过接收滤波器滤除噪声后的波形，第四个是经过抽样判决器抽样和判决再生产生的曼彻斯特码。

Scope1的波形:
从下图中的波形来看，传输是有效的。

第一行是信源端发送的信号波形，第二行是接收端收到的信号波形，与第一行的基带信号比较，波形相同，这说明所设计
的基带系统没有产生误码，达到了抗码间干扰和抗噪声干扰的目的。

5．2 眼图观测结果
图为接收滤波器观察到的眼图，从图中可看出，在信噪比为34dB下观察眼图，“眼睛”睁开的角度很大，且没有“杂线”，说明系统在该信噪比下具有很好的抗码间干扰能力。

5．3 发送信号和接收信号的功率谱
使用模块如有图所示，将其设置为双边带，功率谱密度如图所示：（下图分别为输入信号和输出信号的功率谱）
（1）输入信号（2）输出信号
6遇到的问题及解决的方法
1)将信源|发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样采样等模块连接到一块后,发现误码率很大,因为没有意识到要在抽样采样之后对信号进行解码,
2)将整个模型画好之后,运行发现误码率在50%左右,与实际相差较大,没有考虑到输入信号与输出信号有延时，加上延时模块后并调整延时时间，发现延时时间与理论值相差较大。

3）当信噪比较小时误码率较大，增大信噪比误码率减小。

7结束语（收获、体会和改进设计的建议）
经过本次试验增强了动手能力，又进一步系统的掌握了基带信号传输的仿真模
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型，巩固了通信原理的知识，熟悉了MATLAB中的Simulink的运用，但是在刚开始做实验的时候对理论知识掌握不够不能系统的将模块进行建模，在以后的学习中要加深理论知识的学习，增强动手能力。

8指导教师评语
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