1、2016屆課程設計基于matlab的數字基帶傳輸系統的研究與分析課程設計說明書學生姓名 學 號 所屬學院 信息工程學院 專 業 通信工程 班 級 通信16-1 指導教師 塔里木大學教務處制摘 要本論文主要研究了數字信號的基帶傳輸的基本概念及數字信號基帶傳輸的傳輸過程和如何用matlab軟件仿真設計數字基帶傳輸系統。本文首先介紹了本課題的理論依據，包括數字通信，數字基帶傳輸系統的組成及數字基帶信號的傳輸過程。接著介紹了數字基帶傳輸系統的特性包括數字pam信號功率普密度及常用線路碼型，并通過比較最終選擇雙極性不歸零碼。然后介紹了matlab仿真軟件。之后介紹了數字基帶信號的最佳接收的條件以及如何通

2、過示波器觀察基帶信號的波形。最后按照仿真過程基本步驟用matlab的仿真工具實現了數字基帶傳輸系統的仿真過程，對系統進行了分析。關鍵字：數字基帶傳輸系統 matlab 計算機仿真；目錄1.前言22.正文22.1數字基帶傳輸系統22.2 數字基帶信號32.2.1基本的基帶信號波形32.2.2基帶傳輸的常用碼型42.3實驗原理72.3.1數字通信系統模型72.3.2數字基帶傳輸系統模型73.1matlab軟件簡介83.11軟件介紹83.1.2 matlab語言的特點94.1實驗內容94.1.1理想低通特性94.1.2余弦滾降特性104.1.3 matlab設計流程圖114.1.4余弦滾降系基于ma

3、tlab的程序及仿真結果11致謝14參考文獻15附錄161.前言與模擬通信相比，數字通信具有許多優良的特性，它的主要缺點就是設備復雜并且需要較大的傳輸帶寬。近年來，隨著大規模集成電路的出現，數字系統的設備復雜程度和技術難度大大降低，同時高效的傳輸壓縮技術以及光纖等大容量傳輸介質的使用正逐步使帶寬問題得到了解決。因此，數字傳輸方式日益受到歡迎。通信原理計算機仿真實驗，是對數字基帶傳輸系統的仿真。仿真工具是matlab程序設計語言。matlab是一種先進的高技術程序設計語言，主要用于數值計算及可視化圖形處理。特點是將數值分析、矩陣計算、圖形、圖像處理和仿真等諸多強大功能集成在一個極易使用的交互式環

4、境中偽科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多學科提供了一種高效率的編程工具。運用matlab，可以對數字基帶傳輸系統進行較為全面地研究。為了使本科類學生學好通信課程，我們進行了試點，通過課程設計的方式針對通信原理的很多內容進行了仿真。2.正文2.1數字基帶傳輸系統數字處理的靈活性使得數字傳輸系統中傳輸的數字信息既可以來自計算機，電傳機等數據終端的各種數字代碼，也可以來自模擬信號經數字化處理后的脈沖編碼（pcm）信號等。在原理上，數字信息可以直接用數字代碼序列表示和傳輸，但在實際傳輸中，視系統的要求和信道情況，一般需要進行不同方式的編碼，并且選用一組取值有限的離散波形來表示。這些取值離

5、散的波形可以是未經調制的電信號，也可以是調制后的信號。未經調制的數字信號所占據的頻譜是從零頻或很低頻率開始，稱為數字基帶信號。在某些具有低通特性的有線信道中，特別是在傳輸距離不太遠的情況下，基帶信號可以不經過載波調制而直接進行傳輸。例如，在計算機局域網中直接傳輸基代脈沖。這種不經載波調制而直接傳輸數字基帶信號的系統，稱為數字基帶傳輸系統。而把包括調制和調解過程的傳輸系統稱為數字帶通（或頻帶）傳輸系統。目前，雖然數字基帶傳輸系統不如帶通傳輸那樣應用廣泛，但對于基帶傳輸系統的研究仍是十分有意義的。這是因為，第一，在利用對稱電纜構成的近程數據通信系統中廣泛采用了這種傳輸方式；第二，隨著數字通信技術的

6、發展，基帶傳輸方式也有迅速發展的趨勢，目前，它不僅用于低速數據傳輸，而且還用于高速數據傳輸；第三，基帶傳輸中包含帶通傳輸的許多基本問題，也就是說，基帶傳輸系統的許多問題也是帶通傳輸系統必須考慮的問題；第四，理論上也可證明，任何一個采用線性調制的帶通傳輸系統，可以等效為一個基帶傳輸系統來研究。數字基帶傳輸系統的模型如圖 1-1 所示，它主要包括碼型變換器、發送濾波器、信道、接收濾波器、均衡器和取樣判決器等部分。圖1-1 數字基帶傳輸系統模型簡單的說，信源的信息以數字基帶信號的形式從發送端經由信道傳到接收端的收信者，所構成的系統稱為數字基帶傳輸系統。1）信道信號形成器（發送濾波器）它的功能是產生適

7、合于信道傳輸的基帶信號波形。因為其輸入的信號一般是經過碼型編碼器產生的傳輸碼，相應的基本波形通常是矩形脈沖，其頻譜很寬，不利于傳輸，發送濾波器用于壓縮輸入信號頻帶，把輸入碼轉換成適宜于信道傳輸的基帶信號波形。2）信道信道是允許基帶信號通過的媒質，通常為有線信道，如雙絞線、同軸電纜等。信道的傳輸特性一般不滿足無失真傳輸條件，且含有加性噪聲)(tn，因此會引起傳輸波形失真。本論文研究的數字基帶傳輸系統采用零均值的高斯白噪聲信道，即awgn信道。3）接收濾波器它是用來接收信號，盡可能的濾除信道噪聲和其他干擾，對信道進行均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決器的判決。4）抽樣判決器抽樣判決器則是在傳輸特

8、性不理想及噪聲背景下，在規定時刻(由位定時脈沖控制)對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復或再生基帶信號。5）定時脈沖和同步提取用來抽樣的位定時脈沖依靠同步提取電路從接收信號中提取，位定時脈沖的準確與否將直接影響判決結果。2.2 數字基帶信號2.2.1基本的基帶信號波形數字基帶信號是數字信息的電波形表示，它可以用不同的電平或脈沖來表示相應的消息代碼。數字基帶信號的類型有很多，以下是幾種基本的基帶信號波形。（1） 單極性波形這是一種最簡單基帶信號波形。它用正電平和零電平分別對應二進制代碼“1”和“0”；或者說，它在一個碼元時間內用脈沖的有或無來表示“1”和“0”。該波形的特點是電脈沖之間無間

9、隔，極性單一，易于用ttl，cmos電路產生；缺點是有直流分量，要求傳輸線路具有直流傳輸能力，因而不適應有交流耦合的遠距離傳輸，只適用于計算機內部或極近距離的傳輸。（2） 雙極性波形它用正電平和負電平的脈沖分別表示二進制代碼的“1”和“0”。因其正負電平的幅度相等，極性相反，故當“1”和“0”等概率出現時無支流分量，有利于在信道中傳輸，并且在接收端恢復信號的判決電平為零值，因而不受信道特性變化的影響，抗干擾能力也較強。（3） 單極性歸零波形所謂歸零波形是指它的有電脈沖寬度小于碼元寬度，即信號電壓在一個碼元終止時刻前總要回到零電平。通常，歸零波形使用半占空碼，即占空比（/）為50%，從單極性rz

10、波形可以直接提取定時信息，它是其他碼型提取位同步信息時常采用的一種過渡波形。與歸零波形相對應，上面的單極性波形和雙極性波形屬于非歸零波形，其占空比/=100%。（4） 雙極性歸零波形 它是雙極性波形的歸零形式。它兼有雙極性和歸零波形的特點。由于其相鄰脈沖之間存在零電位的間隔，使得接收端很容易識別出每個碼元的起止時刻，從而使收發雙方能保持正確的位同步。（5） 差分波形 這種波形是用相鄰碼元的電平的跳變和不變表示消息代碼，而與碼元本身的電位或極性無關。由于差分波形是以相鄰脈沖電平的相對變化來表示代碼，因此也稱相對碼波形，而相應的稱前面的單極性或雙極性波形為絕對碼波形。用差分波形傳送代碼可以消除設備

11、初始狀態的影響，特別是在相應調制系統中可用于解決載波相位模糊問題。（6） 多電平波形上述波形的電平取值只有兩種，即一個二進制相對碼對應一個脈沖。為了提高頻帶利用率，可以采用多電平波形或多值波形。由于多電平波形的一個脈沖對應多個二進制碼，在波特率相同的條件下，比特率提高了，因此多電平波形在頻帶受限的高速數據傳輸系統中得到了廣泛應用。2.2.2基帶傳輸的常用碼型（1）ami碼ami碼的全稱是傳號交替反轉碼。編碼規則：把碼元序列中的“1”碼變為極性交替變化的傳輸碼+1、-1、+1、-1、，而碼元序列中的“0”碼保持不變。例如： 消息碼： 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1

12、 ami碼： 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1 ami碼對應的波形是具有正，負，零三種電平的脈沖序列。它可以看成是單極性波形的變形，即“0”仍對應零電平，而“1”交替對應正，負電平。優點：無直流分量，且其低頻和高頻分量也較少，能量集中在頻率為1/2碼速處；編解碼電路簡單，且可利用傳號極性交替這一規律觀察誤碼情況；如果它是amirz波形，接收后只要全波整流，就可變為單極性rz波形，從中可以提取位定時分量。缺點：當碼元序列中出現長連“0”時，信號的電平長時間不跳變，會造成提取定時信號的困難。（2）hdb3碼hdb3碼全稱是三階高密度雙極性碼。它是為了克服傳

13、輸波形中出現長連“0”碼情況而設計的ami 碼的改進型。編碼規則：（1）檢查消息碼中“0”的個數。當連“0 ”數目小于等于3時，hdb3碼與ami 碼一樣。（2）如果出現四個以上連“0 ”串時，則將每4 個連“0 ”化作一小節，定義為b00v，稱為破壞節，其中v稱為破壞脈沖，而b稱為調節脈沖。（3）v與前一個相鄰的非“0”脈沖極性相同，并且要求相鄰的v碼之間極性必須交替。v的取值為+1或-1。（4）b的取值可選0，+1，-1，以使v同時滿足（3）中的兩個要求。（5）v碼后面的傳號碼極性極性也要交替。例如：消息碼： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

14、1 ami碼：-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 hdb3碼：-1 0 0 0 v +1 0 0 0 +v -1 +1 b 0 0 v +b 0 0 +v -1 其中的脈沖和脈沖與脈沖波形相同，用v或b符號表示的目的是為了示意該非零碼是由原信碼的“0”變換而來的。hdb3碼的編碼規則雖然比較復雜，但解碼卻比較簡單。從編碼過程中可以看出，每一個v碼總是與其前一個非0碼（包括b碼在內）同極性，因此從收到的碼序列中可以很容易地找到破壞點v碼，于是可斷定v碼及其前3個碼都為“0”碼，再將所有的-1變為+1后，便可恢復原始信息代碼。hdb3碼的特

15、點是明顯的，它既保留ami碼無直流分量，便于直接傳輸的優點，又克服了長連0串（連0的個數最多3個）的出現，hdb3碼的頻譜中既消除了直流和甚低頻分量，又消除了方波中的高頻分量，非常適合基帶傳輸系統的特性要求。因此，hdb3碼是目前實際系統中應用最廣泛的碼型。雖然hdb3碼比ami 碼的性能更好，但它仍屬于1b1t 碼型。（3）雙相碼雙相碼又稱曼徹斯特碼。它用一個周期的正負對稱方波來代表碼元“0”，而用它的反相波形來代表碼元“1”。編碼規則：“0”碼用“01”兩位碼表示，“1”碼用“10”兩位碼表示。例如：消息碼： 1 1 0 0 1 0 1雙相碼： 10 10 01 01 10 01 10這種

16、碼在每個碼元的中心部位都發生電平跳變，因此有利于定時同步信號的提取，而且定時分量的大小不受信源統計特性的影響。曼徹斯特碼中，由于正負脈沖各占一半，因此無直流分量，但這種碼占用的頻帶增加了一倍。曼徹斯特碼適合在較短距離的同軸電纜信道上傳輸。（4）差分雙相碼為了解決雙相碼因極性反轉而引起的譯碼錯誤，可以采用差分雙相碼的概念。雙相碼是利用每個碼元持續時間中間的電平跳變進行同步和信碼表示。而在差分雙相碼編碼中，每個碼元中間的電平跳變用于同步，而每個碼元的開始處是否存在額外的跳變用來確定信碼。（5）密勒碼密勒碼又稱延遲調制碼，是雙相碼的一種變形。編碼規則：“1”碼用碼元中心點出現躍變來表示，即用“10”

17、或“01”表示。“0”碼有兩種情況：單個“0 ”時，在碼元持續時間內不出現電平躍變，且與相鄰碼元的邊界處也不躍變，連“0”時，在兩個“0”碼的邊界處出現電平躍變，即“00”與“11”交替。（6）cmi碼cmi碼是傳號反轉碼的簡稱，與雙相碼類似，它也是一種雙極性二電平碼。編碼規則：“1”碼交替用“11”和“00”兩位碼表示；“0”碼固定的用“01”表示。圖2-2 cmi編碼序列圖2.3實驗原理2.3.1數字通信系統模型圖2-3 數字通信系統模型信源信 源編碼器信道編碼器數字調制器數字解調器信道譯碼器信 源譯碼器信宿信道噪聲數字信源數字信宿編碼信道2.3.2數字基帶傳輸系統模型圖2-4數字基帶傳輸

18、系統模型假設為發送濾波器的輸入符號序列，在二進制的情況下，符號的取值為0，1或-1，+1。為分析方便，我們把這個序列對應的基帶信號表示成這個信號是由時間間隔為的單位沖激函數構成的序列，其每一個的強度則由決定。當激勵發送濾波器時，發送濾波器產生大輸出信號為式中：“*”是卷積符號；是單個作用下形成的發送基本波形，即發送濾波器的沖激響應。設發送濾波器的傳輸特性為，則由下式確定若再設信道的傳輸特性為，接收濾波器的傳輸特性為，則圖1-2所示的基帶傳輸系統的總傳輸特性為其單位沖激響應為是在單個作用下，形成的輸出波形。因此在沖激脈沖序列作用下，接收濾波器輸出信號可表示為式中，是加性噪聲經過接收濾波器后輸出的

19、噪聲。然后，抽樣判決器對進行抽樣判決，以確定所傳輸的數字信息序列。例如，我們為了確定第k個碼元的取值，首先應該在時刻上對進行抽樣，以確定在該樣點上的值。由上式可得式中：是第k個接收碼元波形的抽樣值，它是確定的依據；是除第k個碼元以外的其它碼元波形在第k個抽樣時刻上的總和，它對當前碼元的判決起著干擾的作用，所以稱之為碼間串擾值，由于是以概率出現的，故碼間串擾值通常是一個隨機變量；是輸出噪聲在抽樣瞬間的值，它是一種隨機干擾，也會影響第k個碼元的正確判決。2.3.3 無碼間串擾的傳輸條件要是碼元傳輸速率為rs（bd）的信號不存在碼間串擾，理論上所需要的最小系統帶寬為rs/2（hz）。最小系統帶寬成立

20、的條件是，系統傳輸函數h（發）是2-5(b)所示的矩形函數，系統的沖激響應即h（f）的傅里葉變換為h（t）=sinc(t/ts),如圖2-5（a）所示（ts=1/rs），sinc(t/ts)稱為理想奈奎斯特脈沖。圖2-5（a） 圖2-5（b）3.1matlab軟件簡介3.11軟件介紹 matlab是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大

21、程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如c、fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。 matlab和mathematica、maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。matlab可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 matlab的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用matlab來解算問題要比用c，fortran等語言完成相同的事情簡捷得多，并且matlab也吸

22、收了像maple等軟件的優點,使matlab成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對c，fortran，c+ ，java的支持。可以直接調用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到matlab函數庫中方便自己以后調用，此外許多的matlab愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。matlab 產品族可以用來進行以下各種工作： 數值分析 數值和符號計算 工程與科學繪圖 控制系統的設計與仿真 數字圖像處理 技術 數字信號處理 技術 通訊系統設計與仿真 matlab 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領

23、域。附加的工具箱（單獨提供的專用 matlab 函數集）擴展了 matlab 環境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。 20世紀70年代，美國新墨西哥大學計算機科學系主任cleve moler為了減輕學生編程的負擔，用fortran編寫了最早的matlab。1984年由little、moler、steve bangert合作成立了的mathworks公司正式把matlab推向市場。到20世紀90年代，matlab已成為國際控制界的標準計算軟件。3.1.2 matlab語言的特點1、編程效率高2、用戶使用方便3、擴充能力強 4、語句簡單，內涵豐富5、高效方便的矩陣和數組運算 6、方便的繪圖功能

24、4.1實驗內容4.1.1理想低通特性滿足奈奎斯特第一準則的有很多種，容易想到的一種極限情況，就是為理想低通型。 沖激響應 傳輸特性圖2-5 理想低通傳輸系統特性理想低通信號的主要缺點：a.工程上難以實現；物理上難以實現；b.尾部衰減慢（沖激響應h(t)波形收斂速度較慢，拖尾以1/t速率衰減，當存在定時誤差時會帶來比較大的干擾）如果抽樣時刻稍有偏差，就會出現嚴重的碼間串擾。4.1.2余弦滾降特性為了解決理想低通特性存在的問題，可以使理想低通濾波器特性的邊沿緩慢下降，這稱為“滾降”。只要在滾降段中心頻率處呈奇對稱的振幅特性，就必然可以滿足奈奎斯特第一準則，從而實現無碼間串擾傳輸。按余弦特性滾降的傳

25、輸函數可表示為 其相應的為式中，為滾降系數，用于描述滾降程度。它定義為式中，為奈奎斯特帶寬；是超出奈奎斯特帶寬的擴展量。4.1.3 matlab設計流程圖為變量賦初值計算升余弦滾降統的頻譜xf生成升余弦滾降系統時域信號xt畫出升余弦滾降系統的頻譜畫出升余弦滾降系統波形開始結束圖2-6 設計流程圖4.1.4余弦滾降系基于matlab的程序及仿真結果余弦滾降系統基于matlab仿真源程序如下:ts=1; %采樣間隔n=17; %采樣點數dt=ts/n; %時間采樣間隔df=1.0/(20.0*ts);t=-10*ts:dt:10*ts;f=-2/ts:df:2/ts;a=0,0.5,1;for n

26、=1:length(a) for k=1:length(f) if abs(f(k)0.5*(1+a(n)/ts xf(n,k)=0; else if 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/ts2+eps);endsubplot(211);plot(f,xf);axis(-1 1 0 1.2);x

27、label(f/ts); %加x軸說明ylabel(升余弦滾降系統的頻譜); %加y軸說明legend(=0,=0.5,=1); %加圖例subplot(212);plot(t,xt);axis(-10 10 -0.5 1.1);xlabel(t); %加x軸說明ylabel(升余弦滾降系統的時域波形); %加y軸說明legend(=0,=0.5,=1); %加圖例程序運行結果如下圖所示：圖2-7 程序運行圖4.2.1 結論在上述運行結果中我們可以看出，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則。圖可證明，滾降系數越大，超出奈奎斯特帶寬的擴展量越大，要求帶寬增大。時域波形中，

28、滾降系數越大，波形的拖尾衰減越快，對位定時精度要求越低。數學分析證明，升余弦滾降系統的不但滿足抽樣值上無碼間串擾的傳輸條件，且各抽樣值之間又增加了一個零點，其尾部衰減較快，這樣有利于減小碼間串擾和位定時誤差的影響。但是這種系統所占頻帶帶寬是理想低通系統的2倍，頻帶利用率為，是基帶系統最高利用率的一半。本次實驗主要是利用matlab軟件來進行數字基帶通信系統的仿真。在整個實驗過程中，存在著以下幾個問題。1、 剛開始對系統的整體構成不是很熟悉，思維比較模糊，后來和其他同學進行了交流，明白了整個系統的構成。知道了程序設計的步驟和流程。2、 由于是對于matlab軟件使用不熟練，所以沒有采用simul

29、ink仿真，這個在下次實驗中我們會繼續研究和努力。3、 鑒于是一個大程序的書寫，在運行中總會存在問題，是結果運行不出來。我剛開始是采用分部運行，逐次更改錯誤，后來經過同學們共同的努力，我學會了使用斷點來查找錯誤和單步運行程序，這對我以后的實驗有很大的幫助。4、 我對整個實驗的結果在仿真前沒有大體的概念，導致我面對仿真結果也難以判斷正誤。由于知識掌握的不牢固，使我在編程過程中存在了理解的偏差。今后我們要扎實基礎，對于系統的過程了如指掌。遇到不會的，先查書自己解決，實在不行，再互相討論。通過此次課程設計，學到了很多理論以及實踐的知識，總結如下：1、未經調制的數字信號所占據的頻譜是從零頻或很低頻率開

30、始，稱為數字基帶信號。2、不經載波調制而直接傳輸數字基帶信號的系統，稱為數字基帶傳輸系統。而把包括調制和調解過程的傳輸系統稱為數字帶通（或頻帶）傳輸系統。3、余弦滾降系統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則。滾降系數越大，超出奈奎斯特帶寬的擴展量越大，要求帶寬增大。4、升余弦滾降系統的不但滿足抽樣值上無碼間串擾的傳輸條件，且各抽樣值之間又增加了一個零點，其尾部衰減較快，這樣有利于減小碼間串擾和位定時誤差的影響。致謝在這次課設中，首先要感謝蔣霎老師的悉心指導，她嚴謹的治學態度，一絲不茍的敬業精神給我留下了深刻的印象。在實驗仿真過程中我對編碼不太理解，但是老師和同學們的幫助下學會了。在此，謹向蔣老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。此外感謝學校提供良好的學習平臺，讓我們學習與實踐相結合，只有從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實踐動手能力和獨立思考的能力。同時要感謝同學們無私的幫助，正是他們我才能在大學的道路上走得更輕松，讓我覺得學習是一個快樂的過程。在與他人的交流和討論中我受益匪淺，同時也被同學們刻苦學習的精神所深深感染。他們樂于助人，耐心的解答我提出的問題，對我的論文提出了許多中肯的修改意見，并對一些技術上的細節給予了很大的幫助。在此致予我深深的感謝！最