基于MATLAB的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

1、基于MATLAB的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實驗設計xxx( xxxxxxxxxxxx學院江蘇)摘要介紹了通信原理課中數(shù)學基帶傳輸系統(tǒng)實驗的計算機仿真軟件設計工作,該軟件是在MAT LAB 動態(tài)系統(tǒng)仿真平臺SIMU LINK 上開發(fā)的. 在對數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)進行分析基礎上, 描述了仿真模型的建立、實現(xiàn)以及仿真結(jié)果分析.關鍵詞數(shù)字通信系統(tǒng); 計算機輔助實驗; 計算機仿真0引言數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是通信原理課程中非常重要的一部分基礎性內(nèi)容, 為了使學生加深對通信系統(tǒng)的理解, 其中的一些概念、原理往往需要用實驗來澄清, 但是該實驗的實驗板在市場上沒有銷售, 而且該實驗幾乎無法用硬件實現(xiàn); 一些替代性的實驗,

2、其實驗結(jié)果由于受多種因素影響, 也往往不能滿足要求. 因此, 開發(fā)一套數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實驗軟件是很有必要的.在仿真軟件設計中采用了Mathw or ks 公司的MAT LAB 作為仿真工具, 其仿真平臺SIMU LINK 具有可視化建模和動態(tài)仿真的功能. 用SIMULINK 構(gòu)造仿真系統(tǒng), 方法簡單直觀, 開發(fā)的仿真系統(tǒng)使用時間流動態(tài)仿真, 可以準確描述真實系統(tǒng)的每一細節(jié), 并且在仿真進行的同時具有較強的交互功能, 易于使用. 另外該軟件還具有較好的可擴展性和可維護性 1 .本文給出了采用仿真工具SIMU LINK, 設計數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實驗軟件的系統(tǒng)定義、模型構(gòu)造的過程. 通過對仿真

3、結(jié)果分析和誤碼性能測試表明, 該仿真系統(tǒng)完全符合實驗要求.1仿真系統(tǒng)分析與設計數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是把數(shù)字基帶信號直接送往信道, 不經(jīng)調(diào)制直接傳輸?shù)南到y(tǒng). 數(shù)字基帶系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可以由圖1 的模型表示 2 . 發(fā)送濾波器、傳輸信道、接收濾波器等效為傳輸函數(shù)為H (w) 基帶形成網(wǎng)絡, 對于無碼間干擾的基帶傳輸系統(tǒng)來說, H (w) 應滿足奈奎斯特第一準則, 在實驗中一般取H (w) 為升余弦滾降特性. 在最佳系統(tǒng)下, 取C(w) = 1,GT (w) 和GR(w) 均為升余弦平方根特性 24 . 傳輸信道中的噪聲可看作加性高斯白噪聲, 用產(chǎn)生高斯隨機信號的噪聲源表示. 位定時提取電路, 在定時精度

4、要求不高的場合, 可以用濾波法提取定時信號 2, 5 , 濾波法提取位定時的原理可用圖2 表示.根據(jù)以上系統(tǒng)分析, 用SIMU LINK 搭建仿真模型. 首先把系統(tǒng)分解成信號發(fā)生器、發(fā)送/ 接收濾波器、傳輸信道、Manchester 編/ 解碼器、位定時提取電路和采樣判決電路這幾個子系統(tǒng). 然后對子系統(tǒng)分別進行構(gòu)造和測試: 這些子系統(tǒng)是由SIMULINK 模塊庫提供的基本模塊以及通信工具箱、數(shù)字信號處理工具箱提供的專用模塊搭建并且經(jīng)過封裝形成的 6 . 為了顯示仿真結(jié)果, 在模型中添加了示波器( Scope) 、功率譜密度儀( Power SpectralDensity) 、眼圖( Eye-

5、diag ram plot ) 、誤碼儀( Erro r rate) 等畫圖和顯示模塊. 圖3 是數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)實驗的仿真模型.1) 信號發(fā)生器( Sig nal generator)信號發(fā)生器產(chǎn)生固定碼速率的二進制單極性不歸零信號.2) 發(fā)送/ 接收濾波器( Raised co sine filter)發(fā)送濾波器和接收濾波器都是升余弦平方根特性. 由于發(fā)送濾波器的輸入信號是不歸零信號而不是沖激信號, 因此在濾波器的輸入端采取了均衡措施, 使其輸出的波形為標準的升余弦脈沖. 另外由于升余弦濾波器是非因果濾波器, 濾波器當前的輸出依賴于未來時刻的輸入, 為解決這一問題, 在濾波器中人為地增加了

6、時間延遲, 延遲的時間是碼速率的整數(shù)倍.3) 傳輸信道( AWGN channel )信道引入加性高斯白噪聲, 理論上, 高斯白噪聲的功率譜是無限寬的, 但是在系統(tǒng)中只要噪聲帶寬遠大于系統(tǒng)的最高帶寬就可以滿足要求, 因此在信道中引入的是限帶高斯白噪聲. 噪聲源用相關時間比系統(tǒng)最短時間常數(shù)小得多的高斯分布隨機序列發(fā)生器來模擬.4) 采樣判決( Sample and decide)采樣判決模塊是在位定時信號上升沿到來的時刻, 對接收到的基帶信號進行采樣、判決, 恢復出信源比特流.5) Manchester 編碼器/ 解碼器( Manchester enco der/ decoder)為便于在接收端

7、提取位定時信號, 在傳輸中使用了含有豐富定時信息的Manchester碼, Manchester 編碼器和解碼器就完成碼變換的功能, 編碼規(guī)則為1+ 1-1; 0-1+ 1 2 .6) 位定時信號提取電器( Sy nchr onizat ion picking )位定時提取模塊在接收端采用濾波法提取同步信號, 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示. 與圖2相對應, 過程依次是將接收信號放大、限幅、微分、整流、窄帶濾波、放大、限幅、移相. 窄帶濾波器使用了10 階巴特沃斯帶通濾波器 7 , 通帶寬度0. 2 rad/ s.7) 定時信號( Synchronizing signal)為提高實驗系統(tǒng)的精度, 也可

8、以直接選擇使用定時信號, 而不必考慮定時誤差對系統(tǒng)的影響.2仿真結(jié)果分析仿真進行時, 通過不同的顯示模塊可以觀看到仿真實驗系統(tǒng)各點的仿真結(jié)果.1) 接收端信號波形和眼圖( 圖57)從以上波形可見, 實驗仿真系統(tǒng)的仿真結(jié)果與理論結(jié)果相一致, 達到了預期要求.下面為驗證仿真系統(tǒng)的準確性, 對系統(tǒng)進行定量分析. 以下分析是在不考慮定時誤差( 即直接采用位定時信號) 的情況下, 對系統(tǒng)進行的誤碼性能測試, 作出誤碼性能曲線, 并與已知在無碼間干擾的二進制雙極性數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中, 當信源發(fā)送“1”碼和“0”碼等概, 且在最佳判決門限電平Vd = 0下. 系統(tǒng)的誤碼率為 2 對數(shù)字基帶傳輸仿真實驗系統(tǒng)進

9、行測試, 測試條件為, 在信噪比為0 dB 到11 dB的范圍內(nèi)取了16 個點進行誤碼率測試:當信噪比R 10 dB 時傳送5000 個碼元,計算誤碼率; 當信噪R 10 dB 時傳送10000 個碼元, 計算誤碼率. 根據(jù)測得的數(shù)據(jù)在MATLAB 命令窗內(nèi)作誤碼率曲線并與理想系統(tǒng)誤碼率曲線比較, 比較結(jié)果如圖12 所示. 從圖中可以看出, 仿真系統(tǒng)誤碼率曲線與理想系統(tǒng)基本吻合.3結(jié)束語計算機仿真是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的模型, 利用計算機進行實驗研究的一種方法.它具有利用模型進行仿真的一系列優(yōu)點, 如費用低, 易于進行真實系統(tǒng)難于實現(xiàn)的各種試驗, 以及易于實現(xiàn)完全相同條件下的重復試驗等. 用計算機對通信原理實驗進行仿真, 可以節(jié)約資金, 并且保證了實驗效果, 有利于推動教學的順利進展.從以上仿真結(jié)果分析和誤碼性能驗證來看, 實驗仿真系統(tǒng)完全達到了實際可用的要求.參考文獻1張志涌, 劉瑞楨, 楊祖櫻. 掌握和精通MATLAB. 北京: 航空航天大學出版社, 1997. 2362652樊昌信, 詹道庸, 徐炳祥, 吳成柯. 通信原理. 北京: 國防工業(yè)出版, 1995. 901163馬宏杰. 數(shù)據(jù)通信. 北京: 中國鐵道出版社, 1995. 37404丁玉美, 高西全, 彭學愚. 數(shù)字信號處理. 西安: