通信原理課設(shè)

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的設(shè)計與建模初始條件：（1）MAX+plus、Quartus II、ISE等軟件；（2）課程設(shè)計輔導(dǎo)書：通信原理課程設(shè)計指導(dǎo)（3）先修課程：數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、電子設(shè)計EDA、通信原理要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1）課程設(shè)計時間：；（2）課程設(shè)計題目：數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的設(shè)計與建模；（3）本課程設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)要求：按照要求對題目進(jìn)行邏輯分析，了解數(shù)字基帶通信系統(tǒng)，畫出絕相變換器與相絕變換器的仿真模型，并記錄實驗結(jié)果波形，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析；（4）課

2、程設(shè)計說明書按學(xué)?！罢n程設(shè)計工作規(guī)范”中的“統(tǒng)一書寫格式”撰寫，并標(biāo)明參考文獻(xiàn)至少5篇；（5）寫出本次課程設(shè)計的心得體會（至少500字）。時間安排：第19周參考文獻(xiàn)：江國強.EDA技術(shù)與應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2010 John G. Proakis.Digital Communications. 北京：電子工業(yè)出版社，2011指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要 數(shù)字通信的基帶傳輸方式是數(shù)字通信的最基本的傳輸方式，如利用中繼方式在長距離上直接傳輸 PCM 信號、用雙絞線進(jìn)行局域網(wǎng)內(nèi)的計算機數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。本課題討論的主要對象是數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中的收發(fā)系統(tǒng)，具

3、體是對包含絕相變換器的基帶系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與建模。對如何在信道中實現(xiàn)可靠傳輸不做探討。這主要是因為以 FPGACPLD為目標(biāo)器件，很難實現(xiàn)對基帶傳輸系統(tǒng)中發(fā)送濾波器和接收濾波器的設(shè)計。目錄1.概述12.數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介1 2.1 數(shù)字基帶信號1 2.2 數(shù)字基帶傳輸2 2.3 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)2 2.4 數(shù)字基帶傳輸?shù)囊蠹俺Ｓ么a型33.基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與建模93.1 絕相變換器的設(shè)計93.2 相絕變換器的設(shè)計113.3 絕相/相絕的基帶系統(tǒng)設(shè)計134.實驗源程序和仿真效果圖14 4.1絕相變換器源程序及仿真圖15 4.2相絕變換器源程序及仿真圖16 4.3絕相/相絕變換源程序及仿真圖175.

4、心得體會196.參考文獻(xiàn)20 1.概述 Quartus II 是Altera公司的綜合性PLD開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl腳本完成設(shè)計流程外，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計方式。具有運行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunctio

5、n宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設(shè)計的復(fù)雜性、加快了設(shè)計速度。對第三方EDA工具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計流程的各個階段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通過和DSP Builder工具與Matlab/Simulink相結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)各種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級設(shè)計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。Maxplus II 作為Altera的上一代PLD設(shè)計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)用。目前Altera已經(jīng)停止了對Maxplus II 的更新支持，Quar

6、tus II 與之相比不僅僅是支持器件類型的豐富和圖形界面的改變。Altera在Quartus II 中包含了許多諸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的設(shè)計輔助工具，集成了SOPC和HardCopy設(shè)計流程，并且繼承了Maxplus II 友好的圖形界面及簡便的使用方法。 Altera Quartus II 作為一種可編程邏輯的設(shè)計環(huán)境, 由于其強大的設(shè)計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計者的歡迎。 Altera的Quartus II可編程邏輯軟件屬于第四代PLD開發(fā)平臺。該平臺支持一個工作組環(huán)境下的設(shè)計要求，其中包括支持基于Internet的協(xié)

7、作設(shè)計。Quartus平臺與Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供應(yīng)商的開發(fā)工具相兼容。改進(jìn)了軟件的LogicLock模塊設(shè)計功能，增添 了FastFit編譯選項，推進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)編輯性能，而且提升了調(diào)試能力。支持MAX7000/MAX3000等乘積項器件。 20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了數(shù)字傳輸技術(shù)，它采用了數(shù)字信號來傳遞信息，從此通信進(jìn)入了數(shù)字化時代。目前，通信網(wǎng)已基本實現(xiàn)數(shù)字化，在我國公眾通信網(wǎng)中傳輸?shù)男盘栔饕菙?shù)字信號。數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，例如數(shù)字移動通信、數(shù)字衛(wèi)星通信、數(shù)字電視廣播、數(shù)字光纖通信、數(shù)字微

8、波通信、數(shù)字視頻通信、多媒體通信等等。數(shù)字通信系統(tǒng)主要的兩種通信模式:數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)，數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。數(shù)字基帶信號指未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號，它所占據(jù)的頻譜是從零頻或很低頻率開始的。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)指不經(jīng)載波調(diào)制而直接傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)，常用于傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下。研究數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的原因：實際中，基帶傳輸不如頻帶傳輸應(yīng)用廣泛，但對基帶傳輸?shù)难芯咳杂蟹浅Ｖ匾囊饬x。這是因為：第一，數(shù)字基帶系統(tǒng)在近程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中廣泛采用；第二，數(shù)字基帶系統(tǒng)的許多問題也是頻帶傳輸系統(tǒng)必須考慮的問題；第三，隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，基帶傳輸這種方式也有迅速發(fā)展的趨勢，它不僅用于低速數(shù)據(jù)傳輸，而且還用于

9、高速數(shù)據(jù)傳輸；第四，在理論上，任何一個線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以有一個等效的基帶載波調(diào)制系統(tǒng)所替代。因此，很有必要對基帶傳輸系統(tǒng)進(jìn)行綜合系統(tǒng)的分析。2.數(shù)字基帶系統(tǒng)的簡介 2.1 數(shù)字基帶信號通信的根本任務(wù)是遠(yuǎn)距離傳輸信息，準(zhǔn)確地傳輸數(shù)字信息是數(shù)字通信中的一個重要環(huán)節(jié)。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸對象通常是二進(jìn)制數(shù)字信息。它可能是來自計算機、網(wǎng)絡(luò)或其他數(shù)字設(shè)備的各種數(shù)字代碼，也可能來自數(shù)字電話終端的脈沖編碼信號。數(shù)字信息在一般情況下可以表示為一個數(shù)字序列： ，,簡記為。是數(shù)字序列的基本單元，稱為碼元。每一個碼元只能取離散的有限個值，例如在二進(jìn)制中，取0或1兩個值；在M進(jìn)制中，取0，1，2，M

10、-1等M個值，或者取二進(jìn)制碼的M種排列。由于碼元只有有限個可能取值，所以通常用不同幅度的脈沖表示碼元的不同取值，例如用幅度為A的矩形脈沖表示1，用幅度為-A的矩形脈沖表示為0。這種脈沖信號被稱為數(shù)字基帶信號，這是因為它們所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開始。 2.2 數(shù)字基帶傳輸在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中所傳輸?shù)耐ǔＪ嵌獢?shù)字信號。設(shè)計數(shù)字傳輸系統(tǒng)要考慮的基本想法是選擇一組有限個離散的波形來表示數(shù)字信息。這些離散波形可以是載波進(jìn)行調(diào)制后的波形,也可以是不經(jīng)過調(diào)制的不同電平信號。來自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號，或者是來自模擬信號經(jīng)數(shù)字化處理后的PCM碼組，M序列等等都是基帶數(shù)字信號。 這些信號往往包含豐富的低頻分

11、量。有些場合可以不經(jīng)過載波調(diào)制和解調(diào)過程而直接傳輸，稱為基帶傳輸。系統(tǒng)基帶波形被脈沖變換器變換成適應(yīng)信道傳輸?shù)拇a型后，就送入信道，一方面受到信道特性的影響，使信號產(chǎn)生畸變；另一方面信號被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號的隨即畸變。因此，在接收端必須有一個接收濾波器，使噪聲盡可能受到抑制，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在安排一個有限整形器和抽樣判決器組成的識別電路，進(jìn)一步排除噪聲干擾和提取有用信號。對于抽樣判決，必須有同步信號提取電路。在基帶傳輸中，主要采用位同步。同步信號的提取方式采用自同步方式（直接法）。同步系統(tǒng)性能的好壞將直接影響通信質(zhì)量的好壞，甚至?xí)绊懲ㄐ拍芊裾＿M(jìn)行。 2.3 數(shù)字基帶傳輸系

12、統(tǒng)基帶傳輸包含著數(shù)字通信技術(shù)的許多問題，頻帶傳輸是基帶信號調(diào)制后再傳輸?shù)?，因此頻帶傳輸也存在基帶問題?；鶐鬏?shù)脑S多問題，頻帶傳輸同樣須考慮。如果把調(diào)制與解調(diào)過程看作是廣義信道的一部分，則任何數(shù)字傳輸系統(tǒng)均可等效為基帶傳輸系統(tǒng)。理論上還可證明，任何一個采用線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以由一個等效的基帶傳輸系統(tǒng)來代替。數(shù)字基帶系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。信道信號形成器信道接收濾波器抽樣判決器同步提取數(shù)字基帶信號圖1-1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)信道信號形成器：基帶傳輸系統(tǒng)的輸入是由終端設(shè)備或編碼器產(chǎn)生的脈沖序列，它不一定適合直接在信道中傳輸。信道信號形成器的作用就是把原始基帶信號變換成適合于信道傳輸

13、的基帶信號，這種變換主要是通過碼型變換和波形變換來實現(xiàn)的，其目的是與信道匹配，便于傳輸，減小碼間串?dāng)_，利于同步提取和抽樣判決。信道：允許基帶信號通過的媒質(zhì)。信道的傳輸特性通常不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，恒參信道如（明線、同軸電纜、對稱電纜、光纖通道、無線電視距中繼、衛(wèi)星中繼信道）對信號傳輸?shù)挠绊懼饕蔷€形畸變；隨參信道如（短波電離層反射、對流層散射信道等）對信號傳輸?shù)挠绊懼饕蓄l率彌散現(xiàn)象（多徑傳播）、頻率的選擇性衰落。信道的線性噪聲和加性噪聲的影響。在通信系統(tǒng)的分析中，常常把噪聲n(t)等效，集中在信道中引入。接收濾波器：主要作用是濾除帶外噪聲，對信道特性均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。抽樣

14、判決器：它是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在由位定時脈沖控制的特殊點對接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。自同步法的同步提取電路：有兩部分組成，包括非線型變換處理電路和窄帶濾波器或鎖相環(huán)。非線型變換處理電路的作用是使接收信號或解調(diào)后的數(shù)字基帶信號經(jīng)過非線型變換處理電路后含有位同步分量或位同步信息。窄帶濾波器或鎖相環(huán)的作用是濾除噪聲和其他頻譜分量，提取純凈的位同步信號。 2.4 數(shù)字基帶傳輸?shù)囊蠹俺Ｓ么a型 在實際基帶傳輸系統(tǒng)中，并非所有的原始基帶數(shù)字信號都能在信道中傳輸。例如，有的信號含有豐富的直流和低頻成分，不便提取同步信號；有的信號易于形成碼間串?dāng)_等。因此，基帶傳輸系統(tǒng)

15、首先面臨的問題是選擇什么樣的信號形式，即傳輸碼型的選擇和基帶脈沖波形的選擇。為了在傳輸信道中獲得優(yōu)良的傳輸特性，一般要將信碼信號變化為適合于信道傳輸特性的傳輸碼，即進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇a型變換。對傳輸碼型的要求如下：（1） 傳輸信號的頻譜中不應(yīng)有直流分量，低頻分量和高頻分量也要小。（2） 碼型中應(yīng)包含定時信息，有利于定時信息的提取，盡量減小定時抖動。（3） 碼型變換設(shè)備要簡單可靠。（4） 碼型具有一定檢錯能力，若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，則可根據(jù)這一規(guī)律性檢測傳輸質(zhì)量，以便做到自動檢測。（5） 編碼對信息類型不應(yīng)有任何限制，即對信源具有透明性。常用的碼型有AMI碼、HDB3碼、分相碼、反轉(zhuǎn)碼AMI等。3.

16、 基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與建模 絕相變換是指將二進(jìn)制非歸零的數(shù)據(jù)碼元變換成反映其相鄰碼元的電位變化的一種新的碼元 。其變換規(guī)則如式（1-1）所示。 （1-1）而相絕變換是絕相變換的反變換，其變換規(guī)則如式（1-2）所示。 (1-2）絕相變換和相絕變換的原理框圖如圖7-1所示。圖中 的為一個碼元的寬度。圖1-2 絕相變換和相絕變換的原理框圖 3.1絕相變換器的設(shè)計 絕相變換器的電路如圖1-3所示，用D觸發(fā)器作為碼元延遲器。由于異或門為組合邏輯器件，因此其輸出信號可能出現(xiàn)冒險現(xiàn)象，為了克服冒險現(xiàn)象，在后面增加一個D觸發(fā)器則可保證正確的絕相變換信號輸出。其絕相變換器的電路圖如圖1-3所示。圖中：DATAI

17、N碼元輸入；CLK時鐘輸入；DATAOUT絕相變換輸出；RST-復(fù)位信號。 圖1-3 絕相變換器的電路圖 3.2相絕變換器的設(shè)計 根據(jù)式（1-2）和圖1-1，畫出相絕變換電路如圖1-4所示。圖中用D觸發(fā)器作為碼元延遲器。另外，為了克服組合邏輯電路帶來的冒險現(xiàn)象，在輸出端增加了一個D觸發(fā)器。圖中：XDATAIN相對碼輸入；CLK時鐘輸入；JDATAOUT絕對碼輸出；RST-復(fù)位信號。 圖1-4 相絕變換器電路圖3.3絕相/相絕的基帶系統(tǒng)設(shè)計 絕相/相絕變換的基帶系統(tǒng)的電路圖如圖1-5所示。圖中將以上設(shè)計的絕相變換器和相絕變換器連接起來，構(gòu)成了一個基帶系統(tǒng)。為了仿真方便，圖中采用了同一時鐘，而在實

18、際的系統(tǒng)中，通常需要在接收端進(jìn)行同步時鐘信號提取。圖中：JDATAOUT絕相變換輸出（相對碼）；XDATAIN(XDATAOUT)絕對碼輸入(輸出)；CLK時鐘輸入；JDATAOUT絕對碼輸出；RST-復(fù)位信號。圖1-5 絕相/相絕變換的基帶系統(tǒng)的VHDL設(shè)計模型4. 實驗源程序和仿真效果圖 4.1絕相變換器源程序及仿真圖實驗源程序：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all; LIBRARY work;ENTITY juexiang IS PORT(datain : IN STD_LOGIC;rst : IN STD_LOGIC;clk : IN STD

19、_LOGIC;dataout : OUT STD_LOGIC);END juexiang;ARCHITECTURE bdf_type OF juexiang IS SIGNALSYNTHESIZED_WIRE_2 : STD_LOGIC;SIGNALDFF_inst1 : STD_LOGIC;BEGIN PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = '0') THENdataout <= '0'ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENdataout <= SYNTHESIZED_WIRE_2;END IF;END PR

20、OCESS;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = '0') THENDFF_inst1 <= '0'ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENDFF_inst1 <= SYNTHESIZED_WIRE_2;END IF;END PROCESS;SYNTHESIZED_WIRE_2 <= datain XOR DFF_inst1;END bdf_type;仿真效果圖： 圖1-6 絕相變換器的時序仿真波形 結(jié)果分析： 由以上程序得絕相變換的時序仿真波形如圖1-6所示。從圖1-6可知，其波形關(guān)系符合式（1-1）的

21、絕相變換規(guī)則。真值表：DATAIN010100110011DATAOUT0110001000104.2相絕變換器源程序及仿真圖 實驗源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.std_logic_1164.all; LIBRARY work;ENTITY xiangjue IS PORT(xdatain : IN STD_LOGIC;clk : IN STD_LOGIC;rst : IN STD_LOGIC;jdataout: OUT STD_LOGIC);END xiangjue ;ARCHITECTURE bdf_type OF xiangjue IS SIGNALSYNTHESI

22、ZED_WIRE_0 : STD_LOGIC;SIGNALDFF_inst1 : STD_LOGIC;BEGIN PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = '0') THENjdataout<= '0'ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENyjdataout<= SYNTHESIZED_WIRE_0;END IF;END PROCESS;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = '0') THENDFF_inst1 <= '0'ELSIF (RISING_

23、EDGE(clk) THENDFF_inst1 <= xdatain;END IF;END PROCESS;SYNTHESIZED_WIRE_0 <= xdatain XOR DFF_inst1;END bdf_type;仿真效果圖： 圖1-7相絕變換器的時序仿真波形結(jié)果分析： 由以上程序得相絕變換電路得到的仿真波形如圖1-7所示?？梢钥闯鰣D1-7中的波形關(guān)系符合式（1-2）的相絕變換規(guī)則。真值表：XDATAIN010100110011JDATAOUT0001111010014.3絕相/相絕變換源程序及仿真圖實驗源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.std_logic

24、_1164.all; LIBRARY work;ENTITY djx IS PORT(jdatain : IN STD_LOGIC;clk : IN STD_LOGIC;rst : IN STD_LOGIC;xdataout: OUT STD_LOGIC;jdataout: OUT STD_LOGIC);END djx;ARCHITECTURE bdf_type OF djx IS SIGNALSYNTHESIZED_WIRE_0 : STD_LOGIC;SIGNALSYNTHESIZED_WIRE_3 : STD_LOGIC;SIGNALDFF_inst1 : STD_LOGIC;SIGNA

25、LDFF_inst : STD_LOGIC;SIGNALDFF_inst2 : STD_LOGIC;BEGIN kxdataout<= DFF_inst;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = '0') THENDFF_inst <= '0'ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENDFF_inst <= SYNTHESIZED_WIRE_0;END IF;END PROCESS;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = '0') THENDFF_inst1 <= &

26、#39;0'ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENDFF_inst1 <= jdatain;END IF;END PROCESS;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = '0') THENDFF_inst2 <= '0'ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENDFF_inst2 <= SYNTHESIZED_WIRE_3;END IF;END PROCESS;PROCESS(clk,rst)BEGINIF (rst = '0') THENjdataout<=

27、'0'ELSIF (RISING_EDGE(clk) THENjdataout <= SYNTHESIZED_WIRE_3;END IF;END PROCESS;SYNTHESIZED_WIRE_0 <= jdatain XOR DFF_inst1;SYNTHESIZED_WIRE_3 <= DFF_inst XOR DFF_inst2;END bdf_type;仿真效果圖： 圖1-8 絕相/相絕變換的基帶系統(tǒng)的時序仿真波形結(jié)果分析： 由以上程序可得絕相/相絕變換電路的仿真波形如圖1-8所示。圖中顯示了絕對碼輸入、相對碼輸出（絕相變換后）和經(jīng)相絕變換后的絕對碼輸出。從圖1-8可知該系統(tǒng)經(jīng)過絕相和相絕變換后能正確地恢復(fù)原絕對碼信號。真值表：JDATAIN010100110011JDATAOUT010100110011XDATAOUT0011110101015. 心得體會 經(jīng)過兩周的通信原理課程設(shè)計的學(xué)習(xí)讓我受益菲淺。在通信原理課程設(shè)計即將結(jié)束之時，我對在這一周來的學(xué)習(xí)與設(shè)計進(jìn)行了總結(jié)，總結(jié)這一周來的收獲與不足。取之長、補之短，在今后的學(xué)習(xí)和工作中有所受用。課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程，通過