基于simulink的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真報(bào)告

1、基于si muli n k的數(shù)字基帶傳 輸系統(tǒng)仿真報(bào)告作者:日期：Zhengzhou Instimteof Aeronautical Industry Management通信系統(tǒng)建模與仿真課程設(shè)計(jì)2009 級(jí)通信工程專業(yè) 71 班級(jí)題 目 基于SI MULI NK的基帶傳輸系統(tǒng)的仿真姓 名 張建濤 學(xué)號(hào) 0 9 1 3 071 3 6指導(dǎo)教師閆利超 胡娟小組成員李迎亞黃喬飛2012年5月21日1任務(wù)書試建立一個(gè)基帶傳輸模型，采用曼徹斯特碼作為基帶信號(hào)，發(fā)送濾波器為平 方根開(kāi)余弦濾波器，滾降系數(shù)為0.5，信道為加性高斯信道，接收濾波器與發(fā)送濾 波器相匹配。發(fā)送數(shù)據(jù)率為1 000bps，要求觀察

2、接收信號(hào)眼圖，并設(shè)計(jì)接收機(jī)采樣 判決部分，對(duì)比發(fā)送數(shù)據(jù)與恢復(fù)數(shù)據(jù)波形，并統(tǒng)計(jì)誤碼率。另外，對(duì)發(fā)送信號(hào)和 接收信號(hào)的功率譜進(jìn)行估計(jì)。假設(shè)接收定時(shí)恢復(fù)是理想的。2 基帶系統(tǒng)的理論分析(參照通信原理教材146頁(yè)，分兩方面說(shuō)明：1.基帶系統(tǒng)傳輸模型和工作原理；2.基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的碼間干擾和噪聲干擾以及解決方案)1 .基帶系統(tǒng)傳輸模型和工作原理數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成框圖如圖1所示，它通常由脈沖形成器、發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、抽樣判決器與碼元再生器組成。系統(tǒng)工作過(guò)程及各部分作用如下。n(t)定時(shí)信號(hào)圖1 :數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)方框圖發(fā)送濾波器進(jìn)一步將輸入的矩形脈沖序列變換成適合信道傳輸?shù)牟ㄐ蝕T(t

3、)。這是因?yàn)榫匦尾ê胸S富的高頻成分，若直接送入信道傳輸，容易產(chǎn)生失真?；鶐鬏斚到y(tǒng)的信道通常采用電纜、架空明線等。信道既傳送信號(hào)，同時(shí)又因存在噪聲n(t)和頻率特性不理想而對(duì)數(shù)字信號(hào)造成損害，使得接收端得到的波形 gR(t)與發(fā)送的波形gT(t)具有較大差異。接收濾波器是收端為了減小信道特性不理想和噪聲對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚O(shè)置的。其主要作用是濾除帶外噪聲并對(duì)已接收的波形均衡，以便抽樣判決器正確判決。抽樣判決器首先對(duì)接收濾波器輸出的信號(hào)y(t)在規(guī)定白時(shí)刻(由定時(shí)脈沖cp控制)進(jìn)行抽樣，獲得抽樣信號(hào)n,然后對(duì)抽樣值進(jìn)行判決，以確定各碼元 是“1”碼還是“0”碼。2 .基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的碼間干擾和噪

4、聲干擾以及解決方案由圖1所示，其中發(fā)送濾波器的傳遞函數(shù)為GT(f),沖擊響應(yīng)為gT(t);接收濾波器的傳遞函數(shù)為Gr(T),沖擊響應(yīng)為gR(t)。從an到?n的傳輸過(guò)程中，各個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)信道與接收 濾波器 后可能發(fā)生不期望的變形，從而影響接收，這中間既有碼間串?dāng)_又有噪聲的影響。經(jīng)過(guò)接收濾波器后的輸出信號(hào)為y(t) = 迫-8 ak -kTs) ?gT(t)?c(t)+ n(t) ?gR(t)令yn(t) = n(t) ?gR(t),并令數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)總的沖擊響應(yīng)為h(t) = gT(t) ? c(t) ?gR(t)總的頻響函數(shù)為 H(f) = GT(f)CGR(f)于是ooy(t)=匯 a

5、k 8(t- kTs) ?h(t) + yn(t) k=- °° 00=匯 akh(t - kTs) + yn(t) k=- 00記抽樣定時(shí)為t= nTs+ t0,得到抽樣值，rn = y(nTs+ t0)。t0是相對(duì)固定的時(shí)延，不妨將其忽 略。于是oon = y(nTs) = E akh(nTs - kTs) + yn (nTs) k=- 00 00=anh(0) + 匯 an-m h(mTs) + yn(nTs)m=-comO式中，令m = n- ko式中的第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)所期望接收的an符號(hào)，；第二項(xiàng)是其他符號(hào)對(duì)當(dāng)前符號(hào)an的干擾，稱為 碼間串?dāng)_ 或碼間干擾(I SI);第

6、三項(xiàng)為噪聲影響。由于隨機(jī)性的碼間串?dāng)_和噪聲的存在，使抽樣判決電路在判決時(shí)可能判對(duì)， 也可能判錯(cuò)。顯然，只有當(dāng)碼間干擾和隨機(jī)干擾很小時(shí)，才能保證上述判決的正確； 當(dāng)干擾及噪聲嚴(yán)重時(shí)，則判錯(cuò)的可能性就很大。1)碼間干擾及解決方案碼間干擾：由于基帶信號(hào)受信道傳輸時(shí)延的影響，信號(hào)波形將被延遲從而擴(kuò)展到下一碼元，形成碼間干擾，造成系統(tǒng)誤碼。解決方案：要求基帶系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則:- 8k匯H (f - T)=常數(shù)k=- °°s若不能滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則，在接收端加入時(shí)域均衡，減小碼間干擾。基帶系統(tǒng)的系統(tǒng) 函數(shù)H( 3)應(yīng)具有升余弦滾降特性。如圖2所示。這樣對(duì)應(yīng)的h (

7、t)拖尾收斂速度快，能夠減小抽樣時(shí)刻對(duì)其他信號(hào)的影響即減小碼間干擾。2)噪聲干擾及解決方案噪聲干擾：基帶信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制就直接在含有加性噪聲的信道中傳輸，加性噪聲會(huì)疊加在信號(hào)上導(dǎo)致信號(hào)波形發(fā)生畸變。解決方案： 在接收端進(jìn)行抽樣判決；匹配濾波，使得系統(tǒng)輸出性噪比最大。3 基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案(分別對(duì)信源、發(fā)送濾波器和接收濾波器、信道、抽樣判決器的選擇說(shuō)明原因)錯(cuò)誤！ 信源的選擇：常見(jiàn)的基帶信號(hào)波形有：?jiǎn)螛O性波形、雙極性波形、單極性歸零波形和雙極性歸零波形。雙極性波形可用正負(fù)電平的脈沖分別表示二進(jìn)制碼“1”和“ 0”，故當(dāng)“1”和"O'等概率出現(xiàn)時(shí)無(wú)直流分量，有利于在信道中傳輸，且在

8、接收端恢復(fù)信號(hào)的判 決電平為零，抗干擾能力較強(qiáng)。本次課程設(shè)計(jì)所采用的曼徹斯特碼就是一種典型的雙極性不歸零碼。在s i m u 1 i nk的環(huán)境下產(chǎn)生該信號(hào)需將“Be r nou lli B inar y Genera t or"模塊和 "Pul s eGen e r ator ”模塊各自產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)"R elay ”模塊判決后再經(jīng)過(guò)一個(gè)相乘器“ Pro d u ct ”模塊。錯(cuò)誤！ 發(fā)送濾波器和接收濾波器的選擇：基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是濾波器的選取，根 據(jù)對(duì)信源的分析，為了使系統(tǒng)沖激響應(yīng)h（ t）拖尾收斂速度加快，減小抽樣時(shí)刻偏差造成的 碼間干擾問(wèn)題，要求

9、發(fā)送濾波器應(yīng)具有升余弦滾降特性，同時(shí)為了得到最大輸出信噪比，在此選擇平方根升余弦濾波器作為發(fā)送（接收）濾波器 ，滾降系數(shù)為0.5,接收濾波器與發(fā)送濾波 器相匹配。以得到最佳的通信性能（即誤碼率最?。╁e(cuò)誤！未定義書簽。信道的選擇：信道是允許基帶信號(hào)通過(guò)的媒質(zhì)，通常為有線信道，信道的傳輸特性通常不滿足無(wú)失真?zhèn)鬏敆l件，且含有加性噪聲。因此本次系統(tǒng)仿真采用高斯白噪聲信道。錯(cuò)誤！抽樣判決器的選擇：抽樣判決器是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時(shí)刻（由位定時(shí)脈沖控制）對(duì)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(hào)。根據(jù)曼徹斯特碼的碼性特點(diǎn),故在接收中的判決門限為0。即采用由“P u lse G

10、 e ner a tor"脈沖模塊"Rela y "判決模塊"P rod u c t"相乘器模塊"Trigger e d Subsy s t em” 保持模塊構(gòu)成的抽樣判決器。4 SI MU LINK下基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（分別說(shuō)明信源、發(fā)送濾波器和接收濾波 器、信道、抽樣判決器的建模方法，及選用的s 1 mulin k模塊及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置情況，最后給出總的模型圖）1信源的建模及相關(guān)參數(shù)設(shè)置曼徹斯特碼基帶信號(hào)源需用到的 si m u link模塊有“B e r n o u lli Bi n a ry Gene r a t o r "

11、;、" Pulse G e n er a tor "、" R e 1 ay"、" P roduct ”。考慮到設(shè)計(jì)要求'Bernoulli B inar y Genera tor”參數(shù)設(shè)置為"Sample time ”為 “1/ 1 0 0 0”,其余參數(shù)為默認(rèn)值；"Pulse Generator”參數(shù)設(shè)置為"Sa mpl e ti me"為 “1e-4”，“Perio d ” 為 “ 10” “Pu 1 s e W i d th ” 為 “5”，其余參數(shù)為默認(rèn)值?！癛e 1 ay”判決門限為0.

12、5,大于0. 5輸出1 ,小于0. 5則輸出一1,其余參數(shù)為默認(rèn)?！癙roduc t ”所有參數(shù)均為為默認(rèn)值。其模型搭建方式如下圖所示伯努利二進(jìn)制信源模塊及參數(shù)的設(shè)置：iiircc Biorrl: I*ni-AniD-T crrsz Burn口u工.工 _ .E errcuE D r-ary Ser*eiatzf G'Bn-s'a'e a Semxilli raiztan birjry nuTber.Te genebe a veBtoi 0btput.軍tee卸 the p«b國(guó)bitp 電 a vwifki.Preneteia二W'abii卯 tvl

13、 3 ztio-tniliaJ wed-|-G1|adHii'pie I'inftf 1 e-2I I Frs白 ba電白d outpataI I inteprel vecloi pad印制日cm asl-D Dulxit data tjiper doi±k!eVl 呼一 "KCmM-【H即1Be rnoull i模塊參數(shù)圖2由伯努利信源產(chǎn)生曼徹斯特碼建模及參數(shù)設(shè)置：mtorBelav1Q Jpui Rbki I .-"d y d»i ie anXMOfl-id卜"Wei> W.4E ma ¥1 E.rUiihD

14、hdl iK*tiifuv undFP4 ImomI NtMVMMte 1 hA tiriHBr *|司 酬事ijed 心，由a -M dpi 大（ m «*i'in 46 出口JW ZMH*1/ 4 EtM S» Q*1#* VWItl”JF】L AI l4 IPu l s e模塊參數(shù)Re lay模塊參數(shù)K£S1 口01T 0止0 N L%q rt8由 5 jog發(fā)送濾波器、信道、接收匹配濾波器的建模及參數(shù)設(shè)置G ikc -!- F! HhvrChdh-h$l指鼻/增T應(yīng)第三9接59:席寂塞1AWGN 數(shù)發(fā)送濾波器參數(shù)匹配接收濾波器參數(shù)抽樣與判決器的建模

15、及參數(shù)設(shè)置+-+HI樣PfelSiGe ne rata r1接忸停夏迪什ProdurflInII Dull f4 213 y 剃P(guān)rQCUG：1Pjlse：G*nt(al*r1r rl|f 4r«d£111P保持Rela2Re la y判決模塊參數(shù)Pu 1 se恢復(fù)定時(shí)模塊參數(shù)C3新片”i li" , PhMrWiaia-.Fli* 'T-為I .eteridTirH-hcwd e iKDiran-ri lln1 1_，收4幽>«&- 理!Ecdhu E "-"E4sad ieirrwi wiLfa -Iqi &

16、quot;!< In-Avghr«i 審 id，、. ri rr-tl* pa*4G * * . t，,4 *31 紐 Me iU'OTiBl VE口11 ill !f' -a>£ In-ilhoPtkua lol*. urt v c - cnpilB1 MLmR>iidnc<i基帶傳輸系統(tǒng)的總模型:仿真結(jié)果分析圖6基帶傳輸系統(tǒng)的總模型（給出模型圖中各點(diǎn)輸出時(shí)域波形，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析；給出接收信號(hào)眼圖并分析；分別對(duì)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的功率譜進(jìn)行估計(jì),對(duì)比其結(jié)果；統(tǒng)計(jì)傳輸過(guò)程的誤碼率并分析造成誤碼的原因1、曼徹斯特編碼前與編碼后波形圖72

17、、發(fā)送數(shù)據(jù)波形與接收數(shù)據(jù)波形從以上兩圖可以看出，曼徹斯特的編碼完全正確，發(fā)送數(shù)據(jù)波形與接收數(shù)據(jù)波形完全吻合，由于誤碼率很低且示波器的顯示范圍有限，在圖8中看不到傳輸錯(cuò)誤的碼元。通過(guò)接收端與發(fā)送端時(shí)域波形對(duì)比， 可以看出設(shè)計(jì)的抽樣判決器的抽樣判決門限比較合 理，可以順利的完成對(duì)基帶信號(hào)的抽樣判決，與理論分析相一致。3、經(jīng)過(guò)濾波器、信道的各點(diǎn)時(shí)域波形圖9上圖第一個(gè)波形為發(fā)送濾波器輸出端時(shí)域波形，產(chǎn)生了規(guī)律的比較適合信道傳輸?shù)牟ㄐ?，比較光滑。中間的波形為信道輸出端的時(shí)域波形，由于信噪比不是太高，對(duì)發(fā)送濾波器輸出的信號(hào)影響不明顯。 最下端的波形為接收濾波器輸出時(shí)域波形?？梢砸?jiàn)的，噪聲被基本濾除,接收濾

18、波器輸出波形比較平滑。4、曼徹斯特碼元與解碼后的波形比較圖1 0通過(guò)這兩個(gè)波形比較，可以看出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)發(fā)送濾波器、AW GN信道、接收濾波器、采樣、判 決恢復(fù)后，基本完全與原波形一致。5、接收眼圖波形與分析EK HJHJ I II/DlMCZMHT ime: 他F'E1Sizupe_E.il 七 月Kz Ctvuiiicls 也 ird 口丫 JjeljEtffr 口內(nèi)gwmD 3 20 O.E D,S 11.21 41.61.STrace. GOOTime (rra)圖11(1)從上圖中可以看出，眼圖的線跡比較細(xì)，比較清晰，并且“眼睛”很大，說(shuō)明誤碼率比較低，碼間串?dāng)_與噪聲對(duì)系統(tǒng)傳輸可

19、靠性影響不大。(2)從上圖中可以看出最佳時(shí)刻是0. 2 , 0.7, 1.2, 1 . 7左右等時(shí)刻“眼睛”最大即抽樣最佳時(shí)刻。(3)因?yàn)檠蹐D眼邊的斜率比較大，所以看出定時(shí)誤差靈敏度比較敏感。(4 ) “眼睛”張開(kāi)的寬度為可抽樣的時(shí)間范圍。，若噪聲瞬時(shí)值超過(guò)它就可(5)抽樣時(shí)刻，上下兩個(gè)陰影區(qū)的間隔距離之半為噪聲容限 能發(fā)生錯(cuò)判。6、發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)功率譜估計(jì)與分析thiTei d*,.'! e tu/jp-cl t il1 山 年“UM4-1C-15M 把 為 國(guó).40E 融發(fā)送信號(hào)功率譜接收信號(hào)功率譜圖12從兩圖比較中可以看出，接收信號(hào)的功率譜與發(fā)送信號(hào)的功率譜基本完全一樣，說(shuō)明

20、整個(gè)基帶傳輸系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)是合理的，能滿足要求，具有較好的抗碼間串?dāng)_的能力。7、誤碼率統(tǒng)計(jì)與分析圖1 3圖14通過(guò)誤碼率統(tǒng)計(jì) "Displ a y”模塊可知該系統(tǒng)的誤碼率為0 .0 095,且誤碼率會(huì)隨著仿真時(shí)間的增長(zhǎng)逐步降低。由圖 14發(fā)送數(shù)據(jù)波形與接收數(shù)據(jù)波形比較，可以看到中間有一處出現(xiàn)了錯(cuò)誤：原碼為“ 0”，接收到的卻是“ 1”。原因可能有以下幾個(gè)方面：錯(cuò)誤、誤碼有可能是由于噪聲造成的。由于噪聲的存在，可能會(huì)使原有基帶信號(hào)的正負(fù)電平出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，由于抽樣判決門限為0,造成判決出錯(cuò)出現(xiàn)誤碼。錯(cuò)誤!、有可能是碼間干擾的原因。雖然理論分析可以完全消除碼間干擾，但是由于平方根升余弦濾波器等部件不可能是完全理想的，所以在仿真及實(shí)際工程中碼間干擾是不會(huì)完全消除的。錯(cuò)誤！未定義書簽。、由于采用相乘器等模塊構(gòu)造解碼器，其解碼過(guò)程也有可能會(huì)出錯(cuò)。6遇到的問(wèn)題及解決的方法剛開(kāi)始拿到這個(gè)題目時(shí)，覺(jué)得很簡(jiǎn)單，因?yàn)橥ㄐ沤嫌邢嗨频睦} ，只是必須要把兩個(gè)例 題的模塊組合到一起，然后修改下要求的參