基于SIMULINK的基帶傳輸系統(tǒng)的仿真

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)送濾波器為平方根升余弦濾波器，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1000bps，要求觀察接收信號(hào)眼圖，并設(shè)計(jì)接收機(jī)采樣判決局部，比照發(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?；鶐到y(tǒng)的理論分析信道的傳輸特性為C(w),接收濾波器的傳輸特性為設(shè)系統(tǒng)總的傳輸特性為GR(w),那么基帶傳輸系統(tǒng)的總的傳輸特性為:H(w)=GT(w)C(w)GR(w)，n(t)是信道中的噪聲。2)基帶系統(tǒng)的工作原理：信源是不經(jīng)過調(diào)制解調(diào)的數(shù)字基帶信號(hào)，信源在發(fā)送端經(jīng)過發(fā)送濾波器形成適合信道傳輸?shù)拇a型，經(jīng)過含有加性噪聲的有線信道后，在接收端通過接收濾波器的濾波去噪，由抽樣判決器進(jìn)一步去噪恢復(fù)基帶信號(hào)，從而完成基帶信號(hào)的傳輸。2．2基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的碼間干擾及噪聲干擾

碼間串?dāng)_和信道噪聲是影響基帶傳輸系統(tǒng)性能的兩個(gè)主要因素: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：

①要求基帶系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H(ω)滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)那么：

假設(shè)不能滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)那么，在接收端參加時(shí)域均衡，減小碼間干擾。②基帶系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)H(ω)應(yīng)具有升余弦滾降特性。如圖2所示。這樣對(duì)應(yīng)的h(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)沒有經(jīng)過調(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：

①在接收端進(jìn)行抽樣判決；②匹配濾波，使得系統(tǒng)輸出性噪比最大。

基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3．1信源常見的基帶信號(hào)波形有：?jiǎn)螛O性波形:是一種最簡(jiǎn)單的基帶信號(hào)波形,用正電平和零電平分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制碼'1'和'0',易于用TTL，CMOS電路產(chǎn)生，但直流分量大，要求傳輸線路具有直流傳輸能力，不利于信道傳輸。雙極性波形:用正負(fù)電平的脈沖分別表示二進(jìn)制代碼'1'和'0',故當(dāng)“1〞和“O〞等概率出現(xiàn)時(shí)無直流分量，有利于在信道中傳輸，且在接收端恢復(fù)信號(hào)的判決電平為零，抗干擾能力較強(qiáng)。單極性歸零波形:通常,歸零波形使用半占空碼,信號(hào)電壓在一個(gè)碼元終止時(shí)刻前回到零電平.雙極性歸零波形:兼有雙極性和歸零波形的特點(diǎn),由于相鄰脈沖之間存在零電位的間隔,使得接收端很容易識(shí)別出每個(gè)碼元的起始時(shí)刻,從而使收發(fā)雙方能夠保持正確的位同步.基于于以上考慮采用雙極性歸零碼——曼徹斯特碼作為基帶信號(hào)。發(fā)送濾波器和接收濾波器

1)濾波器的作用發(fā)送濾波器:用于壓縮輸入信號(hào)頻帶,把傳輸碼變成適用于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)波形.接收濾波器:用于接收信號(hào),盡可能濾除信道噪聲和其他干擾,對(duì)信道特性進(jìn)行均衡,使其輸出的基帶波形有利于抽樣判決.2)選擇基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題是濾波器的選取，根據(jù)1．2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題，要求發(fā)送濾波器應(yīng)具有升余弦滾降特性；要得到最大輸出信噪比，就要使接收濾波器特性與其輸入信號(hào)的頻譜共扼匹配同時(shí)系統(tǒng)函數(shù)滿足：H(ω)=GT(ω)GR(ω)考慮在t0時(shí)刻取樣，上述方程改寫為

H(ω)=GT(ω)，GR(ω)，于是求解出，因此，在構(gòu)造最正確基帶傳輸系統(tǒng)時(shí)要使用平方根升余弦濾波器作為發(fā)送端和接收端的濾波器。

3．3信道

信道是允許基帶信號(hào)通過的媒質(zhì)，通常為有線信道，如市話電纜、架空明線等。信道的傳輸特性通常不滿足無失真?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。

抽樣判決器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)。抽樣判決關(guān)鍵在于判決門限確實(shí)定，由于本次設(shè)計(jì)采用雙極性碼，故判決門限為0。

SIMULINK下基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)信源的建模1)模型說明:曼徹斯特的編碼規(guī)那么是這樣的，即將二級(jí)制碼“1〞編成“10"，將“0〞碼編成“01〞，在這里由于采用了二進(jìn)制雙極性碼，那么將“1〞編成“+1-1〞碼，而將“0〞碼編成“-1+1〞碼。用SIMULINK中的BernoulliBinaryGenerator(不歸零二進(jìn)制碼生成器)、Relay、PulseGenerator(脈沖生成器)、Product〔乘法器〕、Scope(示波器)構(gòu)成曼徹斯特碼的生成電路。2〕各個(gè)參數(shù)設(shè)置：BernoulliBinaryGenerator用于產(chǎn)生1和0的隨機(jī)信號(hào)，經(jīng)過Relay變?yōu)殡p極性信號(hào)；PulseGenerator用于產(chǎn)生占空比為1/2的單極性歸零脈沖(1010)，經(jīng)過Relay成為雙極性脈沖(+1-1+1-1)。兩路雙極性信號(hào)成為乘法器Product的輸入，相乘后的結(jié)果是：第1路不歸零碼的1碼與第2路(+1-1)碼相乘得到(+1-1)，第1路-1碼與第2路(+1-1)碼相乘得到(-1+1)碼，這就是曼徹斯特碼。曼切斯特碼如下圖(下列圖中,第一個(gè)波形是不歸零二進(jìn)制碼生成器產(chǎn)生的單極性碼,第二個(gè)波形是經(jīng)瑞利變換產(chǎn)生的雙極性不歸零碼,第三個(gè)波形是曼切斯特碼)4．2發(fā)送濾波器和接收濾波器、信道為了減小碼間干擾，在最大輸出信噪比時(shí)刻輸出信號(hào)，減小噪聲干擾，傳輸模塊由Upsample(內(nèi)插函數(shù))、DiscreteFilter根升余弦傳輸濾波器、AWGNChannel(高斯信道)、DiscreteFilter根升余弦接收濾波器模塊組成，其設(shè)計(jì)框圖如下圖：模塊參數(shù)設(shè)置：Upsample的Upsamplefactor設(shè)為10，DiscreteFilter根升余弦傳輸濾波器的Numerator設(shè)為rcosine(2,10,'fir/sqrt',0.5,10)，Sampletime設(shè)為1/10000，AWGNChannel(高斯信道)的Mode選為SNR，SNR設(shè)為34，DiscreteFilter根升余弦接收濾波器設(shè)置與傳輸濾波器模塊相同。4．3抽樣判決1)抽樣判決模型圖：2)說明:曼徹斯特碼解碼模塊與編碼模塊設(shè)置相同。兩路雙極性信號(hào)成為乘法器Product的輸入，相乘后的結(jié)果是：第1路不歸零碼的〔+1-1〕碼與第2路(+1-1)碼相乘得到+1碼，第1路〔-1+1〕碼與第2路(+1-1)碼相乘得到-1碼，這就對(duì)曼徹斯特碼進(jìn)行了解碼。3)主要參數(shù)設(shè)置：仿真結(jié)果分析5．1基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖及各點(diǎn)輸出波形基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總圖以及傳輸過程中的各點(diǎn)波形分別如下圖Scope的波形：第一個(gè)波形是對(duì)曼徹斯特碼進(jìn)行10被升速率采樣后的波形，將該信號(hào)送到傳輸濾波器中，濾除高頻成分得到第二個(gè)波形，第三個(gè)是第二個(gè)波形進(jìn)過加性高斯白噪聲信道傳輸并通過接收濾波器濾除噪聲后的波形，第四個(gè)是經(jīng)過抽樣判決器抽樣和判決再生產(chǎn)生的曼徹斯特碼。Scope1的波形:從下列圖中的波形來看，傳輸是有效的。第一行是信源端發(fā)送的信號(hào)波形，第二行是接收端收到的信號(hào)波形，與第一行的基帶信號(hào)比擬，波形相同，這說明所設(shè)計(jì)的基帶系統(tǒng)沒有產(chǎn)生誤碼，到達(dá)了抗碼間干擾和抗噪聲干擾的目的。5．2眼圖觀測(cè)結(jié)果圖為接收濾波器觀察到的眼圖，從圖中可看出，在信噪比為34dB下觀察眼圖，“眼睛〞睜開的角度很大，且沒有“雜線〞，說明系統(tǒng)在該信噪比下具有很好的抗碼間干擾能力。5．3發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的功率譜使用模塊如有圖所示，將其設(shè)置為雙邊帶，功率譜密度如下圖：〔下列圖分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的功率譜〕〔1〕輸入信號(hào)〔2〕輸出信號(hào)遇到的問題及解決的方法1)將信源|發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、抽樣采樣等模塊連接到一塊后,發(fā)現(xiàn)誤碼率很大,因?yàn)闆]有意識(shí)到要在抽樣采樣之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼,2)將整個(gè)模型畫好之后,運(yùn)行發(fā)現(xiàn)誤碼率在50%左右,與實(shí)際相差較大,沒有考慮到輸入信號(hào)與輸出信號(hào)有延時(shí)，加上延時(shí)模塊后并調(diào)整延時(shí)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)延時(shí)時(shí)間與理論值相差較大。3〕當(dāng)信噪比擬小時(shí)誤碼率較大，增大信噪比誤碼率減小。結(jié)