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武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书1数字基带通信系统的设计1技术要求设计一个数字基带通信系统，要求：（1）设计一个数字基带通信系统的结构；（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）；（3）用Matlab或SystemView实现该数字基带通信系统；（4）观察仿真并进行波形分析；（5）系统的性能评价。2基本原理2.1数字基带传输系统的介绍与模拟通信相比，数字通信具有很多优良的特性，它的主要缺点就是设备复杂并且需要较大的传输带宽。近年来，随着大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度和技术难度大大降低，同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输介质的使用正逐步使带宽问题得到解决。数字处理的灵活性使得数字传输系统中传输的数字信息既可以是来自计算机、电传机等数据终端的各种数字信号，也可以是来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码（PCM）信号等。这些数字信号所占据的频谱是从零频或很低频率开始的，称为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。这类系统称为数字基带传输系统。2.2数字基带通信系统的模型2.2.1数字通信系统的模型数字通信系统的框图如下图所示：武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书2图1数字通信系统模型2.2.2数字基带传输系统的模型框图框图如图1.1所示：图2数字基带传输系统模型数字基带传输系统的输入信号是由终端设备或编码设备产生的二进制脉冲序列，通常是单极性的矩形脉冲信号（NRZ码）。为了使这种信号适合于信道的传输，一般要经过码型变换器，把单极性的二进制脉冲变成双极性脉冲（如AMI码或HDB3码）。发送滤波器对码脉冲进行波形变换，以减小信号在基带传输系统中传输时产生的码间串扰。信号在传输过程中，由于信道特性不理想及加性噪声的影响，会使接收到的信号波形产生失真，为了减小失真对信号的影响，接收信号首先进入接收滤波器滤波，然后再经均衡器对失真信号进行校正，最后由取样判决器恢复数字基带脉冲序列。设发送滤波器的传输特性,则𝑔𝑅(t)=12𝜋∫𝐻(𝜔)𝑒𝑗𝜔𝑡𝑑𝜔∞−∞武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书3若设信道的传输特性为C(ω),接收滤波器的传输特性为𝐺𝑅(𝜔),则基带传输系统的总传输特性为:H(ω)=𝐺𝑅(𝜔)𝐶(𝜔)𝐺𝑇(𝜔)其中单位冲激响应:h(t)=12𝜋∫𝐻(𝜔)𝑒𝑗𝜔𝑡𝑑𝜔∞−∞H(t)是在单个δ(t)作用下,H(ω)形成的输出波形.接收滤波器输出信号r(t)可表示为:r(t)=∑𝑎𝑛ℎ(𝑡−𝑛𝑇𝑠)+𝑛𝑅(𝑡)∞𝑛=−∞𝑛𝑅(𝑡)是加性噪声n(t)经过滤波器后输出的噪声,a为滚降系数。2.3仿真软件本次课程设计是基于MATLABR2016a版本的SIMULINK模块进行仿真设计的。用SIMULINK搭建仿真模型，首先把系统分解成信号发生器、发送/接收滤波器、传输信道、Manchester编/解码器、位定时提取电路和采样判决电路这几个子系统.然后对子系统分别进行构造和测试:这些子系统是由SIMULINK模块库提供的基本模块以及通信工具箱、数字信号处理工具箱提供的专用模块搭建并且经过封装形成的。3建立模型描述3.1信源的设计信息传播过程简单地描述为：信源→信道→信宿。其中，“信源”是信息的发布者，即上载者；“信宿”是信息的接收者，即最终用户。在传统的信息传播过程中，对信源的资格有严格的限制，通常是广播电台、电视台等机构，采用的是有中心的结构。而在计算机网络中，对信源的资格并无特殊限制，任何一个上网者都可以成为信源[5].武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书41）常见的基带信号波形有：单极性波形、双极性波形、单极性归零波形和双极性归零波形。双极性波形可用正负电平的脉冲分别表示二进制码“1”和“0”，故当“1”和“O”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，且在接收端恢复信号的判决电平为零，抗干扰能力较强。而单极性波形的极性单一，虽然易于用TTL，CMOS电路产生，但直流分量大，要求传输线路具有直流传输能力，不利于信道传输。2）归零信号的占空比小于1，即：电脉冲宽度小于码元宽度，每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平，这样的波形有利于同步脉冲的提取。3）基于以上考虑采用双极性归零码——曼彻斯特码作为基带信号。3.2发送滤波器和接收滤波器的设计滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。基带系统设计的核心问题是滤波器的选取，根据分析，为了使系统冲激响应h（t）拖尾收敛速度加快，减小抽样时刻偏差造成的码间干扰问题，要求滤波器应具有升余弦滚降特性；要得到最大输出信噪比，就要使接收滤波器特性与其输入信号的频谱共扼匹配𝐺𝑅(𝜔)=𝐺𝑇（𝜔）𝑒−𝑗𝜔𝑡0，同时系统函数满足H(ω)=𝐺𝑅(𝜔)𝐺𝑇（𝜔），考虑在t0时刻取样，上述方程改写为𝐺𝑇(𝜔)=𝐺𝑅(𝜔)，于是有𝐺𝑅(𝜔)=𝐺𝑇(𝜔)=𝐻(𝜔)※，因此，在构造最佳基带传输系统时要使用平方根升余弦滤波器作为滤波器。3.3信道的设计信道指通信的通道，是信号传输的媒介，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，且含有加性噪声。因此本次系统仿真采用高斯白噪声信道。3.4抽样判决器的设计抽样判决器是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书5接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。抽样判决关键在于判决门限的确定，由于本次设计采用双极性码，故判决门限为0。3.5码间干扰及其解决方案码间干扰：由于基带信号受信道传输时延的影响，信号波形将被延迟从而扩展到下一码元，形成码间干扰，造成系统误码[5]。解决方案：要求基带系统的频谱函数H(ω)满足奈奎斯特第一准则的频域条件：∑𝐻(𝜔+2𝜋𝑖𝑇𝐵)=𝑇𝐵|𝜔|≤𝜋𝑇𝐵𝑖。若不能满足奈奎斯特第一准则，在接收端加入时域均衡，减小码间干扰。基带系统的系统函数H(ω)应具有升余弦滚降特性。这样对应的h(t)拖尾收敛速度快，能够减小抽样时刻对其他信号的影响即减小码间干扰。噪声干扰及解决方案噪声干扰：基带信号没有经过调制就直接在含有加性噪声的信道中传输，加性噪声会叠加在信号上导致信号波形发生畸变。解决方案：在接收端进行抽样判决或者匹配滤波，使得系统输出信噪比最大。4模块功能分析4.1信源的建模及相关参数设置曼彻斯特码基带信号源需用到的SIMULINK模块有“BernoulliBinaryGenerator”、“PulseGenerator”、“Relay”和“Product”。考虑到设计要求，“BernoulliBinaryGenerator”参数设置为：Probabilityofazero（零码概率）设为0.5，sampletime（采样时间）设为1/1000。“pulsegenerator”参数设置为：pulsewidth（％ofperiod）（脉冲宽度）设为50％，占空比为1／2，Attitude（幅度）设为1，phasedelay（相位延迟）设为0，表示不经过延迟，起始时刻发10码，sampletime（采样时间）设为1/1000。“Relay”参数设置为：switchonpoint:0.5,switchoffpoint:0.5,Outputwhenon:1,Outputwhenoff:-1,模块中当输入的信号大于switch的门限值0.5时，输出为1，当武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书6输入的信号小于switch的门限值0.5时，输出为-1。此时，单极性非归零码经过Relay模块后成为双极性不归零码（+1-1+1…）。“Product”的所有参数设置均为默认值。其模型搭建方式如下图所示：图3信源模块的搭建参数设置如下图所示：图4信源发生器模块的参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书7图5Relay模块的参数设置“pulsegenerator”用于产生占空比为1／2的单极性归零脉冲，经过Relay后成为双极性归零脉冲（+1-1），两路双极性信号成为乘法器“Product”的输入，相乘后的结果是：第1路不归零码的1码与第2路（+1-1）码相乘得到（+1-1），第1路-1码与第2路（+1-1）码相乘得到（-1+1）码即曼彻斯特码。由伯努利信源产生曼彻斯特码的模型搭建及参数设置图形如下：图6由伯努利信源产生曼彻斯特码的模型搭建武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书8图7脉冲生成器模块参数设置图8Relay1模块参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书94.2发送滤波器、信道、接收滤波器的建模及参数设置发送滤波器、信道、接收滤波器的模型搭建图形如下：图9发送滤波器、信道、接收滤波器模型的搭建图参数设置：（1）“DiscreteFilter”的Numeratorcoefficient:rcosine(2000,10000,'fir/sqrt',0.5,10),Sampletime:1/10000。(2)AWGNChannel(高斯信道)中mode选择Signaltonoiseradio(SNR),SNR(dB):34。发送端根升余弦传输滤波器用于对输入信号滤波成型，高斯信道中含有高斯白噪声，满足基带系统信道特征，接收端根升余弦接收滤波器对应于发送滤波器，用于匹配滤波，得到最大输出信噪比。各元件参数的设置如下图所示：图10发送、接收滤波器的参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书10图11高斯信道的参数设置4.3抽样判决电路的建模及参数设置抽样判决电路的模型搭建图形如下：图12抽样判决电路模型的搭建图模块参数设置：（1）“pulsegenerator1”的pulsewidth（％ofperiod）（脉冲宽度）设为50％，占空比为1／2，不经过延迟，起始时刻发10码，sampletime（采样时间）设为1/20000。(2)“Relay2”的判决门限设为0.5，输入信号经Relay2被抽样判决，当信号大于0时输出为1，当信号小于0时输出为-1，pulseGenerator（脉冲生成器）的输出信号（101010…）与接收滤波器输出信号相乘，结果是：（+1-1）与（10）相乘得到（+10），（-1+1）时与（10）相乘得到（-10），完成对曼彻斯特码的解码。解码后的信号是占空比为50％的双极性归零码，再经过Relay2将双极性码转换成单极武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书11性码，得到与信源发送时一致的码元序列。最后经过抽样判决器的抽样判决，以恢复和再生原始基带信号。各元件参数的设置如下图所示：图13脉冲生成器1的参数设置武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书12图14Relay2模块的参数设置4.4数字基带传输系统的总模型图15数字基带传输系统的总模型在最终的总模型上，加入了误码率计算模块，用于定量计算误码率的大小，指示接收滤波器的调整。武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书135调试过程及结论5.1调试过程原本基带系统传输的过程并不麻烦，就是由信源，信道，发送滤波器，接受滤波器，采样判决等构成，但是在实际操作中很多模块内部参数的设定是很难取决的，必须仔细分析调试后才能确定。升降模块前后的参数，延时模块参数等都需要互相匹配，有时会因为参数的不合适会造成错误或者误码率增大。还有可能得到的波形不能满足要求，而改变参数也不能改善，就需要对模块之间的连线进行一定的调整或加入延时模块。调试过程中出现的部分问题如下：1)一开始将信源、发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样采样等模块连接到一块后,发现误码率很大,而且眼图形状也很怪异，因为要在抽样采样之后对信号进行解码,2)将整个模型