基于matlab的部分响应基带系统设计.docx
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基于matlab的部分响应基带系统设计
基于matlab的部分响应基带系统设计
matlab
2010年3月18日
与模拟通信相比，数字通信具有许多优良的特性，数字传输方式日益受到欢迎。
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。
未经调制的数字信号所占据的频谱
是从零频或从很低频率开始称为数字基带信号；不经载波调制而直接传输数字基带
信号的系统称为数字基带传输系统。
基带传输系统的研究具有十分重要的意义：
第
一，再利用对称电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用了这种传输方式；第二，
随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有迅速发展的趋势，目前它不仅用于低
速数据传输而且还用于高速数据传输；第三，基带传输中包含带通传输的许多基本
问题，也就是说基带传输系统的许多问题也是带同传输系统必须考虑的问题；第四，
理论上也可证明任何一个采用线性调制的带通传输系统可以等效为一个基带传输系
统来研究。
改善数字基带传输系统的性能一般有两种措施，一是针对提高频带利用率而采
用的部分相应技术，另一个是针对减小码间串扰而采用的时域均衡技术。
图1数字基带传输系统模型
图1是一个典型的数字基带信号传输系统方框图。
它主要由发送滤波器（信道
信号形成器）、信道、接受滤波器和抽样判决器组成，为了保证系统可靠有序的工作
还应有同步系统。
图中各方框的功能和信号传输的物理过程简述如下：
1.信道信号形成器（发送滤波器）：
它的功能是产生适合于信道传输的基带信号
波形。
因为其输入一般是经过码型编码器产生的传输码，相应的基本波形通常是矩
形脉冲，其频谱很宽不利于传输，发送滤波器用于压缩输入信号频带，把传输码变
换成适宜于信道传输的基带信号波形。
2.信道：
是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道如双绞线，同轴电缆等，
信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起传输波形的失真。
另外信
道还会引入噪声，并假设它是均值为零的高斯白噪声。
3.接收滤波器：
它用来接收信号尽可能滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性
进行均衡使输出的基带波形有利于抽样判决。
4.抽样判决器：
则是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（有位定时脉
冲控制），对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。
5.定时脉冲和同步提取：
用来抽样的位定时脉冲依靠同步提取电路，从接收信
号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。
发送滤波器、传输信道、接收滤波器等效为传输函数为H（ω）基带形成网络,对于无码间干扰的基带传输系统来说,H（ω）应满足奈奎斯特第一准则,在实验中一般取H（ω）为升余弦滚降特性.在最佳系统下,取C（ω）=1,GT（ω）和GR（ω）均为升余弦平方根特性。
两个常用概念的定义：
1.频带利用率
由于我们使用的是余弦滚降特性的滤波器，所以存在着不确定频带利用率，以
及滚降系数的计算问题。
定义的滚降系数用于描述滚降程度，是奈奎斯特带宽与
超出奈奎斯特带宽扩展量的比值，并且有0<=<=1,滚降系数越大，冲击响应的拖
尾衰减越快，对定时精度要求越低。
但是，滚降使带宽增大为B=fn+f=（1+）fn,所以频带利用率降低。
因此余弦滚降系统的最高频带利用率为
,,n=Rb/B=2fn/（1+）fn=2/1+（B/Hz）。
当=0时,为理想低通系统，这时频带利用率
最大为2B/Hz；=1时，为升余弦频谱特性,这时频带利用率为最小1B/Hz。
2.眼图分析：
眼图就是指通过用示波器观察接受端的基带信号波形，从而估计和调整系统性
能的一种方法。
具体作法是：
用一个示波器跨接在抽样判决器的输入端，然后调整
示波器水平扫描周期，使其与接受码元的周期同步。
此时可以从示波器显示的图形
上，观察码间干扰和信道噪声等因素影响的情况从而估计系统性能优劣程度。
眼图
的“眼睛”张开越大且眼图越端正表示码间干扰越小，反之越大。
当存在噪声时，
眼图的线迹变成了比较模糊的带状的线，噪声越大，线条越粗，越模糊，“眼睛”张
开得越小。
第I类和第IV类部分响应基带传输系统均是利用传输码元间的相关性，来改善
数字脉冲序列的频谱，从而达到压缩频带，提高频带利用率。
第I类频谱主要集中在低频段，适于信道频带高频严重受限的场合。
第IV类无直流分量且低频分量小，便于边带滤波，实现单边带调制，因而在实际应用中第IV类部分响应系统用得最为广泛。
第I类和第IV类部分响应基带传输系统主要不同是在预编码和相关编码部
分，其余部分设计相同，预编码和相关编码部分设计原理如下：
第I类部分响应基带传输系统的框图如图2：
图2第I类部分响应
预编码规则是：
b,a,ba,b,b或（模二）kkk,1kkk,1
abc其中与有0、1二种状态，用0、1二电平表示。
相关编码的规则是，有kkk
三种电平:
+2，0，-2。
第IV类部分响应基带传输系统的框图如图3：
图3第IV类部分响应预编码规则是：
a,b,bb,a,b或（模二）kkk,2kkk,2
ab其中与有0、1二种状态，用0、1二电平表示。
相关编码的规则是kk
a,b,bc，有三种电平:
+1，0，-l。
kkk,2k
1．总流程图，如图4所示：
输入信号
预编码和相关编码
发送滤波
信道高斯噪声
接受滤波
模2判决抽样脉冲
输出
图4总流程图
2.预编码和相关编码程序设计如下：
第I类部分响应基带传输系统：
sk=randperm（10）%取十个随机整数ak=mod（sk,2）；%对数列求模2,得到随机0-1序列bk=[];%定义b为一个序列bk
（1）=0;%定义序列的第一个数为0fori=[2:
length（ak）+1]%从第2位开始循环到n+1列
bk（i）=mod（ak（i-1）+bk（i-1）,2）;%实现预编码运算end
c=[];%定义c为一个序列
fori=[1:
length（ak）]
c（i）=bk（i+1）+bk（i）;%实现相关编码
end
ak
ck=mod（c,2）
ek=awgn（ck,10,'measured'）
运行结果如下：
ak=0001010111
n=10
bk=001100101
ck=0001010111
第IV类部分响应基带传输系统：
>>sk=randperm（3）%取三个随机整数
ak=mod（sk,2）;%对数列求模2,得到随机0-1序列
bk=[];
bk
（1）=0;
bk
（2）=0;
fori=[3:
length（ak）+2]
bk（i）=mod（ak（i-2）+bk（i-2）,2）;%实现预编码运算
end
c=[];
fori=[1:
length（ak）]
c（i）=bk（i+2）+bk（i）;%实现相关编码
end
ck=mod（c,2）
ak
运行结果如下：
ak=011
n=3
bk=00011
ck=011
3.发送和接收滤波器（低通滤波器）
[b,err,res]=firgr（30,[00.40.51],[1100],[1,5]）
b=Columns1through6
0.0081-0.0027-0.0193-0.01980.00460.0205
Columns7through12
-0.0021-0.0320-0.01180.04130.0362-0.0498
Columns13through18
-0.08830.05530.31210.44270.31210.0553
Columns19through24
-0.0883-0.04980.03620.0413-0.0118-0.0320
Columns25through30
-0.00210.02050.0046-0.0198-0.0193-0.0027
Column31
0.0081
err=
0.0524
res=
order:
30
fgrid:
[289x1double]
H:
[289x1double]
error:
[289x1double]
des:
[289x1double]
wt:
[289x1double]
iextr:
[17x1double]
fextr:
[17x1double]
iterations:
4
evals:
1225
edgeCheck:
[4x1double]
returnCode:
0
>>[h,w]=freqz（b）;
plot（w,abs（h））
xlabel（‘Frequency’）
ylabel（‘magnitudide’）
运行结果如图5所示：
图5用matlab生成的低通滤波器
4.信道加高斯白噪声程序：
x（1:
10^6）=3;
y=awgn（x,5）;
mean（y）
var（y）
结果如下
ans=2.9987
ans=0.31575.
5.系统眼图：
%DefinetheM-arynumberandsamplingrates.
M=64;Fd=1;Fs=20;
Pd=100;%Numberofpointsinthecalculationmsg_d=randint（Pd,1,M）;%Randomintegersintherange[0,M-1]msg_a=qammod（msg_d,M）;
%Assumethechannelisequivalenttoaraisedcosinefilter.delay=3;%Delayoftheraisedcosinefilter
rcv=rcosflt（msg_a,Fd,Fs,'fir/normal',.5,delay）;
%Truncatetheoutputofrcosflttoremoveresponsetails.N=Fs/Fd;
propdelay=delay.*N+1;%Propagationdelayoffilterrcv1=rcv（propdelay:
end-（propdelay-1）,:
）;%Truncatedversion%Plottheeyediagramoftheresultingsignalsampledand%displayedwithnooffset.
offset1=0;
h1=eyediagram（rcv1,N,1/Fd,offset1）;
set（h1,'Name','EyeDiagramDisplayedwithNoOffset'）;运行结果如图6所示：
图6眼图1
offset2=4;
h2=eyediagram（rcv1,N,1/Fd,offset2,'r-'）;
set（h2,'Name','EyeDiagramDisplayedwithOffset=2
运行结果如图7所示：
图7眼图2
6根据以上系统分析,用SIMULINK搭建仿真模型：
将经过预编码和相关编码的基带信号送入如图8所示的系统中通过发送滤波器送入信道中传输，在信道中会受到限带高斯白噪声的影响，然后经接受滤波器滤除
高频分量，抽样解码之后即为最终接收的波形。
为测试系统性能，以及考虑到是否编码对系统性能没有影响，所以输入信号直
接应用单极性0-1信号源，然后将信号源信号进行曼彻斯特编码，以便于从信号中
提取同步信号。
图8实验系统仿真模型
与模拟通信相比，数字通信具有许多优良的特性，数字传输方式日益受到欢
迎。
虽然数字基带传输没有带通传输那样应用广泛，但对于基带传输系统的研究仍
是十分有意义的。
因此对基带传输系统应十分重视。
通过这次实习，加深了对通信原理的理解，加深了对第一部分响应和第四部分响应的理解。
实习过程要完成随机信号的生成，预编码和相关编码，信道及模二判决得编
程。
调试过程中，低通滤波器以及对信道加高斯白噪声等程序的编写出现困难，通
过查阅相关课本和网络论文等基本实现。
通过这次实习，了解了系统设计的一般流
程，学会了利用图书馆、网络等各种资源搜集所需的资料。
在信道设计，滤波器设
计、眼图设计等过程中学习了Matlab软件编程，提高了对Matlab的理论知识的掌握，熟练了对Matlab的运用。
[1]樊昌信,曹丽娜，《通信原理》，北京国防工业出版社,2006
[2]郑阿奇，赵阳，《MATLAB实用教程》，北京，电子工业出版社，2004
[3]《山东工业大学学报》，2001年2月第31卷第1期
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