基于某Matlab地数字基带传输系统地仿真.docx

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基于某Matlab地数字基带传输系统地仿真

课程设计（论文）说明书

题目：

基于Matlab的数字基带通信系统仿真

院（系）：

信息与通信学院

专业：

通信工程

学生姓名：

黄志忠

学号：

1000210217

指导教师：

闫坤

职称：

讲师

2013年12月1日

摘要

本论文主要研究了数字信号的基带传输的基本概念及数字信号基带传输的传输过程和如何用MATLAB软件仿真设计数字基带传输系统。

本文首先介绍了MATLAB仿真软件。

然后介绍了本课题的理论依据，包括数字通信，数字基带传输系统的组成及数字基带信号的传输过程。

接着介绍了数字基带传输系统的特性包括数字PAM信号功率普密度及常用线路码型，并通过比较最终选择双极性不归零码。

之后介绍了数字基带信号的最佳接收的条件以及如何通过示波器观察基带信号的波形。

最后按照仿真过程基本步骤用MATLAB的仿真工具实现了数字基带传输系统的仿真过程，对系统进行了分析。

关键字：

数字基带传输系统MATLAB计算机仿真；

Abstract

ThispapermainlystudiesthebasebandtransmissionofdigitalsignalandthebasicconceptofbasebandtransmissionofdigitalsignalinthetransmissionprocessandhowtouseMATLABsoftwaretodesignandSimulationofdigitalbasebandtransmissionsystem.ThispaperfirstintroducesMATLABsimulationsoftware.Thenintroducesthetheoreticalbasis,includingdigitalcommunication,digitalbasebandtransmissionsystemanddigitalbasebandsignaltransmissionprocess.ThenitintroducesthecharacteristicsofdigitalbasebandtransmissionsystemincludesthedigitalPAMsignalpowerspectrumdensityandcommonlyusedlinecode,andthroughthecomparisonofthefinalchoiceofbipolarnrz.Afterintroducingthedigitalbasebandsignalreceivedbythebestconditionsandhowthebasebandsignalwaveformoscilloscopeobservation.Finally,inaccordancewiththebasicstepsofsimulationprocessusingMATLABsimulationtooltoachievethedigitalbasebandtransmissionsystemsimulationprocess,hascarriedonthesystemanalysis.

Keywords：

DigitalBaseBandTransmissionSystemComputersimulation

引言

随着通信系统的规模和复杂度不断增加，通信系统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视。

传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种，但耗时长，方法比较繁杂，而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法，它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行模拟仿真。

通信原理计算机仿真实验，是对数字基带传输系统的仿真。

仿真工具是MATLAB程序设计语言。

MATLAB是一种先进的高技术程序设计语言，主要用于数值计算及可视化图形处理。

特点是将数值分析、矩阵计算、图形、图像处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的编程工具。

运用MATLAB，可以对数字基带传输系统进行较为全面地研究。

为了使本科类学生学好通信课程，我们进行了试点，通过课程设计的方式针对通信原理的很多内容进行了仿真。

1MATLAB软件简介

1.1MATLAB的基本知识

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

　　MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

　　MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解决计算问题要比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、C++、JAVA的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：

　　●数值分析

　　●数值和符号计算

　　●工程与科学绘图

　　●控制系统的设计与仿真

　　●数字图像处理技术

　　●数字信号处理技术

　　●通讯系统设计与仿真

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任CleveMoler为了减轻学生编程负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。

1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。

到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。

1.2Matlab语言的特点

1.2.1编程效率高

它是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，且比Basic、Fortran和C等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，Matlab编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。

因此，Matlab语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言。

由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。

1.2.2用户使用方便

Matlab语言是一种解释执行的语言（在没被专门的工具编译之前），它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。

人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：

编辑、编译、连接以及执行和调试。

各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。

Matlab语言与其它语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、连接和执行融为一体。

它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。

具体地说，Matlab运行时，如直接在命令行输入Mailab语句（命令），包括调用M文件的语句，每输入一条语句，就立即对其进行处理，完成编译、连接和运行的全过程。

又如，将Matlab源程序编辑为M文件，由于Mat1ab磁盘文件也是M文件，所以编辑后的源文件就可直接运行，而不需进行编译和连接。

在运行M文件时，如果有错，计算机屏幕上会给出详细的出错信息，用户经修改后再执行，直到正确为止。

所以可以说，Mat1ab语言不仅是一种语言，广义上讲是一种语言开发系统，即语言调试系统。

1.2.3扩充能力强

Matlab语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且Matlab的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可作为Matlab的库函数来调用。

因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高Matlab使用效率和扩充它的功能。

另外，为了充分利用Fortran、C等语言的资源，包括用户已编好的Fortran，语言程序，C通过建立Me调文件的形式，混合编程，方便地调用有关的Fortran，C语言的子程序。

1.2.4语句简单、内涵丰富

Mat1ab语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为「a，6，c……]=fun（d，e，f，……），即一个函数由函数名，输入变量d，e，f,……和输出变量a，b，c……组成，同一函数名F，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输出变量，代表着不同的含义（有点像面向对象中的多态性。

这不仅使Matlab的库函数功能更丰富，而大大减少了需要的磁盘空间，使得Matlab编写的M文件简单、短小而高效。

1.2.5高效方便的矩阵和数组运算

Matlab语言象Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算，有些如算术运算符只要增加“·”就可用于数组间的运算，另外它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。

在此基础上，高版本的Matlab已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。

因此，不久的将来，它一定能名符其实地成为“万能演算纸式的”科学算法语言。

1.2.6方便的绘图功能

Matlab的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数（命令），例如线性坐标、对数坐标，半对数坐标及极坐标，均只需调用不同的绘图函数（命令），在图上标出图题、XY轴标注，格（栅）绘制也只需调用相应的命令，简单易行。

另外，在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。

这种为科学研究着想的设计是通用的编程语言所不及的。

总之，Matlab语言的设计思想可以说代表了当前计算机高级语言的发展方向。

2数字基带传输系统仿真

2.1数字基带传输系统的介绍

在数字传输系统中，其传输的对象通常是二进制数字信号，它可能是来自计算机、电传打字机或其它数字设备的各种数字脉冲，也可能是来自数字电话终端的脉冲编码调制（PCM）信号。

这些二进制数字信号的频带范围通常从直流和低频开始，直到某一频率mf，我们称这种信号为数字基带信号。

在某些有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以不经过调制和解调过程在信道中直接传送，这种不使用调制和解调设备而直接传输基带信号的通信系统，我们称它为基带传输系统。

而在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制过程，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，相应地，在接收端必须经过解调过程，才能恢复数字基带信号。

我们把这种包括了调制和解调过程的传输系统称为数字载波传输系统。

数字基带传输系统的模型如图1-1所示，它主要包括码型变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器、均衡器和取样判决器等部分。

图1-1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，一般要经过码形变换器，把单极性的二进制脉冲变成双极性脉冲（如AMI码或3HDB码）。

发送滤波器对码元脉冲进行波形变换，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。

目前，虽然在实际使用的数字通信系统中，基带传输方式不如数字载波传输方式那样应用广泛，但由于数字基带传输系统是数字通信系统中最基本的传输方式，而且从理论上来说，任何一种线性载波传输系统都可以等效为基带传输系统，因此理解数字信号的基带传输过程十分重要。

数字基带信号有二元码和三元码，有归零码和非归零码等，有的具有直流分量，在波形上具有不同的特点，他们有不同的特点，有的低频成份多，有的高频成份多，有的具有直流分量，有的占有带宽等，所有这些在波形处理时会对一些学生产生模糊的概念，针对本科类的学生要求，他们如何理解、辨别、掌握这些信号波形的特点，同时可以让学生在仿真过程中对通信原理的各种概念加深理解。

另外，此仿真实验只需在计算机的虚拟实验室即可，不受实验场地、环境的限制。

2.2软件的主要功能

1）实现各种常用码型的数字基带信号仿真；

2）能产生随机的数字信号序列，具有普遍性；

3）能绘制直观、清晰、准确、可靠的数字基带信号仿真图形；

4）要对相应的码型的特点进行相应的描述。

图1-2仿真结构图

在通信中，数字基带信号有多种码型表示，它们在传输过程中有随机性，为用让这种波形描述具有普遍性，m序列伪随机码来作为码型的仿真数字序列。

利用MATLAB软件仿真出每一种码型，让学生通过仿真软件的使用，加深对码和波形的理解。

2.3数字基带信号

2.3.1数字基带信号的要求

不同形式的数字基带信号（又称为码型）具有不同的频谱结构，为适应信道的传输特性及接收端再生、恢复数字基带信号的需要，必须合理地设计数字基带信号，即选择合适的信号码型。

适合于在有线信道中传输的数字基带信号形式称为线路传输码型。

一般来说，选择数字基带信号码型时，应遵循以下基本原则：

（1）数字基带信号应不含有直流分量，且低频及高频分量也应尽量的少。

在基带传输系统中，往往存在着隔直电容及耦合变压器，不利于直流及低频分量的传输。

此外，高频分量的衰减随传输距离的增加会快速地增大，另一方面，过多的高频分量还会引起话路之间的串扰，因此希望数字基带信号中的高频分量也要尽量的少。

（2）数字基带信号中应含有足够大的定时信息分量。

基带传输系统在接收端进行取样、判决、再生原始数字基带信号时，必须有取样定时脉冲。

一般来说，这种定时脉冲信号是从数字基带信号中直接提取的。

这就要求数字基带信号中含有或经过简单处理后含有定时脉冲信号的频谱分量，以便同步电路提取。

实际经验告诉我们，所传输的信号中不仅要有定时分量，而且定时分量还必须具有足够大的能量，才能保证同步提取电路稳定可靠的工作。

（3）基带传输的信号码型应对任何信源具有透明性，即与信源的统计特性无关。

这一点也是为了便于定时信息的提取而提出的。

信源的编码序列中，有时候会出现长时间连“0”的情况，这使接收端在较长的时间段内无信号，因而同步提取电路无法工作。

为避免出现这种现象，基带传输码型必须保证在任何情况下都能使序列中“1”和“0”出现的概率基本相同，且不出现长连“1”或“0”的情况。

当然，这要通过码型变换过程来实现。

码型变换实际上是把数字信息用电脉冲信号重新表示的过程。

此外，选择的基带传输信号码型还应有利于提高系统的传输效率；具有较强的抗噪声和码间串扰的能力及自检能力。

实际系统中常常根据通信距离和传输方式等不同的要求，选择合适的基带码型。

2.3.2数字基带信号

对不同的数字基带传输系统，应根据不同的信道特性及系统指标要求，选择不同的数字脉冲波形。

原则上可选择任意形状的脉冲作为基带信号波形，如矩形脉冲、三角波、高斯脉冲及升余弦脉冲等。

但实际系统常用的数字波形是矩形脉冲，这是由于矩形脉冲易于产生和处理。

下面我们就以矩形脉冲为例，介绍常用的几种数字基带信号波形。

（1）单极性波形（NRZ）

这是一种最简单的二进制数字基带信号波形。

这种波形用正（或负）电平和零电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码，也就是用脉冲的有无来表示码元的“1”和“0”，这种波形的特点是脉冲的极性单一，有直流分量，且脉冲之间无空隙，即脉冲的宽度等于码元宽度。

故这种脉冲又称为不归零码（NRZ---NonReturntoZero）NRZ波形一般用于近距离的电传机之间的信号传输。

（2）双极性波形

在双极性波形中，用正电平和负电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码，这种波形的脉冲之间也无空隙。

此外，从信源的统计规律来看，“1”码和“0”码出现的概率相等，所以这种波形无直流分量。

同时这种波形具有较强的抗干扰能力。

故双极性波形在基带传输系统中应用广泛。

（3）单极性归零波形（RZ）

这种波形的特点是脉冲的宽度（τ）小于码元的宽度（T），每个电脉冲在小于码元宽度的时间内总要回到零电平，故这种波形又称为归零波（RZ---ReturntoZero）。

归零波形由于码元间隔明显，因此有利于定时信息的提取。

但单极性RZ波形中仍含有直流分量，且由于脉冲变窄，码元能量减小，因而在匹配接收时，输出信噪比较不归零波形的低。

（4）双极性归零波形

这种波形是用正电平和负电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码，但每个电脉冲在小于码元宽度的时间内都要回到零电平，这种波形兼有双极性波形和归零波形的特点。

（5）差分波形（相对码波形）

信息码元与脉冲电平之间的对应关系是固定不变的（绝对的），故称这些波形为绝对码波形，信息码也称为绝对码。

所谓差分波形是一种把信息码元“1”和“0”反映在相邻信号码元的相对电平变化上的波形，差分波形中，码元“1”和“0”分别用电平的跳变和不变来表示，即用相邻信号码元的相对电平来表示码元“1”和“0”，故差分波形也称为相对码波形。

差分波形也可以看成是差分码序列bn对应的绝对码波形，差分码bn与绝对码an之间的关系可用以下的编码方程表示bnbn1⊕an（1.1）式中，⊕为模2和运算符号。

由上式看出，当绝对码an每出现一个“1”码时，差分码bn电平变化一次；当an出现“0”码时，差分码bn电平与前一码元bn-1相同。

可见，bn前后码元取值的变化代表了原信码na中的“1”和“0”。

由式（1.1）可以导出译码方程为anbn-1⊕bn（1.2）由上式可看出，译码时只要检查前后码元电平是否有变化就可以判决发送的是“1”码还是“0”码。

（6）多电平脉冲波形（多进制波形）

上述各种波形都是二进制波形，实际上还存在多电平脉冲波形，也称为多进制波形。

这种波形的取值不是两值而是多值的。

例如，代表四种状态的四电平脉冲波形，每种电平可用两位二进制码元来表示，如00代表-3E，01代表-E，10代表E，11代表3E，这种波形一般在高速数据传输系统中用来压缩码元速率，提高系统的频带利用率。

但在相同信号功率的条件下，多进制传输系统的抗干扰性能不如二进制系统。

2.3.3常用的基带传输码型

前面提到，为满足基带传输系统的特性要求，必须选择合适的传输码型。

基带传输系统中常用的线路传输型码主要有：

传号交替反转码---AMI码、三阶高密度双极性码---3HDB码、分相码---Manchester码、传号反转码---CMI码以及4B3T码等。

下面我们详细地介绍这些码型。

（1）传号交替反转码---AMI码

（AMIAlternateMarkInversion）码又称为平衡对称码。

这种码的编码规则是：

把码元序列中的“1”码变为极性交替变化的传输码1、-1、1、-1、…，而码元序列中的“0”码保持不变。

例如：

码元序列：

10011010111100

AMI码：

100-110-101-11-100

由AMI码的编码规则可以看出，由于1和-1各占一半，因此，这种码中无直流分量，且其低频和高频分量也较少，信号的能量主要集中在2Tf处，其中Tf为码元速率。

此外，AMI码编码过程中，将一个二进制符号变成了一个三进制符号，即这种码脉冲有三种电平，因此我们把这种码称为伪三电平码，也称为1B/1T码型。

AMI码除了上述特点外，还有编译码电路简单及便于观察误码情况等优点。

但是AMI码有一个重要的缺陷，就是当码元序列中出现长连“0”时，会造成提取定时信号的困难，因而实际系统中常采用AMI码的改进型HDB3码。

（2）HDB3码

HDB3（HighDensityBipolar3）是三阶高密度双极性码，它是为了克服传输波形中出现长连“0”码情况而设计的AMI码的改进型。

HDB3码的编码规则是：

1把码元序列进行AMI编码，然后去检查AMI码中连0的个数，如果没有四个以上（包括四个）连0串时，则这时的AMI码就是3HDB码。

2如果出现四个以上连0串时，则将每4个连0小段的第4个0变成与其前一个非0码（1或-1）相同的码。

显然，这个码破坏了“极性交替反转”的规则，因而称其为破坏码，用符号V表示（即1记为V，记为-V）-1。

3为了使附加V码后的序列中仍不含直流分量，必须保证相邻的V码极性交替。

这一点，当相邻的V码之间有奇数个非0码时，是能得到保证的；但当相邻的V码之间有偶数个非0码时，则得不到保证。

这时再将该连0小段中的第1个0变成B或-B，B的极性与其前一个非0码相反，并让后面的非零码从V码后开始再极性交替变化。

例如：

码元序列：

1000010100001000011

AMI码：

10000-1010000–100001–1

HDB3码：

1000V-101-B00-V1000V-11

上例中，第1个V码和第2个V码之间，有2个非0码（偶数），故将第2个4连0小段中的第1个0变成-B；第2个V码和第3个V码之间，有1个非0码（奇数），不需变化。

最后可看出，HDB3码中，V码与其前一个非0码（1或-1）极性相同，起破坏作用；相邻的V码极性交替；除V码外，包括B码在内的所有非0码极性交替。

虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。

从编码过程中可以看出，每一个V码总是与其前一个非0码（包括B码在内）同极性，因此从收到的码序列中可以很容易地找到破坏点V码，于是可断定V码及其前3个码都为0码，再将所有的-1变为1后，便可恢复原始信息代码。

HDB3码的特点是明显的，它既保留AMI码无直流分量，便于直接传输的优点，又克服了长连0串（连0的个数最多3个）的出现，HDB3码的频谱中既消除了直流和甚低频分量，又消除了方波中的高频分量，非常适合基带传输系统