【文章內(nèi)容簡介】 信宿 噪聲和 干擾源 發(fā)送設(shè)備 接受設(shè)備 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 型中圖中的各模塊以及各功能不一定都會采用，根據(jù)數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求來選擇相應(yīng)模塊的使用。 信源輸出的初始信號，由信源編碼器輸出的離散時間序列經(jīng)過信道編碼器對離散信號的處理傳送到調(diào)制器中，經(jīng)過調(diào)制轉(zhuǎn)換后生成的頻帶信號進(jìn)行功率放大然后傳輸?shù)轿锢硇诺肋M(jìn)行輸送（在傳輸過程中數(shù)字系統(tǒng)中的信號與模擬系統(tǒng)中一樣會混入噪聲發(fā)生波形畸變）。傳輸?shù)男盘栐诮邮斩私?jīng)過時域和頻域的處理后被送到解調(diào)器，由解調(diào)器轉(zhuǎn)換輸出的基帶數(shù)字 信號經(jīng)過信道譯碼器的處理后送至信源解碼器，信源解碼器輸出的信號將送入信宿中。 通信系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 通信系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)過程可以分為分層、設(shè)計(jì)、描述和開發(fā)四個階段。模型設(shè)計(jì)的分層階段就是自上而下地將建模對象分解成多個功能層次，具體過程就是將建模對象連續(xù)分解為下級對上級的功能子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)最終通過仿真呈現(xiàn)出來。我們通過對這些概念的理解可以總結(jié)出一個點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)字通信系統(tǒng)模型，如圖 34 所示。 圖中每個子系統(tǒng)都由一個方框表示，如此任何的通信系統(tǒng)都可以由該模型描述。通信網(wǎng)絡(luò)是由多個中繼節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來的點(diǎn) 對點(diǎn)通信系統(tǒng)構(gòu)成。利用不同的算法和技術(shù)可以在各子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出不同的通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)中信號的傳輸還需要一些基本的信息處理技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。 信 源 信源編碼器 信道編碼器 解調(diào)器 解調(diào)器 信道解碼器 信 宿 噪聲和 干擾源 發(fā)送設(shè)備 接受設(shè)備 信 道 信道解碼器 圖 33 數(shù)字通 信系統(tǒng)模型圖 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 圖 34 點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)分層建模的最高層次模型圖 對于模擬通信系統(tǒng)來說也可以用這些子系統(tǒng)方框建模。由于模型中的模塊在某些通信系統(tǒng)中并非都是通用的，可見我們在選擇和劃分子系統(tǒng)方框時是可以根據(jù)系統(tǒng)的需要來定義的。分層建模完成后就將進(jìn)入模型設(shè)計(jì)的階段，模型設(shè)計(jì)的過程就是對模型子系統(tǒng)的自然屬性的一般功能描述。因此，模型設(shè)計(jì)階段也被稱為層次描述階段。 型設(shè)計(jì)階段的層次描述不在乎系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)把子系統(tǒng)模塊看作為一個黑箱子，由此可以提高本階段的仿真計(jì)算效率?？傮w分析，在本階段為保證執(zhí)行仿真的效率應(yīng)采用簡單的傳遞函數(shù)模型來表達(dá)子系統(tǒng)的功能。模型描述階段是指使用相關(guān)的數(shù)學(xué)算法、物理實(shí)驗(yàn)等得到的系統(tǒng)輸入、輸出的數(shù)據(jù)關(guān)系表將系統(tǒng)的行為進(jìn)行具體描述的實(shí)現(xiàn)過程。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的不同階段指數(shù)參數(shù)、具體結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)的形式等都各不相同，因此系統(tǒng)的開發(fā)階段是一個不斷更新的過程，而對系統(tǒng)功能描述的全面與否取決于設(shè)計(jì)者對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解。 通信系統(tǒng)模型中傳輸?shù)膶ο笠蚪７抡娴哪康牟煌?各不相同，有比特、符號的邏輯元素傳輸，此外，信號波形的傳輸也可作為建模傳輸?shù)膶ο蟆Ｔ谘芯客ㄐ畔到y(tǒng)的模型中只需對需要研究的部分模塊進(jìn)行分析仿真即可，不必對整個系統(tǒng)的模塊進(jìn)行建模與仿真。 本章節(jié)主要分析了通信系統(tǒng)的概念模型，并且描述了數(shù)字信號系統(tǒng)和模擬信號系統(tǒng)的概念比較了兩者的區(qū)別。最后討論了通信系統(tǒng)建模的關(guān)鍵和各個階層的建模問題。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 4 基本通信系統(tǒng)主要模塊的建模與分析 濾波器的設(shè)計(jì) 濾波器的類型與參數(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì) 濾波器是用于消除信號中的噪聲或者其他不想要的部分信號的電子系統(tǒng)，這種處理信 號的功能增強(qiáng)了信號所需的成分。按照性質(zhì)的不同，濾波器可分為線性的、非線性的、時變得、時不變的、連續(xù)的、離散的、無限脈沖響應(yīng)、有限脈沖響應(yīng)等等。我們通常所說的濾波器一般是指線性時不變?yōu)V波器。 一般使用傳遞函數(shù)或者沖擊響應(yīng)表示單輸入單輸出的濾波器。若一個連續(xù)函數(shù) h(t)為濾波器的沖擊響應(yīng)，那么稱這個濾波器為模擬濾波器，用拉普拉斯變換的 H(s)表示其傳遞函數(shù)。沖擊響應(yīng)為一個離散序列 h(k)的濾波器稱為數(shù)字濾波器，用 Z 變換 H(z)表示其傳遞函數(shù)。 濾波器在通信系統(tǒng)中扮演著重要的角色，它可以選擇出有用的頻率信號而阻止 其他頻率的成分。根據(jù)頻域特性，濾波器又可分為低通、高通、全通、帶通和帶阻等類型。模擬低通濾波器是所有濾波器的基礎(chǔ)，其他類型的濾波器可由模擬低通濾波器轉(zhuǎn)換而來，因此模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)是濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本節(jié)介紹如何在 MATLAB 操作環(huán)境下設(shè)計(jì)模擬低通濾波器。 濾波器設(shè)計(jì)就是按照設(shè)計(jì)要求經(jīng)過計(jì)算得出滿足設(shè)計(jì)要求的濾波器的參數(shù)，然后再通過參數(shù)計(jì)算得出傳遞函數(shù)的分子與分母系數(shù)。設(shè)計(jì)模擬濾波器最主要的四個參數(shù)為通道拐角頻率、阻帶起始頻率、通帶內(nèi)波動以及阻帶內(nèi)最小衰減。數(shù)字濾波器還需考慮采樣頻率參數(shù)，除此之外，還需考 慮阻帶起始?xì)w一化頻率以及通帶截止歸一化頻率。 濾波器設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù) MATLAB 軟件中提供了設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波和切比雪夫 2 型濾波器、橢圓型模擬濾波器或數(shù)字濾波器的四個函數(shù)，本次設(shè)計(jì)以最常用的巴特沃斯濾波器為例加以分析。 濾波器的最小階和 3dB 截止頻率的計(jì)算 巴特沃斯濾波器函數(shù)的調(diào)用格式為： [n,Wn] = buttord(Wp,Ws,Rp,Rs) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 [n,fn] = buttord(fp,fs,Rp,Rs,’s’) 數(shù)字濾波器的輸入?yún)?shù) Wp、 Ws 是歸一化的頻率 ,但模擬濾波 器的輸入?yún)?shù)fp、 fs 為不歸一化的。 Rp、 Rs 分別是以分貝為單位的通帶內(nèi)波動以及阻帶內(nèi)最小衰減。返回值 n 是設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)的最低系數(shù)階數(shù)， Wn是數(shù)字濾波器的 3dB 歸一化截止頻率， fn 是模擬濾波器的 3dB 截止頻率。 濾波器傳遞函數(shù)的計(jì)算 由上所述可求出濾波器的階數(shù)和 3dB 截止頻率，然后可以用 MATLAB 函數(shù)計(jì)算出濾波器傳遞函數(shù)的分子與分母的系數(shù)。巴特沃斯濾波器傳遞函數(shù)的計(jì)算命令為： [b,a] = butter(n,Wn) [b,a] = butter(n,Wn,‘ ftype’ ) [b,a] = butter(n,Wn，‘ s’ ) [b,a] = butter(n,Wn，‘ ftype’，‘ s’ ) Wn 對于數(shù)字濾波器是 3dB 歸一化截止頻率，而在模擬濾波器中是未歸一化的角頻率（ Wn=2*pi*fn）。當(dāng)參數(shù)為兩個向量元素時，計(jì)算的是帶通或帶阻的濾波器，參數(shù)為三個向量元素計(jì)算的高通或低通的濾波器。參數(shù) ftype 為 high 時計(jì)算的是高通濾波器，為 stop 時計(jì)算的為帶阻濾波器。返回值 b、 a 為傳遞函數(shù) H(z)或 H(s)分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)矩陣。 系統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)的模型一 般用狀態(tài)方程來描述，也可用輸入輸出間的傳遞函數(shù)表示單輸入單輸出的系統(tǒng)。由于傳遞函數(shù)具有多種多樣的形式，為了方便這些形式間的相互等價描述轉(zhuǎn)換， MATLAB 提供了大量的系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換函數(shù)并且在幫助文檔中講解了其函數(shù)的用法。 濾波器特性的圖示 MATLAB 提供了計(jì)算線性系統(tǒng)時間響應(yīng)和頻率響應(yīng)的程序指令。例如指令[freqs]和 [freqz]分別用于計(jì)算、繪制連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的幅頻和相頻響應(yīng)。調(diào)用格式為： [h] = freqs(b,a,w)； [h,f] = freqz(b,a,fs) 函數(shù)中 b 是傳遞函數(shù)的分子多項(xiàng)式系數(shù)向量， a 是分母多項(xiàng)式的系數(shù)向量，指定的計(jì)算頻率點(diǎn)序列 w 對應(yīng)于頻率響應(yīng) h， m為在 0 到采樣頻率 fs 的一半范圍內(nèi)的計(jì)算點(diǎn)數(shù)， gd 為對應(yīng)于計(jì)算頻率點(diǎn)序列 f 的群時延序列。 設(shè)計(jì)實(shí)例 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 實(shí)例 1： 設(shè)采樣率為 8000Hz， fp = 2100Hz， fs = 2500Hz， Rp = 3dB， Rs = 25dB 設(shè)計(jì)一個巴特沃斯型低通濾波器，波形圖如圖 41 和 42 所示。 f_N=8000。 f_p=2100。 f_s=2500。 R_p=3。 R_s=25。 Ws=f_s/(f_N/2)。 Wp=f_p/(f_N/2)。 [n, Wn]=buttord(Wp,Ws,R_p,R_s)。 [b,a]=butter(n, Wn)。 figure(1)。 freqz(b,a, 1000, 8000) subplot(2,1,1)。 axis([0 4000 30 3]) figure(2)。 f=0:40:4000。 z=exp(j*2*pi*f./(f_N))。 H_z=polyval(b,z)./polyval(a,z)。 subplot(2,1,1)。 plot(f, 20*log10(abs(H_z)))。 axis([0 4000 40 1])。 xlabel(39。頻率 Hz39。)。ylabel(39。幅度 dB39。)。 subplot(2,1,2)。 plot(f, angle(H_z))。 xlabel(39。頻率 Hz39。)。ylabel(39。相角 rad39。). 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 圖 41 波形圖 1 圖 42 波形圖 2 實(shí)例 2： 以 simulink 基本模塊實(shí)現(xiàn)對傳遞函數(shù) H(z) =1；輸入信號為X=[1,0,0,0,0,0,0,0,0,0]的零狀態(tài)響應(yīng)輸出的解析和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 設(shè)計(jì)模型概念圖如圖 43 所示。仿真圖如圖 44 所示。 圖 43 設(shè)計(jì)模型概念圖 圖 44 仿真波形圖 通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)模塊 調(diào)制是通信系統(tǒng)中十分重要的一個概念，它是一種數(shù)字