【正文】 ...................... 36 參考文獻(xiàn) ................................................................... 37 附 錄 ..................................................................... 38 ............................................................................................................................................ 38 ............................................................................................................................................ 40 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒 論 課題背景及研究的意義 現(xiàn)代社會發(fā)展要求通信系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)，性能越來越高，構(gòu)成越來越復(fù)雜；另一方面，要求通信系統(tǒng)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)縮短周期，降低成本，提高水平。在仿真模型設(shè)計過程中，本文對模型設(shè)計的目的、具體的結(jié)構(gòu)組成、仿真流程以及仿真結(jié)果都給出了具體詳實的分析和說明。 理論知識是用來指導(dǎo)具體實踐的。還著重的研究基于 Matlab 語言的數(shù)字基帶傳輸特性，通過 Matlab 設(shè)計并仿真基帶系統(tǒng)，在比較實測系統(tǒng)與理論研究的基 礎(chǔ)上 加深了對基帶傳輸特性的理解。通信系統(tǒng)仿真具有廣泛的適應(yīng)性和極好的靈活性，有助于我們更好地研究通信系統(tǒng)性能。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)論文 摘要 I 摘 要 伴隨著現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展， 新一代的可視化的仿真軟件 也隨著產(chǎn)生 。這些功能強(qiáng)大的仿真軟件，使得通信系統(tǒng)仿真的設(shè)計和分析過程變得相對直觀和便捷，由此也使得通信系統(tǒng)仿真技術(shù)得到了更快的發(fā)展。 本文主要研究通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù) ——數(shù)字 基 帶 傳輸，主要包括 基 帶 系統(tǒng)的組成、傳輸?shù)姆绞郊盁o碼間串 擾條件的特性研究。以便 基帶傳輸理論和仿真在實際中得到更廣泛的應(yīng)用。本文在深刻理解通信系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上利用 Matlab強(qiáng)大的仿真功能 ， 設(shè)計了許多具體的通信系統(tǒng)仿真模型。 最后，本文對所做的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并且提出了今后的工作和研究方向。這樣尖銳對立的兩個方面的要求，只有通過使用強(qiáng)大的計算機(jī)輔助分析設(shè)計技術(shù)和工具才能實現(xiàn)。這些功能強(qiáng)大的仿真軟件，使得通信系統(tǒng)仿真的設(shè)計和分析過程變得相對直觀和便捷，由此也使得通信系統(tǒng)仿真技術(shù)得到了更快的發(fā)展。通信系統(tǒng)仿真具有廣泛的適應(yīng)性和極好的靈活性，有助于我們更好地研究通信系統(tǒng)性能。 Matlab是矩陣 (Matrix)和實驗室 (laboratory)兩個英文單詞的前三個字母的組合，它是一種以矩陣運算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，著重針對科學(xué)計算、工程計算和繪圖的要求，現(xiàn)已成為大學(xué)教學(xué)和科研中最常用且必不可少的工具。在 通信 領(lǐng)域通常利用 Simulink建立通信網(wǎng)絡(luò)的 簡化模型并連接成系統(tǒng)即可直接進(jìn)行控制器的設(shè)計和仿真。 Matlab 所包含的應(yīng)用工具箱的功能非常豐富，提供的 Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包 ， 支持線性和非線性系統(tǒng) ， 能夠在連續(xù)時間域、離散 時間域或者兩者的混合時間域里進(jìn)行建模，其中通信系統(tǒng)工具箱中包含了對通信系統(tǒng)進(jìn)行分析和仿真所需的信源編碼、糾錯編碼、信道、調(diào)制解調(diào)以及其他所用的庫函數(shù)和模塊 。 由于基帶傳輸系統(tǒng)在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中有不可替代的作用，其應(yīng)用范圍也隨著技術(shù)的發(fā)展?jié)B入網(wǎng)絡(luò)通信、衛(wèi)星通信及測控、手機(jī)通信、數(shù)字電視、數(shù)字電話等生活、科技的各方面，日益成為數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù) [1]。 Matlab 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 Matlab 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完 成 相同的事情簡捷得多，并且 math 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 2 work 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點 ,使 Matlab 成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件?？梢灾苯诱{(diào)用 ,近些年來隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信號處理、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)，系統(tǒng)仿真技術(shù)的研究力度也在不斷加大，發(fā)展速度不斷加快，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。 Matlab 具有其他高級語言難以比擬的一些優(yōu)點，如編寫簡單、編程效率高、易學(xué)易懂等，因此 Matlab 語言也被通俗地稱為演算紙式科學(xué)算法語言。 Matlab 是從事眾多工業(yè)、科研領(lǐng)域的必備工具。 本文 研究的主要內(nèi)容 首先根據(jù)論文設(shè)計的具體要求，通過高級通信系統(tǒng)建模與仿真的實際操 作，采用系統(tǒng)級方法，完成用 Matlab 建立通信系統(tǒng)模型；然后，對系統(tǒng)中各個實體進(jìn)行實際程序編寫，實現(xiàn)通信系統(tǒng)。包括信號生成、編碼器、誤碼率的分析、眼圖的分析、 無碼間干擾基帶系統(tǒng)的抗噪性能 、 多 徑傳播與信道均衡 主要對通信性能分析比較。 最后，對通信系統(tǒng)中的各個部分進(jìn)行詳細(xì)的分析，并在 Matlab 中實現(xiàn)具體的數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真功能。這是因為：首先，基帶傳輸系統(tǒng)的許多問題也是頻帶傳輸系統(tǒng)必須考慮的問題；其次，隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，基帶傳輸這種方式也有迅速發(fā)展的趨勢，目前，它不僅用于低速數(shù)據(jù)傳輸，而且還用于高速數(shù)據(jù)傳輸；最后，理論上也可以證明，任何一個采用線性調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以由一個等效的基帶傳輸系統(tǒng)所替代。 基帶傳輸系統(tǒng)的組成框圖如圖 所示。 圖 基帶傳輸系統(tǒng)模型 基帶傳輸系統(tǒng)的輸入信號是由終端設(shè)備編碼器產(chǎn)生的脈沖序列，為了使這種脈沖序列適合于信道的傳輸，一般要經(jīng)過碼型變換器，碼型變換器把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)殡p極性碼（ AMI 碼或 HDB3 碼），有時還要進(jìn)行波形變換，使信號在基帶傳輸系 統(tǒng)內(nèi)減小碼間干擾。在接收端為了減小噪聲的影響，首先使信號進(jìn)入接收濾波器，然后再經(jīng)過均衡器，校正由于信道特性（包括接收濾波器在內(nèi)）不理想而產(chǎn)生的波形失真或碼間串?dāng)_。 碼形變換器：基帶傳輸系統(tǒng)的輸入是由終端設(shè)備或編碼器產(chǎn)生的脈沖序列，它往往不適合直接送到信道中傳輸。 信道：是允許基帶信號通過的媒質(zhì)。信道的線性噪聲和加性噪聲的影響。 抽樣判決器：它是在傳輸特性不理想 及噪聲背景下，在由位定時脈沖控制的特殊點對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。 (2) 基帶信號應(yīng)不含直流分量 ， 同時低頻分量要盡量少，因為由于變壓器的接入，使信道具有低頻截止特性。 電纜中線對間由于電磁輻射而引起的串話隨頻率升高而加劇，會限制信號的傳輸距離或傳輸容量。 (5) 基帶信號的傳輸碼型應(yīng) 具有誤碼檢測能力 。 2. 常用的基帶傳輸碼型 常見的傳輸碼型有傳號交替反轉(zhuǎn)碼 I 碼、三階高密度雙極性碼 —HDB3 碼、 分相碼 ——Manchester 碼、傳號反轉(zhuǎn)碼 ——CMI 碼以及 4B3T 碼等 。 CMI碼一般作為四次群的接口碼型。這種碼的編碼規(guī)則是：把碼元序列中的 ―1‖碼變?yōu)闃O性交替變化的傳輸碼 + + … ，面碼元序列中的 ―0‖碼保持不變。 圖 AMI 碼波形 由 AMI 碼的編碼規(guī)則可以看出，由于 +1 和 1 各占一半，因此，這種碼中無直流分量，且其低頻和高頻分量也較少，信號的能量主要集中在 fT/2 處，其中 fT為碼元速率。此外， AMI碼編碼過程中，將一個二進(jìn)制符號 變成了一個三進(jìn)制符號，即這種碼脈沖有三種電平，因沈陽工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 基帶傳輸系統(tǒng) 5 此這種碼稱為偽三電平碼，也稱為 1B1T 碼型。但是 AMI碼有一個重要的缺陷，就是當(dāng)碼元序列中出現(xiàn)長連 ―0‖時，會造成提取定時信號的困難，因而實際系統(tǒng)中常采用 AMI 碼的改進(jìn)型 ——HDB3碼。 HDB3碼的編碼規(guī)則是： 把碼元序列進(jìn)行 AMI 編碼，然后去檢查 AMI 碼中連 0 的個數(shù)，如果沒有四個以上 (包括四個 )連 0 串時，則這時的 AMI 碼就是 HDB3碼。顯然，這個碼破壞了 ―極性交替反轉(zhuǎn) ‖的規(guī)則，因而稱其為破壞碼，用符號 V 表示 (即 +1 記為 +V， 1 記為 V)。這一點，當(dāng)相鄰的 V 碼之間有奇數(shù)個非 0 碼時，是能得到保證的；但當(dāng)相鄰的 V 碼之間有偶數(shù)個非0 碼時，則得不到保證。 例如： 碼元序列： 1 0000 101 0000 1 000 0 11 AMI 碼： +1 0000 10+1 0000 1 000 0 +11 HDB3碼： +1 000+V 10+1 B00V +1 000+V 1+1 上例中，第 1 個 V 碼和第 2 個 V 碼之間，有 2 個非 0 碼 (偶數(shù) )，故將第 2 個 4 連 0 小段中的第 1 個 0 變成 B；第 2 個 V 碼和第 3 個 V 碼之間 ,有 1 個非 0 碼 (奇數(shù) )，不需變化。 HDB3碼的波形如圖 所示。從編碼過程中可以看出，每一個 V 碼總是與其前一個非 0 碼 (包括 B 碼在內(nèi) )同極性，因此從收到的碼序列中可以很容易地找到破壞點 V 碼，于是可斷定 V 碼及其前 3 個碼都為 0 碼。 HDB3碼的特點是明顯的，它既保留 AMI 碼無直流分量，便于直接傳輸?shù)膬?yōu)點，又克服了長連 0 串 (連 0 的個數(shù)最多 3 個 )的出現(xiàn)，其功率諸如圖 所示。因此， HDB3碼是目前實際系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的碼型。 (3) 曼徹斯特（ Manchester）碼 曼徹斯特碼又稱數(shù)字雙相碼或分相碼。曼徹斯特碼用一個周期的方波來代表碼元 ―1‖，而用它的反相波形來代表碼元 ―0‖。曼徹斯特碼中，由于正負(fù)脈沖各占一半，因此無直流分量，但這種碼占用的頻帶增加了一倍。 (4) CMI 碼 CMI 碼稱為傳號反轉(zhuǎn)碼。 CMI 碼和曼徹斯特碼相似，沈陽工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 基帶傳輸系統(tǒng) 7 不含有直流分量，且易于提取同步信號。這是因為， CMI 碼中的 ―l‖碼相當(dāng)于用交替的 ―? ‖和 ―11‖兩值碼組表示，而 ―0‖碼則固定地用―01‖碼組表示。 根據(jù)原 CCITT 的建議， CMI 碼可用作脈沖編碼調(diào)制四次全群的接口碼以及速率低于8448kb/s 的光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中的線路傳輸碼型。 (5) 4B3T 碼 4B3T 碼是 1B/1T 碼的改進(jìn)型，它把 4 個二進(jìn)制碼元變換為 3 個三進(jìn)制碼元。 4B3T 碼的變換過程中需要同步信號，變換電路比較復(fù)雜，故一般較少采用。此外，信號在傳 輸過程中受信道加性噪聲的影響，還會使接收波形疊加上隨機(jī)干擾，造成接收端判決時發(fā)生誤碼。 基帶傳輸系統(tǒng)總的傳輸特性 ? ?H? 可寫為 ? ? ? ? ? ? ? ?T C RH G G G? ? ? ?? () 式中， ? ?TG? ——為發(fā)送濾波器； ? ?CG ? ——為物理傳輸信道； ? ?RG ? ——為接收濾波器。從理論上說，只要合理地設(shè)計系統(tǒng)的傳輸特性，碼間串?dāng)_是可以消除的；但對隨機(jī)噪聲來說，只能盡量減小其影響 ，不能完全消除。奈奎斯特對此進(jìn)行了研究，提出了不出現(xiàn)碼間干擾的條件：當(dāng)碼元間隔 T 的數(shù)字信號在某一理想低通信道中傳輸時，若信號的傳輸速率位 Rb=2fc（ fc為理想低通截止頻率），各碼元的間隔 T=1/2fc，則此時在碼元響應(yīng)的最大值處將不產(chǎn)生碼間干擾，且信道的頻帶利用率達(dá)到極限，為 2(b/s)上述條件是傳輸數(shù)字信號的一個重要準(zhǔn)則，通常稱為奈奎斯特第一準(zhǔn)則 。 2. 滾降低通幅頻特性 實際傳輸中，不可能有絕對理想的基帶傳輸系統(tǒng)，這樣一來，不得不降低頻帶利用率，采用具有奇對稱滾降特性的低通濾波器作為傳輸網(wǎng)絡(luò)。 滾降系數(shù)： a=[(fc+fa)fc]/fc 用滾