基于matlab基带传输系统设计与仿真说明书.doc

1、沈阳工程学院毕业论文 摘要 I 摘 要 伴随着现代计算机科学技术快速发展， 新一代的可视化的仿真软件 也随着产生 。这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性，有助于我们更好地研究通信系统性能。 本文主要研究通信系统中的关键技术 数字 基 带 传输，主要包括 基 带 系统的组成、传输的方式及无码间串 扰条件的特性研究。还着重的研究基于 Matlab 语言的数字基带传输特性，通过 Matlab 设计并仿真基带系统，在比较实测系统与理论研究的基 础上 加深了对基带传输特性的理解。

2、以便 基带传输理论和仿真在实际中得到更广泛的应用。 理论知识是用来指导具体实践的。本文在深刻理解通信系统理论的基础上利用 Matlab强大的仿真功能 ， 设计了许多具体的通信系统仿真模型。在仿真模型设计过程中，本文对模型设计的目的、具体的结构组成、仿真流程以及仿真结果都给出了具体详实的分析和说明。 最后，本文对所做的研究工作进行了总结，并且提出了今后的工作和研究方向。 关键词 基 带 传输 系统 ， Matlab， 仿真 沈阳工程学院毕业论文 Abstract II Abstract With the development of computer, the successful resear

3、ch and development of new generation visual simulation software were burned. The simulation software is powerful which makes the process of design and analysis of communications system simulation more intuitional and convenient. Today, the communications system simulation is rapid developing. Commun

4、ications system simulation has comprehensive adaptability and wonderful agility, which is helpful for us to research the function of communications system well. The text introduces mostly about key technology of correspondence system which is numeric base band transmission. It includes structure of

5、the correspondence system and it does transmit manner and the condition of without Inter-code interference. In following, the text emphasizes studies numeric base band transmission base-on matlab language and we use it to design and imitate base band system. We compare true-test system with theoreti

6、c system, so we get more understanding in the field of base band transmission. Theory aims to guide practice. On the base of deep comprehension of communications system theory, the paper designs many concrete simulation models. In the process of models design, the paper analyses the intention, confi

7、guration, simulation links and simulation results. In the end, the paper summarizes main content of the research and some following study and research objects are suggested. Key Words base band transmission system, matlab, simulation 沈阳工程学院毕业论文 目录 III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景

8、及研究的意义 . 1 1.2 MATLAB 技术的国内外发展现状 . 1 1.3 本文研究的主要内容 . 2 第 2 章 基带传输系统 . 3 2.1 基带传输系统组成 . 错误 !未定义书签。 2.2 数字基带信号传输码型 . 3 2.3 无码间串扰传输系统及奈奎斯特 (Nyquist)准则 . 6 2.3.1 基带系统传输特性及码间串扰 . 6 2.3.2 数字信号传输的基本标准 . 6 2.4 SDH 传输 . 错误 !未定义书签。 2.4.1 SDH 传输技术简介 . 错误 !未定义书签。 2.4.2 SDH 传输网的拓扑结构 . 错误 !未定义书签。 2.4.3 SDH 传输网的特点

9、 . 错误 !未定义书签。 2.5 时域均衡技术 . 错误 !未定义书签。 2.6 数字基带信号的功率谱 . 错误 !未定义书签。 2.7 部分响应系统 . 错误 !未定义书签。 2.8 数字信号的最佳接收 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 MATLAB 仿真 . 9 3.1 MATLAB 简介 . 错误 !未定义书签。 3.1.1 MATLAB 系统组成 . 错误 !未定义书签。 3.1.2 MATLAB 的功能介绍 . 错误 !未定义书签。 3.1.3 MATLAB 的特点 . 错误 !未定义书签。 3.2 SIMULINK 简介 . 错误 !未定义书签。 3.2.1 SIMULINK

10、 的启用 . 错误 !未定义书签。 3.2.2 SIMULINK 的特点 . 9 3.3 建模与仿真 . 9 3.3.1 仿真实验与分析 . 错误 !未定义书签。 第 5 章 基带传输系统仿真与实现 . 10 5.1 基带传输系统 SIMULINK 实现 . 错误 !未定义书签。 5.1.1 基带传输系统原理 . 错误 !未定义书签。 5.1.2 仿真模型的设计 . 错误 !未定义书签。 5.1.3 仿真结果分析 . 错误 !未定义书签。 5.2 基带传输系统中 MATLAB 实现 . 10 5.2.1 眼图的原理 . 错误 !未定义书签。 5.2.2 眼图的 MATLAB 实现 . 错误 !

11、未定义书签。 5.2.3 仿真分析 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 沈阳工程学院毕业论文 目录 IV 致 谢 . 10 参考文献 . 12 附 录 . 错误 !未定义书签。 A1.1 . 错误 !未定义书签。 A1.2 . 错误 !未定义书签。 沈阳工程学院毕业论文 第 1 章 绪论 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究的意义 现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。现代

12、计算机科学技术快速发展，已经研发出了新一代的可视化的仿真软件。这些功能强大的仿真软件，使得通 信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程，对通信系统的发展起着举足轻重的作用。通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性，有助于我们更好地研究通信系统性能。 Matlab是一种适用于工程应用各领域分析设计与复杂计算的科学计算软件，由美国Math works公司于 1984年正式推出。 Matlab是矩阵 (Matrix)和实验室 (laboratory)两个英文单词的前三个字母的组合，它是一种以矩阵运算为基础的

13、交互式程序语言 ，着重针对科学计算、工程计算和绘图的要求，现已成为大学教学和科研中最常用且必不可少的工具。MATLAB提供的动态仿真工具 Simulink可以有效地对系统进行建模，由于仿真过程是交互式的，可以灵活改变仿真参数，并且可以立即得到修改参数后的仿真结果。在 通信 领域通常利用 Simulink建立通信网络的 简化模型并连接成系统即可直接进行控制器的设计和仿真。 Matlab 是一种编程语言和可视化工具，它能对数据以图形的方式显示出来，使数据间的关系明了。 Matlab 所包含的应用工具箱的功能非常丰富，提供的 Simulink 是一 个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包 ，

14、支持线性和非线性系统 ， 能够在连续时间域、离散时间域或者两者的混合时间域里进行建模，其中通信系统工具箱中包含了对通信系统进行分析和仿真所需的信源编码、纠错编码、信道、调制解调以及其他所用的库函数和模块 。 文中利用 Matlab 对数字基带传输系统进行了建模和仿真并对结果进行了分析 ， 结果表明所建立的仿真系统达到了较高的精度。 由于基带传输系统在数字传输系统中有不可替代的作用，其应用范围也随着技术的发展渗入网络通信、卫星通信及测控、手机通信、数字电视、数字电话等生活、科技的 各方面，日益成为数字通信传输系统中的关键技术 1。 1.2 MATLAB 技术的国内外发展现状 Cut （ 1） C

15、ut2，并且 math work 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 ,近些年来随着计算机技术、网络技术、信号处理、通信技术、自动控制技术的突飞猛进，沈阳工程学院毕业论文 第 1 章 绪论 -2- 系统仿真技术的研究力度也在不断加大，发展速度不断加快，应用领域不断扩大。 Matlab 是当今最优秀的科技应用软件之一，它以强大的科学 计算与可视化功能、简单易用、开放式可扩展环境，特别是所附带的 30 多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中成为计算机

16、辅助设计和分析、算法研究和应用开发的基本工具和首选平台。 Matlab 具有其他高级语言难以比拟的一些优点，如编写简单、编程效率高、易学易懂等，因此 Matlab 语言也被通俗地称为演算纸式科学算法语言。在控制、通信、信号处理及科学计算等领域中， Matlab 都被广泛地应用，已经被认可为能够有效提高工作效率、改善设计手段的工具软件，掌握了 Matlab 就好比掌握了开启这些专业领域大门的钥匙。 Matlab 是从事众多工业、科研领域的必备工具。无论是在校学生，还是已经参加工作的工程技术人员和科研人员，都非常渴望快速学习 Matlab 并熟练运用它来解决各种科学问题、工程问题。 1.3 本文

17、研究的主要内容 首先根据论文设计的具体要求，通过高级通信系统建模与仿真的实际操作，采用系统级方法，完成用 Matlab 建立通信系统模型；然后，对系统中各个实体进行实际程序编写，实现通信系统。 其次，注重分析系统的设计变化影响，如 无码间干扰数字基带传输特性 等的具体功能实现仿真。包括信号生成、编码器、误码率的分析、眼图的 分析、 无码间干扰基带系统的抗噪性能 、 多 径传播与信道均衡 主要对通信性能分析比较。设置观察窗口，分析数据和波形。 最后，对通信系统中的各个部分进行详细的分析，并在 Matlab 中实现具体的数字通信系统的仿真功能。 沈阳工程学院毕业论文 第 2 章 基带传输系统 3

18、第 2 章 基带传输系统 2.2 数字基带信号传输码型 1. 数字基带信号传输码型的要求 (1) 有利于提高系统的频带利用率 。 (2) 基带信号应不含直流分量 ， 同时低频分量要尽量少，因为由于变压器的接入，使信道具有低频截止特性。 (3) 考虑到码型频谱中高频分量的影响 。 电缆中线对间由于电磁辐射而引 起的串话随频率升高而加剧，会限制信号的传输距离或传输容量。 (4) 基带信号应具有足够大的定时信号供提取 。 (5) 基带信号的传输码型应具有误码检测能力 。 (6) 码型变换设备简单，容易实现 。 2. 常用的基带传输码型 常见的传输码型有传号交替反转码 -I 码、三阶高密度双极性码 H

19、DB3 码、 分相码 Manchester 码、传号反转码 CMI 码以及 4B3T 码等 。另外， AMI 码也是 CCITT建议采用的基带传输码型，但其缺点是当长连 “0“过多时对定时信号提取不利。 CMI码一般作为四次群的接口码型。 (1) 传号交 替反转码 AMI 码 AMI(Alternate Mark Inversion)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、 ，面码元序列中的 “0”码保持不变。 例如： 码元序列： 1 00 1 10 10 1 1 1 100 AMI 码： +1 00 -1 +10

20、 -10 +1 -1 +1 -100 对应的波形如图 2.2 所示。 图 2.2 AMI 码波形 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 fT/2 处，其中 fT 为码元速率。 AMI 码的功率谱如图 2.3，为便于比较，图中还画出了 NRZ 及 HDB3 码的功率谱。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，因此这种码称为伪三电平码，也称为 1B1T 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沈阳

21、工程学院毕业论文 第 2 章 基带传输系统 4 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。 图 2.3 NRZ、 AMI 码及 3HDB 码功率谱 (2) HDB3 码 HDB3 (High Density Bipo1ar 3)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 的 情况而设计的 AMI 码的改进型。 HDB3 码的编码规则是： 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 H

22、DB3 码。 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， -1 记为 -V)。 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 +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

23、始再极性交替变化。 例如： 码元序列： 1 0000 101 0000 1 000 0 11 AMI 码： +1 0000 -10+1 0000 -1 000 0 +1-1 HDB3 码： +1 000+V -10+1 -B00-V +1 000+V -1+1 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

24、；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。 HDB3 码的波形如图 2.4所示。 沈阳工程学院毕业论文 第 2 章 基带传输系统 5 图 2.4 HDB3 码波形 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

25、连 0 串 (连 0 的个数最多 3 个 )的出现，其功率诸如图 2.4 所示。由图可见， HDB3 码的频谱中既消除了直流和甚低频分量，又消除了方被中的高频分量，非常适合基带传输系统的特性要求。因此， HDB3 码是目前实际系统中应用最广泛的码型。 虽然 HDB3 码比 AMI 码的性能更好，但它仍属于 1B/1T 码型。 (3) 曼彻斯特（ Manchester）码 曼彻斯特码又称数字双相码或分相码。波形如图 2.5(b)所示，图 2.5(a)为对应的 NRZ码波形。曼彻斯特码用一个周期的方波来代表码元 “1”，而用它的 反相波形来代表码元 “0”。 图 2.5 曼彻斯特码和 CMI 码波

26、形 这种码在每个码元的中心部位都发生电平跳变，因此有利于定时同步信号的提取，而且定时分量的大小不受信源统计特性的影响。曼彻斯特码中，由于正负脉冲各占一半，因此无直流分量，但这种码占用的频带增加了一倍。曼彻斯特码适合在较短距离的同轴电缆信道上传输。 (4) CMI 码 CMI 码称为传号反转码。在 CMI 码中， “1”码 (传号 )交替地用正、负电平脉冲来表示，而 “0”码则用固定相位的一个周期方波表示，如图 2.5(c)所示。 CMI 码和曼彻斯特码相似，沈阳工程学院毕业论文 第 2 章 基带传输系统 6 不含有直 流分量，且易于提取同步信号。 CMI 码的另一个特点是具有一定的误码检测能力

27、。这是因为， CMI 码中的 “l”码相当于用交替的 “ ”和 “11”两值码组表示，而 “0”码则固定地用“01”码组表示。正常情况下，序列中不会出现 “10”码组，且 “ ”和 “11”码组连续出现的情况也不会发生，这种相关性可以用来检测因干扰而产生的部分错码。 根据原 CCITT 的建议， CMI 码可用作脉冲编码调制四次全群的接口码以及速率低于8448kb/s 的光纤数字传输系统中的线路传输码型。 此外， CMI 码和曼彻斯持码一样都是将一位二进制码用一组两位二进制码表示，因此称其为 1B2B 码。 (5) 4B3T 码 4B3T 码是 1B/1T 码的改进型，它把 4 个二进制码元变

28、换为 3 个三进制码元。显然，在相同信息速率的条件下， 4B3T 码的码元传输速率要比 1B/1T 码的低，因而提高了系统的传输效率。 4B3T 码的变换过程中需要同步信号，变换电路比较复杂，故一般较少采用。 2.3 无码间串扰传输系统及奈奎斯特 (Nyquist)准则 2.3.1 基带系统传输特性及码间串 扰 在基带传输系统中，由于系统 (主要是信道 )特性不理想，接收端收到的数字基带信号波形会发生畸变，使码元之间互相产生干扰。此外，信号在传输过程中受信道加性噪声的影响，还会使接收波形叠加上随机干扰，造成接收端判决时发生误码。为了消除或减小这些干扰，必须合理地设计基带传输系统，为此先对系统特性和信号波形进行讨论。 基带传输系统总的传输特性 H 可写为 T C RH G G G (2.1) 式中， TG 为发送滤波器； CG 为物理传输信道； RG 为接收滤波器。 相应地，基带传输系统的冲激响应为 1122 j t j tT C Rh t H e d G G G e d (2.2) 分析可见，为了获得足够小误码率，必须最大限度地减小码间串扰及随机噪声的影响，这需 要合理地设计基带信号和基带传输系统。从理论上说，只要合理地设计系统的传输特性，码间串扰是可以消除的；但对随机噪声来说，只能尽量减小其影响，不能完全消除。 2.3.2 数字信号传输的基本 标 准 1. 奈奎斯特第一准则