本科毕业论文---线路传输码的性能分析.doc

题 目 线 路 传 输 码 的 性 能 分 析 学生姓名 王 彦 云 学号 1113024118 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1104 班 指导教师 魏 瑞 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015 年 6月 3日 毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1104班 学生姓名 王彦云 一、毕业论文设计题目 线路传输码的性能分析 二、毕业论文设计工作自 2015 年 1 月 10 日 起至 2015 年 6 月 15 日止三、毕业论文设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室 四、毕业论文设计的内容要求： 数字通信的根本任务是远距离、准确地传输数字信息。在数字通信终端设备中传输不同的信息速率，选择何种线路传输码型，对数字线路 的传输质量、适合性和经济性就显得十分重要。因此，选择对线路传输码进行仿真研究。本次毕业设计运用仿真软件对三种不同的线路传输码进行性能分析。 本次毕业设计要求： 1. 运用仿真软件搭建采用三种不同的线路传输码进行数据传输的数字基带通信系统； 2. 结合三种不同信道环境对比三种不同的线路传输码进行数据传输的数字基带通信系统的频谱特点与误码率情况，并对仿真结果进行分析。 五、毕业论文设计应收集资料及参考文献：阅读和学习关于线路传输码、数字基带通信系统和计算机仿真技术方面的专业资料，参阅的外文文献不少于3篇。 六、毕业论文设计的进度安排： 1月10日3月20日：查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。 3月21日4月20日：数字基带通信系统的基本仿真设计并提交中期检查报告。 4月21日5月20日：进一步完善数字基带通信系统的仿真设计，准备作品验收。 5月21日6月15日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。 指 导 教 师 系 (教 研 室) 通 信 教 研 室 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 线路传输码的性能分析王彦云（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1104班，陕西 汉中 723003）指导教师：魏瑞摘要 在实际传输中，选择适合的信道传输码是很重要的。本次毕业设计选择了三种合适的基带传输码，分别在三种噪声环境下研究其频谱和误码率等性能。借助仿真软件MATLAB，分别搭建了适合Manchester码、AMI码、差分码传输的数字基带系统的仿真模型,其包括信道编码模块，信道传输模块，抽样判决模块和解码模块等。通过仿真后的波形、收发频谱、眼图及误码率的 分析，最终得出这三种码在瑞利噪声下的传输性能最佳，在高斯噪声下传输性能最差。关键词 基带传输系统；传输码；simulink；仿真The characteristic analysis of code transmission lineWang Yanyun(Grade11,Class4,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China)Tutor:Wei RuiAbstract: In the actual transmission, it is important to choose a suitable channel transmission codes. Three suitable baseband transmission code are chosen in the graduation design , the spectrum and BER performance are study respectively in three kinds of noise environment.The transmission digital baseband system simulation model of AMI code, Manchester code ,difference code are set up respectively by the simulation of MATLAB software, the model is consisted of channel coding module, channel transmission module, sampling judgment module and decoding module. After the simulation waveforms, the spectrum , eye diagram and bit error rate are analyzed, Finally it is concluded that the three codes under Rayleigh noise transmission performance, the best transmission performance under gauss noise is the worst.Key words：baseband transmission system; code transmission; simulink; imulation目录引言11 课题研究思路21.1 研究目标21.2 方案设计21.3 方案分析与选择31.4 软件介绍32 线路传输码的工作原理52.1 数字基带传输系统的组成框图及模型52.2 数字基带传输的常用码型52.2.1 传输码的码型选择原则52.2.2 常见的几种传输码型62.3 数字基带信号62.4 无码间串扰的基带传输特性72.4.1 消除码间串扰的基本思想72.4.2 无码间串扰的条件72.4.3 无码间串扰的条件的传输特性的设计72.5 基带传输系统的抗噪声性能82.5.1 二进制双极性基带系统82.5.2 二进制单极性基带系统92.6 眼图93系统的仿真与分析103.1 双相码的系统模型设计103.2 双相码系统参数设置103.3 双相码系统的仿真结果及分析113.4 AMI码的系统模型设计133.5 AMI码系统参数设置143.6 AMI码系统的仿真结果及分析153.7 传号差分码的系统模型设计173.8 传号差分码系统参数设置183.9 传号差分码系统的仿真结果及分析184结束语21致谢22参考文献23附录A 24附录B34 III陕西理工学院毕业设计引言随着当代科学技术的不断发展，计算机技术也不断革新，新型可视化仿真的软件应运而生。传统的设计方法已经不能满足通信系统规模和复杂度的不断加大，我们可以在很短的时间内建立整个通信系统模型通过借助这些功能强大的仿真软件，并进行精准的模拟仿真。让我们能够更为直观，便捷地设计和分析基带系统模型，有利于促进通信仿真技术更快的发展，不再局限于传统的通信仿真技术，克服了其方法复杂，耗时长，易被外界环境及条件影响的缺点，被更好地应用在通信系统性能的研究中。现在， 数字通信不仅被使用于在移动通信方面，而且被广泛使用于卫星通信和光纤通信方面。基带传输系统对于数字传输系统变得愈加重要，科学技术的深入发展，使其应用范围也渐渐渗入到网络通信、卫星通信、手机通信、数字电视和数字电话等各个方面，逐步变为数字通信传输系统中的关键技术。 虽然数字基带传输使用范围不如带通传输使用范围广，但是对基带传输系统的探究还是颇具有意义的。原因是，首先，在使用对称电缆形成的近程数据通信体系中普遍选用了这种传输形式；其次，数字通信技术的飞速发展，迫使基带传输方式也有了迅速发展的趋势。现在，基带传输除了用于低速率数据传输之外，甚至还用于高速率数据传输；另外，基带传输中涉及到带通传输的很多基本问题，即就是，基带传输系统要考虑的很多问题也是带通传输系统务必思考的问题；最后，理论上也能够证实，选用任何一个线性调制的带通传输系统，都能够被等效为一个基带传输系统来分析研究。研究基带传输时，关键在于对传输码的研究。合理的设计基带传输码型对输出信号的功率谱适应基带信道频率响应极具好处，具有错误检测的功能，从而在对信号在接收端的时钟恢复大大有益。对数字基带信号进行仿真，借助MATLAB软件，能够让我们对基带传输码的特性有更为直观的观测，进而深层次理解基带信号的相关理论知识，因此对码型的研究具有十分重要的意义。所以MATLAB对于通信系统的研究起到了至关重要的影响。单极性非归零码、双极性非归零码、单极性归零码、双极性归零码、差分码、数字双相码、传号反转编码（CMI码）、密勒码、传号交替反转码、三阶高密度双极性码等码型是经常被用到的传输码。在传输过程当中码型变换时，容易造成码元错误，导致信号输出发生错误，因此对码型的研究显得更加尤为重要。本文主要研究数字基带传输码的各种性能特点，并基于simulink可视化建模仿真工具，分别搭建双相码传输系统模型并仿真；搭建AMI码传输系统模型并仿真；搭建传号差分码传输系统模型并仿真。论文内容安排如下：第一章 着重介绍毕设的研究思路。具体介绍了研究目标，方案的比较与选择以及最终确定的方案的软件介绍。第二章 主要介绍课题的工作原理。具体涉及数字基带传输基本模型，常被使用的码型及波形，如何实现系统无码间串扰，达到抗噪声干扰等性能。第三章 基于第三章的数字基带传输码型，从中选择三种熟悉的码型进行基带传输系统模型的搭建、仿真，并分析误码率、频谱等性能。第四章 对毕设过程中存在的问题作出分析总结。1 课题研究思路1.1 研究目标运用仿真软件搭建采用三种不同的线路传输码 ( 双相码，密勒码，AMI码,CMI码,HDB3码等码型中任选三种 ) 进行数据传输的数字基带通信系统； 结合三种不同信道环境 （也就是分别加三种不同的噪声，如高斯噪声，莱斯噪声，瑞利噪声等）比较三种不同的线路传输码进行数据传输的数字基带通信系统的频谱特点与误码率情况，并分析仿真结果，得出结论。1.2 方案设计毕设有三种可供选择的设计方案第一种设计方案框图，编码系统将输入的数据送入编码器、再被驱动电路驱动后送到遥测电缆里，编码信息传到地面后被解码系统恢复为原始数据，最后送至地面主机系统，如图1.1所示。 输入 编码 驱动电路电缆输出解码器信号处理电路 图1.1 FPGA设计方案第二种设计方案框图，首先MCU对采集到的数据进行各种类型码的编码，然后把编码后数据送到射频发射芯片进行发射，接收芯片对接收到的射频信号进行解调，解调后的码数据经过芯片的引脚又输入到MCU，LCD显示屏上最终显示的被MCU进行解码后的数据，如图1.2所示。MCUATmega 48V RF发射芯片 传输码数据 传输码数据 天线 MCUATmega169 传输码 滤波电路增 益补偿天线RF接收芯片LCD 显示屏图1.2 单片机设计方案第三种设计方案框图，信源产生的随机信号经过编码处理后进入含有噪声的信道传输，后经抽样判决及解码输出最终波形并分析性能，如图1.3所示。信源模块三种传输码的编码模块发送滤波器模块信道（分别加三种噪声,高斯,莱斯,瑞利）模块匹配接收滤波器去噪抽样判决模块进一步去噪抽样判决模块和解码模块共同恢复再生基带信号观察仿真结果，分析性能定时提取 图1.3 MATLAB设计方案1.3 方案分析与选择三种方案最终都可以分析出传输码的特性，其中，单片机设计方案成本低，编程简单，灵活性强，但处理速度较慢；FPGA是一种硬件完成算法，能够用VHDL或verilog HDL来编程，也可以进行编程、除错、再编程和反复执行，灵活度高，所以FPGA的处理速度比单片机更高。但编程较复杂，价格较高；MATLAB是一种仿真软件，成本低，使用方便灵活，可以很快建立相关模型，可视化功能强。适合在理想环境下采用，而现实中噪声及一些干扰是无法避免的，再者，本次设计要求里特别指出要在三种噪声环境下设计，任务量大，MATLAB能在很短时间内完成。因此本次毕业设计选择了第三种设计方案。1.4 软件介绍三大数学软件分别是Mathematica、Maple和MATLAB，近几年，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都有这些软件的应用。在学术界和工业领域，在动态系统领域建模和仿真方面，Simulink已经以其相对独立的功能及使用方法取得十分卓越的成就。确切的说，Simulink是用来对动态系统进行模型搭建，且应用最广泛的软件包之一。强大的可视化功能和简捷方便的操作是它的魅力所在。Simulink是MATLAB的重要组成部分，是集仿真和分析于一体的软件包，不仅适用于支持连续和离散系统，而且适用于连续与离散混合的线性及非线性的系统，同时还适用于多采样频率的系统，当然，系统也可以是多进程的。在Simulink环境中，在弄清原理的基础上，先在模块库中找到所需的子模块，然后利用鼠标就能在模型窗口中便捷地“画”出系统模型图，就像用手和纸来画一样容易。然后点仿真键进行仿真10。Simulink是一种用方框图来搭建模型的图形接口工具，比起传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相，具有更直观、便捷、灵活、快速等特点。Simulink模型库中含有SINKS（输出方式）、LINEAR（线性环节）、NONLINEA（非线性环节）、SOURCE（输入源）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）等子模型库，而且每个子模型库中又包含相应功能的更小子模型，我们也可以定制、创建属于自己的模块。用Simulink创建的模型具有递阶结构的特性，因此采用自上而下或自下而上的结构都可以建立模型。我们可以从总体到分支，由最高级开始观看模型，然后依次观看子系统模块，来查看下一级的内容，以此类推，最终就能够观看到整个模型的所有细小分支，帮助我们更好地理解模型的结构，梳清各个模块间的相互关系2。在定义完一个模型之后，我们可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。交互工作借助于菜单方式是十分方便的，而运行一大类仿真则要借助命令行方式才非常有用。通过SCOPE模块和其他的画图模块，一边进行仿真的同时，一边就可以观看到仿真结果。除此之外，我们还可以在重新设置参数后来迅速观看系统中发生的变化情况，分析出系统的某些性能。另外，MATLAB的工作空间里还可以存放仿真后的结果，以便事后处理。模型搭建好之后需要作出系统分析，分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具以及MATLAB的应用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK两者集成于一起，所以我们可以在这两种环境下对自己搭建的模型进行仿真、分析和反复修改，达到满意效果。2 线路传输码的工作原理2.1 数字基带传输系统的组成框图及模型由发送滤波器、信道、接收滤波器和抽样判决器等就可以共同组成一个典型的数字基带传输系统，如下图2.1所示。同步提取 信道信号 形成器 信道接收滤波器 判决抽样器基带脉冲输入 基带脉冲输出 图2.1 数字基带传输系统框图图中各方框的功能简述：（1）发送滤波器：适合信道传输的基带信号可以被产生。输入通常是经过编码器编码后的传输码，波形通常是矩形脉冲，频带较宽，不利于信道传输。发送滤波器以压缩频带宽度为目的，使传输码的基带信号波形能够适合在信道内传输。（2）信道：允许基带信号通过的传输媒质，一般会加入噪声。（3）接收滤波器：接收来自信道的信号，并尽量滤掉信道噪声及干扰。（4）抽样判决器：滤波器滤除噪声不彻底的情况下，在规定时刻，对接收滤波器的输出波形进行抽样判决来恢复原始基带信号。（5）定时提取：定时脉冲是用来抽样的，并借助同步电路从接收信号中提取波形，判决效果被位定时的准确度直接影响。数字基带传输系统的模型图是用定量的关系式表述数字基带信号的传输过程，如图2.2所示。 发送滤波器 传输信道 接收滤波器抽样判决 图2.2 数字基带传输系统模型2.2 数字基带传输的常用码型因为数字信号是由数字信源输出，或者是由模拟信源经过编码调制后形成的数字信号，一般来说都不一定适合在信道内传输，例如，含有直流和高低频分量较充足的单极性基带波形比起双极性波形，就不适合在信道内传输，因为容易造成信号畸变。又有原消息码里出现长连“1”或长连“0”的情况时，非归零波形的电平出现连续的定值，判决电平不易被确定，定时信息无法被提取。所以，对传输所需的基带信号有下列要求： （1）传输码型的选择：原消息码被编码后，必须是适合在信道内传输的码型；（2）基带脉冲的选择：所选码型形成的波形必须在基带系统中被有效传输。2.2.1 传输码的码型选择原则 选择传输码应考虑下列原则：（1）功率谱中不含直流，并且低频分量尽可能少；（2）便于定时时钟的提取，便于从接收码波形中提取定时信息；（3）功率谱具有主瓣宽度较小的特点，带宽小，而频带利用率很高；（4）对信源依赖性最小，不被信息源统计特征影响，即就是能够适应信息源的变化；（5）具备检测误码的能力，即码型编码应该具有一定的规律性，利用这个规律进行误码检测；（6）简单的编译码电路，码型变换设备简单，延时和成本会被大大降低。2.2.2 常见的几种传输码型1） AMI码AMI码又被称作传号交替反转码，它的编码规则是将输入的消息码中的“1”码交替地被变为为“1”和“-1”，且为归零码，而“0”码则一直保持不变。AMI码的优点是：零直流分量，较小的高低频分量；简单的编译码电路，便于利用编码中极性交替规律进行误码检测。基于这些优点，AMI码是被ITU推荐采用的传输码型之一。不足之处是：当信源码出现连续长串0时，信号电平在一段时间内处于恒定值，对定时信号的提取有很大困难。2） 曼彻斯特码曼彻斯特码又被称作双相码，它的编码规则是用两个连续的极性相反的脉冲被用以表示原消息的一个码元，即“1”码被变为“10”码，“0”码被变为“01”码。双相码是一种双极性码，对应的 波形是双极性波形。曼彻斯特码的优点是：含有丰富的定时信息，较少的直流分量，由编码规则可知连0，连1数目最大为2，编译码简单；缺点是：以牺牲带宽为代价，造成频带利用率下降。因此，该码常被局域网采用作传输码。3） 差分码差分码利用前后码元电平是否变化来传送信息，又被称为相对码。这种传输码的“1”码与“0”码不是用脉冲的电平高低去表示，而是用脉冲电平是否变化来表示码元数值，即当码元的数值为“1”时，表示脉冲电平发生变化；而当码元的数值为“0”时，表示脉冲电平并没有发生变化1。差分码的特点是，具备内在的误码检测功能，即使接收到的码元与发送出的码元极性完全相反，也能被正确地判决。二进制代码这种波形传送时，初始码的影响可以被忽略，尤其是调相系统，差分码能有效地消除解调时产生的相位模糊问题。 2.3 数字基带信号 数字基带信号是数字信息的电波形表示，它的类型繁多，通常以矩形脉冲为例。1） 单极性不归零波形 设原消息码由二进制数值0、1组成，这种波形是用基带信号零电位及正电位分别与二进制数值中的的“0”码和“1”码一一对应，也就是码元的“1”和“0”表示的是脉冲的有无，生活中，这种形式的信号通常是由电传机，计算机等输出。这种波形特点是脉冲极性单一，有直流分量，且脉冲之间无空隙（不归零），即脉冲的宽度与码元宽度相等。这是一种最简单的传输方式，因为其较差的性能，所以适用于短距离传输。2） 双极性不归零波形双极性波形中，正电位和负电位分别与消息代码中的“1”码和“0”码一一对应，这种波形的脉冲之间也无空隙（不归零）。通常消息代码“1”码和“0”码的数目各占一半（即近似等概），所以这种波形直流分量近似为零。这种波形优点是具有较强的抗干扰性能，广泛的应用范围。缺点是同步分量不能直接从中提取，且当“1”、“0”码不等概时，仍有直流分量的存在。3） 单极性归零波形（RZ） 这种波形是指在传送“1”码时发送一个小于码元持续时间的归零脉冲，而在传送“0”码时不发送脉冲。换句话说，信号脉冲宽度小于码元宽度。单极性归零波形与不归零波形相比，具有可以直接提取同步信号的优点。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 双极性归零波形的构成原理和单极性归零波形一样，是用正负电平表示消息码中的“1”码和“0”码，且相邻脉冲间必有零电位区域存在。因此，一比特的信息接受完成的标志是接收端的接收波形归于零便，进而知道下一比特信息的接收。由于数字信息的电脉冲被用数字基带信号来表示，不同形式的基带信号有不同的频谱结构，有各异的功率谱分布。不同的码型有不同的优点，常用的码型有单或双极性码、非归零或归零码、数字双相码(曼彻斯特码)、密勒码、AMI码、差分码等。2.4 无码间串扰的基带传输特性影响基带传输系统性能的两个主要因素主要是码间串扰和信道噪声。首先讨论没有信道的噪声情况下，怎样能消除码间串扰，其次再讨论无码间串扰时，信道噪声的影响如何能被减至最小。2.4.1 消除码间串扰的基本思想若想消除码间串扰，应使 （2.1） 由于 是随机的，要想通过各项相互抵消使码间串扰为0是不行的，这就需要对h(t)的波形提出要求。如果相邻码元的前一个码元的波形到达后一个码元抽样判决时刻已经衰减到0，就能满足要求，如图2.3所示。但是，这样的波形不易实现，实际中的 h(t）波形有很长的“拖尾”，正是由于 每个码元的“拖尾”造成了对相邻码元的串扰，但只要让它在 、 等后面码元抽样判决时刻上正好为0，就能消除码间串扰，这就是消除码间串扰的基本思想2。图2.3 码间串扰示意图2.4.2 无码间串扰的条件只要基带传输系统的冲激响应波形h(t)仅在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为0，则可消除码间串扰。也就是说，若对h(t)在时刻 （这里假设信道和接收滤波器所造成的延迟 ）抽样，则有 K=0 K为其他整数 （2.2）称为无码间串扰的时域条件。即就是，若h(t)的抽样值除了在t=0时不为零外，在其他所有抽样点上均为零，就不存在码间串扰。根据 的关系可知，h(t)是由基带系统H(w)形成的传输波形。如何形成无码间串扰的传输波形h(t)，实际是要设计基带传输总特性H(w)。在无码间串扰时域条件的要求下，经由一系列的变换可得到无码间串扰时的基带传输特性应满足 （2.3）该条件称为奈奎斯特第一准则。它提供了一种检验一个给定的传输系统特性H(w) 是否产生码间串扰的方法。基带系统的总特性凡是能满足此条件的，均能消除码间串扰。奈奎斯特第一准则的物理意义是：将H(w)在w轴上以 为间隔切开，然后分段沿w轴平移到 区间内，将它们进行叠加，其结果应当为一常数（不必一定是 ）。这一过程可以归述为：一个实际的H(w)特性若能等效成一个理想低通滤波器，就可以实现无码间串扰。2.4.3 无码间串扰的条件的传输特性的设计（1） 理想低通特性满足奈奎斯特第一准则的H(w)有很多种，其中一种极限情况，就是H(w)为理想低通型，即 （2.4） 冲激响应为（2.5） 可以看出，h(t)在 时有周期性零点，当1发送序列的时间间隔为 时，正好利用了这些零点，只要接收端在 时间点上抽样，就能实现无码间串扰。还可以看出，对于带宽为 的理想低通传输特性，若输入数据以 波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存在码间串扰，此理想低通传输特性的带宽称为奈奎斯特带宽。若高于 波特的码元速率传送时，将存在码间干扰。此时，基带系统所能提供的最高频带利用率为 （2.6）这是无码间串扰条件下，基带系统所能达到的极限情况。该系统无码间串扰的最高传输速率（ 波特 ）称为奈奎斯特速率。虽然理想的低通传输特性达到了基带系统的极限传输速率和极限频带利用率，但这种特性在物理上无法实现。即使可以获得相当逼近理想的特性，把它的冲激响应h(t) 作为传输波形仍然是不合适的。因为理想特性的冲激响应波形h(t) 的衰减振荡幅度较大，定时稍有偏差，就会有严重的码间串扰。所以理想低通传输特性的研究只具有理论指导意义。（2） 余弦滚降特性实际当中，不可能有绝对理想的基带传输系统，这样一来，不得不降低频带利用率，采用H(w)在滚降段中心频率处呈奇对称称为“滚降”特性的低通滤波器作为传输网络，如图2.4所示1。常用的滚降特性是余弦滚降特性，只要滚降低通的幅频特性以点C（fc,1/2）呈奇对称，就必然满足奈奎斯特第一准则，从而满足无码间串扰的条件。图2.4 余弦滚降特性图显然1，滚降系数越大，h(t)的拖尾衰减越快，对位定时要求越低，但是会使频带利用率降低。因此余弦滚降系统的最高频带利用率为 （2.7）2.5 基带传输系统的抗噪声性能2.5.1 二进制双极性基带系统对于二进制双极性信号，设信源发送“1”码概率为p(1)，发送“0”码的概率为 p(0)， 若 ，则有 ，这时二进制双极性基带系统的总误码率为 （2.8）可见，在发送概率相等，且在最佳门限电平下，双极性基带系统的总误码率仅依赖于信号峰值A和噪声均方根植 的比值，而与采用什么样的信号形式无关（这里的信号形式必须是能消除码间干扰的）。且比值 越大， 就越小。2.5.2 二进制单极性基带系统对于单极性信号，当