数字基带传输系统的设计.doc

本科生课程设计（论文）目 录第1章 绪论11.1 概述11.2 System View软件的介绍1第2章 数字基带传输系统32.1 数字基带信号32.2 数字基带传输32.3 数字基带传输系统42.4 数字基带传输的要求及常用码型5第3章 数字基带传输系统的设计及仿真63.1 仿真模型框图设计63.2 基带传输系统模型的仿真电路设计63.3 数字基带传输系统的仿真与分析7第4章 总结11参考文献12第1章 绪论1.1 概述20世纪60年代出现了数字传输技术，它采用了数字信号来传递信息，从此通信进入了数字化时代。目前，通信网已基本实现数字化，在我国公众通信网中传输的信号主要是数字信号。数字通信技术的应用越来越广泛，例如数字移动通信、数字卫星通信、数字电视广播、数字光纤通信、数字微波通信、数字视频通信、多媒体通信等等。数字通信系统主要的两种通信模式:数字频带传输通信系统，数字基带传输通信系统。数字基带信号 指未经调制的数字信号，它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。数字基带传输系统 指不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。研究数字基带传输系统的原因：实际中，基带传输不如频带传输应用广泛，但对基带传输的研究仍有非常重要的意义。这是因为：第一，数字基带系统在近程数据通信系统中广泛采用；第二，数字基带系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；第三，随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；第四，在理论上，任何一个线性调制的频带传输系统，总是可以有一个等效的基带载波调制系统所替代。因此，很有必要对基带传输系统进行综合系统的分析。1.2 System View软件的介绍System View是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。System View的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库(Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。System View能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。System View的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标如幅频特性（伯特图）、传递函数、根轨迹图等之间的转换。在系统设计和仿真分析方面，System View还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。System View还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与Xilinx公司的软件Core Generator配套，可以将System View系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外System View还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。第2章 数字基带传输系统2.1 数字基带信号通信的根本任务是远距离传输信息，准确地传输数字信息是数字通信中的一个重要环节。在数字传输系统中，其传输对象通常是二进制数字信息。它可能是来自计算机、网络或其他数字设备的各种数字代码，也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。数字信息在一般情况下可以表示为一个数字序列：，,，.简记为。是数字序列的基本单元，称为码元。每一个码元只能取离散的有限个值，例如在二进制中，取0或1两个值；在M进制中，取0，1，2，M-1等M个值，或者取二进制码的M种排列。由于码元只有有限个可能取值，所以通常用不同幅度的脉冲表示码元的不同取值，例如用幅度为A的矩形脉冲表示1，用幅度为-A的矩形脉冲表示为0。这种脉冲信号被称为数字基带信号，这是因为它们所占据的频带通常从直流和低频开始。2.2 数字基带传输在数字传输系统中所传输的通常是二元数字信号。设计数字传输系统要考虑的基本想法是选择一组有限个离散的波形来表示数字信息。这些离散波形可以是载波进行调制后的波形,也可以是不经过调制的不同电平信号。来自数据终端的原始数据信号，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组，M序列等等都是基带数字信号。 这些信号往往包含丰富的低频分量。有些场合可以不经过载波调制和解调过程而直接传输，称为基带传输。系统基带波形被脉冲变换器变换成适应信道传输的码型后，就送入信道，一方面受到信道特性的影响，使信号产生畸变；另一方面信号被信道中的加性噪声所叠加，造成信号的随即畸变。因此，在接收端必须有一个接收滤波器，使噪声尽可能受到抑制，为了提高系统的可靠性，在安排一个有限整形器和抽样判决器组成的识别电路，进一步排除噪声干扰和提取有用信号。对于抽样判决，必须有同步信号提取电路。在基带传输中，主要采用位同步。同步信号的提取方式采用自同步方式（直接法）。同步系统性能的好坏将直接影响通信质量的好坏，甚至会影响通信能否正常进行。2.3 数字基带传输系统基带传输包含着数字通信技术的许多问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此频带传输也存在基带问题。基带传输的许多问题，频带传输同样须考虑。如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。理论上还可证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统来代替。数字基带系统的基本结构如图2.1所示。信道信号形成器信道接收滤波器抽样判决器同步提取数字基带信号图2.1 数字基带传输系统信道信号形成器：基带传输系统的输入是由终端设备或编码器产生的脉冲序列，它不一定适合直接在信道中传输。信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。信道：允许基带信号通过的媒质。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，恒参信道如（明线、同轴电缆、对称电缆、光纤通道、无线电视距中继、卫星中继信道）对信号传输的影响主要是线形畸变；随参信道如（短波电离层反射、对流层散射信道等）对信号传输的影响主要有频率弥散现象（多径传播）、频率的选择性衰落。信道的线性噪声和加性噪声的影响。在通信系统的分析中，常常把噪声n(t)等效，集中在信道中引入。接收滤波器：主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。抽样判决器：它是在传输特性不理想及噪声背景下，在由位定时脉冲控制的特殊点对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。自同步法的同步提取电路：有两部分组成，包括非线型变换处理电路和窄带滤波器或锁相环。非线型变换处理电路的作用是使接收信号或解调后的数字基带信号经过非线型变换处理电路后含有位同步分量或位同步信息。窄带滤波器或锁相环的作用是滤除噪声和其他频谱分量，提取纯净的位同步信号。2.4 数字基带传输的要求及常用码型在实际基带传输系统中，并非所有的原始基带数字信号都能在信道中传输。例如，有的信号含有丰富的直流和低频成分，不便提取同步信号；有的信号易于形成码间串扰等。因此，基带传输系统首先面临的问题是选择什么样的信号形式，即传输码型的选择和基带脉冲波形的选择。为了在传输信道中获得优良的传输特性，一般要将信码信号变化为适合于信道传输特性的传输码，即进行适当的码型变换。对传输码型的要求如下：（1） 传输信号的频谱中不应有直流分量，低频分量和高频分量也要小。（2） 码型中应包含定时信息，有利于定时信息的提取，尽量减小定时抖动。（3） 码型变换设备要简单可靠。（4） 码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则可根据这一规律性检测传输质量，以便做到自动检测。（5） 编码对信息类型不应有任何限制，即对信源具有透明性。常用的码型有AMI码、HDB3码、分相码、反转码AMI等。第3章 数字基带传输系统的设计及仿真3.1 仿真模型框图设计根据通信系统的基本原理，确定总的系统功能，将各部分功能模块化，然后找出各部分之间的关系，确定该系统框图，如图3.1所示为仿真系统的框图。 加性高斯接收PN码发生器低通滤波器抽样判决发送端基带信号形成器低通信道取样定时高斯噪声源图3.1 系统仿真框图3.2 基带传输系统模型的仿真电路设计运用System View仿真工具平台提供的专业库（Optional Library）中通讯功能模块，对基带传输通信系统进行电路仿真设计。根据通信系统的基本原理，根据系统仿真框图的功能，将各部分功能模块化，然后找出各部分之间的关系，再用其搭建基带传输系统模型的仿真电路，如图3.2所示。 图3.2 基带传输系统仿真电路模型参数设置： Token0：SourceNoise/PNPn Seg（幅度1V，频率1HZ，电平数2，偏移0V，产 生单极性不归零码，随机产生）。 Token1：在专业库中选择CommProcessorsP shape（Select pulse Shape Rectangular，Time offset0，Width0.01s，产生矩形脉冲基带信号）。 Token3：SourceNoise/PNGauss Noise（均值为0，均方差为0.1的高斯白噪声）。 Token4：OperatorFilters/systemsLiner Sys Filters（comm-Raised cosine， design,Symbol Rate=10.e-3;Decimate By1,Quant Bit=None;Roll-off Factor=0.5,Tap=512） Token5：OperatorSample/HoldSample（Sample rate=10HZ，用于对滤波后的波 形进行抽样，抽样速率等于码元速率）。 Token13：OperatorSample/HoldHold（Hold Value=Last Sample，Gain1，对抽 样后的值延时一段时间，得到恢复后的数字基带信号）。 Token7：OperatorLogicCompare（Select comparison：a=b True Output=1V， False Output-1V，对抽样值进行判决比较，得到输出码元波形）。 Token8：产生正弦信号，作为比较器的另一个比较输入（振幅0V，频率10Hz）。 眼图参数设置：Sink Calculatorstyleslicestart0，Length0.25。 系统定时设置：Start Time：0 ，Stop Time：0.5，Sample Rate：10000Hz 。 3.3 数字基带传输系统的仿真与分析在仿真分析方面，System View提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便的控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗口还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对电路仿真的各种运算，如谱分析、波形分析等功能。启动System View系统视窗，设置“时间窗”参数：Start Time：0 s；Stop Time：0.5 s；Sample Rate：10KHz，进行仿真，结果如下图所示：其中图3.3所示为原始基带信号，图3.4所示为加入噪声后的基带信号。图3.3 原始基带信号图3.4 加入噪声后的基带信号经过根升余弦滤波器后的输出波形，如图3.5所示：图3.5 经过根升余弦滤波器后的输出波形经过抽样判决后的输出波形，如图3.6所示：图3.6 经过抽样判决后的输出波形从上可以观察出，经高斯滤波器处理过的基带信号的高频噪音得以消除，信号变的平滑；经低通滤波器后信号能量损失相对较小一些，功率谱主要集中在低频端，信号能量主要集中在10倍码率以内，能量相对集中。仿真结果与理论波形一致。加有高斯噪音时的眼图，如图3.7所示：图3.7 加有高斯噪音时的眼图经过升余弦低通滤波器滤波后的眼图，如图3.8所示：图3.8 经过低通滤波器后的眼图眼图是利用实验手段方便的估计和改善系统性能时在示波器上观察到的一种图形，衡量基带传输系统性能的重要实验手段。从接收原理上讲，接收端要通过抽样判决来重现基带信号。当噪音过大时，抽样判决就会产生错误，产生误码。仿真结果符合理论波形。抽样判决后的输出码元波形与原始基带信号相比，有0.01秒的延时。由抽样判决器延时所引起的。当抽样速率越大时，误差越小。当噪声增大时，会引起误码。误码率波形如图3.9所示：图3.9 误码率波形第4章 总结在这三周的通信综合设计课程中，我通过查阅资料并进行模拟仿真最终完成了本次设计，学习了非常实用的通信系统仿真软件System View的使用方法。在查阅资料的过程中，我了解到计算和模拟以成为学习和工作中必不可少的一种途径。计算机仿真是根据被研究的真实模型，利用计算机进行实验研究的一种方法。且其技术具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行等的重要工具。在本次设计中我选用了美国ELANIX公司推出的System View仿真软件。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，因此，它可用于数字基带传输系统系统的设计和仿真。非常适用于本次课题的信号处理。在完成仿真的过程中，开始总是有各种的错误，有时示波器上出不来波形，有时出来的波形总是错误的。但经过查阅资料和多方比对各个参数量的设置，最终解决了问题，成功完成了波形的收集，并顺利实现课程的设计要求，完成仿真。通过此次课程设计掌握了通信系统仿真软件System View的用法，也对数字基带传输系统有了更进一步的了解与掌握。增强了我的动手能力和独立思考能力。参考文献1 南利平. 通信原理简明教程M.北京：清华大学出版社，2006 2 王冬霞主编.电子与通信工程专业基础实验教程.沈阳: 东北大学出版社，20123 王兴亮. 数字通信原理与技术M.西安：西安电子科技大学出版社, 20024 庞沁华，吴伟陵. 通信原理（合定本）M.北京：北京邮电大学出版社, 20055 孙屹等编著.System View通信仿真开发手册.北京: 国防工业出版社，20046 樊昌信. 通信原理教程M.北京：电子工业出版社, 2005 11