毕业论文--模拟及数字基带系统传输设计与仿真.doc

贵阳学院本科毕业论文（设计） 本科毕业论文（设计）题 目: 模拟及数字基带系统的仿真与设计院 系：电子与通信工程学院 专 业：通信工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 教师职称：讲师 填写日期：2014年4月20日18贵阳学院本科毕业论文（设计） 摘 要目前，现代计算机科技发展越来越快，与此同时，新一代的可视化的仿真软件也应运而生。这些仿真软件在通信领域发挥了举足轻重的作用。不仅让通信系统设计和开发过程变得更为直观，而且也变得更方便。这就大大地促进了通信系统开发技术的速度。仿真软件具有广泛的适应性和很好的灵活性，为整个社会研究通信系统性能做出来突出贡献。本次设计的主要探讨方向是通信系统中的关键技术，即模拟调制系统的调制技术和数字基带传输系统的调制技术。模拟调制主要研究模拟调制系统的分类、模拟调制系统的组成、模拟信号的传输方式。数字基带传输系统主要研究常用的传输码型、眼图、码间串扰、噪声干扰、数字基带传输系统的组成。本次设计重点放在模拟调制及数字基带传输的Matlab仿真分析，通过仿真分析，进一步理解并巩固理论知识。这样更便于模拟调制系统和数字基带传输系统在实际生活中的应用。理论知识来源于实践并运用于实践。本次设计充分利用Matlab仿真软件的强大功能，结合理论知识建立了通信系统的仿真模型。关键词：模拟调制系统；基带传输系统；Matlab；仿真技术 AbstractAt present, the development of modern computer technology is more and more fast, at the same time, a new generation of visual simulation software also arises at the historic moment. The simulation software has played a decisive role in the field of communications. Not only the communication system design and development process become more intuitive, but also become more convenient. This will greatly promote the speed of the communication system development technology. Simulation software has extensive adaptability and good flexibility, for the society as a whole research on communication system performance made outstanding contributions.Mainly discusses the direction of this design is the key technology in communication system, namely the analogue modulation system modulation technique and modulation technique of digital baseband transmission system. Analog modulation mainly studies the classification of the analogue modulation system, the composition of analog modulation system, the analog signal transmission way. Digital baseband transmission system is the main research of commonly used transmission type, eye diagram, intersymbol interference and noise interference, the composition of digital baseband transmission system. The design emphasis is placed on the Matlab simulation modulation and digital baseband transmission simulation analysis, through the simulation analysis, further understanding and consolidate the theoretical knowledge. It is easier to simulate modulation system and digital baseband transmission system applied in the practical life.The theoretical knowledge comes from practice and applied to practice. This design make full use of the powerful features of the Matlab simulation software, combined with theoretical knowledge communication system simulation model is established.Keywords：analog modulation system; base band transmission system; Matlab; simulation technology目 录前 言1第1章 模拟调制系统的设计21.1 幅度调制简介21.1.1 模拟调制的分类与特点21.1.2 AM调制原理2第2章 数字基带传输系统的设计81.1 数字基带传输系统简介81.2 数字基带信号传输系统的组成原理81.3 基带传输的常用码型91.3.1 几种常用的传输码型91.4 码间串扰简介101.4.1 消除码间串扰的基本思想101.5 眼图111.5.1 眼图简介111.6 数字基带传输系统仿真设计与分析111.6.1 基带系统仿真设计与分析11致 谢17参考文献18 前 言随着社会的快速发展，通信系统在社会上表现出越来越重要的作用。目前，我们生活中使用的手机，电话，Internet，ATM机等通信设备都离不开通信系统。随着通信系统与我们生活越来越密切，使用越来越广泛，对社会对通信系统的性能也越高。另外，随着人们对通信设备更新换代速度越来越快。不得不缩短通信系统的开发周期以及提高系统性能。针对这两方面的要求，必需要通过强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。自从现代以来，计算机科技走上了快速发展道路，实现了可视化的仿真软件。通信系统仿真，在目前的通信系统工程设计当中。已成为了不可替代的一部分。它表现出很强的灵活性和适应性。为我们更好地研究通信系统性能带来了很大的帮助。本论文主要针对模拟调制系统中的幅度调制技术和数字基带传输系统调制技术进行设计和基于Simulink进行仿真。通过系统仿真验证理论中的结论。本论文设计的目的之一是进一步加强理论知识，熟悉Matlab软件。 第1章 模拟调制系统的设计1.1 幅度调制简介调制是通信系统中必不可少的一部分。所说的调制，那就是把信号转换成适合在信道中传输的一种形式过程。广义的调制分为载波调制和基带调制。这章课程设计的主要探讨内容是模拟调制系统中的幅度调制技术，所谓幅度调制，就是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。1.1.1 模拟调制的分类与特点最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。常见的调幅（AM）、双边带(DSB)、单边带(SSB)和残留边带（VSB）等调制就是幅度调制的几典型事例。每种调制方式各有特点：1） AM系统结构简单，价格低廉。2） DSB信号的调制效率为100%。3） SSB信号发射功率低，占用频带宽度窄。4）角度调制抗噪声性能强。1.1.2 AM调制原理 1.AM信号的调制及解调原理。 1）AM信号的表达式、频谱及带宽。 在图1-1中，不妨设滤波器为全通网络，调制信号叠加直流后，再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带调幅，AM调制器模型如图1-1所示。 图1-1 AM调制模型 调幅信号在时域和频域中的表达式分别如下所示上面两式中，表示外加的直流分量；既可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即。 调幅信号的波形（包括正弦信号、直流分量等）和频谱分别如下图1-2（a）、（b）所示。我们不妨设调制信号的上限频率为。可见，调制信号的带宽为。 图1-2 AM信号的波形和频谱 由图1-2（a）可见，调幅信号波形的包络与输入基带信号波形基本上是一致的，只是幅度出现了偏差，所以为了恢复出原始调制信号，不妨采用非相干解调。但是为了保证非相干解调时不发生失真，必须满足 ，否则将出现过调幅现象，从而导致失真。 2） AM信号的解调相干解调和包络检波 A.相干解调 由AM信号的频谱可知，假如将已调信号的频谱搬回到原点位置，就可得到原始的调制信号频谱，最后可以恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可利用调制时的相乘运算来实现。相干解调的原理结构图如图1-3所示。 图1-3 相干解调原理结构图 将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得 从上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号 B. 包络检波 包络检波器通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。它属于非相干解调，因此不需要相干载波，广播接收机中多采用此法。一个二极管峰值包络检波器如图所示，它由二极管VD和RC低通滤波器组成。 VD AM信号 R C 图1-4 包络检波设输入信号是AM信号 SAM(t)=A0+m(t)在大信号检波时（一般大于0.5V），二极管处于受控的开关状态。选择RC满足如下关系1 （*）式中：fH是调制信号的最高频率；fC是载波的频率。在满足式（*）的条件下，检波器的输出为 隔去直流后即可得到原信号。 2. 数学模型AM xyxy+噪声带通滤波器AM xyxy低通滤波器 图1-5 AM调制数学模型 3.基于Simulink的仿真结构图如图1-6所示 调制信号参数设置：振幅1,频率10HZ, 载波：频率100HZ,振幅1 图1-6 AM调制系统仿真结构图 4. AM调制系统的组成 1）调制信号的产生如图1-7所示 从图中可以看到，sine wave产生原始正弦信号，sine wave1产生载波信号，经信号形成器product调制产生已调信号。 图1-7 AM信号的产生结构图 2）AM信号解调，如图1-8所示。 如图1-8所示，Analog filter design 为带通系统，从频域上说，AM信号分布在带通系统范围内，经带通系统获得成镜像的上下频谱。Sine wave2形成与图1-7中sine wave1同频同相的同步载波，经product已调信号得到解调，从而再次经过低通滤波器获得原始信号。 图1-8 AM信号解调过程 4.仿真结果及分析 1）仿真结果如图1-9所示 图1-9 仿真结果 图1-9上波形分别为输入低通滤波器之前的解调信号、经过调制的信号、最终经过解调的信号、原始信号、通过高斯白噪声之后的调制信号、通过带通的加入高斯白的调制信号。 2）仿真结果分析 从图1-9可知，解调之后的信号与原始信号几乎一样，只是在波形形状和幅度上存在一点点差别。波形形状的偏差主要是由信道中的噪声和系统的性能引起的。在该系统中，为了接近现实环境，加入了均值为0，方差为1的高斯白噪声。结果证明，当噪声不存在时，仍然有幅度失真。这正是我需要的结果。由于信道中的噪声和系统性能的影响，从而导致波形幅度出现偏差。 第2章 数字基带传输系统的设计1.1 数字基带传输系统简介 所谓的数字基带信号，就是指没有经过调制的数字信号所占据的频谱是从零频或者非常低的频率开始。 在某些具有低通特性的有线信道中，尤其是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。这种不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，就是数字基带传输系统。1.2 数字基带信号传输系统的组成原理数字基带传输系统主要是由发送滤波器、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。为了保证系统可靠有序地工作，同步系统是必不可少的。图2-1是一个典型的数字基带信号传输系统结构图。同步提取信道接收滤波器抽样判决器信道信号形成器输入输出 噪声 图2-1 数字基带传输系统结构图图2-1中各部分的作用和信号传输的具体过程描述如下：（1） 发送滤波器。它作用与形成适合信道传输的基带信号波形。（2） 信道。是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道。在这里需要特别提出的是，由于信道的传输特性不具备无失真传输条件，所以信道传输的输出信号会导致失真。此外，由于一般信道中都存在噪声，在这里为方便研究，不妨设它是平均值为0的高斯白噪声。（3） 接收滤波器。它作用于接收信号。主要负责减少信道产生的噪声以及其他各种原因产生的干扰。1.3 基带传输的常用码型1.3.1 几种常用的传输码型 1.AMI码 AMI（Alternative Mark Inversion）码的全称是传号交替反转码，其编码规则是将消息码的“1”（传号）交替地变换为“+1”和“-1”，而“0”（空号）保持不变。例如： 消息码： 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 . AMI码： 0 -1 [phone] +1 0 0 -1 +1 .AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。HDB3AMI PS(f) 0 0.5fS fS f 图2-2 AMI码和HDB3码的功率谱 2.HDB3码1） HDB3(3nd Order High Density Bipolar)码的全称是三阶高密度双极性码。它是AMI码的一种改进型，改进目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。由消息码变换到HDB3码的过程如下：消息码：1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 AMI码：-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 [phone] +1 +B 0 0 + V0 0 0 -V0 0 0 +V-B 0 0 -VHDB3： -1 0 0 0 -V +1 0 0 0 +V -1 +1 -B 0 0 -V +B 0 0 +V -1 +13.双相码 双相码又称满切斯特（Manchester）码。它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示，例如： 消息码： 1 1 0 0 1 0 1 双相码：10 10 01 01 10 01 10 1.4 码间串扰简介 码间串扰是因为系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰。1.4.1 消除码间串扰的基本思想 为了避免码间串扰，可以控制h（t）的波形变化。如图2-3（a）所示，假设两个相邻的码元，第一个码元如果能在第二个码元的抽样时刻TS+t0衰减到0，就能达到目的。但是，像这样的波形在实际当中很难找到，这是由于h（t）波形往往会出现很长的“尾巴”，相邻码元间的串扰就是因为“尾巴”。为了避免“尾巴”的出现，只要前一个码元在下一个码元的抽样时刻Ts+t0或者2Ts+t0衰落到0，就可以避免码间串如图2-3（b）所示。 h(t) h(t) t0 Ts+t0 t0 Ts+t0 2Ts+t0 (a) (b) 图2-3 消除码间串扰的原理图1.5 眼图1.5.1 眼图简介 所谓的眼图，就是指一种从接收滤波器输出波形中取出基带信号波形，进行抽样判决，然后根据抽样判决的结果进行判断和调整系统性能的一种方法。眼图模型如图2-4所示。眼图的边缘越清晰，眼睛张开越大，表示码间串性越小，噪声干扰越弱。 图2-4 眼图模型1.6 数字基带传输系统仿真设计与分析1.6.1 基带系统仿真设计与分析1.信源的生成双相码双相码的编码规则为将二级制码“1”编成为“10”，将“0”码编成为“01”，在这里由于采用的是二进制双极性码，所以需要将“1”编成“+1-1”码，而将“0”码编成“-1+1”码。经分析双相码的生成电路可以由SIMULINK中的bernoulli binary generator、pulse generator、constant、switch、scope等元件构成。模型连接结构图如图2-5所示。 图2-5 曼切斯特码生成结构图模块参数设置为：bernoulli binary generator的prpbability of a zero设为0.5，sample time设为0.5，pulse generator 的pulse width(% of period)设为50%，占空比为1/2，Attitude设为1，phase delay设为0，这表示不经过延迟。起始时刻发10码，switch的threshold设为0.5。constant设置为1，输出常数1，设置为-1，输出-1。图2-5所示的3个信号分别为Switch模块中的3个输入，switch的工作规则是，当输入的第2个信号小于switch的门限值0.5时，输出为0，当输入的第2个信号大于switch的门限值0.5时，输出为1。2. 为了减小码间串扰，不妨在最大输出信噪比的时候输出信号，同时为了尽量避免噪声干扰，传输模块由Square root Raised Cosine Receive Filter、AWGN Channel、Square root Raised Cosine Transmit Filter模块组成，其设计结构图如图2-6所示。 图2-6 传输模块设计结构图 模块参数设置：Square root Raised Cosine Filter的幅度设为1，周期设为0.5，相位延迟设为0，脉冲宽度设为50%，高斯信道的起始速度设为67，模式设为Eb/No，Eb/No设为100，每秒比特数设为1，信号周期为1，输入功率设为1。3.抽样判决抽样判决电路不妨由switch 3、product2、pulse generator1构成，同时对双相码解码，双相码的抽样判决电路及极性转换电路结构图如下图2-7所示。 图2-7 抽样判决电路及极性转换电路结构图模块参数设置：pulse generator1的占空比为0.5，switch3的判决门限设为0，相位延迟为0。4.基带传输系统设计结构图及各点输出波形图2-8及图2-9分别为基带传输系统的结构图和传输过程中各点的波形图。 图2-8 基带传输系统设计结构图 图2-9 传输过程中的各点波形图从图2-9可以看到，第一、二、三、四、五行波形分别是输入的原始信号（基带信号）、经双相码编码器编码后形成的双相码、通过信号形成器过滤后的连续波形，、通过抽样判决得到的双极性二进制码、通过极性转换形成的二进制码。第五行波形与第一行波形相比，延迟了2个码元，幅度以及各段码元都一致，这充分地说明了该设计系统成功地避免了码间串和信道中产生的噪声干扰，这就是预想中的结果。5. 眼图分析 由接收信号产生的眼图如图2-10所示，从图中很清晰地看到，该眼图边缘清晰，眼睛张开很大，这说明本设计数字基带系统不存在码间串扰以及噪声很微弱，达到了预想的目的。 图2-10 眼图 总 结 经过这次毕业设计之后，我学到了很多。自从确定论文题目以后我便开始从各方面资源寻找相关资料，然后将论文大纲列出来，根据大纲我将初稿写完，但是指导老师看了以后，出现了种种错误。在修改的过程当中，对有些之前没有学过但又必须用到的的东西我边学边做，完成整个论文以后感觉收获很多。本次毕业设计使我重新拾起了通信原理Matlab教程信号与系统等课程。通过本次毕业设计进一步巩固了模拟调制系统的调制技术和数字基带传输系统的调制技术，并巩固了学习了Simulink等知识。本文围绕通信系统中模拟调制系统调制技术和数字基带传输系统调制技术等问题进行了研究，重点研究了基带传输系统仿真，详细地说就是研究基带信号传输过程中是否存在码间串扰以及信道噪声对系统的干扰。从这次设计的仿真结果分析可以知道，结果与预想的结果基本一致。但是仍然感觉以前学过的很多知识没有理解渗透。我相信在之后的学习中，一定会弥补上这次论文中透露的不足。总之，本次毕业设计我受益匪浅，不仅增强了我对信息的查找能力，更重要的是提升了我自学能力和解决问题的能力。我相信这对我以后的研究生生涯和未来的工作都是一笔很有价值的财富。 致 谢完成毕业论文设计是一名合格的大学生的必修课。在学习课程的过程当中，时不时会想到毕业论文该怎么做，殊不知当时只是对某一单方面的知识比较了解而没有想到毕业论文需要综合的知识才能完成。由于考研花费太多时间，从而导致写起毕业论文来总感觉很仓促。另外，由于各种原因不能早早地回到学校与老师和同学一起商讨选题，这给我带来了很大的压力。但是我必须感谢我的指导老师，感谢他对我耐心负责任地指导。每次当我遇到问题的时候，无论他是否在忙，都会抽出宝贵的时间耐心地指导我。他对我的要求很高，我不但不感觉这是为难我，反而为有老师这么有责任地要求自己感到欣慰。毕业设计是自己的最后一次家庭作业。它不仅锻炼了我的写作能力，更是为我以后的研究生生涯和未来的工作打下了坚实的基础。另外，我还得感谢我的同学，当我遇到问题的时候，他们总是积极地跟我一起探讨，为我提供各种建议。最后要感谢的是我们严格的评论老师，是你们严格的要求给我带来了学习的动力，再一次地巩固了专业知识。参考文献1 樊昌兴，曹丽娜.通信原理 M.第6版.北京:国防工业出版社 ,2012: 87-326.2 张志涌，杨祖樱.MATLAB教程.北京：北京航空航天大学出版社，2010.3 郑君里，应启衍，杨为理.信号与系统(上下册).高等教育出版社.第二版.4 Simon Haykin. Communication Systems, Fourth Edition, Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2003,3.5 John G.Proakis. Digital Communication. Third Edition 1995.