基于MATLAB的数字基带传输系统.doc

基于MATLAB的数字基带传输系统
仿真实验设计
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( xxxxxxxxxxxx学院　　江苏　223600)
摘　要　介绍了《通信原理》课中数学基带传输系统实验的计算机仿真软件设计工作,
该软件是在MAT LAB 动态系统仿真平台SIMU LINK 上开发的. 在对数字基带传输系统
进行分析基础上, 描述了仿真模型的建立、实现以及仿真结果分析.
关键词　数字通信系统; 计算机辅助实验; 计算机仿真
0　引言
数字基带传输系统是《通信原理》课程中非常重要的一部分基础性内容, 为了使学生加深对通信系统的理解, 其中的一些概念、原理往往需要用实验来澄清, 但是该实验的实验板在市场上没有销售, 而且该实验几乎无法用硬件实现; 一些替代性的实验, 其实验结果由于受多种因素影响, 也往往不能满足要求. 因此, 开发一套数字基带传输系统仿真实验软件是很有必要的.
在仿真软件设计中采用了Mathw or ks 公司的MAT LAB 作为仿真工具, 其仿真平台SIMU LINK 具有可视化建模和动态仿真的功能. 用SIMULINK 构造仿真系统, 方法简单直观, 开发的仿真系统使用时间流动态仿真, 可以准确描述真实系统的每一细节, 并且在仿真进行的同时具有较强的交互功能, 易于使用. 另外该软件还具有较好的可扩展性和可维护性[ 1] .本文给出了采用仿真工具SIMU LINK, 设计数字基带传输系统仿真实验软件的系统定义、模型构造的过程. 通过对仿真结果分析和误码性能测试表明, 该仿真系统完全符合实验要求.
1　仿真系统分析与设计
数字基带传输系统是把数字基带信号直接送往信道, 不经调制直接传输的系统. 数字基带系统的基本结构可以由图1 的模型表示[ 2] . 发送滤波器、传输信道、接收滤波器等效为传输函数为H (w) 基带形成网络, 对于无码间干扰的基带传输系统来说, H (w) 应满足奈奎斯特第一准则, 在实验中一般取H (w) 为升余弦滚降特性. 在最佳系统下, 取C(w) = 1,GT (w) 和GR(w) 均为升余弦平方根特性[ 2～4] . 传输信道中的噪声可看作加性高斯白噪声, 用产生高斯随机信号的噪声源表示. 位定时提取电路, 在定时精度要求不高的场合, 可以用滤波法提取定时信号[ 2, 5] , 滤波法提取位定时的原理可用图2 表示.

根据以上系统分析, 用SIMU LINK 搭建仿真模型. 首先把系统分解成信号发生器、发送/ 接收滤波器、传输信道、Manchester 编/ 解码器、位定时提取电路和采样判决电路这几个子系统. 然后对子系统分别进行构造和测试: 这些子系统是由SIMULINK 模块库提供的基本模块以及通信工具箱、数字信号处理工具箱提供的专用模块搭建并且经过封装形成的[ 6] . 为了显示仿真结果, 在模型中添加了示波器( Scope) 、功率谱密度仪( Power Spectral
Density) 、眼图( Eye- diag ram plot ) 、误码仪( Erro r rate) 等画图和显示模块. 图3 是数字基带传输系统实验的仿真模型.
1) 信号发生器( Sig nal generator)
信号发生器产生固定码速率的二进制单极性不归零信号.
2) 发送/ 接收滤波器( Raised co sine filter)
发送滤波器和接收滤波器都是升余弦平方根特性. 由于发送滤波器的输入信号是不归零信号而不是冲激信号, 因此在滤波器的输入端采取了均衡措施, 使其输出的波形为标准的升余弦脉冲. 另外由于升余弦滤波器是非因果滤波器, 滤波器当前的输出依赖于未来时刻的输入, 为解决这一问题, 在滤波器中人为地增加了时间延迟, 延迟的时间是码速率的整数倍.
3) 传输信道( AWGN channel )
信道引入加性高斯白噪声, 理论上, 高斯白噪声的功率谱是无限宽的, 但是在系统中只要噪声带宽远大于系统的最高带宽就可以满足要求, 因此在信道中引入的是限带高斯白噪声. 噪声源用相关时间比系统最短时间常数小得多的高斯分布随机序列发生器来模拟.
4) 采样判决( Sample and decide)
采样判决模块是在位定时信号上升沿到来的时刻, 对接收到的基带信号进行采样、判决, 恢复出信源比特流.
5) Manchester 编码器/ 解码器( Manchester enco der/ decoder)
为便于在接收端提取位定时信号, 在传输中使用了含有丰富定时信息的Manchester码, Manchester 编码器和解码器就完成码变换的功能, 编码规则为1→+ 1-1; 0→-1+ 1[ 2] .
6) 位定时信号提取电器( Sy nchr onizat ion picking )

位定时提取模块在接收端采用滤波法提取同步信号, 其内部结构如图4 所示. 与图2相对应, 过程依次是将接收信号放大、限幅、微分、整流、窄带滤波、放大、限幅、移相. 窄带滤波器使用了10 阶巴特沃斯带通滤波器[ 7] , 通带宽度0. 2 rad/ s.
7) 定时信号( Synchronizing signal)
为提高实验系统的精度, 也可以直接选择使用定时信号, 而不必考虑定时误差对系统的影响.
2　仿真结果分析
仿真进行时, 通过不同的显示模块可以观看到仿真实验系统各点的仿真结果.
1) 接收端信号波形和眼图( 图5～7)

从以上波形可见, 实验仿真系统的仿真结果与理论结果相一致, 达到了预期要求.
下面为验证仿真系统的准确性, 对系统进行定量分析. 以下分析是在不考虑定时误差( 即直接采用位定时信号) 的情况下, 对系统进行的误码性能测试, 作出误码性能曲线, 并与已知在无码间干扰的二进制双极性数字基带传输系统中, 当信源发送“1”码和“0”码等概, 且在最佳判决门限电平Vd = 0下. 系统的误码率为[ 2]

对数字基带传输仿真实验系统进行测试, 测试条件为, 在信噪比为0 dB 到11 dB的范围内取了16 个点进行误码率测试:当信噪比R < 10 dB 时传送5000 个码元,计算误码率; 当信噪R 􀀁 10 dB 时传送10000 个码元, 计算误码率. 根据测得的数据在MATLAB 命令窗内作误码率曲线并与理想系统误码率曲线比较, 比较结果如图12 所示. 从图中可以看出, 仿真系统误码率曲线与理想系统基本吻合.
3　结束语
计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型, 利用计算机进行实验研究的一种方法.它具有利用模型进行仿真的一系列优点, 如费用低, 易于进行真实系统难于实现的各种试验, 以及易于实现完全相同条件下的重复试验等. 用计算机对通信原理实验进行仿真, 可以节约资金, 并且保证了实验效果, 有利于推动教学的顺利进展.从以上仿真结果分析和误码性能验证来看, 实验仿真系统完全达到了实际可用的要求.
参　考　文　献
1　张志涌, 刘瑞桢, 杨祖樱. 掌握和精通MATLAB. 北京: 航空航天大学出版社, 1997. 236～265
2　樊昌信, 詹道庸, 徐炳祥, 吴成柯. 通信原理. 北京: 国防工业出版, 1995. 90～116
3　马宏杰. 数据通信. 北京: 中国铁道出版社, 1995. 37～40
4　丁玉美, 高西全, 彭学愚. 数字信号处理. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1994. 265～268
5　郭梯云, 刘增基, 王新海, 詹道庸, 杨洽. 数据传输. 北京: 人民邮电出版社, 1998. 123～164
6　施阳, 严卫生, 李俊, 郑会永. MATLAB 语言精要及动态仿真工具SIM ULINK. 西安: 西北工业大学出
版社, 1998. 67～81