关于数字基带传输系统的滤波器研究毕业论文.doc

关于数字基带传输系统的滤波器研究引言：数字滤波-器(Digital Filter。Dr)是数字信号处理的重要内容，在对信号的过滤、检测与参数的估计等信号处理巾，数字滤波器是使用最为广泛的装置。无论存工业、农业和其它行业均有应用。数字滤波器实质L是一个有限精度隽=法实现的线性时不变离散系统，它的基本工作原理是利用离散系统特性对系统输入信号进行加工和变换，改变输入序列的频谱或信号波形，让有用的频率信号分量通过。抑制无用的信号分最输出。数字滤波器按照其冲激响应函数的时域特性，可分为无限长冲激响应(Infinite ImpulseResponse，nR)滤波器和有限长冲激响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器。在满足相同指标下，IIR滤波器的阶数明显小于兀R，硬件实现容易且大大减少r运算最，遗憾的是IIR是非线性相位，在不要求严格线性相位的情况卜IIR滤波器的应用相当广泛。而滚降滤波器的特点就是消除码间串扰而设计的一种滤波器类型，具有十分广泛的应用。1 功能介绍滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。本程序是一个关于数字基带传输系统的程序，使用MATLAB软件编写完成。2 功能实现程序由两个部分组成：MATLAB代码（.m文件）和GUI图形（.fig）。实现滤波器研究基带传输系统的流程：数字基带传输系统模型 基带传输中的码间串扰(升余弦滚降特性) 无码间串扰的传输特性滚降低通滤波器matlab眼图设计观察。备注：软件版本：MATLAB R2012b下图为该版本的运行界面2.1数字基带传输系统模型如图1所示一个典型的数字基带信号传输系统模型。 图1. 数字基带信号传输系统模型图图1中，基带码型编码电路的输出是携带着基带传输的典型码型信息的脉冲或窄脉冲序列，我们仅仅关注取值：0、1或1；发送滤波器又叫信道信号形成网络，它限制发送信号频带，同时将转换为适合信道传输的基带波形；信道可以是电缆等狭义信道也可以是带调制器的广义信道，信道中的窄带高斯噪声会给传输波形造成随机畸变；接收滤波器的作用是滤除混在接收信号中的带外噪声和由信道引入的噪声，对失真波形进行尽可能的补偿（均衡）；抽样判决器是一个识别电路，它把接收滤波器输出的信号波形放大、限幅、整形后再加以识别，进一步提高信噪比；码型译码将抽样判决器送出的信号还原成原始信码。2.2基带传输中的码间串扰（升余弦滚降特性） 数字通信的主要质量指标是传输速率和误码率，二者之间密切相关、互相影响。当信道一定时，传输速率越高，误码率越大。如果传输速率一定，那么误码率就成为数字信号传输中最主要的性能指标。从数字基带信号传输的物理过程看，误码是由接收机抽样判决器错误判决所致，而造成误判的主要原因是码间串扰和信道噪声。码间串扰的定义：由于系统传输特性不良或加性噪声的影响，使信号波形发生畸变，造成收端判决上的困难，因而造成误码，这种现象称为码间串扰。发生码间串扰时，脉冲会被展宽，甚至重迭（串扰）到邻近时隙中去成为干扰。 假如传输的一组码元是1110、采用双极性码、经发送滤波器后变为升余弦波形所示。经过信道后产生码间串扰，前3个“1”码的拖尾相继侵入到第4个“0”码的时隙中，如图2所示。图2 码间串扰示意升余弦升余弦滚降特性（数字基带信号码间串扰）标签：数字基带信号 码间串扰 升余弦滚降系统 频谱 时域波形 杂谈% 数字基带信号传输码间串扰 升余弦滚降系统的频谱及其时域波形% 文件名 syx_gunjiang.mTs=1;N=17;dt=Ts/N;df=1.0/(20.0*Ts);t=-10*Ts:dt:10*Ts;f=-2/Ts:df:2/Ts;a=0,0.5,1;for n=1:length(a)for k=1:length(f)if abs(f(k)0.5*(1+a(n)/TsXf(n,k)=0;elseif abs(f(k)0.5*(1+alpha)/ts;f(1+1)/ts xf(k)=0; elseif abs(f(k)0.5*(1-alpha)/ts;f(1+1)/ts xf(k)=ts; else xf(k)=0.5*ts*(1+cos(pi*ts/(alpha+eps)*(abs(f(k)-0.5*(1-alpha)/ts); end end xt=sinc(t/ts).*(cos(alpha*pi*t/ts)./(1-4*alpha2*t.2/ts2+eps); figure(1) plot(f,xf); axis(-1 1 0 1.2);xlabel(f/ts);ylabel(升余弦滚降系统);grid; figure(2) plot(t,xt); axis(-2 2 -0.1 1.1);xlabel(t);ylabel(升余弦滚降波形);grid; figure(3) na=length(a); tmp=length(xt); t1=na+tmp-1; tt=-(na+tmp-1)/2*dt:dt:(na+tmp-1)/2*dt-dt; xt3=conv(xt,a); plot(tt,xt3) xlabel(t);ylabel(基带波形);grid; figure(4),plot(a)图形一：设定一个随机序列的基带信号，给出的是已知基带信号序列aa=1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1;选取了13个码元,用MATLAB做出图如上。图形二：是升 余 弦 滚 将 系 统=1的 传 输 特 性 曲 线 图。随 着 的增大其h(t)的拖尾衰减越快，对位定时精度要求越低，但是也会使带宽增大。 图形三：是a=1的升余弦滚将特性h(t)的波形，该h(t)满足抽样值上无串扰的传输条件，而且尾部衰减较快，这有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。抽样频率在1/ts的时候，满足无码间串扰。图形四：基带信号经过升余弦滚将系统后的输出波形，是序列和余弦滚降系统的卷积结果。2.4滚降低通滤波器为了解决理想低通特性存在的问题，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢下降，这称为“滚降”。因此滚降低通滤波器的设计就显得十分的有必要，这也是为此设计的原因。1滚降低通滤波器特性例如图5(a)，这是一个具有升余弦滚降特性传递函数的低通滤波器， 从图形上看是3个相邻段H(-2/Ts)、H()、H(+2/Ts)分别被移到(-/Ts，/Ts)区间（即把图c、d移至图b中）迭加，得到的Heq()为一矩形如图e所示，此低通滤波器的带宽 当传输速率（）时，此基带传输系统可以实现无码间串扰。 图 5 升余弦滚降系统的时域响应图在实际中传输网络不可能是理想低通，通常采用满足几对称条件的滚降低通滤波器来等效理想低通。相应的波形如图所示。图6 升余弦滚降滤波器2滚降因子为带宽的扩展量与奈奎斯特带宽Wc之比。的特性：越大抽样函数的拖尾振荡起伏越小、衰减越快。与理想低通相比，它付出的代价是带宽增加了一倍。此时系统的最高传码率虽然没变，但频带宽度已被扩展，在01之间变化。可见，图示具有升余弦滚降传输特性的滤波器满足奈氏第一准则，其带宽 传输速率 （） 频带利用率 比理想低通滤波器的频带利用率低了一倍。3 . 通过程序设计滤波器例：用凯塞窗设计低通滤波器，通带边界频率p=0.3pi，阻带边界频率s=0.5pi，阻带衰减s不小于50dB。程序如下：b =fir1(29,0.4, kaiser(30,4.55);h1,w1=freqz(b,1);plot(w1/pi,20*log10(abs(h1);grid;h1,w1=freqz(b,1);xlabel(归一化频率/p);ylabel(幅度/dB);波形如下：2.5 MATLAB眼图设计观察在实际的基带传输系统中，由于难免存在滤波器的设计误差和信道特性的变化，所以无法实现理想的传输特性和滤波效果，存在码间串扰，从而导致系统性能的下降。而这些问题的存在又是客观存在的，不可能因为试验次数的多次进行而减小，因此引入眼图的概念加以解决。所谓眼图，是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称 为 “眼图”。从“眼图”上可 以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。下图为眼图的模型：（ 1 ）最佳抽样时刻应 在 “眼睛” 张开最大的时刻。 （ 2 ）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏。 （ 3 ）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。 （ 4 ）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。 （ 5 ）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。 （ 6 ）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。实现眼图的MATLAB编程要用到的函数有下面几个subplot plot title xlabel ylabel axis 下面结合具体的实例进行分析：数字基带信号波形及其眼图：% 升余弦滚降系统眼图% 数字基带信号波形及其眼图% 文件名：eye.mTs=1;N=15;eye_num=6;a=1;N_data=1000;dt=Ts/N;t=-3*Ts:dt:3*Ts;% 产生双极性数字信号d=sign(randn(1,N_data);dd=sigexpand(d,N);% 基带系统冲击响应（升余弦）ht=sinc(t/Ts).*(cos(a*pi*t/Ts)./(1-4*a2*t.2/Ts2+eps);st=conv(dd,ht);tt=-3*Ts:dt:(N_data+3)*N*dt-dt;subplot(211)axis(0 20 -1.2 1.2);xlabel(t/Ts);ylabel(基带信号);subplot(212)% 画眼图ss=zeros(1,eye_num*N);ttt=0:dt:eye_num*N*dt-dt;for k=3:50ss=st(k*N+1:(k+eye_num)*N);drawnow;plot(ttt,ss);hold on;end;xlabel(t/Ts);ylabel(基带信号眼图);-%将输入的序列扩成间隔为N-1个0的序列functionout=sigexpand(d,M) N=length(d);out=zeros(M,N);out(1,:)=d;out=reshape(out,1,M*N);3 程序总结本程序可扩展性好。可以多次改变参数数值，便于观察图形的变化，易于对实验原理的理解以及对实验分析的进行，本次程序编写中运用的函数较为普遍，适用性较好，且方便功能扩展；可是也存在着一些缺点，比如仿真的效果方面，由于仿真工具低下，使一些关键部分不能很好地展现出来。对此，是有要改进的。4 课程总结本课程设计的主要目的是熟悉无码间串扰的时域和频域条件，掌握典型的无码间干扰基带传输系统升余弦滚降系统。以及用matlab显示升余弦滚降波形及频谱以及接收端的基带信号波形。如：设基带传输系统响应是1a=的升余弦滚降系统，显示升余弦滚降波形及频谱，以及接收端的数字基带信号波形。通过实验，我们能加深对课程的理解，提高综合应用所学的知识解决实际问题的能力，得出科学研究的前期训练。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。附录（部分程序）clear allglobal dt t f df N T%全局变量close allN=213; %采样点数L=64; %每码元的采样点数 M=N/L;%码元数 Rb=2;%码速率是2Mb/sTs=1/Rb; %码元间隔 dt=Ts/L;%时域采样间隔 df=1/(N*dt); %频域采样间隔 T=N*dt; %截短时间 Bs=N*df/2; %系统带宽 %alpha=0.5;%滚降系数=0.5Na=4; %示波器扫描宽度为4个码元t=linspace(-T/2,T/2,N); %时域横坐标f=linspace(-Bs,Bs,N); %频域横坐标 db=input(请选择信噪比0-15:);b=input(采样偏差 b*Ts, b=-0.5,+0.5);alpha=input(滚降系数);Rt=input(占空比);if Rt=,Rt=0.5;end;hr1=sin(pi*t/Ts)./(pi*t/Ts);hr2=cos(alpha*pi*t/Ts)./(1-(2*alpha*t/Ts).2);hr=hr1.*hr2;HR=abs(t2f(hr);GT=sqrt(HR);GR=GT;EP=zeros(size(f)+eps;EPr=zeros(size(f)+eps;信噪比为,num2str(db),dB,采样偏差为 ,num2str(b),*Tsfor loop1=1:16 Eb_N0(loop1)=(loop1-1); %分贝值变为真值 eb_n0(loop1)=10(Eb_N0(loop1)/10); Eb=1; n0=Eb/eb_n0(loop1);%信道噪声谱密度 sita=n0*Bs; %噪声功率 n_err=0; %误码计数 for ii=1:20 code=sign(randn(1,M); imp=zeros(1,N);%产生冲激序列 imp(L/2:L:N)=code/dt; IMP=t2f(imp); Sa=IMP.*GT;%升余弦信号的傅氏变换 sa=f2t(Sa);%升余弦信号的时域波形 sa=real(sa); P=Sa.*conj(Sa)/T;%升余弦信号的功率谱 EP=(EP*(ii-1)+P)/ii; n_ch=sqrt(sita)*randn(size(t);%信道噪声 nr=real(f2t(t2f(n_ch).*GR);%输出噪声 Sr=Sa.*GR;%接收信号频谱 sr=real(f2t(Sr)+nr;%接收信号 y=sign(sr(L*(.5):L:N);%抽样判别 n_err=n_err+length(find(y=code);%误码数 Pr=Sr.*conj(Sr)/T; %平均功率 EPr=(EPr*(ii-1)+Pr)/ii; tt=0:dt:Na*L*dt; if loop1=db+1 画眼图; for jj=1:Na*L:N-Na*L figure(2); hold on; subplot(2,1,1); grid on; plot(tt,sa(jj:jj+Na*L);%画发送眼图 title(发送眼图); xlabel(t (us) ylabel(s(t) (V) axis(0,2,-2.3,2.3); hold on; subplot(2,1,2); grid on; plot(tt,sr(jj:jj+Na*L);%画接收眼图 title(接收眼图); xlabel(t (us) ylabel(s(t) (V) axis(0,2,-2.3,2.3); end end end if loop1=db+1 画波形图; s=zeros(1,N); s=reshape(code(ones(1,L),:),1,L*M); yo=zeros(1,N); yo=reshape(y(ones(1,L),:),1,L*M); figure(1) subplot(2,3,1); plot(t,s,LineWidth,2);%画发送码型 grid on; axis(-10,+10,1.5*min(s),1.5*max(s) xlabel(t (us) ylabel(s(t) (V) title(发送码形); subplot(2,3,2); plot(t,sa);%画生成波形 grid on; axis(-10,10,1.5*min(sa),1.5*max(sa); xlabel(t (us) ylabel(s(t) (V) title(发送生成波形); subplot(2,3,3) plot(f,30+10*log10(EP);%画功率谱 grid on; axis(-.05*Bs,.05*Bs,min(30+10*log10(EP)/3,1.5*max(30+10*log10(EP); xlabel(f (MHz) ylabel(Ps(f) (dBm/MHz) title(发送功率谱); subplot(2,3,4); plot(t,yo,LineWidth,2);%画接收码 grid on; axis(-10,+10,1.5*min(yo),1.5*max(yo) xlabel(t (us) ylabel(s(t) (V) title(接收码形); subplot(2,3,5); plot(t,sr);%画接受波形 grid on; axis(-10,10,1.5*min(sr),1.5*max(sr); xlabel(t (us) ylabel(sr(t) (V) title(接收波形); subplot(2,3,6) plot(f,30+10*log10(EPr+eps);%画接收功率谱 grid on; axis(-.05*Bs,.05*Bs,min(30+10*log10(EPr+eps)/2,1.5*max(30+10*log10(EPr+eps); xlabel(f (MHz) ylabel(Ps(f) (dBm/MHz) title(接收功率谱); end; Pe(loop1)=n_err/(M*ii)+eps; %平均误码率end figure(3) semilogy(Eb_N0,Pe,b); eb_n0=10.(Eb_N0/10);%还原为真值 hold on semilogy(Eb_N0,0.5*erfc(sqrt(eb_n0),r);%理论误码率曲线 axis(0,9,1e-5,1) title(误码率曲线); xlabel(Eb/N0) ylabel(Pe) legend(实验值,理论值); pause(0.001); %end;1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. 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