信号的无失真传输.doc

中北大学
课程设计任务书

2011/2012 学年第 二 学期

学 院：
信息与通信工程学院 
专 业：

学 生 姓 名：

学 号：

课程设计题目：
无失真数字基带信号传输

起 迄 日 期:
2012年6月4日 ~ 2012年6月22日
课程设计地点:

指 导 教 师:

系主任：

下达任务书日期: 2012年 6月 4日

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的：
1、通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力；
2、掌握Matlab或SystemView的使用方法，能熟练运用该软件设计并仿真通信系统；
3、熟悉用数字基带信号传输的原理与方法；
4、通过仿真观察输入输出信号的波形及其特征；
5、通过信息处理实践的课程设计，掌握设计信息处理系统的思维方法。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
1、系统采样频率为学号（两位尾号）KHz，信号源幅度5V，码速率100bps的伪随机信号，
2、抽头个数为259的FIR低通滤波器，滤波器的截止频率为100Hz，在120Hz处有-60dB的衰落。
3、分析衰减系数；
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
第一部分：
1．根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定设计框图；
2．画出设计内容工作方框图，完成信号输出各部分的指标分配，计算各单元信号输出的参数和确定各单元的参数值，叙述主要功能部件及他们之间的控制关系和数据传输。
3. 用Matlab软件绘制仿真波形图；
第二部分：
1、在完成第一部分的基础上；
2. 利用SystemView或Matlab中Simulink仿真软件对电路图进行仿真。
1课 程 设 计 任 务 书
4．主要参考文献：

1. 樊昌信等.通信原理（第三版）.北京：国防工业出版社.2004
2. 郑君里等.信号与系统（第二版）.北京：高等教育出版社.2000
3. 苏金明等.MATLAB7.0实用指南（上下册）.北京：电子工业出版社.2004.
5．设计成果形式及要求：
1、设计的程序模块；
2、编写课程设计报告。
6．工作计划及进度：
第一部分：
2012年 6月4日 ~ 6月6日 设计程序流程框图；
6月7 日 ~ 6月 9日 设计程序模块；
6月10 日 ~ 6月 13 日 仿真信号输入、输出图形；
6月14 日 ~ 6 月 15 日 编写课程设计报告，答辩或成绩考核；
第二部分：
2012年 8月20日 ~ 8月21日 设计程序模块；
8月22 日 ~ 8月 23日 仿真信号输入、输出图形；
8月24 日 编写课程设计报告，答辩或成绩考核。

系主任审查意见：

签字：
年 月 日

目 录

一、 设计目的 ……………………………………… 1
二、 设计任务与要求及软件介绍…………………… 1
三、 设计步骤……………………………… …… 4
1、 实验预习 ……………………… ……… 4
2、 设计方案…………………………………… 9
3、 实验结果及结果分析………………… 10
四、 设计总结…………………………………… 13
五、 实验心得……………………………………… 14
六、 参考文献……………………………………… 14

一·实验目的
1、通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力；
2、掌握Matlab或SystemView的使用方法，能熟练运用该软件设计并仿真通信系统；
3、熟悉用数字基带信号传输的原理与方法；
4、通过仿真观察输入输出信号的波形及其特征；
5、通过信息处理实践的课程设计，掌握设计信息处理系统的思维方法。
二·设计任务与要求及软件介绍
1)设计任务及要求：
1、系统采样频率为学号（两位尾号）KHz，信号源幅度5V，码速率100bps的伪随机信号，
2、抽头个数为259的FIR低通滤波器，滤波器的截止频率为100Hz，在120Hz处有-60dB的衰落。
3、分析衰减系数；
2）软件介绍：
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、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。
MATLAB的最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。MATLAB的特点：①语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。②运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。③MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环while循环、break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。④语法限制不严格，程序设计自由度大。 ⑤程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。⑥MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。⑦MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。⑧功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱能用于多种学科。⑨源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。
Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你知真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过matlab来学习某个领域的科学知识，这就是matlab真正在全世界推广开来的原因。目前的matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以象vb等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱）所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，,matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了matlab的应用潜力。可以说，matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。 matlab还有非常完善的使用手册，不仅包括使用方法，还有涉及的科学知识，非常简单易读。
三·设计步骤
3.1实验预习
通信的根本任务是远距离的传递信息，准确地传输数字信息是数字通信的一个重要环节。在数字传输系统中，其传输对象通常是二进制的数字信息。设计数字传输系统的基本考虑的是选择一组有限的离散波形来表示数字信息。这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。由于未经调制的脉冲电信号所占据的频带通常是从直流和低频开始。因而称为数字基带信号。在某些有线信道中，特别是传输距离不远的情况下数字基带信号可以直接传输，我们称之为数字信号的基带传输。
数字基带信号传输的无失真条件：
原始二进制数字基带信号波形多数都是矩形波，在画频谱时通常只画出其能量最集中的频率范围，但这些基带信号在频域内实际上是无穷延伸的。如果直接采用矩形脉冲的基带信号作为传输码型，由于实际信道的频带是有限的，则传输系统接收端所得的信号频谱必定与发送端不同，这就会使接收端数字基带信号的波形失真。大多数有线传输情况下，信号频带不是陡然截止的，而且基带频谱也是逐渐衰减的，采用一些相对来说比较简单的补偿措施（如简单的频域或时域均衡）可以将失真控制在比较小的范围内。较小的波形失真对于二进制基带信号影响不大，只是使其抗噪声性能稍有下降，但对于多元信号，则可能造成严重的传输错误。当信道频带严格受限时（如数字基带信号经调制通过频分多路通信信道传输），波形失真问题就变得比较严重，尤其在传输多元信号时更为突出。为了研究波形传输的失真问题，我们首先来看一下基带信号传输系统的典型模型，如图 1 所示。

在发送端，数字基带信号 X(t)经发送滤波器输入到信道，发送滤波器的作用是限制发送频带，阻止不必要的频率成分干扰相邻信道。传输信道在这里是广义的，它可以是传输介质（电缆、双绞线等等），也可以是带调制解调器的调制信道。基带信号在信道中传输时常混入噪声 n(t)，同时由于信道一般不满足不失真传输条件，因此要引起传输波形的失真。所以在接收端输入的波形与原始的基带信号 X(t)差别较大，若直接进行抽样判决可能产生较大的误判。因此在抽样判决之前先经过一个接收滤波器，它一方面滤除带外噪声，另一方面对失真波形进行均衡。抽样和判决电路使数字信号得到再生，并改善输出信号的质量。根据频谱分析的基本原理，任何信号的频域受限和时域受限不可能同时成立。因此基带信号要满足在频域上的无失真传输，其信号波形在时域上必定是无限延伸的，这就带来了各码元间相互串扰问题。造成判决错误的主要原因是噪声和由于传输特性（包括发、收滤波器和信道特性）不良引起的码间串扰。基带脉冲序列通过系统时，系统的滤波作用使脉冲拖宽，在时间上，它们重叠到邻近时隙中去。接收端在按约定的时隙对各点进行抽样，并以抽样时刻测定的信号幅度为依据进行判决，来导出原脉冲的消息。若重叠到邻近时隙内的信号太强，就可能发生错误判决。若相邻脉冲的拖尾相加超过判决门限，则会使发送的“ O ”判为“ 1 ”。实际中可能出现好几个邻近脉冲的拖尾叠加，这种脉冲重叠，并在接收端造成判决困难的现象叫做码间串扰。因此可以看出，传输基带信号受到约束的主要因素是系统的频率特性。当然可以有意地加宽传输频带使这种干扰减小到任意程度。然而这会导致不必要地浪费带宽。如果展宽得太多还会将过大的噪声引入系统。因此应该探索另外的代替途径，即通过设计信号波形，或采用合适的传输滤波器，以便在最小传输带宽的条件下大大减小或消除这种干扰。奈奎斯特第一准则给我们指明了消除这种码间干扰的方法，并指出了信道带宽与码速率的基本关系。即

式为传码率，单位为波特／每秒。和分别为理想信道的低通截止频率和奈奎斯特带宽。上式说明了理想信道的频带利用率为 实际上，具有理想低通特性的信道是难以实现的，而实际应用的是具有滚降特性的信道。其带宽较奈奎斯特带宽增加的程度 ― 滚降系数可以表示为

其中 B 表示滚降信道的带宽。由于升余弦滚降滤波特性可使传输信号具有较大的功率，且收敛快而码间干扰小，已得到了广泛的应用。
在实际系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。
如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图。二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，“眼”开启得最大。当有码间串扰时，波形失真，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了，因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度。
由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个基带传输系统性能的优劣。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。通常眼图可以用所示的图形来描述。

由此图可以看出:（1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。（2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动(或误差)的灵敏度，斜边越陡，系统对定时抖动越敏感。（3）眼图左(右)角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。（4）在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。（5）在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决;（6）横轴对应判决门限电平 。
基带传输系统的输入信号是随机脉冲序列，为了使脉冲序列适合信道的传输，先经过码型变换器，将二进制脉冲序列变为适合信道传输的双极性码(AMI码或HDB3码），还要进行波形变换，使信号在基带传输系统内减小码间干扰。当信号经过信道时，由于信道特性不理想以及信道噪声的干扰，使信号受到干扰而变形。在接收端为了减小噪声的影响，首先使信号进入接收滤波器，然后再经过均衡器，校正波形失真或码间串扰。最后进行抽样，判决恢复出基带数字信号。
发送滤波器和接收滤波器的选择：滤波器的选取对信号的发送和接受很重要，为了减小抽样时刻偏差造成的码间干扰问题，要求发送滤波器应具有升余弦滚降特性，同时为了得到最大输出信噪比，在此选择平方根升余弦滤波器作为发送（接收）滤波器，滚降系数为0.5，接收滤波器与发送滤波器相匹配。以得到最佳的通信性能
信道的选择：信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，且含有加性噪声。因此本次系统仿真采用加性高斯白噪声信道。
抽样判决器的选择：抽样判决器是在传输行到特性不理想及含有噪声在规定时刻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。
3.2设计方案
3．2．1 信源的产生
产生随机序列，使其的幅度为5V，如图。

3．2．2 传输模块的实现

AWGN Channel(高斯信道)中mode选择Signal to noise radio(SNR),SNR(dB):100。发送端根升余弦传输滤波器用于对输入信号滤波成型，高斯信道中含有高斯白噪声，满足基带系统信道特征，接收端根升余弦接收滤波器对应于发送滤波器，用于匹配滤波，得到最大输出信噪比。
3．2. 3 抽样判决

3.2.4实验最终程序图

　3.3实验结果及结果分析

从中的波形来看，传输是有效的。第1行波形是待传输的基带信号，第2行波形是经过发送滤波器后的波形，第3行波形是经过加性高斯白噪声后的波形，第4行波形是经过接收滤波器的波形，第5行波形经过抽样判决后得到码型。
发送的基带信号经过信道传输接收到的信号相比较，结果相同，只是延迟了半个个码元，这说明所设计的基带系统没有产生误码，达到了抗码间干扰和抗噪声干扰的目的。
在信噪比为100d B的时候眼图如下：

在信噪比为10dB的时候眼图如下：

从图可看出，在信噪比为100 dB下观察眼图，“眼睛”睁开的角度很大，且没有“杂线”，说明系统在该信噪比下具有很好的抗码间干扰能力。
四．设计总结
在这次课程设计中，让我对所学知识的用处有了更深刻的领悟。课程设计培养了我们协调各模块关系及全面考虑模块参数设置方面的能力，在这次试验中大家都勤动手，多动脑努力完成任务，不仅在完成了实践任务，也积极努力的思考各模块的功能、搭配问题，完善了课本所学的理论知识。在设计过程中，知道了matlab软件在我们日常生活当中的重要性，每一步都是对我们所学知识的巩固，当遇到难题时，同学间的相互探讨，相互学习，这体现了同学间的团结。这次课程设计，看是简单，但是实际所用到的知识非常广，涉及到多个学科的知识。其中的每一个小点，都需要我们认真仔细的对待，虽然开始时候，觉得matlab 软件很难懂，但是经过看书学习以后，我发现其实这个复杂的软件其实也不是那么难掌握。 随着对软件的不断深入，我发现 matlab 软件的编程过程还是挺有意思的，即使是最开始编程过程中遇到很多困难，但是这些在软件的提示功能里面都可以发现哪里出现了错误，就可以即使的发现错误，并改正。在这次课程设计中，通过查阅相关的资料，不仅仅的扩展了自己的知识面，同时在使用 matlab 软件的过程中，不断的学习，不断的充实自己。在这次课程设计中，虽然遇到了很多困难，但是通过学习，使我更加深刻的理解到了信号的无失真传输过程。
五．实验心得
通过这次课程设计使我收获了很多。课程设计需要综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,并锻炼实践能力。通过这次课程设计使我懂得了现代通信技术在阐述过程中，怎样去做到信号我无失真传输，做到信号在传输过程中的损失最小。只有当理论知识是运用到实际中来，才能发挥出只是的力量，从理论中得出结论，才能真正为社会服务。在课程设计中也遇到了很多问题，通过这些问题也发现了自己的许多不足之处，通过在实验中，不断的改进，不断的学习，这样我又一次的把以前没有弄懂的知识复习了一遍。只有发现问题并改正问题，这样从而才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
六．参考文献
通信系统中MATLAB基础与仿真应用 西安电子科技大学出版社2009
Matlab通信工程仿真 机械工业出版社 2010
通信原理简明教程（第二版） 北京清华大学出版社 2007
MATLAB程序设计教程 高等教育出版社 2009