基于MATLAB的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

1、基于MATLAB的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)xxx( xxxxxxxxxxxx學(xué)院江蘇)摘要介紹了通信原理課中數(shù)學(xué)基帶傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真軟件設(shè)計(jì)工作,該軟件是在MAT LAB 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真平臺(tái)SIMU LINK 上開發(fā)的. 在對(duì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)進(jìn)行分析基礎(chǔ)上, 描述了仿真模型的建立、實(shí)現(xiàn)以及仿真結(jié)果分析.關(guān)鍵詞數(shù)字通信系統(tǒng); 計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn); 計(jì)算機(jī)仿真0引言數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是通信原理課程中非常重要的一部分基礎(chǔ)性內(nèi)容, 為了使學(xué)生加深對(duì)通信系統(tǒng)的理解, 其中的一些概念、原理往往需要用實(shí)驗(yàn)來(lái)澄清, 但是該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)板在市場(chǎng)上沒有銷售, 而且該實(shí)驗(yàn)幾乎無(wú)法用硬件實(shí)現(xiàn); 一些替代性的實(shí)驗(yàn),

2、其實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于受多種因素影響, 也往往不能滿足要求. 因此, 開發(fā)一套數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)軟件是很有必要的.在仿真軟件設(shè)計(jì)中采用了Mathw or ks 公司的MAT LAB 作為仿真工具, 其仿真平臺(tái)SIMU LINK 具有可視化建模和動(dòng)態(tài)仿真的功能. 用SIMULINK 構(gòu)造仿真系統(tǒng), 方法簡(jiǎn)單直觀, 開發(fā)的仿真系統(tǒng)使用時(shí)間流動(dòng)態(tài)仿真, 可以準(zhǔn)確描述真實(shí)系統(tǒng)的每一細(xì)節(jié), 并且在仿真進(jìn)行的同時(shí)具有較強(qiáng)的交互功能, 易于使用. 另外該軟件還具有較好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性 1 .本文給出了采用仿真工具SIMU LINK, 設(shè)計(jì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)軟件的系統(tǒng)定義、模型構(gòu)造的過(guò)程. 通過(guò)對(duì)仿真

3、結(jié)果分析和誤碼性能測(cè)試表明, 該仿真系統(tǒng)完全符合實(shí)驗(yàn)要求.1仿真系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是把數(shù)字基帶信號(hào)直接送往信道, 不經(jīng)調(diào)制直接傳輸?shù)南到y(tǒng). 數(shù)字基帶系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可以由圖1 的模型表示 2 . 發(fā)送濾波器、傳輸信道、接收濾波器等效為傳輸函數(shù)為H (w) 基帶形成網(wǎng)絡(luò), 對(duì)于無(wú)碼間干擾的基帶傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō), H (w) 應(yīng)滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則, 在實(shí)驗(yàn)中一般取H (w) 為升余弦滾降特性. 在最佳系統(tǒng)下, 取C(w) = 1,GT (w) 和GR(w) 均為升余弦平方根特性 24 . 傳輸信道中的噪聲可看作加性高斯白噪聲, 用產(chǎn)生高斯隨機(jī)信號(hào)的噪聲源表示. 位定時(shí)提取電路, 在定時(shí)精度

4、要求不高的場(chǎng)合, 可以用濾波法提取定時(shí)信號(hào) 2, 5 , 濾波法提取位定時(shí)的原理可用圖2 表示.根據(jù)以上系統(tǒng)分析, 用SIMU LINK 搭建仿真模型. 首先把系統(tǒng)分解成信號(hào)發(fā)生器、發(fā)送/ 接收濾波器、傳輸信道、Manchester 編/ 解碼器、位定時(shí)提取電路和采樣判決電路這幾個(gè)子系統(tǒng). 然后對(duì)子系統(tǒng)分別進(jìn)行構(gòu)造和測(cè)試: 這些子系統(tǒng)是由SIMULINK 模塊庫(kù)提供的基本模塊以及通信工具箱、數(shù)字信號(hào)處理工具箱提供的專用模塊搭建并且經(jīng)過(guò)封裝形成的 6 . 為了顯示仿真結(jié)果, 在模型中添加了示波器( Scope) 、功率譜密度儀( Power SpectralDensity) 、眼圖( Eye-

5、diag ram plot ) 、誤碼儀( Erro r rate) 等畫圖和顯示模塊. 圖3 是數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的仿真模型.1) 信號(hào)發(fā)生器( Sig nal generator)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生固定碼速率的二進(jìn)制單極性不歸零信號(hào).2) 發(fā)送/ 接收濾波器( Raised co sine filter)發(fā)送濾波器和接收濾波器都是升余弦平方根特性. 由于發(fā)送濾波器的輸入信號(hào)是不歸零信號(hào)而不是沖激信號(hào), 因此在濾波器的輸入端采取了均衡措施, 使其輸出的波形為標(biāo)準(zhǔn)的升余弦脈沖. 另外由于升余弦濾波器是非因果濾波器, 濾波器當(dāng)前的輸出依賴于未來(lái)時(shí)刻的輸入, 為解決這一問題, 在濾波器中人為地增加了

6、時(shí)間延遲, 延遲的時(shí)間是碼速率的整數(shù)倍.3) 傳輸信道( AWGN channel )信道引入加性高斯白噪聲, 理論上, 高斯白噪聲的功率譜是無(wú)限寬的, 但是在系統(tǒng)中只要噪聲帶寬遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的最高帶寬就可以滿足要求, 因此在信道中引入的是限帶高斯白噪聲. 噪聲源用相關(guān)時(shí)間比系統(tǒng)最短時(shí)間常數(shù)小得多的高斯分布隨機(jī)序列發(fā)生器來(lái)模擬.4) 采樣判決( Sample and decide)采樣判決模塊是在位定時(shí)信號(hào)上升沿到來(lái)的時(shí)刻, 對(duì)接收到的基帶信號(hào)進(jìn)行采樣、判決, 恢復(fù)出信源比特流.5) Manchester 編碼器/ 解碼器( Manchester enco der/ decoder)為便于在接收端

7、提取位定時(shí)信號(hào), 在傳輸中使用了含有豐富定時(shí)信息的Manchester碼, Manchester 編碼器和解碼器就完成碼變換的功能, 編碼規(guī)則為1+ 1-1; 0-1+ 1 2 .6) 位定時(shí)信號(hào)提取電器( Sy nchr onizat ion picking )位定時(shí)提取模塊在接收端采用濾波法提取同步信號(hào), 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示. 與圖2相對(duì)應(yīng), 過(guò)程依次是將接收信號(hào)放大、限幅、微分、整流、窄帶濾波、放大、限幅、移相. 窄帶濾波器使用了10 階巴特沃斯帶通濾波器 7 , 通帶寬度0. 2 rad/ s.7) 定時(shí)信號(hào)( Synchronizing signal)為提高實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精度, 也可

8、以直接選擇使用定時(shí)信號(hào), 而不必考慮定時(shí)誤差對(duì)系統(tǒng)的影響.2仿真結(jié)果分析仿真進(jìn)行時(shí), 通過(guò)不同的顯示模塊可以觀看到仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各點(diǎn)的仿真結(jié)果.1) 接收端信號(hào)波形和眼圖( 圖57)從以上波形可見, 實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的仿真結(jié)果與理論結(jié)果相一致, 達(dá)到了預(yù)期要求.下面為驗(yàn)證仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性, 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量分析. 以下分析是在不考慮定時(shí)誤差( 即直接采用位定時(shí)信號(hào)) 的情況下, 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的誤碼性能測(cè)試, 作出誤碼性能曲線, 并與已知在無(wú)碼間干擾的二進(jìn)制雙極性數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中, 當(dāng)信源發(fā)送“1”碼和“0”碼等概, 且在最佳判決門限電平Vd = 0下. 系統(tǒng)的誤碼率為 2 對(duì)數(shù)字基帶傳輸仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)

9、行測(cè)試, 測(cè)試條件為, 在信噪比為0 dB 到11 dB的范圍內(nèi)取了16 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行誤碼率測(cè)試:當(dāng)信噪比R 10 dB 時(shí)傳送5000 個(gè)碼元,計(jì)算誤碼率; 當(dāng)信噪R 10 dB 時(shí)傳送10000 個(gè)碼元, 計(jì)算誤碼率. 根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)在MATLAB 命令窗內(nèi)作誤碼率曲線并與理想系統(tǒng)誤碼率曲線比較, 比較結(jié)果如圖12 所示. 從圖中可以看出, 仿真系統(tǒng)誤碼率曲線與理想系統(tǒng)基本吻合.3結(jié)束語(yǔ)計(jì)算機(jī)仿真是根據(jù)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的模型, 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法.它具有利用模型進(jìn)行仿真的一系列優(yōu)點(diǎn), 如費(fèi)用低, 易于進(jìn)行真實(shí)系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)的各種試驗(yàn), 以及易于實(shí)現(xiàn)完全相同條件下的重復(fù)試驗(yàn)等. 用計(jì)算機(jī)對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真, 可以節(jié)約資金, 并且保證了實(shí)驗(yàn)效果, 有利于推動(dòng)教學(xué)的順利進(jìn)展.從以上仿真結(jié)果分析和誤碼性能驗(yàn)證來(lái)看, 實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)完全達(dá)到了實(shí)際可用的要求.參考文獻(xiàn)1張志涌, 劉瑞楨, 楊祖櫻. 掌握和精通MATLAB. 北京: 航空航天大學(xué)出版社, 1997. 2362652樊昌信, 詹道庸, 徐炳祥, 吳成柯. 通信原理. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版, 1995. 901163馬宏杰. 數(shù)據(jù)通信. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 1995. 37404丁玉美, 高西全, 彭學(xué)愚. 數(shù)字信號(hào)處理. 西安: