超聲檢測信號的采集與存儲

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院課 程 設(shè) 計 說 明 書學(xué)生姓名： 萬媛媛 學(xué) 號： 1305034403 學(xué) 院： 信息商務(wù)學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 題 目： 1 超聲檢測信號的采集與存儲 2雙極性碼的基帶傳輸仿真 3單極性歸零碼的功率譜密度分析 1111111111 4吉布斯現(xiàn)象的MATLAB實現(xiàn) 指導(dǎo)教師： 王浩全 職稱: 教授 2016 年 6 月 9 日 中北大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書 2016-2017 學(xué)年第 二 學(xué)期學(xué) 院： 信息商務(wù)學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 萬媛媛 學(xué) 號： 1305034403 課程設(shè)計題目：1 超聲檢測信號的采集與存儲 2雙極性碼的基帶傳輸仿真 3

2、單極性歸零碼的功率譜密度分析 4吉布斯現(xiàn)象的MATLAB實現(xiàn) 起 迄 日 期： 2016年6 月13日2016年7月1 日 課程設(shè)計地點： 系專業(yè)實驗室 指 導(dǎo) 教 師： 王浩全 系 主 任： 王浩全 下達任務(wù)書日期: 2016年6 月 9 日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書1設(shè)計目的：掌握信號的采集、存儲和處理方法2設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：1、掌握PCI總線（或USB）的基本結(jié)構(gòu)，了解基于PCI總線（或USB）A/D卡的通用結(jié)構(gòu)。寫出關(guān)于基于PCI總線（或USB）發(fā)展趨勢的報告。2、通過A/D卡，編寫檢測信號的采集、存儲程序。3、對雙極性碼進行數(shù)字基帶傳輸，利用

3、MATLAB進行仿真。4、單極性歸零碼的功率譜密度分析。5、吉布斯現(xiàn)象的MATLAB實現(xiàn)。3設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：程序演示、畢業(yè)設(shè)計說明書一份課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書4主要參考文獻：l 要求按國標(biāo)GB 771487文后參考文獻著錄規(guī)則書寫，例：1 傅承義，陳運泰，祁貴中.地球物理學(xué)基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，1985 （5篇以上）5設(shè)計成果形式及要求：程序6工作計劃及進度：2016年6 月13 日 2016年6月20 日：查資料，寫PCI 總線的發(fā)展現(xiàn)狀 6 月21 日 6 月29 日：對檢測信號進行分析處理 6月 30 日 7月 1 日：完

4、成課程設(shè)計說明書系主任審查意見： 簽字： 年 月 日設(shè)計說明書應(yīng)包括以下主要內(nèi)容：   （1）封面：課程設(shè)計題目、班級、姓名、指導(dǎo)教師、時間   （2）設(shè)計任務(wù)書   （3）目錄   （4）設(shè)計方案簡介   （5）設(shè)計條件及主要參數(shù)表   （6）設(shè)計主要參數(shù)計算   （7）設(shè)計結(jié)果   （8）設(shè)計評述,設(shè)計者對本設(shè)計的評述及通過設(shè)計的收獲體會   （9）參考文獻目 錄一、PC總線及A/D卡21.PCI簡介22.A/D

5、卡信號采集在Matlab上實現(xiàn)編程6二對極性碼進行數(shù)字基帶傳輸81.MATLAB的簡介81.1軟件介紹81.2 MATLAB的特點82數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的簡介83 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型84 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計及仿真115仿真結(jié)果分析14三單極性歸零碼的功率譜密度分析。201 教學(xué)實習(xí)的內(nèi)容202 教學(xué)實習(xí)的目的203 教學(xué)實驗的基本原理203.1 單極性歸零碼203.2 各種碼的比較214 仿真思路215 仿真源代碼226 結(jié)果及分析27四吉布斯現(xiàn)象的MATLAB的實現(xiàn)27一 什么是吉布斯現(xiàn)象？28二 吉布斯現(xiàn)象的由來28三 MATLAB程序：29四 結(jié)果圖31五.心得體會36六.參考文獻3

6、7一、PCI總線及A-D卡1.1 PCI簡介1.1.1 PCI含義PCI是Peripheral Component Interconnect(外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))的縮寫，是由Intel公司1991年推出的一種局部總線。1.1.2 PCI總線與A/D卡的連接PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。

7、 PCI它是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。PCI插槽也是主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在目前流行的臺式機主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有56個PCI插槽，而小一點的MATX主板也都帶有23個PCI插槽，可見其應(yīng)用的廣泛性。 圖1.2 PCI 數(shù)據(jù)采集工作原理圖圖8.1 A/D轉(zhuǎn)換過程圖如圖8.1所示，當(dāng)啟動采集后，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存，然后保存于每通道獨立的卡上存儲器中?？ㄉ洗鎯ζ飨喈?dāng)于環(huán)形緩沖，如果A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)樣點數(shù)超過了卡上存儲器的最大容量，新數(shù)據(jù)會覆蓋舊數(shù)據(jù)。這個過程是周而復(fù)始的，只有當(dāng)觸發(fā)條件滿足后，門陣列開始計數(shù)，計數(shù)達到指定值（該值由采

8、集長度決定）后，采集結(jié)束，卡上存儲器保存了滿足用戶需要的采集數(shù)據(jù)。上位機通過PCI接口門陣列經(jīng)由門陣列控制核心取得卡上存儲器樣點數(shù)據(jù)。上過程每通道是獨立進行的。每通道卡上存儲器最多可存儲8M樣點，且此參數(shù)可由DIP開關(guān)設(shè)置。1.1.3 PCI總線發(fā)展趨勢從1992年創(chuàng)立規(guī)范到如今，PCI總線已成為了計算機的一種標(biāo)準(zhǔn)總線。PCI總線取代了早先的ISA總線。當(dāng)然與在PCI總線后面出現(xiàn)專門用于顯卡的AGP總線，與現(xiàn)在的PCI Express總線相比，功能沒有那么強大，但是PCI能從1992用到現(xiàn)在，說明他有許多優(yōu)點，比如即插即用(Plug and Play)、中斷共享等。在這里我們對PCI總線做一個

9、深入的介紹。從數(shù)據(jù)寬度上看，PCI總線有32bit、64bit之分；從總線速度上分，有33MHz、66MHz兩種。目前流行的是32bit 33MHz，而64bit系統(tǒng)正在普及中。改良的PCI系統(tǒng)，PCI-X，最高可以達到64bit 133MHz，這樣就可以得到超過1GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。PCI總線系統(tǒng)要求有一個PCI控制卡，它必須安裝在一個PCI插槽內(nèi)。這種插槽是目前主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在當(dāng)前流行的臺式機主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有56個PCI插槽，而小一點的MATX主板也都帶有23個PCI插槽。根據(jù)實現(xiàn)方式不同，PCI控制器可以與CPU一次交換32位或64位數(shù)據(jù)，它允許智能PC

10、I輔助適配器利用一種總線主控技術(shù)與CPU并行地執(zhí)行任務(wù)。PCI允許多路復(fù)用技術(shù)，即允許一個以上的電子信號同時存在于總線之上。 由于PCI 總線只有133MB/s的帶寬，對聲卡、網(wǎng)卡、視頻卡等絕大多數(shù)輸入/輸出設(shè)備顯得綽綽有余，但對性能日益強大的顯卡則無法滿足其需求。Intel在2001年春季的IDF上，正式公布了旨在取代PCI總線的第三代I/O技術(shù)，該規(guī)范由Intel支持的AWG(Arapahoe Working Group)負責(zé)制定。2002年4月17日，AWG正式宣布3GIO1.0規(guī)范草稿制定完畢，并移交PCI-SIG（PCI特別興趣小組，PCI-Special Interest Grou

11、p）進行審核。開始的時候大家都以為它會被命名為Serial PCI(受到串行ATA的影響)，但最后卻被正式命名為PCI Express，Express意思是高速、特別快的意思。2002年7月23日，PCI-SIG 正式公布了PCI Express 1.0規(guī)范，并于2007年初推出2.0規(guī)范（Spec 2.0），將傳輸率由PCI Express 1.1的2.5GB/s提升到5GB/s；目前主流的顯卡接口都支持PCI-E 2.0。 PCI-8310數(shù)據(jù)采集卡硬件說明一. 概述 PCI-8310 模入接口卡適用于提供了PCI 總線插槽的PC系列微機，具有即插即用（PnP）的功能。其操作系統(tǒng)可選用目前

12、流行的 Windows 系列、高穩(wěn)定性的Unix等多種操作系統(tǒng)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW 等軟件環(huán)境。在硬件的安裝上也非常簡單，使用時只需將接口卡插入機內(nèi)任何一個PCI總線插槽中并用螺絲固定，信號電纜從機箱外部直接接入。 PCI-8310 模入接口卡允許采用32路單端輸入方式或16路雙端輸入方式。用戶可根據(jù)需要選擇測量單極性信號或雙極性信號。其輸入的模擬信號由卡前端的37芯D型插頭直接接入。本卡還提供了TTL電平的16路輸入和16路輸出信號通道，這些信號通道由卡后端的40芯扁平電纜轉(zhuǎn)換為37芯D型插頭提供給用戶。二. 主要技術(shù)參數(shù) 1模入部分(標(biāo)*為出廠標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同) （1）輸入

13、通道數(shù)：單端32路*；雙端16路（2）輸入信號范圍： 0V10V*；5V5V； -10V10V（3）輸入阻抗：10M（4）AD轉(zhuǎn)換分辨率：12位（5）AD轉(zhuǎn)換速率：10S（6）AD啟動方式：程序啟動（7）AD轉(zhuǎn)換非線性誤差：±1LSB（8）AD轉(zhuǎn)換輸出碼制：單極性原碼*雙極性偏移碼（9）系統(tǒng)綜合誤差：0.1 F.S2.開關(guān)量部分（1）輸入路數(shù)：16路TTL電平（2） 輸出路數(shù)：16路TTL電平（3） 電源功耗：5V(±10) 500mA（4）環(huán)境要求：工作溫度： 1040相對濕度： 4080存貯溫度：-5585 （5） 外型尺寸(不含檔板)：長×高164.8mm&

14、#215;106.7mm ( 6.5英寸×4.2英寸)三. 工作原理PCI-8310 模入接口卡主要由模擬多路開關(guān)選通電路、差分放大器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量輸入輸出電路和接口控制邏輯電路組成。1 模擬多路開關(guān)選通電路： 模擬通道開關(guān)由4片MPC508（或同類產(chǎn)品）及跨接器KJ1、KJ2組成，可以從32路單端信號或16路雙端信號中任選一路，送入差分放大器。2差分放大器電路： 差分放大器由3個運算放大器以及相關(guān)的電阻、電容組成一個標(biāo)準(zhǔn)的儀用差分放大器，用以對通道開關(guān)選中的模擬信號進行變換處理。3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：12位逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器ADS774片內(nèi)自帶精密基準(zhǔn)源，并經(jīng)激光修調(diào)，具有

15、較高的轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換精度，其轉(zhuǎn)換時間僅為 10S。AD轉(zhuǎn)換器由程序啟動，其轉(zhuǎn)換狀態(tài)的結(jié)束可由程序查詢讀出或產(chǎn)生結(jié)束中斷申請。AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號幅度由跨接器KJ3 選擇， AD 轉(zhuǎn)換后的輸出代碼形式由跨接器KJ4選擇，可分別輸出二進制原碼或雙極性偏移二進制碼。電位器W1 用于零點調(diào)節(jié)，W2 用于雙極性偏移調(diào)節(jié)，W3 用于滿量程增益調(diào)節(jié)。4 開關(guān)量輸入輸出電路：本卡還提供了各16路的開關(guān)量輸入輸出信號通道。使用中需注意對這些信號的要求應(yīng)嚴(yán)格符合TTL 電平規(guī)范。5 接口控制邏輯電路：接口控制邏輯電路用來將PCI總線控制邏輯轉(zhuǎn)換成與各種操作相關(guān)的控制信號。 四. 安裝本卡的安裝十分簡便，只要將

16、主機機殼打開，在關(guān)電情況下，將本卡插入主機的任何一個空余PCI擴展槽中，再將檔板固定螺絲壓緊即可。本卡采用的模擬開關(guān)是COMS 電路，容易因靜電擊穿或過流造成損壞，所以在安裝或用手觸摸本卡時，應(yīng)事先將人體所帶靜電荷對地放掉，同時應(yīng)避免直接用手接觸器件管腳，以免損壞器件。禁止帶電插拔本接口卡。本卡跨接選擇器較多，使用中應(yīng)嚴(yán)格按照說明書進行設(shè)置操作。設(shè)置接口卡開關(guān)、跨接套和安裝接口帶纜時均應(yīng)在關(guān)電狀態(tài)下進行。當(dāng)模入通道不全部使用時，應(yīng)將不使用的通道就近對地短接，不要使其懸空，以避免造成通道間串?dāng)_和損壞通道。為保證安全及采集精度，應(yīng)確保系統(tǒng)地線（計算機及外接儀器機殼）接地良好。特別是使用雙端輸入方式

17、時，為防止外界較大的共模干擾，應(yīng)注意對信號線進行屏蔽處理。當(dāng)本卡使用的信號環(huán)境較為惡劣時，為保護本卡和主機，用戶可以在本卡前端的預(yù)留位置加裝雙向TVS舜態(tài)電壓保護管。但加裝TVS管后，TVS管的特性將使本卡的輸入阻抗下降，同時對信號源的驅(qū)動能力有一定的要求，否則將降低本卡的采樣精度。五. 使用注意事項1 模入部分：本卡前端37芯D型插座（CZ1）的信號定義見表1 ，用戶可根據(jù)需要選擇連接信號線(單端)或信號線組(雙端)。為減少信號雜波串?dāng)_和保護通道開關(guān)，凡不使用的信號端應(yīng)就近與模擬地短接。表1 CZ1模擬輸入信號端口定義(括號內(nèi)表示雙端方式)插座引腳號信 號 定 義插座引腳號信 號 定 義1模

18、擬地20模擬地2CH1(CH1+)21CH17(CH1-)3CH2(CH2+)22CH18(CH2-)4CH3(CH3+)23CH19(CH3-)5CH4(CH4+)24CH20(CH4-)6CH5(CH5+)25CH21(CH5-)7CH6(CH6+)26CH22(CH6-)8CH7(CH7+)27CH23(CH7-)9CH8(CH8+)28CH24(CH8-)10CH9(CH9+)29CH25(CH9-)11CH10(CH10+)30CH26(CH10-)12CH11(CH11+)31CH27(CH11-)13CH12(CH12+)32CH28(CH12-)14CH13(CH13+)33C

19、H29(CH13-)15CH14(CH14+)34CH30(CH14-)16CH15(CH15+)35CH31(CH15-)17CH16(CH16+)36CH32(CH16-)18NC（空腳）37模擬地19模擬地2.開關(guān)量部分：本卡后端40芯扁平線插座(CZ2)的信號定義見表2 。 表2 CZ2開關(guān)量輸入輸出信號端口定義插座引腳號信 號 定 義插座引腳號信 號 定 義1+5V電源輸出2+5V電源輸出3DI14DI25DI36DI47DI58DI69DI710DI811DI912DI1013DI1114DI1215DI1316DI1417DI1518DI1619DO120DO221DO322DO

20、423DO524DO625DO726DO827DO928DO1029DO1130DO1231DO1332DO1433DO1534DO1635數(shù)字地36數(shù)字地37數(shù)字地38數(shù)字地39數(shù)字地40數(shù)字地3 40芯扁平電纜轉(zhuǎn)換為37芯D型插頭后的信號定義見表3 。 表3 轉(zhuǎn)換為37芯D型插頭時開關(guān)量輸入輸出信號端口定義插座引腳號信 號 定 義插座引腳號信 號 定 義1+5V電源輸出20+5V電源輸出2DI121DI23DI322DI44DI523DI65DI724DI86DI925DI107DI1126DI128DI1327DI149DI1528DI1610DO129DO211DO330DO412DO

21、531DO613DO732DO814DO933DO1015DO1134DO1216DO1335DO1417DO1536DO1618數(shù)字地37數(shù)字地19數(shù)字地4 .控制端口與數(shù)據(jù)格式：(1)各控制端口的地址與功能見表4： 表4 端口地址與功能表端口地址操作命令(字操作)功 能基地址+0寫寫通道代碼基地址+2寫啟動AD轉(zhuǎn)換，清除中斷申請基地址+2讀讀A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志和結(jié)果基地址+4讀讀DI開關(guān)量數(shù)據(jù)基地址+6寫寫DO開關(guān)量數(shù)據(jù)注：所有操作均為16位。(2)模入通道代碼數(shù)據(jù)格式見表5(端口地址為基地址+0)： 表5 模入通道代碼數(shù)據(jù)格式通道號十進制代碼十六進制代碼輸入方式通道號十進制代碼十六進制代碼輸

22、入方式1000H單雙171610H單2101H單雙181711H單3202H單雙191812H單4303H單雙201913H單5404H單雙212014H單6505H單雙222115H單7606H單雙232216H單8707H單雙242317H單9808H單雙252418H單10909H單雙262519H單11100AH單雙27261AH單12110BH單雙28271BH單1312OCH單雙29281CH單1413ODH單雙30291DH單15140EH單雙31301EH單16150FH單雙32311FH單(3)讀AD轉(zhuǎn)換標(biāo)志和結(jié)果，數(shù)據(jù)格式見表6(端口地址為基地址+2)： 表6 讀AD轉(zhuǎn)換標(biāo)

23、志和結(jié)果數(shù)據(jù)格式(x表示任意)命令D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0AD轉(zhuǎn)換狀態(tài)讀1xxxxxxxxxxxxxxx正在轉(zhuǎn)換讀0000DB11DB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0轉(zhuǎn)換結(jié)束注：雙極性時DB11為符號位(4)開關(guān)量輸入輸出信號的數(shù)據(jù)格式： 開關(guān)量輸入輸出信號的數(shù)據(jù)格式采用的是位方式，即一個字中的任意一位對應(yīng)一路輸入輸出信號（端口地址為基地址+4；+6）。 表7 開關(guān)量輸入輸出信號數(shù)據(jù)格式端口地址操作命令D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0基地址+4讀DI16DI15DI1

24、4DI13DI12DI11DI10DI9DI8DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1基地址+6寫DO16DO15DO14DO13DO12DO11DO10DO9DO8DO7DO6DO5DO4DO3DO2DO12. 信號的采集與顯示 PCI-8310數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動說明 一、驅(qū)動適用范圍 1. 適用于windows98,2K,XP系統(tǒng) 2. 編程適用于VC,VB,Delphi等決大多數(shù)編程語言 二、與上一個版本驅(qū)動的區(qū)別 1. 增加了一些錯誤號 2. 函數(shù)名普遍加了前綴“ZT8310” 3. 增加了成批AD的函數(shù) ZT8310_AI 4. 廢棄了用結(jié)構(gòu)體傳遞參數(shù)的方式 三、驅(qū)動函數(shù)的參數(shù)說明 請

25、以這個版本驅(qū)動中的PCI8310.h文件中所述為準(zhǔn)。PCI8310.h是一個純文本文件，可用寫字板或WORD打開。 推薦：如果用 VC 或 UltraEdit 打開，其中的注釋及關(guān)鍵字會有不同的顏色，從而有助于閱讀。 四、編程 1. 首先在程序初始化時調(diào)用 ZT8310_OpenDevice 函數(shù)，用于打開設(shè)備，只調(diào)一次即可； 2. 調(diào)用其他函數(shù)，完成AD、DI、DO等工作 3. 在程序退出前調(diào)用 ZT8310_CloseDevice 函數(shù)提示：在這版驅(qū)動中，板卡的序號是從1開始的；如果函數(shù)返回 -1，應(yīng)該調(diào)用ZT8310_ClearLastErr 函數(shù)得到錯誤號，然后去PCI8310.h文件

26、中查找這個錯誤號對應(yīng)的含義；一旦錯誤號不為0，如果想重新使函數(shù)正常工作，必須調(diào)用 ZT8310_ClearLastErr 函數(shù)清除錯誤號。相關(guān)程序：void CMy8310_demo_vcDlg:OnButton1() / TODO: Add your control notification handler code here/開始采集/32通道，010000mV采集 ZT8310_AIinit(m_cardNO, 1, 32, 2, 0, 0, 0, 0, 0, 100);SetTimer(IDC_TIMER_AD, 100, NULL);void CMy8310_demo_vcDlg:O

27、nTimer(UINT nIDEvent) / TODO: Add your message handler code here and/or call defaultif( nIDEvent = IDC_TIMER_AD ) long wantCount, retCount; wantCount = 32; retCount = ZT8310_AI(m_cardNO, m_saveData, wantCount);CString tempStr;tempStr.Format("error number: %d", ZT8310_GetLastErr();SetWindow

28、Text(tempStr); /顯示前32個數(shù)for(int i=0; i<32; i+)tempStr.Format("%d mV", m_saveDatai);SetDlgItemText(IDC_STATIC_AD0+i, tempStr);UpdateData(TRUE);CDialog:OnTimer(nIDEvent);void CMy8310_demo_vcDlg:OnButton2() / TODO: Add your control notification handler code here/停止采集KillTimer(IDC_TIMER_AD);

29、MATLAB下實現(xiàn)信號的顯示 fid=fopen('e:材料A026B001','r'); q=fscanf(fid,'%8f',1,600); fclose(fid); plot(q); grid on;二對極性碼進行數(shù)字基帶傳輸2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的簡介2.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)：不使用調(diào)制和解調(diào)裝置而直接傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)。信道信號形成器信道接收濾波器抽樣判決器基帶脈沖 基帶脈沖 輸入 輸出同步提取 圖2-1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)方框圖圖2-1是一個典型的數(shù)字基帶信號傳輸系統(tǒng)方框圖。可見，數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是由發(fā)送濾波器（信道信號形

30、成器）、信道、接收濾波器和抽樣判決器組成的。為了保證系統(tǒng)可靠有序地工作，還應(yīng)有同步系統(tǒng)。3數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型3.1 基帶系統(tǒng)傳輸模型和工作原理數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成框圖如圖3-2所示，它通常由脈沖形成器、發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、抽樣判決器與碼元再生器組成。系統(tǒng)工作過程及各部分作用如下。抽樣判決抽樣判決接 收濾波器帶限信 道發(fā) 送濾波器 M進制 數(shù)字信息 輸出 定時信號 圖3-2 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)方框圖發(fā)送濾波器進一步將輸入的矩形脈沖序列變換成適合信道傳輸?shù)牟ㄐ?。這是因為矩形波含有豐富的高頻成分，若直接送入信道傳輸，容易產(chǎn)生失真。基帶傳輸系統(tǒng)的信道通常采用電纜、架空明線等。信道既傳送

31、信號，同時又因存在噪聲和頻率特性不理想而對數(shù)字信號造成損害，使得接收端得到的波形與發(fā)送的波形具有較大差異。接收濾波器是收端為了減小信道特性不理想和噪聲對信號傳輸?shù)挠绊懚O(shè)置的。其主要作用是濾除帶外噪聲并對已接收的波形均衡，以便抽樣判決器正確判決。抽樣判決器首先對接收濾波器輸出的信號在規(guī)定的時刻（由定時脈沖控制）進行抽樣，獲得抽樣信號，然后對抽樣值進行判決，以確定各碼元 是 “1”碼還是“0” 碼。3.2基帶系統(tǒng)設(shè)計中的碼間干擾和噪聲干擾解決方案1.碼間干擾及解決方案碼間干擾：由于基帶信號受信道傳輸時延的影響，信號波形將被延遲從而擴展到下一碼元，形成碼間干擾，造成系統(tǒng)誤碼。解決方案： 要求基帶系

32、統(tǒng)的傳輸函數(shù)H(f)滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則：若不能滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則，在接收端加入時域均衡，減小碼間干擾?；鶐到y(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)H()應(yīng)具有升余弦滾降特性。如圖2所示。這樣對應(yīng)的h(t)拖尾收斂速度快，能夠減小抽樣時刻對其他信號的影響即減小碼間干擾。圖3-3 升余弦滾降特性2.噪聲干擾及解決方案噪聲干擾：基帶信號沒有經(jīng)過調(diào)制就直接在含有加性噪聲的信道中傳輸，加性噪聲會疊加在信號上導(dǎo)致信號波形發(fā)生畸變。解決方案： 在接收端進行抽樣判決； 匹配濾波，使得系統(tǒng)輸出性噪比最大。4 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計及仿真4.1基帶系統(tǒng)設(shè)計方案信源的選擇：常見的基帶信號波形有：單極性波形、雙極性波形、單極性歸零波形和雙

33、極性歸零波形。雙極性波形可用正負電平的脈沖分別表示二進制碼“1”和“0”，故當(dāng)“1”和“O”等概率出現(xiàn)時無直流分量，有利于在信道中傳輸，且在接收端恢復(fù)信號的判決電平為零，抗干擾能力較強。本次設(shè)計所采用的曼徹斯特碼就是一種典型的雙極性不歸零碼。在simulink的環(huán)境下產(chǎn)生該信號需將“Bernoulli Binary Generator”模塊和 “Pulse Generator”模塊各自產(chǎn)生的信號經(jīng)過一個“Relay”模塊判決后再經(jīng)過一個相乘器“Product”模塊。發(fā)送濾波器和接收濾波器的選擇：基帶系統(tǒng)設(shè)計的核心問題是濾波器的選取，根據(jù)對信源的分析，為了使系統(tǒng)沖激響應(yīng)h(t)拖尾收斂速度加快，

34、減小抽樣時刻偏差造成的碼間干擾問題，要求發(fā)送濾波器應(yīng)具有升余弦滾降特性，同時為了得到最大輸出信噪比，在此選擇平方根升余弦濾波器作為發(fā)送（接收）濾波器，滾降系數(shù)為0.5，接收濾波器與發(fā)送濾波器相匹配。以得到最佳的通信性能（即誤碼率最?。┬诺赖倪x擇：信道是允許基帶信號通過的媒質(zhì)，通常為有線信道，信道的傳輸特性通常不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，且含有加性噪聲。因此本次系統(tǒng)仿真采用高斯白噪聲信道。抽樣判決器的選擇：抽樣判決器是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時刻(由位定時脈沖控制)對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。根據(jù)曼徹斯特碼的碼性特點，故在接收中的判決門限為0。即采用由“Pul

35、se Generator”脈沖模塊“Relay”判決模塊“Product”相乘器模塊“Triggered Subsystem”保持模塊構(gòu)成的抽樣判決器4.2.4基帶傳輸系統(tǒng)的總模型：5仿真結(jié)果分析5.1曼徹斯特編碼前與編碼后波形圖4-14曼徹斯特碼編碼前與編碼后波形5.2發(fā)送數(shù)據(jù)波形與接收數(shù)據(jù)波形。圖4-15發(fā)送數(shù)據(jù)波形與接收數(shù)據(jù)波形從以上兩圖可以看出，曼徹斯特的編碼完全正確，發(fā)送數(shù)據(jù)波形與接收數(shù)據(jù)波形完全吻合，由于誤碼率很低且示波器的顯示范圍有限，在圖4-15中看不到傳輸錯誤的碼元。通過接收端與發(fā)送端時域波形對比，可以看出設(shè)計的抽樣判決器的抽樣判決門限比較合理，可以順利的完成對基帶信號的抽樣

36、判決，與理論分析相一致。5.3經(jīng)過濾波器、信道的各點時域波形圖4-16 經(jīng)過濾波器、信道的各點時域波形上圖第一個波形為發(fā)送濾波器輸出端時域波形，產(chǎn)生了規(guī)律的比較適合信道傳輸?shù)牟ㄐ?，比較光滑。中間的波形為信道輸出端的時域波形，由于信噪比不是太高，對發(fā)送濾波器輸出的信號影響不明顯。最下端的波形為接收濾波器輸出時域波形?？梢砸姷模肼暠换緸V除，接收濾波器輸出波形比較平滑。5.4曼徹斯特碼元與解碼后的波形比較圖4-17 曼徹斯特碼元與解碼后的波形比較通過這兩個波形比較，可以看出數(shù)據(jù)經(jīng)過發(fā)送濾波器、AWGN信道、接收濾波器、采樣、判決恢復(fù)后，基本完全與原波形一致。5.5接收眼圖波形與分析圖4-18 接

37、收眼圖波形（1）從上圖中可以看出，眼圖的線跡比較細，比較清晰，并且“眼睛”很大,說明誤碼率比較低，碼間串?dāng)_與噪聲對系統(tǒng)傳輸可靠性影響不大。（2）從上圖中可以看出最佳時刻是0.2,0.7,1.2,1.7左右等時刻“眼睛”最大即抽樣最佳時刻。（3）因為眼圖眼邊的斜率比較大，所以看出定時誤差靈敏度比較敏感。（4）“眼睛”張開的寬度為可抽樣的時間范圍。（5）抽樣時刻，上下兩個陰影區(qū)的間隔距離之半為噪聲容限，若噪聲瞬時值超過它就可能發(fā)生錯判。5.6發(fā)送信號與接收信號功率譜估計與分析。圖4-19發(fā)送信號功率譜 圖4-20 接收信號功率譜從兩圖比較中可以看出，接收信號的功率譜與發(fā)送信號的功率譜基本完全一樣，

38、說明整個基帶傳輸系統(tǒng)模型的設(shè)計是合理的，能滿足要求，具有較好的抗碼間串?dāng)_的能力。三單極性歸零碼的功率譜密度分析。1 教學(xué)實習(xí)的內(nèi)容單雙極性歸零碼波形及功率譜仿真程序設(shè)計，調(diào)試及運行。通過仿真測量占空比為25%、50%、75%以及100%的單極性歸零碼波形及其功率譜。2 教學(xué)實習(xí)的目的加深對單極性歸零碼波形及功率譜的理解與認(rèn)識，了解單極性歸零碼波形及功率譜仿真方法。首先理解單極性歸零碼波形及功率譜的基本原理，根據(jù)實際問題，設(shè)計好仿真程序，并上機調(diào)試運行，寫出實習(xí)報告。3 教學(xué)實驗的基本原理3.1 單極性歸零碼當(dāng)發(fā)碼時，發(fā)出正電流，但持續(xù)時間短于一個碼元的時間寬度，即發(fā)出一個窄脈沖；當(dāng)發(fā)碼時，仍然

39、不發(fā)送電流。 單極性歸零碼在符號等概出現(xiàn)且互不相關(guān)的情況下，功率譜主瓣寬度為，其頻譜含有連續(xù)譜、直流分量、離散始終分量及其奇次諧波分量。3.2 各種碼的比較不歸零碼(None Return Zero Code)在傳輸中難以確定一位的結(jié)束和另一位的開始，需要用某種方法使發(fā)送器和接收器之間進行定時或同步。歸零碼( Return Zero Code)的脈沖較窄，根據(jù)脈沖寬度與傳輸頻帶寬度成反比的關(guān)系，因而歸零碼在信道上占用的頻帶較寬。 單極性碼會積累直流分量；雙極性碼的直流分量大大減少，這對數(shù)據(jù)傳輸是很有利的。4 仿真思路4.1 產(chǎn)生RZ碼采用歸零矩形脈沖波形的數(shù)字信號，可以用以下方法產(chǎn)生信號矢量。

40、設(shè)是碼元矢量，N是總?cè)狱c數(shù)，M是總碼元數(shù)，L是每個碼元內(nèi)的點數(shù)，是要求的占空比，是仿真系統(tǒng)的時域采樣間隔，則RZ信號的產(chǎn)生方法是4.2 仿真功率譜密度任意信號的功率譜的定義是其中是截短后的傅氏變換，是的能量譜，是在截短時間內(nèi)的功率譜。對于仿真系統(tǒng)，若是時域取樣值矢量，X是對應(yīng)的傅氏變換，那么的功率譜便為。針對隨機過程，其平均功率譜密度定義為各樣本功率譜密度的數(shù)學(xué)期望4.3 作出仿真圖由于需要作出的圖形較多，且圖形間需要對比，故采用了兩種視圖進行繪圖，一是各個占空比的RZ碼波形圖和其功率譜進行橫向?qū)Ρ龋欠謩e作出各占空比下的單極性歸零碼波形，以便于觀察。另外，各個占空比的RZ碼波形和其頻譜變

41、換后的結(jié)果使用多行的矩陣進行存儲，方便最后作圖，因而代碼顯得有些冗余?？筛挠枚x函數(shù)，輸入?yún)?shù)的方式給出不同占空比下的計算與繪圖。4.4 程序框圖對于單極性歸零碼：產(chǎn)生M個0、1等概隨機碼產(chǎn)生各占空比單極性歸零碼波形單極性歸零碼的功率譜密度作圖5 仿真源代碼%This is exp11 of communication matlab experiment.%Simulate digital coding wave and its power spectrum%duty ratio 25%,50%,75%,100% %both bipolar and unipolar RZ code%Prepa

42、re workspaceclear allclose all%-%common definitionsratio = 0.25,0.5,0.75,1;L = 128; % sample points every bit intervalN = 214; % total sample pointsM = N/L; % total bitsRs = 10; %kbit/sTs = 1/Rs; %bits' time intervalT = M*Ts; % periodfs = N/T; % sampling ratet = -T/2:1/fs:T/2-1/fs; % time domain

43、df = 1/T; % minimum frequency-domain resolutionf = -fs/2:df:fs/2-df; %frequecy domain%-%generate unipolar RZ code%prelocate space for speedratiolen = length(ratio);Frz_unipolar = zeros(ratiolen,length(f);Frz_bipolar = zeros(ratiolen,length(f);rz_unipolar = zeros(ratiolen,L*M);rz_bipolar = zeros(rati

44、olen,L*M);%loop to generate RZ code in different duty ratioEP1=zeros(size(f)+eps;EP2=zeros(size(f)+eps;for ii = 1:ratiolen for loop = 1:200 %generate unipolar data unip = (randn(1,M)>0); %generate bipolar data bip = sign(randn(1,M); tmp1 = zeros(L,M); % zero matrix : L by M tmp2 = zeros(L,M); Lii

45、 = L*ratio(ii); % apply duty ratio tmp1(1:Lii,:) = ones(Lii,1)*unip; % unipolar RZ code matrix tmp2(1:Lii,:) = ones(Lii,1)*bip; % bipolar RZ code matrix rz_tmp1 = tmp1(:)' % unipolar rz code array rz_tmp2 = tmp2(:)' % bipolar rz code array Frz_tmp1 = t2f(rz_tmp1,fs); % Fourier Transform Frz_

46、tmp2 = t2f(rz_tmp2,fs); %P1 = abs(Frz_tmp1).2/T; P1 = Frz_tmp1.*conj(Frz_tmp1)/T; %Power Spectrum P2 = Frz_tmp2.*conj(Frz_tmp2)/T; EP1 = (EP1*(loop-1)+P1+eps)/loop; EP2 = (EP2*(loop-1)+P2+eps)/loop; end % different duty ratio code in different row EP11=10*log10(EP1); EP22=10*log10(EP2); rz_unipolar(

47、ii,:) = rz_tmp1; % time domain Frz_unipolar(ii,:) = EP11; % frequecy domain rz_bipolar(ii,:) = rz_tmp2; Frz_bipolar(ii,:) = EP22; end%-%visualize unipolar RZ codepicnum = 1;%first view%all in one fugure,subplot 4 by 2figure(1)for jj = 1:ratiolen %plot wave in time-domain subplot(ratiolen,2,picnum),p

48、lot(t,rz_unipolar(jj,:), xlabel('t'),ylabel('s(t)'),grid on,axis(-1,+1,0,+1.1),title('Unipolar RZ code : duty ratio ', num2str(ratio(jj)*100),'%'), picnum = picnum+1; %plot power spectrum in frequency-domainsubplot(ratiolen,2,picnum),plot(f,Frz_unipolar(jj,:),axis(-100,+100,-80,+10),title('Unipolar RZ power spectrum : duty ratio ', num2str(ratio(jj)*100),'%'), xlabel('f'),ylabel('S(f)'),grid on picnum = picnum+1;end%second view%four figures with each duty ratio,both wave