數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、 數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要：數(shù)字通信系統(tǒng)是數(shù)字傳輸?shù)倪^程，模擬信號(hào)到達(dá)接收端必須先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)在信道中傳輸會(huì)有損耗，因此合理的采用信道的編/譯碼和調(diào)制、解調(diào)是十分重要的，本實(shí)驗(yàn)采用systemview進(jìn)行仿真.關(guān)鍵字：眼圖、誤碼率、調(diào)制、解調(diào).1數(shù)字通信系統(tǒng)模型與原理1.1數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)，如圖1所示.言原信源編碼加密信道編碼調(diào)制發(fā)濾波器信道收濾波器解調(diào)信道譯碼解密信源解碼信宿圖1數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.1.1信源編碼與譯碼信源編碼有兩個(gè)基本功能：一是提高信息傳輸?shù)挠行?，即通過某種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)設(shè)計(jì)減少碼元數(shù)目和降低碼元速率二

2、是完成模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，即當(dāng)信息源給出的是模擬信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸.信源譯碼是信源編碼的逆過程信道編碼與譯碼信道編碼的目的是增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力.數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)受到噪聲等影響后將會(huì)引起差錯(cuò).為了減少差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分，組成所謂“抗干擾編碼”.接收端的信道譯碼器按相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行解碼，從中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，提高通信系統(tǒng)的可靠性.加密與解密在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場合，為了保證所穿信息的安全，認(rèn)為地將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密.在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對(duì)收到的數(shù)字序列進(jìn)

3、行解密，恢復(fù)原來信息.1.1.4數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)基帶的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、絕對(duì)相移鍵控、相對(duì)相移鍵控（DPSK）.在接收端可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)高斯噪聲下的信號(hào)檢測，一般用相關(guān)器或匹配濾波器來實(shí)現(xiàn).1.1.5同步同步是使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致，是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的前提條件.按照同步的公用不同，分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步.數(shù)字通信的主要特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，尤其是數(shù)字信號(hào)通過中繼再生后可消除噪聲積累數(shù)字信號(hào)通過差錯(cuò)控制編碼，可提

4、高通信的可靠性.由于數(shù)字通信傳輸一般采用二進(jìn)制碼，所以可使用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的遠(yuǎn)距離大規(guī)模自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)為中心的通信網(wǎng).在數(shù)字通信中，各種消息(模擬的和離散的)都可變成統(tǒng)一的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸.在系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸情況的監(jiān)視信號(hào)、控制信號(hào)及業(yè)務(wù)信號(hào)都可采用數(shù)字信號(hào).數(shù)字傳輸和數(shù)字交換技術(shù)結(jié)合起來組成的ISDN對(duì)于來自不同信源的信號(hào)自動(dòng)地進(jìn)行變換、綜合、傳輸、處理、存儲(chǔ)和分離，實(shí)現(xiàn)各種綜合業(yè)務(wù).數(shù)字信號(hào)易于加密處理，所以數(shù)字通信保密性強(qiáng).數(shù)字通信的缺點(diǎn)是比模擬信號(hào)占帶寬，然而，由于毫米波和光纖通信的出現(xiàn)，帶寬已不成問題2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程為了使數(shù)字信號(hào)在

5、帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道的特性相匹配.這種用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波，把數(shù)字基帶信號(hào)變換為數(shù)字帶同信號(hào)的過程稱為數(shù)字調(diào)制.在接收端通過解調(diào)器把帶通信號(hào)還原成數(shù)字基帶信號(hào)的過程稱為數(shù)字解調(diào).通常把包括調(diào)制和解調(diào)過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng).一般來說，數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制技術(shù)有的方法：把數(shù)字基帶信號(hào)當(dāng)作模擬信號(hào)的特殊情況處理；是利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)通過開關(guān)鍵控載波，21信源編碼模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)包括三個(gè)步驟:抽樣,量化,編碼.抽樣：把模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化,變換為模擬抽樣信號(hào).量化:將抽樣信號(hào)在幅度上離散化,變換成量化信號(hào).編碼:用二進(jìn)制碼元

6、來表示有限的量化電平.抽樣定理指出：設(shè)一個(gè)連續(xù)模擬信號(hào)m()中的最高頻率f，則以間隔時(shí)間T仃/2f的(t)hh周期性沖激脈沖對(duì)它抽樣時(shí)，m將被這些抽樣值所完全確定.由于抽樣時(shí)間間隔相等，所以此定理又稱均勻抽樣定理.例如模擬信號(hào)的最高頻率為10hz，則采樣頻率為3Ohz.2.2信道格雷碼的編/譯碼數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中，由于受到干擾的影響，碼元波形將變壞，接收端收到后可能發(fā)生錯(cuò)誤判決，故采用GRAY編譯碼方式來進(jìn)行差錯(cuò)控制.格雷碼的編碼和譯碼設(shè)備都不太復(fù)雜，而且檢錯(cuò)的能力較強(qiáng).格雷碼除了具有線性碼的一般性質(zhì)外，還具有循環(huán)性.循環(huán)性是指任一碼組循環(huán)一位(即將最右端的一個(gè)碼元移至左端，或反之)后，仍為

7、該碼中的一個(gè)碼組.2.32FSK信號(hào)的調(diào)制與非相干解調(diào)2.3.1調(diào)制原理鍵控法：在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率進(jìn)行選通，使其在每一個(gè)碼元Ts期間輸出f1或f0兩個(gè)載波之一，圖2所示鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)，是由于電子開關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成故相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù).2FSK信號(hào)可以看成兩個(gè)ASK的相加，圖3所示.圖2鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)的原理圖0100s(t)圖3相位連續(xù)的2FSK信號(hào)波形2.3.22FSK信號(hào)的非相干解調(diào)2FSK的非相干解調(diào)：其原理是將2FSK信號(hào)分解為上下兩路2ASK信號(hào)分別進(jìn)行解調(diào),然后進(jìn)行判決這里的抽樣判決是直接比較兩

8、路信號(hào)抽樣值的大小，可以不專門設(shè)置門限判決規(guī)則應(yīng)與調(diào)制規(guī)則相呼應(yīng)，調(diào)制時(shí)若規(guī)定“1”符號(hào)對(duì)應(yīng)載波頻率W,則接收時(shí)上支路的樣值較大，應(yīng)判為“1”；反之則判為“0”.2FSK信號(hào)的非相干解調(diào)方框圖如圖4所示，其可視為由兩路2ASK解調(diào)電路組成這里，兩個(gè)帶通濾波器（帶寬相同，皆為相應(yīng)的2ASk信號(hào)帶寬；中心頻率不同，分別為w2起分路作用，用以分開兩路2ASK信號(hào).圖42FSK信號(hào)非相干解調(diào)方框圖2.4模擬FIR濾波器的設(shè)計(jì)通過選擇菜單上的Filter/Analog”按扭，可以設(shè)計(jì)五種模擬濾波器.它們是:巴特沃斯，巴賽爾,切比契夫,橢圓,線性相位.這些濾波器可以是低通、高通或帶通,所選濾波器的一般形狀

9、由濾波器的類型決定,需要輸入的數(shù)據(jù)是濾波器的極點(diǎn)數(shù)、-3db帶通或截止頻率、相位紋波系數(shù)、增益等參數(shù)，按”finish”完成設(shè)計(jì).低通濾波器：去掉信號(hào)中不必要的高頻成分，降低采樣頻率，避免頻率混淆，去掉高頻干擾.帶通濾波器：高通濾波器同低通濾波器的組合.對(duì)濾波器而言，所有頻率都應(yīng)是采樣速率的分?jǐn)?shù)，即相對(duì)的百分比系數(shù).例如，系統(tǒng)的采樣速率為1MHZ,所涉及的FIR低通濾波器的截止頻率為50KHZ，則濾波器涉及窗口輸入的截止頻率為0.05(50KHZ/1MHZ)，如果在濾波器前面連接的是抽樣器或采樣器的圖符，則這些圖符的頻率也必須是濾波器采樣速率的分?jǐn)?shù).2.5眼圖分析眼圖是指利用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)和改

10、善(通過調(diào)整)傳輸系統(tǒng)性能時(shí)在示波器上觀察到的一種圖形.觀察眼圖的方法是：用一個(gè)示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時(shí)示波器屏幕上看到的圖形像人的眼睛，故稱為“眼圖”.從“眼圖”上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度.另外也可以用此圖形對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)的傳輸性能.眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱.“眼睛”張的越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越??；反之表示碼間串?dāng)_越大當(dāng)存在噪聲時(shí)，噪聲將疊加在信號(hào)上，觀察到的眼圖的線跡會(huì)變得模糊不清.若同時(shí)存在碼間串?dāng)_，“眼睛”將張開得

11、更小.與無碼間串?dāng)_時(shí)的眼圖相比，原來清晰端正的細(xì)線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正.噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串?dāng)_越大，眼圖越不端正.眼圖對(duì)于展示數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串?dāng)_的大小和噪聲的強(qiáng)弱，有助于直觀地了解碼間串?dāng)_和噪聲的影響，評(píng)價(jià)一個(gè)基帶系統(tǒng)的性能優(yōu)劣；可以指示接收濾波器的調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_.最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)在“眼睛”張開最大的時(shí)刻.對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定.斜率越大，對(duì)定時(shí)誤差就越靈敏.在抽樣時(shí)刻上，眼圖上下兩分支陰影區(qū)的垂直高度，表示最大信號(hào)畸變.眼圖中央的橫軸位置應(yīng)對(duì)應(yīng)判決門限電平.在抽樣時(shí)刻上，上下兩分支離門限最近

12、的一根線跡至門限的距離表示各相應(yīng)電平的噪聲容限，噪聲瞬時(shí)值超過它就可能發(fā)生錯(cuò)誤判決.對(duì)于利用信號(hào)過零點(diǎn)取平均來得到定時(shí)信息的接收系統(tǒng)，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域的大小，表示零點(diǎn)位置的變動(dòng)范圍，這個(gè)變動(dòng)范圍的大小對(duì)提取定時(shí)信息有重要的影響.2.6誤碼率分析對(duì)于二進(jìn)制雙極性信號(hào)，假設(shè)它在抽樣時(shí)刻的點(diǎn)平取值為+A或-A(分別對(duì)應(yīng)信碼“1或“0”，在-A和+A之間選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娖絍d作為判決門限，根據(jù)判決準(zhǔn)則將會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況：對(duì)“1”碼:當(dāng)XVd,判為“1”碼(正確)；當(dāng)XVd,判為“0”碼(錯(cuò)誤).對(duì)“0”碼:當(dāng)XVd,判為“1”碼(錯(cuò)誤).假設(shè)信源發(fā)送“1”碼的概率為p(1),發(fā)送“0”碼的概率為P(0)，則二進(jìn)制基帶傳輸系統(tǒng)的總誤碼率Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)其中P(0/1)=P(XVd)3參數(shù)的設(shè)定模擬信源：正弦函數(shù)，頻率fs=10hz,幅度A=1V；抽樣頻率fh=30hz，幅度A=1V;載波的頻率分別為f1=100hz,f2=150hz;低通濾波器的截止頻率為15hz;帶通濾波器15的頻率范圍120hz170hz，帶通濾波器16的頻率范圍80hz130hz；4圖形總圖如下圖5QOD口口圖5總圖仿真波