数字基带传输实验预习报告

数字基带传输实验预习报告一、实验目的：1、提高独立学习的能力；2、培养发现问题、解决问题和分析问题的能力；3、学习Matlab的使用；4、掌握基带数字传输系统的仿真方法；5、熟悉基带传输系统的基本结构；6、掌握带限信道的仿真以及性能分析；7、通过观测眼图和星座图判断信号的传输质量。二、实验原理：1、带限信道的基带传输系统：发送滤波器传输信道接受滤波器{an}x(t)y(t)r(t){an}定时信号2、升余弦滚降滤波器其频率响应为：()TG()C噪声源RG（）抽样判决位定时提取CT，1|f|2cT()dHf1-[1cos(||)]22cTTfT，c11||22cfTT0，1+|f|2CT在实验中，时间抽样间隔和抽样频率都归一化为1，得到升余弦滤波器的频率响应常数cT=4。无码间干扰传输的最小符号间隔为cT秒，或无码间干扰传输的最大符号速率为1/cT。相应的时域单位冲激响应信号h()dt，满足()dchnT1，n=0。在理想信道中，0,n0h()dt信号波形在抽样时刻上无码间干扰。3、最佳基带传输系统：将发送滤波器和接收滤波器联合设计为无码间干扰的基带系统，而且具有最佳的抗加性高斯白噪声的性能，并且，接收滤波器的频率特性与发送信号频谱共轭匹配。实验时，具体采用两种方式，一是采用匹配滤波器，发送滤波器和接受滤波器对称的系统，发送滤波器和接受滤波器都是升余弦平方根特性；二是不采用匹配滤波器方式，升余弦滚降基带特性完全由发送滤波器实现，接受滤波器为直通。4、用模拟升余弦滚降滤波器设计数字升余弦滚降滤波器这种方式主要采用窗函数法和频率抽样法。(1)窗函数法是从模拟升余弦滚降滤波器的单位冲激响应h()dt，先进行时间抽样，然后进行截短、加窗，最后向右移位，得到实际的因果的数字升余弦滚降滤波器的单位冲击响应。(2)频率抽样法是从模拟升余弦滚降滤波器的频率响应d()Hf，频率抽样后，进行离散时间傅里叶反变换后，最后向右移位，得到实际的因果的数字升余弦滚降滤波器的单位冲激响应。三、实验内容：1.根据给定的升余弦滤波器的频率响应函数表达式和时域单位冲激函数表达式，分别采用窗函数法和频率抽样法设计线性相位的基带传输系统；2.通过匹配滤波和非匹配滤波方式，得到不同的滚降系数下发送滤波器的时域波形和频率特性。根据离散基带系统模型设计无码间干扰的二进制数字基带传输系统，编写程序，要求系统的二进制比特个数、比特速率bR、信噪比SNR、滚降系数α可以变化；3.输入信号叠加噪声，通过匹配和非匹配滤波两种方式，再经过抽样判决得到输出序列。4.比特速率不同时，基带系统采用非匹配滤波器，画出接收滤波器输出信号波形和眼图，并判断有无码间干扰。5.信噪比和滚降系数不同时，基带系统分别为匹配滤波器和非匹配滤波器形式，画出发送数字序列和接收数字序列的星座图。四、回答实验预习问题1.什么是调制？调制在通信系统中的作用和功能是什么？所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。调制在通信系统的作用：（1）把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。（2）扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。（3）在无线通信中，通过调制，把基带信号的频谱搬移至较高的载波频率上，使已调信号的频谱与信道的带通特性相匹配，这样就可以提高传输性能，以比较小的发送功率与较短的天线来辐射电磁波。2.对正弦波载波，有几种调制方式？写出常用的调制方式的名称和英文缩写。对正弦波载波有两种调制方式：（1）幅度调制：AM、DSB、SSB、VSB（2）角度调制：FM、PM3.画出基带传输系统的框图，说明各个模块的功能和作用。基带脉冲基带脉冲输入输出噪声图1数字基带传输系统方框图、（1）信道信号形成器（发送滤波器）。它的功能是产生适合于于信道传输的基带信号波形。发送滤波器用于压缩输入信号频带，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。（2）信道。允许基带信号通过的媒介。发送滤波器信道信号形成器同步提取接收滤波器抽样判决器信道（3）接收滤波器。用来接收信号，尽可能滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行平衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。（4）抽样判决器。在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻对接收滤波器的输出波形有利于抽样判，以恢复或再生基带信号。（5）定时脉冲和同步提取。用来抽样的位定时脉冲依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。4.画出包括基带处理和同步的完整的BPSK通信系统的组成框图。基带信号a(n)调制信号BPSKS(t)载波Acos(0t)调制框图：BPSKS解调信号a(n)本地载波Acos(0t)解调框图：BPSKSacde输出cosct定时脉冲5.什么是码间干扰？什么是噪声干扰？如何克服这两种干扰？码间干扰：是由于系统传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰。噪声干扰：一种频率、幅度和相位随机变化的电子干扰。其性质与电子设备接收机的内部噪声相似，是压制干扰的基本干扰样式和应用最广泛的一种电子干扰。消除码间干扰的常用方法是设计自适应均衡器。克服噪声干扰的常用方法是设计匹配滤波器。6.什么是匹配滤波器？作用是什么？匹配滤波器是指滤波器的性能与信号的特性取得某种一致，使滤波器输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值最大。使滤波器输出信噪比在某一特定时刻达到最大，由此而导出带通滤波器相乘器抽样判决低通滤波器的最佳线性滤波器称为匹配滤波器。作用：（1）是使滤波输入有用信号成分尽可能强；（2）是抑制信号带外噪声，使滤波器输出噪声成分尽可能小，减小噪声对信号判决的影响。7.什么是最佳基带传输系统？其发送滤波器和接收滤波器有何关系？将消除了码间串扰并且误码率最小的基带传输系统称为最佳基带传输系统。接收滤波器频率特性与发送滤波器发送信号频谱共轭匹配。8.实验系统中的“匹配滤波器”方式与“非匹配滤波器”方式有什么区别？两种方式下，发送滤波器输出信号、接收滤波器输出信号有何相同和不同之处？匹配滤波器的发送滤波器和接收滤波器均为平方根升余弦滤波器，非匹配滤波器的发送滤波器为升余弦滤波器，接收滤波器为直通滤波器。输出信号均消除了码间串扰，不同之处是匹配滤波器使输出信号在抽样时刻有最大的输出信噪比，非匹配滤波器输出信号在抽样时刻信噪比不是最大。9.什么是无码间干扰的基带系统？其传输函数和单位冲激响应有何特点？基带传输系统的冲激响应波形h(t)建在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻均为零，则该系统为无码间串扰的基带传输系统。（1）无码间干扰的基带系统的传输函数满足i(2i/)SsHTT，||/sT；其意义即为()H在轴上义2/sT为间隔切开，然后分段沿轴平移到（-/sT，/sT）区间内，将它们进行叠加，其结果应当为一常数。即一个实际的()H特性若能等效成一个理想低通滤波器，则可实现无码间串扰。（2）其单位冲激响应h(t)仅在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为0。10.对基带传输系统，Nyquist带宽和Nyquist速率的定义是什么？基带系统的最大频带利用率是多少？对BPSK调制系统，最大频带利用率是多少？理想低通传输特性的带宽1/2sT称为奈奎斯特带宽，将该系统无码间串扰的最高传输速率1/sT称为奈奎斯特速率。系统的最大频带利用率为2B/Hz，对BPSK调制系统，最大频带利用率是1B/Hz。11.对具有滚降特性的基带系统，滚降因子的作用是什么？频带利用率是多少？作用：（1）滚降因子用于描述滚降程度。滚降系数越大，h(t)的拖尾衰减越快，有利于减小码间串扰和定位时误差的影响。当=0时，为无“滚降”的理想基带传输系统。（2）当增大，系统所占的频带增大，系统的频带利用率降低，因此系统可靠性的增加时靠降低有效性得来的。频带利用率：2=+（1）12.什么是伪随机序列？伪随机序列的特点是什么？在通信系统中的作用是什么？如果一个序列，一方面它是可以预先确定的，并且是可以重复地生产和复制的；一方面它又具有某种随机序列的随机特性（即统计特性），我们便称这种序列为伪随机序列。特点：（1）在随机序列的每一个周期内0和1出现的次数近似相等。（2）每一周期内，长度为n的游程取值（相同码元的码元串）出现的次数比长度为n+1的游程次数多一倍。（3）随机序列的自相关类似于白噪声自相关函数的性质。作用：伪随机序列具有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，并且有预先的课确定性和可重复性。在通信系统中可用于分离多经技术、误码率测量、时延测量噪声产生器、通信加密、数据序列的扰乱与解忧。五、程序和结果1.通过匹配滤波和非匹配滤波方式，得到不同的滚降系数下发送滤波器的时域波形和频率特性。实验程序：（1）非匹配情况下：升余弦滚降滤波器的模块函数clear;Ts=1;%码元周期N_sample=31;%每个码元抽样点dt=Ts/N_sample;%采样间隔df=1.0/(20.0*Ts);%频率分辨率t=-10*Ts:dt:10*Ts;f=-2/Ts:df:2/Ts;alpha=[0,0.5,1];%定义滚降余弦系数矩阵forn=1:length(alpha)%计算升余弦滚降系统频域、时域波形fork=1:length(f)ifabs(f(k))0.5*(1+alpha(n))/Tsxf(n,k)=0;elseifabs(f(k))0.5*(1-alpha(n))/Tsxf(n,k)=Ts;elsexf(n,k)=0.5*Ts*(1+cos(pi*Ts/(alpha(n)+eps)*(abs(f(k))-0.5*(1-alpha(n))/Ts)));end;end;xt(n,:)=sinc(t/Ts).*(cos(alpha(n)*pi*t/Ts))./(1-4*alpha(n)^2*t.^2/Ts^2+eps);end;figure(1)%画出升余弦滚降系数系统频谱图plot(f,xf);%频谱横纵坐标表示axis([-1,1,0,1.2]);xlabel('f/Ts');ylabel('升余弦滚降频谱');holdonfigure(2)%画出升余弦滚降系统时域波形图plot(t,xt);axis([-10,10,-0.5,1.1]);xlabel('t');ylabel('升余弦滚降时域波形图')