数字基带传输系统仿真及性能分析

通信系统综合训练题目：数字基带传输系统仿真及性能分析—HDB3及循环码学院：大数据与信息工程学院专业：通信工程班级：通信学号：学生姓名：指导教师：2014年7月6日摘要数字信号的基带传输是通信系统中的一个重要环节，对基带传输研究的意义在于现代通信系统中广义上的任一线性调制的频带传输系统均可等效为基带传输系统，即数字基带传输中本就包含了频带传输的一些基本问题。同时，就数字基带传输自身而言，随着数字通信技术的发展也被越来越多的应用。在基带传输理论学习过程中涉及到的信道编码、传输信道特性、接收滤波、抽样判决等环节存在较为抽象不易理解的问题，如果不经过实践环节，这些抽象的计算和变换难以较快的掌握。MATLAB是一款功能强大的工程技术数值运算跨平台语言，利用它的通信工具箱和可视化仿真模型库Simulink可有效实现通信系统的仿真。Simulink可对动态系统进行建模、仿真并对仿真结果进行分析，其可视化建模的特点尤其适合于通信系统仿真等工作。关键词：数字基带传输系统；HDB3；循环码前言随着通信系统的规模和复杂度不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展传的需要，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视。传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验2种，但耗时长方法比较繁杂，而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述2种方法的一种系统设计方法，它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行模拟仿真]2[。数字信号的传输方式按其在传输中对应的信号的不同可分为数字基带传输系统和数字频带传输系统。不使用调制和解调而直接传输数字基带信号的系统称为数字基带传输系统。虽然在实际使用的数字通信系统中基带传输不如频带传输那样广泛，但是，对于基带传输系统的研究仍然是十分有意义的。1)在频带传输制式里同样存在基带传输的问题(如码间干扰等)，因为信道的含义是相对的，若把调制解调器包括在信道中(如广义信道)，则频带传输就变成了基带传输。可以说基带传输是频带传输的基础。2)随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势。目前,它不仅用于低速数据传输,而且还用于高速数据传输。3)理论上也可以证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所替代。对数字基带传输系统的仿真而言。仿真工具是MATLAB中的simulink模块对其仿真。特点是将数值分析、矩阵计算、图形、图像处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中伪科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的华仿真工具。运用MATLAB中的simulink可以对数字基带传输系统进行较为全面地研究。目录一、数字基带传输系统1、数字基带传输系统的简介1.1概述1.2数字基带传输的研究的意义1.3数字基带信号的基本要求1.4常用的基带传输信号1.5数字基带传输系统2、基带传输系统设计中的误码2.1产生误码的原因2.2解决误码的方法二、HDB3码的基带传输1、HDB3码简介1.1HDB3编码原理1.2HDB3码的特点2、数字基带信号传输码系统组成3、无码间串扰的传输特性的设计：三、基带传输系统实现HDB3码形变换的设计1、基带传输系统的设计1.1设计方案1.2设计思路1.3函数程序流程图2、HDB3码形变换的仿真2.2相关程序代码2.2调试与仿真四、实现信道编码和译码—循环码1、编码原理2、译码原理3、纠错原理4、仿真分析5、实验程序五、MATLAB对通信系统的仿真1、MATLAB主要模块及参数设置2、通信系统的仿真图和结果分析3、加入噪声及干扰时系统性能指标的变化分析六、设计总结一、数字基带传输系统1、数字基带传输系统的简介1.1概述在数字传输系统中其传输的对象通常是二进制数字信号,它可能是来自计算机、电传打字机或其它数字设备的各种数字脉冲,也可能是来自数字电话终端的脉冲编码调制(PCM)信号]1[。这些二进制数字信号的频带范围通常从直流和低频开始直到某一频率,我们称这种信号为数字基带信号。在某些有线信道中特别是在传输距离不太远的情况下,数字基带信号可以不经过调制和解调过程在信道中直接传送,这种不使用调制和解调设备而直接传输基带信号的通信系统,我们称它为基带传输系统。而在另外一些信道,特别是无线信道和光信道中,数字基带信号则必须经过调制过程,将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输,相应地在接收端必须经过解调过程才能恢复数字基带信号。我们把这种包括了调制和解调过程的传输系统称为数字载波传输系统。数字基带传输系统的模型主要包括码型变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器、均衡器和取样判决器等部分]3[。1.2数字基带传输的研究的意义第一：在利用对称电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用这种传输方式。第二：数字基带传输方式迅速发展，用于低速或高速数据传输。第三：基带传输系统的许多问题也是带通传输系统必须考虑的问题。第四：任一个线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统。1.3数字基带信号的基本要求不同形式的数字基带信号（又称为码型），具有不同的频谱结构。为适应信道的传输特性及接收端再生、恢复数字基带信号的需要，必须合理地设计数字基带信号，即选择合适的信号码型。适合于在有线信道中传输的数字基带信号形式称为线路传输码型。一般来说选择数字基带信号码型时，应遵循以下基本原则：①不含直流分量且低频分量尽量少。②应含有丰富的定时信息，以便于从接受码流中提取定时信号。③功率谱的主瓣宽度窄，以节省传输频带。④不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化。⑤具有内在的检错能力，即码型应具有一定的规律性，以便宏观监测。⑥编译码简单，已降低通信延时和成本。1.4常用的基带传输信号为满足基带传输系统的特性要求，必须选择合适的传输码型。基带传输系统中常用的线路传输型码主要有：传号交替反转码---AMI码、三阶高密度双极性码---HDB3码、分相码---Manchester码、传号反转码---CMI码以及4B3T码等]8[。1.5数字基带传输系统基带传输包含着数字通信技术的许多问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此频带传输也存在基带问题。基带传输的许多问题，频带传输同样须考虑。如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。理论上还可证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统来代替]9[。数字基带系统的基本结构如图1.1所示：图1.1数字基带系统的基本结构2、基带传输系统设计中的误码2.1产生误码的原因基带传输中的误码将造成基带系统传输误码率的提升，影响基带系统工作性能。误码是由接收端抽样判决器的错误判决造成的，造成错误判决的原因主要有两个：码间串扰和信道加性噪声的影响。码间串扰是由于系统传输总特性（包括收发滤波器和信道特性）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。接收端能否正确恢复信息，在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰。2.2解决误码的方法（1）码间串扰的解决方法解决码间串扰的方法是要求基带系统的传输函数H(W)应具有理想低通特性和具有余弦滚降特性，理想低通特性应满足奈奎斯特第一准则：TswTsTsiwHi,)2(（2-8）若不能满足奈奎斯特第一准则，在接收端加入时域均衡，减小码间干扰。（2)信道加性噪声的解决方法解决信道加性噪声的方法有两个办法：一是在接收端进行抽样判决；二是匹配滤波，使得系统输出信噪比最大。二、HDB3码的基带传输1、HDB3码简介1.1编码原理先把消息代码变换成AMI码，然后去检查AMI码的连0串情况，当没有4个以上连0串时，则这时的AMI码就是HDB3码；当出现4个以上连0串时，则将每4个连0小段的第4个0变换成与其前一非0符号（＋1或–1）同极性的符号。显然，这样做可能破坏“极性交替反转”的规律。这个符号就称为破坏符号，用V符号表示（即+1记为+V,–１记为–V）。为使附加V符号后的序列不破坏“极性交替反转”造成的无直流特性，还必须保证相邻V符号也应极性交替。这一点，当相邻符号之间有奇数个非０符号时，则是能得到保证的；当有偶数个非0符号时，则就得不到保证，这时再将该小段的第1个0变换成+B或–B符号的极性与前一非0符号的相反，并让后面的非0符号从V符号开始再交替变化。示例：1.2HDB3码的特点：①有检错能力。②解决了连“0”时位定时信息提取困难。③无直流分量。④B码和V码各自保持极性交替变化，以确保无直流分量。⑤可能存在误码扩散的问题。2、数字基带信号传输码系统组成（1）信道信号形成器：信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。（2）滤波器：基带系统设计的核心问题是滤波器的选取，为了使系统冲激响应h(t)拖尾收敛速度加快，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；要得到最大输出信噪比，就要使接收滤波器特性与其输入信号的频谱共扼匹配eGGjwtRwTw0)()(*，同时系统函数满，H(ω)=GT(ω)GR(ω)考虑在t0时刻取样，上述方程改写为)()(*wTwGGR，于是有)]([*)()(wHGGwwRT，因此，在构造最佳基带传输系统时要使用平方根升余弦滤波器作为滤波器。（3）传输信道：信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。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高斯白噪声信道。（4）抽样判决器：抽样判决器是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻(由位定时脉冲控制)对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。抽样判决关键在于判决门限的确定，由于本次设计采用双极性码，故判决门限为0。（5）自同步法的同步提取电路：自同步法的同步提取电路有两部分组成，包括非线型变换处理电路和窄带滤波器或锁相环。非线型变换处理电路的作用是使接收信号或解调后的数字基带信号经过非线型变换处理电路后含有位同步分量或位同步信息。窄带滤波器或锁相环的作用是滤除噪声和其他频谱分量，提取纯净的位同步信号。信道信号形成器基带成型网络接受滤波器抽样判决同步提取信道C（w）基带脉冲输入基带脉冲输出噪声3、无码间串扰的传输特性的设计：①理想低通特性H(t)=Sa[π/Ts]←→H(W)=TsRet(W/WS)Sa(πt/T)信号带宽最小的波形理想低通信号的主要缺点a.工程上难以实现；b.尾部衰减慢（冲激响应h(t)波形收敛速度较慢，拖尾以1/t速率衰减，当存在定时误差时会带来比较大的干扰）②升余弦滚降特性:H(t)=Sa(πt/Ts)cos(aπt/Ts)/[(1-4aatt)/Ts]H(w)=Ts;∣w∣π/Ts(1-a)H(w)=0;∣w∣π/Ts(1-a)升余弦滚降信号的波形与频谱：传输宽带:B=(1+a)/2rs频带利用率：g=rs/B=2/(1+a)全升余弦系统：a=1三、基带传输系统实现HDB3码形变换的设计1、基带传输系统的设计1.1设计方案实验流程:1.2设计思路：（1）信源：生成欲传送的01比特流，将个数N作为函数的输入；使用函数rand（1，N），使得大于某个特定值的数值为1，反之，小于则为0。注：因本实验采用HDB3码作为基带传输码型，所以使用0.75作为0和1的分界线，这样可以生成低密度的01比特流，使得在程序运行的时候，只通过连续的少量bit就可以HDB3的编码与译码的正确性。（2）码型编码：将生成的01比特流作为码型转换函数的输入，函数输出为码型转换后的HDB3。流程图如下:信源码型编码信道信号形成码型译码抽样判决信道接受滤波器升余弦滚降系signalhdb3_signalfiltersignalsamplesignal（3）升余弦滚降系统：将HDB3码作为滤波器的输入，函数输出系统输出信号；利用滤波器