基于MATLAB的数字基带传输系统.docx
《基于MATLAB的数字基带传输系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的数字基带传输系统.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于MATLAB的数字基带传输系统
本科毕业论文
基于MATLAB的教学辅助软件设计——数字基带传输系统
TheAuxiliaryTeachingSoftwareofDigitalBasebandTransmissionSystemBasedonMATLAB
学院名称：
电子信息与电气工程学院
专业班级：
通信工程（专升本）2012级
******
学号：
************
指导教师姓名：
郭丽霞
指导教师职称：
讲师
2014年5月
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
基于MATLAB的教学辅助软件设计——数字基带传输系统
摘要：
随着教育理论的发展，教育手段不断得到更新。
其中教学辅助软件发展速度很快，它通过学习者与计算机交互而完成学习，为学生提供了一个个性化的学习环境。
MATLABGUI平台拥有丰富的控件，通过控件调用函数，可实现对系统的仿真。
本设计即在此平台上完成，实现了对数字基带传输系统的仿真。
“数字基带传输系统”是电子信息类专业的通信原理课程中一个重要的基础章节，它具有系统性强和数学分析多等特点。
本设计包含信源、形成滤波器、接收滤波器、抽样判决几个模块，通过对波形、眼图、误码的分析来说明数字基带传输系统的特性。
再通过MATLAB编译器进行文件编译最终生成.EXE可执行程序，脱离MATLAB独立运行，在教学中更为便捷地使用。
关键词：
辅助软件；系统仿真；MATLAB；眼图
TheAuxiliaryTeachingSoftwareofDigitalBasebandTransmissionSystemBasedonMATLAB
Abstract：
Withthedevelopmentofeducationaltheory,educationalmeansconstantlyupdated.Theteachingauxiliarysoftwaredevelopmentspeedisveryquick,thelearnerstointeractwiththecomputerandcompletethestudy,providesapersonalizedlearningenvironmentforstudents.MATLABGUIplatformhasabundantActiveX,bycallingfunction,canrealizethesimulationofthesystem.Thisdesignisbasedontheplatform.Itrealizesthesimulationofthedigitalbasebandtransmissionsystem."Thedigitalbasebandtransmissionsystem"isanimportantbasicpartsofthecommunicationprinciplecourseofelectronicinformationmajorsithasthecharacteristicsofstrongsystematicandmanymathematicalanalyses.Thedesignincludesthesource,transmittingfilter,receivingfilter,samplingandjudgingmodule,toillustratethecharacteristicsofdigitalbasebandtransmissionsystemthroughtheanalysisofthewaveform,eyediagramanderrorcode.Thenfilecompilergenerating.EXEexecutableprogramthroughtheMATLABcompiler,runindependentlyfromtheMATLAB,ismoreconvenienttouseinteaching.
Keywords：
Auxiliarysoftware;Systemsimulation;MATLAB；Eyediagram
引言
数字基带传输系统是《通信原理》课程中非常重要的一部分基础性内容，为了使学生加深对通信系统的理解，其中的一些概念、原理往往需要用实验来澄清，但是这类实验的实验板在市场上没有销售，而且有些实验几乎无法用硬件实现；一些替代性的实验，其实验结果由于受多种因素影响，也往往不能满足要求。
因此，设计一套数字基带传输系统的仿真软件是很有必要的。
在仿真软件设计中采用了MATLAB作为仿真工具,其函数较为丰富，函数间调用方便，有大量绘图的函数，实现仿真的方法简单直观。
MATLAB的图形界面功能GUI（GraphicalUserInterface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。
图形用户界面是提供人机交互的工具，包含图形对象（如窗口、图标、菜单和文本）的用户界面。
通过GUI生成的M文件在编译后可得到.EXE可执行程序，可更为方便的使用，不需要再安装MATLAB软件。
基带传输系统中很重要影响因素是码间串扰，无码间串扰的基带传输特性应满足那奎斯特第一准则，在实际系统设计中理想低通传输特性在物理上无法实现。
为解决这一问题，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢下降，这被称为“滚降”，一种常用的滚降特性是余弦滚降特性。
考虑到要使系统传输特性符合这一要求，在发送和接收滤波器均采用平方根升余弦滤波器，整个系统则满足余弦滚降特性。
本设计通过MATLABGUI平台实现对数字基带传输系统的仿真，可实现对基带传输系统中信源、形成滤波器、噪声干扰、接收滤波器、抽样判决的仿真。
第一章数字基带传输系统
1.1数字基带传输系统的介绍
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。
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f，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[1]。
图1.1数字基带传输系统模型
数字基带传输系统的输入信号是由终端设备或编码设备产生的二进制脉冲序列，通常是单极性的矩形脉冲信号（NRZ码）。
为了使这种信号适合于信道的传输，一般要经过码形变换器，把单极性的二进制脉冲变成双极性脉冲。
发送滤波器对码脉冲进行波形变换，以减小信号在基带传输系统中传输时产生的码间串扰。
信号在传输过程中，由于信道特性不理想和加性噪声的影响，会使接收到的信号波形产生失真，为了减小失真对信号的影响，接收信号首先通过接收滤波器滤波，然后再经均衡器对失真信号进行校正，最后由取样判决器模块恢复数字基带脉冲序列。
1.2数字基带信号
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[3]：
数字基带信号应不含有直流分量，且低频及高频分量也应尽量的少。
在基带传输系统中，往往存在着隔直电容及耦合变压器，不利于直流及低频分量的传输。
此外，高频分量的衰减随传输距离的增加会快速地增大，另一方面，过多的高频分量还会引起话路之间的串扰，因此希望数字基带信号中的高频分量也要尽量的少。
数字基带信号中应含有足够大的定时信息分量。
基带传输系统在接收端进行取样、判决、再生原始数字基带信号时，必须有取样定时脉冲。
一般来说，这种定时脉冲信号是从数字基带信号中直接提取的。
这就要求数字基带信号中含有或经过简单处理后含有定时脉冲信号的线谱分量，以便同步电路提取。
基带传输的信号码型应对任何信源具有透明性，即与信源的统计特性无关。
这一点也是为了便于定时信息的提取而提出的。
信源的编码序列中，有时候会出现长时间连“0”的情况，这使接收端在较长的时间段内无信号，因而同步提取电路无法工作。
为避免出现这种现象，基带传输码型必须保证在任何情况下都能使序列中“1”和“0”出现的概率基本相同，且不出现长连“1”或“0”的情况。
当然，这要通过码型变换过程来实现。
码型变换实际上是把数字信息用电脉冲信号重新表示的过程。
此外，选择的基带传输信号码型还应有利于提高系统的传输效率；具有较强的抗噪声和码间串扰的能力及自检能力。
实际系统中常常根据通信距离和传输方式等不同的要求，选择合适的基带码型[4]。
1.3余弦滚降基带传输系统
升余弦滚降传输特性
可表示为
（1-1）
是对截止频率
的理想低通特性
按
的滚降特性进行“圆滑”得到的，
对于
具有奇对称的幅度特性，其上、下截止角频率分别为
、
。
它的选取可根据需要选择，升余弦滚降传输特性
采用余弦函数，此时
为
（1-2）
1.4眼图
眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。
观察眼图的方法是：
用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼图”。
从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。
另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。
眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱[5]。
“眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。
当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。
与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。
噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正[6]。
评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。
（1）最佳抽样时刻应在“眼睛”张开最大的时刻。
（2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。
斜率越大，对定时误差就越灵敏[7]。
（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。
（4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。
（5）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。
（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。
第二章MATLAB及其GUI平台
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATALB可以创建图形用户界面GUI,它是用户和计算机之间交流的工具。
MATLAB将所有GUI支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。
对于MATLAB图形用户界面，基于面向对象的设计过程一般包括以下两项工作：
GUI界面设计和GUI组件编程[8]。
2.1GUI界面设计
（1）确定对象或类
根据所需处理的通信信号对通信系统进行对象的提取和类的确定；确认各对象与类之间的继承和聚合关系，将类和对象按照层次方式组织起来，是系统结构更加清晰，系统模型更有条理，也使编程人员、维护人员清楚对象与类之间的内在联系
（2）图形用户界面的外观设计
通过MATLABGUIDE面板提供的对话框、按钮、文本框等图形控制对象和坐标对象，设计通信系统信号处理的仿真平台图形用户界面。
在外观设计时还需考虑通信信号处理系统的功能配置，即该图形用户界面的操作将引发何种结果[9]。
（3）图形用户界面的功能配置
根据外观设计阶段所确定的用户界面功能需求，针对不同的图形对象编写能够实现该对象功能的回调函数代码，确保图形用户界面完成所有预定的通信信号处理的功能。
本设计旨在设计一个通用的对通信信号处理的通信系统仿真平台，能够实现在发送端对不同输入信号，进行调制，加密，编码等一系列处理，在接收端对接收信号进行解调，解密，前向纠错等一系列处理，并要求该平台操作简单方便，具有良好的可扩展性。
本设计根据输入到通信信号处理系统的通信信号形式及需要对其进行的处理，对通信系统进行分解，抽象出基本运算单元及组合关系并将其封装成相互独立的各个对象；通过类或对象的认定确定类之间的继承、概括和特化关系；然后对其属性、所提供的方法和所需要的方法进行描述，并按照他们之间的关系进行组织，得到类（或对象）的层次结构；最后将类（或对象）用特定的图形或图标进行表示，进而建立相应的通信信号处理的算法模型并使之服务于搭建的通信系统的仿真平台。
2.2GUI组件编程
（1）确定GUI对象，通过设置GUIDE应用程序的选项来进行GUIDE组态。
在面向对象的系统分析（OOA）过程中，从信号处理的系统中抽象出面向对象编程（OOP）的类和对象。
对话框的选项包括窗口重画行为，命令行访问、生成文件选择、生成回调函数原型、使用系统背景颜色配置等选项，通过不选或选中它们来实现图形用户界面的整体组态设计[10]。
（2）使用界面设计编辑器进行GUI界面设计。
MATLAB界面设计编辑器组件平台中包含所有能够在GUI中使用的用户界面控件，即按钮、单选按钮、栓牢按钮、复选框、编辑框、静态文本、滚动条、组合框、列表框以及弹出式菜单等。
一个GUI中可以存在一个或多个以上的GUI组件，使用时要注意保证各个组件的名称或属性有所不同，以便区分。
（3）理解应用程序M文件中所使用的编程技术。
MATLAB可以通过创建应用程序M文件为GUI控制程序提供一个框架。
该框架孕育着一种高效而坚固的编程方法，即所有代码均包含在应用程序M文件中，这就使得M文件只有一个入口可以初始化GUI或调用相应的回调函数以及GUI中希望使用的任意帮助子程序。
对应用程序M文件代码进行详细分析，通过了解GUIDE创建应用程序M文件的功能，从而实现GUI的规划。
（4）编写用户GUI组件行为响应控制（即回调函数）代码。
控制GUI组件响应用户的行为是GUI的实现任务之一。
MATLAB的GUIDE可以根据用户GUI的版面设计过程直接自动生成M文件框架，这样就简化了GUI应用程序的创建工作，用户可以直接用这个框架编写自己的函数代码。
（5）保存并执行GUI。
激活GUI界面，确保界面符合预定的要求，设计满意后保存GUI。
运行通信信号处理的仿真平台的应用程序M文件，对其进行反复的调试，使界面及用户空间符合系统预定的功能。
第三章软件设计
3.1基带传输系统基本组成
图3.1数字基带传输系统仿真结构图
数字基带传输系统由信源、形成滤波器、信道（噪声）、接收滤波器、抽样判决几部分组成。
发送滤波器的传输特性为
，接收滤波器传输特性为
，信道传输特性为
，则基带传输系统的总传输特性为
（3-1）
3.2界面设计及实现
3.2.1界面设计
考虑到要实现各个模块之间的切换，因此在界面设计中采用了menuedit（菜单栏）来实现[11]。
进入guide界面后创建菜单栏。
MATLABGUI平台默认的菜单栏。
图3.2MATLABGUI标准菜单栏图
MATLABGUI平台默认的菜单栏包含常见的打开、保存、缩放、拖动等功能，本设计的菜单栏用作不同模块之间的切换，因此省去这些复杂的功能。
本设计的菜单栏有分为五部分：
系统介绍、信源仿真、形成滤波器仿真、接收滤波器仿真、抽样判决。
图3.3菜单栏设计图
各模块放置于不同的panel上，各菜单栏按键callback函数通过设置不同的panel面板的可见性，拿信源仿真为例介绍。
点击信源仿真菜单，通过设置各panel面板的可见性，最终实现“信源仿真”模块在该菜单栏处于选中状态时，该面板被调用。
其他菜单按键与此类似，可实现各模块间的切换。
执行如下函数：
functionUntitled_2_Callback（hObject,eventdata,handles）
set（handles.panel2,'Visible','on'）;
set（handles.panel1,'Visible','off'）;
set（handles.panel3,'Visible','off'）;
set（handles.panel4,'Visible','off'）;
set（handles.panel5,'Visible','off'）;
3.2.1界面实现效果
打开exe可执行程序后，进入界面显示如下
图3.4菜单栏显示效果图
菜单栏位于界面上方，点击信源仿真按键，可进入信源仿真模块。
图3.5信源模块显示效果图
其他菜单栏按键与此相似，不再重复说明。
3.3信源模块设计及实现
3.3.1信源模块设计
基带传输系统中用到的信源有单极性归零码、单极性非归零码、双极性归零码、曼彻斯特码等[12]。
在信源模块中通过listbox控件来实现各码型的选择选择某一码型则会在程序中生成相应的序号，将序号存为mxh变量，通过比较序号可得到选择的码型为哪一种再执行相应的程序。
图3.6码型选择设计图
mxh=get（handles.listbox_mx,'Value'）;%获得码型序号，保存为mxh
信源数字信号从edit控件中读入，可有系统随机产生，也可由用户设定。
图3.7提示输入随机序列效果图
将从edit中读取的字符串保存为mxs变量，经过相应的码型函数产生波形。
可由系统随机生成一组序列，“随机信号”按键调用函数如下
functionpushbutton_sj_Callback（hObject,eventdata,handles）
mx=round（rand（1,10））;%产生一组0、1随机序列
mx_string=num2str（mx）;
set（handles.edit_xy,'string',mx_string）;%将产生的随机序列现实与edit控件中
“PLOT”按键实现绘图功能，将之前产生的随机序列绘制出相应的波形，显示与axes控件中。
（函数见附录）功率谱显示与信号波形显示类似，不再重复介绍。
3.3.2信源模块实现效果
进入信源模块，点击“随机信号”按键，即可显示一组由系统随机产生的序列。
图3.8随机序列产生效果图
再点击“PLOT”按键，可实现信号波形及功率谱波形绘图
图3.9波形及功率谱显示效果图
3.4形成滤波器模块设计及实现
3.4.1形成滤波器模块设计
形成滤波器位于信源与信道之间，在本设计中有理想低通滤波器、升余弦滤波器、平方根升余弦滤波器几种选择。
图3.10形成滤波器选择设计图
滤波器选择同信源模块中码型选择类似，不再重复介绍。
在升余弦滤波器和平方根升余弦滤波器中有滚降系数
可调（范围0—1），此功能是由一下语句实现
a=str2num（get（handles.edit_a,'string'））;
将
系数存为变量a，在之后的滤波器函数中使用，从而获得相应的滤波器冲击响应。
在这一模块中同样实现了眼图的仿真，可显示信源波形经过形成滤波器后的眼图，眼图的绘制于波形绘制不同，需要保持一段波形，将之后的一段波形重叠绘制，重复此操作多次才可看到较为清晰的眼图[13]。
“PLOT”按键中的callback函数中眼图部分如下
clareset
ss=zeros（1,eye_num*N）;
ttt=0:
dt:
eye_num*N*dt-dt;%眼图时间分量
fork=3:
50
ss=st（k*N+1:
（k+eye_num）*N）;%st为经过滤波器的波形
drawnow;
plot（ttt,ss）;
holdon;
end;
由于眼图中使用了holdon保持图形这一语句，在绘制新的眼图时，原眼图依然在绘图窗口显示，因此在眼图绘制之前加入clareset语句将之前眼图清除。
本模块中还包含了添加噪声的功能。
噪声的选择由radiobutton控件实现。
b=get（handles.radiobutton_noise,'value'）;
选中该控件返回值为1，未选中控件返回值为0。
再通过选择语句，选择执行加噪声或不加噪声。
加入噪声信号的信噪比也可由用户设置，由edit控件输入。
b_noise=str2num（get（handles.edit_noise,'string'））;
信噪比保存为b_noise，在后面加入噪声的程序中使用。
mx_tou=str2num（get（handles.edit_xy,'string'））;
mx_tou=sign（mx_tou-0.5）;
num_lb=get（handles.listbox_lb,'value'）;
a=str2num（get（handles.edit_a,'string'））;
b=get（handles.radiobutton_noise,'value'）;
b_noise=str2num（get（handles.edit_noise,'string'））;
globalst;
Ts=1;
N=15;
t=-3*Ts:
dt:
3*Ts;
d=sign（randn（1,N_data-20））;
d=[mx_tou,mx_tou,
升级会员 