通信工程课设数字基带传输系统的仿真设计.docx
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通信工程课设数字基带传输系统的仿真设计
学号
成绩
***大学***学院
课程设计说明书
设计名称通信原理课程设计
设计题目数字基带传输系统的仿真设计
设计时间2012年12月3日至7日
专业通信工程
班级
姓名
指导教师
2012年12月7日
前言
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,但是该实验的实验板在市场上没有销售,而且该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,开发一套数字基带传输系统仿真实验软件是很有必要的.在仿真软件设计中采用了Mathworks公司的MATLAB作为仿真工具,其仿真平台SIMULINK具有可视化建模和动态仿真的功能.用SIMULINK构造仿真系统,方法简单直观,开发的仿真系统使用时间流动态仿真,可以准确描述真实系统的每一细节,并且在仿真进行的同时具有较强的交互功能,易于使用.另外该软件还具有较好的可扩展性和可维护性.本文给出了采用仿真工具SIMULINK,设计数字基带传输系统仿真实验软件的系统定义、模型构造的过程.通过对仿真结果分析和误码性能测试表明,该仿真系统完全符合实验要求.
MATLAB是一种编程语言和可视化工具，是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以和交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以和非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以和必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
1.前言.................................................1
2.目录.................................................2
3.课程设计的目的和意义.................................3
4.数字基带传输系统理论知识介绍.........................3
5.设计步骤.............................................4
6.源程序和运行结果.....................................7
7.心得体会............................................15
8.参考文献............................................17
一、课程设计的目的和意义
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和性能分析；
7、通过观测眼图和星座图判断信号的传输质量。
本次实验主要是利用MATLAB软件来进行数字基带通信系统的仿真,采用MATLAB平台仿真完成相关课程内容的实验,从而加深对理论知识的掌握。
二、数字基带传输系统理论知识介绍
数字通信是信息经编码变换处理后，以数字信号在信道上传输的，较之于模拟通信有很大的优点，因此，数字通信得到迅速发展。
数字通信有基带传输和频带传输两种方式，而基带传输系统在数字通信中有重要的代表性，本设计主要对数字基带传输系统的理论进行了探讨
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[1]。
在基带传输理论学习过程中涉和到的信道编码、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。
但对于非通信专业的课程教学而言,通常缺乏专用的仪器或者实验设备来支撑这个实践环节的运作。
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[2]。
采用MATLAB平台仿真的方法可以在一定程度上克服没有仪器设备带来的问题,以比较灵活的方式完成相关课程内容的实验,从而加深对理论知识的掌握。
三、设计步骤
（1）、主要区别了升余弦滚降和根升余弦滚降滤波器在频域和时域的不同。
主要在于频域幅度和时域过零点的区别。
（2）、主要在于匹配滤波和非匹配滤波的不同。
匹配滤波器采用发送滤波器和接收滤波器均为根升余弦滚降型。
而非匹配形式则是发送滤波器是升余弦滚降型，接收滤波器是直通滤波器，发送滤波器的输出即为接收滤波器的输入。
但是最终接收滤波器的输出结果是一致的。
判决结果与输入的序列一致。
（3）、可以根据判决结果的输出和眼图来判断码间干扰的情况。
当比特速率不是基带系统无码间干扰的最高传码率的整数倍时，判决结果的输出波形会出现码间干扰，而且眼图会很凌乱。
眼图是指通过示波器观察接收端输出的基带信号波形，从而估计（有无码间干扰）和调整系统性能。
眼睛睁得越大，噪声容限越大，系统抗噪性能越好。
（4）、输入信号信噪比越大，系统的可靠性越高。
升余弦滚降系数
影响滤波器的带宽;即
越大带宽越大。
同时也影响旁瓣衰减。
越小时域旁瓣衰减越慢，频域带宽越窄，信息传输质量越不保障。
原理设计：
1.匹配滤波器和非匹配滤波器：
升余弦滚降滤波器频域特性：
将频域转化为时域
2.最佳基带系统
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。
要求接收滤波器的频率特性与发送信号频谱共轭匹配。
由于最佳基带系统的总特性是确定的，故最佳基带系统的设计归结为发送滤波器和接收滤波器特性的选择。
设信道特性理想，则有
（延时为0）
有
可选择滤波器长度使其具有线性相位。
如果基带系统为升余弦特性，则发送和接收滤波器为平方根升余弦特性。
3.基带传输系统（离散域分析）
✧输入符号序列
✧发送信号
✧发送滤波器
✧发送滤波器输出
✧信道输出信号或接收滤波器输入信号
✧接收滤波器
✧接收滤波器的输出信号
✧如果位同步理想，则抽样时刻为
✧抽样点数值为
✧判决为其中若为最佳基带传输系统，则发送滤波器和接收滤波器都为根升余弦滤波器，当采用非匹配滤波器时，发送滤波器由升余弦滤波器基带特性实现，接收滤波器为直通。
四、源程序和运行结果
（一）、实验内容和程序
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。
（1）非匹配情况下：
升余弦滚降滤波器的模块函数（频域到时域的转换）
function[Hf,ht]=f_unmatch（alpha,Ts,N,F0）
k=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
f=F0/N*k;
fori=1:
N;
if（abs（f（i））<=（1-alpha）/（2*Ts））
Hf（i）=Ts;
elseif（abs（f（i））<=（1+alpha）/（2*Ts））
Hf（i）=Ts/2*（1+cos（pi*Ts/alpha*（abs（f（i））-（1-alpha）/（2*Ts））））;
elseHf（i）=0;
end;
end;
主函数
alpha=input（'alpha='）;%输入不同的滚降系数值
N=31;%序列长度
Ts=4;
F0=1;%抽样频率
n=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
k=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
f=F0/N*k;
Hf=zeros（1,N）;
Hf=f_unmatch（alpha,Ts,N,F0）;
ht=1/N*Hf*exp（j*2*pi/N*k'*n）;%非匹配滤波器的时域特性
subplot（2,1,1）
stem（f,Hf,'.'）;
axis（[-F0/2,F0/2,min（Hf）-0.2,max（Hf）+0.2]）;
title（'非匹配发送滤波器频率特性'）;
subplot（2,1,2）;
stem（n,ht,'.'）;
axis（[-（N-1）/2,（N-1）/2,min（ht）-0.2,max（ht）+0.2]）;
title（'非匹配发送滤波器的时域波形'）;
（二）、实验运行结果
alpha=1时
Alpha=0.5时
Alpha=0.1时
（2）匹配情况下
（三）、实验内容和程序
根升余弦滚降滤波器的模块函数（频域到时域的转换）
function[Hf,ht]=f_match（alpha,Ts,N,F0）
k=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
f=F0*k/N;
fori=1:
N;
if（abs（f（i））<=（1-alpha）/（2*Ts））
HF（i）=Ts;
elseif（abs（f（i））<=（1+alpha）/（2*Ts））
HF（i）=Ts/2*（1+cos（pi*Ts/alpha*（abs（f（i））-（1-alpha）/（2*Ts））））;
elseHF（i）=0;
end;
end;
n=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
k=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
Hf=sqrt（HF）;%发送滤波器频率特性（根升余弦滚降滤波器）
ht=1/N*Hf*exp（j*2*pi/N*k'*n）;%匹配滤波器的时域特性
主函数
alpha=input（'alpha='）;
N=31;
Ts=4;
n=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
k=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
Hf=zeros（1,N）;
Hf=f_match（alpha,Ts,N,F0）;
subplot（2,1,1）
stem（f,Hf,'.'）;
axis（[-F0/2,F0/2,min（Hf）-0.2,max（Hf）+0.2]）;
title（'匹配发送滤波器频率特性'）;
subplot（2,1,2）;
stem（n,ht,'.'）;
axis（[-（N-1）/2,（N-1）/2,min（ht）-0.2,max（ht）+0.2]）;
title（'匹配发送滤波器的时域波形'）;
（四）、运行结果
Alpha=1
Alpha=0.5
（3）由时域到频域的变化
alpha=1;
N=31;
Ts=4;
F0=1;
T0=1;
n=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
k=[-（N-1）/2:
（N-1）/2];
forn=-（N-1）/2:
（N-1）/2;
t=n*T0/Ts;
y=（1-4*alpha*alpha*t*t）*（pi*t）;
if（y==0）
h（n+（（N-1）/2+1））=（cos（pi*t）*cos（alpha*pi*t）-alpha*pi*sin（alpha*pi*t）*sin（pi*t））/（1-12*alpha*alpha*t*t）;
else
h（n+（（N-1）/2+1））=sin（pi*t）/（pi*t）*cos（alpha*pi*t）/（1-4*alpha*alpha*t*t）;
end;
end;
n=-（N-1）/2:
（N-1）/2;
k=1:
N;
f=F0*k/N;
HF=h（n+（（N-1）/2+1））*exp（-j*2*pi/N*k'*n）;
ht=1/N*HF*exp（j*2*pi/N*k'*n）;%发送滤波器时域特性
subplot（2,2,4）
stem（f,HF,'.'）;
axis（[0,F0,min（HF）-0.2,max（HF）+0.2]）;
xlabel（'f'）,ylabel（'HF'）;
title（'alpha=1的非匹配发送滤波器频率特性'）;
subplot（2,2,3）;
stem（n,ht,'.'）;
axis（[-（N-1）/2,（N-1）/2,min（ht）-0.2,max（ht）+0.2]）;
xlabel（'n'）,ylabel（'ht'）,title（'alpha=1的非匹配发送滤波器的时域波形'）;
Hf=sqrt（HF）;%发送滤波器频率特性（根升余弦滚降滤波器）
ht=1/N*Hf*exp（j*2*pi/N*k'*n）;%发送滤波器时域特性
subplot（2,2,2）
stem（f,Hf,'.'）;
axis（[0,F0,min（Hf）-0.2,max（Hf）+0.2]）;
xlabel（'f'）,ylabel（'Hf'）;
title（'alpha=1的匹配发送滤波器频率特性'）;
subplot（2,2,1）;
stem（n,ht,'.'）;
axis（[-（N-1）/2,（N-1）/2,min（ht）-0.2,max（ht）+0.2]）;
xlabel（'n'）,ylabel（'ht'）,title（'alpha=1的匹配发送滤波器的时域波形'）;
五、心得体会
（一）存在问题：
本次实验主要是利用MATLAB软件来进行数字基带通信系统的仿真。
在整个实验过程中，存在着以下几个问题。
1、刚开始对系统的整体构成不是很熟悉，思维比较模糊，后来和其他小组之间进行了交流，明白了整个系统的构成。
知道了程序设计的步骤和流程。
2、由于是初期使用Matlab，对该软件使用不熟练，所以没有过多采用老师建议的模块形式，这个在下次实验中我们会继续研究和努力。
3、鉴于我们是一个大程序的书写，在运行中总会存在问题，是结果运行不出来。
后来我们学会了使用断点来查找错误和单步运行程序，这对我们以后的实验有很大的帮助。
4、我们对整个实验的结果在仿真前没有大体的概念，导致我们面对仿真结果也难以判断正误。
由于知识掌握的不牢固，使我们在编程过程中存在了理解的偏差。
（二）总结体会
作为通信工程专业的一名学生，通过此次对数字基带传输系统的课程设计，使我更加扎实的掌握了有关通信原理方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
并通过对基带传输理论的深入理解，运用数值仿真的方法，对基带传输的特性作了模拟。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
通信原理诚然是一门专业课，然而数字基带传输系统的课程设计给我很多专业知识以和专业技能上的提升，同时，设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计，我掌握了利用MATLAB软件的模拟仿真操作，了解了电路的连线方法;以和如何提高电路的性能等等，通过查询资料，也了解了数字基带传输系统的构造和原理。
我认为，在这学期的课程设计中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在设计的过程中，我学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
这对于我们的将来也有很大的帮助。
以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。
就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要和时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
六、参考文献
1、《通信原理》（第6版），国防工业出版社
2、《MATLAB通信工程仿真》，机械工业出版社
3、（现代通信系统原理，网络课程）
4、《现代通信原理与技术》，张辉，曹丽娜。
西安电子科技大学出版社，2002
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