数字基带传输系统课程设计终稿课案.docx
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数字基带传输系统课程设计终稿课案
课程设计（论文）
题目数字信号基带传输系统设计
学院名称电气工程学院
指导教师
职称
班级
学号
学生姓名
2016年9月14日
《通信原理》课程设计
任务书
学院：
电气工程学院
题目：
数字信号基带传输系统设计
起止时间：
2016年9月1日至2016年9月14日
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
教研室主任：
院长：
2016年9月1日
1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
（1）技术要求：
设计数字基带传输系统，采用matlab语言编写各种码型产生代码，得到各种码型功率谱曲线，编程计算数字信号基带传输系统的误码率，编程实现基带信号传输的扰码和解扰。
（2）工作要求：
①查阅参考文献，利用通信原理基本理论，分析系统工作原理，设计系统方框图；
②掌握计算机辅助设计方法，利用Matlab/Systemview/Multisim等软件进行仿真设计，具备独立设计能力；
③熟悉通信系统的调试和测量方法；
④掌握电子电路安装调试技术，选择合适的元器件搭接实际电路，掌握电路的测试和故障排除方法，提高分析问题和解决问题的能力。
2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：
设计系统方框图，对系统方框图进行仿真，分析实验结果。
撰写设计说明书，书写格式规范，语言流畅简洁，文字不得少于3000字。
要求图表清晰，分析通彻，有理有据。
3．主要参考文献：
[1]樊昌信.通信原理（第6版）[M].北京：
电子工业出版社,2012,12.
[2]樊昌信,曹丽娜 .通信原理教程（第3版）[M].北京：
国防工业出版社,2006,9.
[3]刘学勇 .详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：
电子工业出版社,2011,11.
[4]张水英 ,徐伟强 .通信原理及MATLAB/Simulink仿真[M].北京：
人民邮电出版社,2012,9.
[5]赵鸿图,茅艳 .通信原理MATLAB仿真教程[M].北京：
人民邮电出版社,2010,11.
[6]赵静 ,张瑾 .基于MATLAB的通信系统仿真[M].北京：
北京航空航天大学出版社,2010,1.
[7]赵谦 .通信系统中MATLAB基础与仿真应用[M].西安：
西安电子科技大学出版社,2010,3.
[8]徐明远 ,邵玉斌 .MATLAB仿真在现代通信中的应用[M].西安：
西安电子科技大学出版社,2011,4.
[9]邵玉斌 .Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：
清华大学出版社,2008,6.
[10]邵佳 ,董辰辉 .MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲[M].北京：
电子工业出版社,2009,6.
[11]黄智伟 .基于NIMultisim的电子电路计算机仿真设计与分析（修订版）[M].北京：
电子工业出版社,2011,6.
[12]孙屹 ,戴妍峰 .SystemView通信仿真开发手册[M].北京：
国防工业出版社,2004,11.
[13]青松,程岱松,武建华 .数字通信系统的SystemView仿真与分析[M].北京：
北京航空航天大学出版社,2001,6.
4．课程设计工作进度计划：
序号
起迄日期
工作内容
1
2016.9.1～2016.9.3
系统方案设计
2
2016.9.4～2016.9.8
利用Matlab/Systemview/Multisim等软件进行仿真设计
3
2016.9.9～2016.9.12
通信系统的调试和测量，排除故障，分析实验结果
4
2016.9.13～2016.9.14
整理设计报告
指导教师
日期：
2016年8月31日
摘要：
数字通信系统主要有两种通信模式：
数字频带传输通信系统，数字基带传输通信系统。
未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或者很低频率开始，称为数字基带信号；不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，称为数字信号基带传输系统。
基带传输常用码型：
AMI码（传号交替反转码）、HDB3码（三阶高密度双极性码）、双相码、差分双相码、密勒码、CMI码（传号反转码）、块编码等。
论文主要内容是设计数字基带传输系统，采用MATLAB软件仿真，编写各种码型产生代码，得到各种码型功率谱曲线，编程计算数字信号基带传输系统的误码率，编程实现基带信号传输的扰码和解扰。
关键词：
数字基带传输系统；基带传输码型；MATLAB软件仿真
Abstract:
Digitalcommunicationsystemmainlyhastwomodesofcommunication:
thedigitalbandtransmissioncommunicationsystems,digitalbasebandtransmissioncommunicationsystem.Spectrumdigitalsignalunmodulatedoccupiedfromzerofrequencyorlowfrequencystart,calleddigitalbasebandsignal;withoutacarriermodulationtransmissionsystemsanddirectdigitalbasebandsignal,calledadigitalbasebandsignaltransmissionsystem.Basebandtransmissioncommonpattern:
AMIcode（markbipolarencoding）,HDB3code（third-orderhigh-densitybipolarcode）,bipolarcode,differentialduplexcode,Millercode,CMIcode（MarkInversioncode）,blockcoding.ThemaincontentsaredesigneddigitalbasebandtransmissionsystemusingMATLABsoftwaresimulation,thepreparationofvariouspatternsgeneratedcodetogettheerrorrateofvariouspatternsofpowerspectrumcurve,programmedtocalculatebasebanddigitalsignaltransmissionsystem,programmingthebasebandsignaltransmissionscramblinganddescrambling.
Keywords:
Digitalbasebandtransmissionsystem;Basebandtransmissioncode;
MATLABsimulation
1绪论
数字通信技术的应用越来越广泛，例如数字移动通信、数字卫星通信、数字电视广播、数字光纤通信、数字微波通信、数字视频通信、多媒体通信等等。
数字通信系统主要的两种通信模式:
数字频带传输通信系统，数字基带传输通信系统。
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fm，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。
一种不搬移基带信号频谱的传输方式，未对载波调制的待传信号称为基带信号，它所占的频带称为基带，基带的高限频率与低限频率之比通常远大于1。
由信号源产生或形成的数字信号都有一个共同特点，就是它的频谱都是从零频或零频附近开始一直扩展到很宽，这种信号称为数字基带信号。
实际中，基带传输不如频带传输应用广泛，但对基带传输的研究仍然有非常重要的
意义。
这是因为：
首先，数字基带系统在进程数据通信系统中应用广泛；其次，数字基
带系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；然后，随着数字通信技术的发展，基带传输也有迅速发展的趋势，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；最后，在理论上，任何一个线性调制的频带传输系统，总是可以有一个等效的基带载波调制系统所代替。
因此，很有必要对基带传输系统进行综合系统的分析。
2MATLAB软件介绍
美国MATHWORK公司于1967年推出了“MatrixLaboratory”（缩写为MATLAB）软件包，不断更新和扩充。
它是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。
其中包括：
一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。
在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，c++，JAVA的支持。
可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，MATLAB的基础是矩阵计算，但是由于他的开放性，并且mathwork也吸收了像maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。
当前流行的MATLAB包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包（Toolbox）。
工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。
功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。
学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。
Matlab的优势和特点：
（1）友好的工作平台和编程环境
（2）简单易用的程序语言
（3）强大的科学计算机数据处理能力
（4）出色的图形处理功能
（5）应用广泛的模块集合工具箱
（6）实用的程序接口和发布平台
（7）应用软件开发（包括用户界面）
MATLAB工具有很强的仿真能力可以仿真NR码、NRZ码、AMI码、HDB3码等各种编码及分析其功率谱。
同时可以仿真通信系统的应用。
3数字基带传输系统
3.1概述
通信的根本任务是远距离传输信息，准确地传输数字信息是数字通信中的一个重要环节。
在数字传输系统中，其传输对象通常是二进制数字信息。
它可能是来自计算机、网络或其他数字设备的各种数字代码，也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。
数字信息在一般情况下可以表示为一个数字序列：
…，
…,
…
简记为｛
｝。
是数字序列的基本单元，称为码元。
每一个码元只能取离散的有限个值，例如在二进制中，
取0或1两个值；在M进制中，
取0，1，2，…，M-1等M个值，或者取二进制码的M种排列。
由于码元只有有限个可能取值，所以通常用不同幅度的脉冲表示码元的不同取值，例如用幅度为A的矩形脉冲表示1，用幅度为-A的矩形脉冲表示为0。
这种脉冲信号被称为数字基带信号，这是因为它们所占据的频带通常从直流和低频开始。
在数字传输系统中所传输的通常是二元数字信号。
设计数字传输系统要考虑的基本想法是选择一组有限个离散的波形来表示数字信息。
这些离散波形可以是载波进行调制后的波形,也可以是不经过调制的不同电平信号。
来自数据终端的原始数据信号，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组，ΔM序列等等都是基带数字信号。
这些信号往往包含丰富的低频分量。
有些场合可以不经过载波调制和解调过程而直接传输，称为基带传输。
系统基带波形被脉冲变换器变换成适应信道传输的码型后，就送入信道，一方面受到信道特性的影响，使信号产生畸变；另一方面信号被信道中的加性噪声所叠加，造成信号的随即畸变。
因此，在接收端必须有一个接收滤波器，使噪声尽可能受到抑制，为了提高系统的可靠性，在安排一个有限整形器和抽样判决器组成的识别电路，进一步排除噪声干扰和提取有用信号。
对于抽样判决，必须有同步信号提取电路。
在基带传输中，主要采用位同步。
同步信号的提取方式采用自同步方式（直接法）。
同步系统性能的好坏将直接影响通信质量的好坏，甚至会影响通信能否正常进行。
3.2数字基带系统的简介
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。
数字基带系统的基本结构如图3.1所示。
图3.1数字基带传输系统
信道信号形成器：
基带传输系统的输入是由终端设备或编码器产生的脉冲序列，它不一定适合直接在信道中传输。
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。
信道：
允许基带信号通过的媒质。
信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，恒参信道如（明线、同轴电缆、对称电缆、光纤通道、无线电视距中继、卫星中继信道）对信号传输的影响主要是线形畸变；随参信道如（短波电离层反射、对流层散射信道等）对信号传输的影响主要有频率弥散现象（多径传播）、频率的选择性衰落。
信道的线性噪声和加性噪声的影响。
在通信系统的分析中，常常把噪声n（t）等效，集中在信道中引入。
接收滤波器：
主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。
抽样判决器：
它是在传输特性不理想及噪声背景下，在由位定时脉冲控制的特殊点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。
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。
3.3数字基带传输的要求及常用码型
在实际基带传输系统中，并非所有的原始基带数字信号都能在信道中传输。
例如，有的信号含有丰富的直流和低频成分，不便提取同步信号；有的信号易于形成码间串扰等。
因此，基带传输系统首先面临的问题是选择什么样的信号形式，即传输码型的选择和基带脉冲波形的选择。
为了在传输信道中获得优良的传输特性，一般要将信码信号变化为适合于信道传输特性的传输码，即进行适当的码型变换。
对传输码型的要求如下：
（1）传输信号的频谱中不应有直流分量，低频分量和高频分量也要小。
（2）码型中应包含定时信息，有利于定时信息的提取，尽量减小定时抖动。
（3）码型变换设备要简单可靠。
（4）码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则可根据这一规律性检测传输质量，以便做到自动检测。
（5）编码对信息类型不应有任何限制，即对信源具有透明性。
常用的码型有AMI码、HDB3码、分相码、反转码AMI等。
4基带传输系统特性的研究
4.1基带传输的功率谱研究
在通信中，除测试信号外，数字基带信号通常都是随机脉冲序列。
因为若在数字通信系统所传输的数字序列不是随机的，而是确知的，则消息就不携带任何信息，通信就失去意义。
研究随机脉冲序列的频谱，要从统计分析的角度出发，研究它的功率谱密度。
设一个二进制随机脉冲序列如图4.1所示。
这里g1（t）和g2（t）分别代表符号的0和1，Ts为每一个码元宽度。
应当说明的是，图中虽然把g1（t）和g2（t）都画成了三角形（高度不同），但实际上g1（t）和g2（t）可以是任意的脉冲。
Ts
图4.1任一随机脉冲序列示意波形
现在假设序列中任一码元序列时间Ts内g1（t）和g2（t）出现的概率分别为P，1－P，且认为它们的出现是互不依赖的（统计独立），则该序列s（t）可写成：
（4-1）
其中
随机基带序列
的功率谱密度
由于
，故当T→
时，
将变成
于是，
的功率密度谱Ps（w）最后表示为
（4-2）
式4-2是双边的功率谱密度表示式。
如果写成单边的，则有
（4-3）
其中
、
分别为g1（t）、g2（t）的傅立叶变换。
从公式4-3可以得出如下结论：
（1）随机脉冲序列功率谱包括两部分：
连续谱和离散。
（2）当g1（t）和g2（t）、p、Ts给定后，随机脉冲序列功率谱就确定了。
（3）根据连续谱可以确定随机序列的宽度；根据离散谱可以确定随机序列是否包含直流成分（m=0）及定时信号（m=1）。
连续谱总存在，而离散谱视情况而定。
对于单极性波形：
若假设g1（t）=0,g2（t）=g（t）随机脉冲序列的功率谱密度（双边）为
（4-4）
式中，
是
的频谱函数。
当
，且
为矩形脉冲，即
则（4-4）式将变成
（4-5）
可知有连续谱和直流分量。
对于双极性波形：
若假设g1（t）=－g2（t）=g（t），则有
（4-6）
同理，当
，且
为矩形脉冲，式（4-6）将变成
（4-7）
可知只有连续谱分量。
由以上分析可以看出，随机脉冲序列的功率谱密度可能包括两个部分：
连续谱和离散谱。
对于连续谱而言，代表数字信息的g1（t）和g2（t）不能完全相同，故，因而总是存在的；对于离散谱来说，在一般情况下，它也总是存在的。
但我们容易观察到，若g1（t）和g2（t）是双极性的脉冲，且波形出现概率相同，则式（4-3）中的第二、第三项为零，故此时没有离散谱。
上述结果是十分有意义的，它一方面使我们了解随机脉冲序列频谱的特点，以及如何去具体地计算它的功率谱密度；另一方面利用它的离散谱是否存在这一特点，将使我们明确能否从脉冲序列中直接提取离散分量，以及采用怎样的方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离散分量。
这一点在研究位同步、载波同步等问题时将是重要的。
在matlab仿真时，若x是时域取样值矢量，X是对应的傅立叶变量，那么x的功率谱矢量：
P=（X.*conj（x））/T。
其中conj为共轭复数函数。
分析数字信号的脉冲序列码的功率谱可以知道信号功率的分布，根据主要功率集中在哪个频段，可以确定信号带宽，进而考虑信道带宽和传输网络（滤波器、均衡器）的传输特性。
同时利用它的离散谱是否存在这个特点，可以明确能否从脉冲序列中直接提取所需的离散分量和采取怎样的方法可以从序列中获得所需的离散分量，以便在接收端用这些成分作位同步定时等。
脉冲序列码主要研究NRZ码、RZ码、AMI码。
分析噪声的功率谱密度可以知道噪声对系统的影响，并且可以人为的仿真噪声。
4.2基带系统的基带传输特性
基带脉冲传输的研究的基本出发点，就是使基带脉冲传输获得足够小的误码率，必须最大限度的减小码间串扰和随机噪声的影响。
码间串扰的大小取决于输入序列和系统输出波形g（t）在抽样时刻上的取值。
由于理想基带传输特性实际的无法实现并且冲击响应尾巴衰减幅度大、收敛慢，从而对抽样判决要求十分严格，稍有偏差就会造成码间串扰。
于是提出了升余弦特性。
升余弦滚降函数：
（4-1）
其冲击响应实现比较容易，对定时的要求可降低要求，然而频带利用率却下降。
5基带传输系统的设计及仿真
通信系统仿真原理：
MATLAB用编程的方式在软件上对基带系统进行仿真。
考虑到实际中有噪声的存在，以及对滤波器性能的要求，我们对基带传输函数选择升余弦滚降函数。
并且实际中，我们对系统有较低的误码率，并且系统在设计过程中易于完成，且成本低，我们采取匹配滤波器，在最大信噪比接收条件下对基带最佳化。
并假设信道特性理想即
，且我们忽略匹配器的时延。
大大的减少了编程的复杂程度，但系统的误码率却相差很小。
为了分析仿真的可行性，并比较与理论上的研究值的差别，仿真时我们在绘出实测曲线的同时还考虑理论曲线以作以比较。
如图5.1就是一个以上所设计的基带传输系统。
由于匹配器对于输入信号的要求，码序列我们采用随机的冲击序列信号。
图5.1基带传输系统设计图
5.1AMI码功率谱计算
一、编码规则:
消息代码中的0传输码中的0
消息代码中的1传输码中的+1、-1交替
二、AMI码的特点:
（1）由AMI码确定的基带信号中正负脉冲交替，而0电位保持不变;所以由AMI码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量;
（2）在接收端不易提取定时信号，由于它可能出现长的连0串;
（3）具有检错能力，如果在整个传输过程中，因传号极性交替规律受到破坏而出现误码时，在接收端很容易发现这种错误。
通过MATLAB编程产生AMI码，并计算其功率谱，结果如下图
图5.1.1AMI码波形图
图5.1.2AMI码功率谱图
5.2HDB3码功率谱计算
HDB3码是对AMI码的一种改进码，它的全称是三阶高密度双极性码。
其编码规则如下：
用B脉冲来保证任意两个相连取代节的V脉冲间“1”的个数为奇数。
当相邻V脉冲间“1”码数为奇数时，则用“000V”取代，为偶数个时就用“B00V”取代。
在V脉冲后面的“1”码和B码都依V脉冲的极性而正负交替改变。
为了讨论方便，我们不管“0”码，而把相邻的信码“1”和取代节中的B码用B1B2 ......Bn表示，Bn后面为V，选取“000V”或“B00V”来满足Bn的n为奇数。
当信码中的“1”码依次出现的序列为VB1B2B3...BnVB1时，HDB3码为＋－＋－...――＋或为－＋－＋...＋＋―。
由此看出，V脉冲是可以辩认的，这是因为Bn和其后出现的V有相同的极性，破坏了相邻码交替变号原则，我们称V脉冲为破坏点，必要时加取代节BOOV，保证n永远为奇数，使相邻两个V码的极性作交替变化。
由此可见，在HDB3码中。
相邻两个V码之间或是其余的“1”码之间都符合交替变号原则，而取代码在整修码流中不符合交替变号原则。
经过这样的变换，既消除了直流成分，又避免了长连“0”时位定时不易恢复的情况，同时也提供了取代信息。
HDB3码的特点是明显的，它除了保持AMI码的优点外，还增加了使连0串减少到至多3个的优点，而不管信息源的统计特性如何。
这对于定时信号的恢复是十分有利的。
HDB3码是CCITT推荐使用的码型之一。
通过MATLAB编程产生HDB3码，并计算其功率谱，结果如下图
图5.2.1HDB3码波形图
图5.2.2HDB3码功率谱图
5.3CMI码功率谱计算
CMI码是传号反转码的简称，其编码规则为：
“1”码交替用“11”和“00”表示；“0”码用“01”表示。
例如：
代码：
1 1 0 1 0
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