通信系统建模与仿真课程设计
20０9 级 通信工程 专业 71 班级
题 目 基于ＳIＭUＬINK的基带传输系统的仿真
姓 名 张 建 涛 学号 ********６ 指导教师 闫利超 胡娟 小组成员 李迎亚 黄乔飞
２012年５月2１日
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1 任务书
试建立一个基带传输模型,采用曼彻斯特码作为基带信号,发送滤波器为平方根升余弦滤波器,滚降系数为０.５，信道为加性高斯信道,接收滤波器与发送滤波器相匹配。发送数据率为1000bpｓ，要求观察接收信号眼图,并设计接收机采样判决部分,对比发送数据与恢复数据波形,并统计误码率。另外，对发送信号和接收信号的功率谱进行估计。假设接收定时恢复是理想的。
2 基带系统的理论分析（参照通信原理教材1４６页,分两方面说明：1．基带系统
传输模型和工作原理;2.基带系统设计中的码间干扰和噪声干扰以及解决方案） 1．基带系统传输模型和工作原理
数字基带传输系统的基本组成框图如图 1 所示，它通常由脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器与码元再生器组成。系统工作过程及各部分作用如下。
输出 M发 送 进带限制 接 收 数字信息
抽样 抽样 滤波器 信 道 滤波器 错误!未定义书签。 判决 判决(f) (f) (f) GCGTR∞∑k=−∞anδ(t−Ts) y(t) {rn} {ân} gT(t) gR(t) n(t) 定时信号
图 １ ：数字基带传输系统方框图
发送滤波器进一步将输入的矩形脉冲序列变换成适合信道传输的波形gT(t)。这是因为矩形波含有丰富的高频成分，若直接送入信道传输，容易产生失真。
基带传输系统的信道通常采用电缆、架空明线等。信道既传送信号,同时又因存在噪声n(t)和频率特性不理想而对数字信号造成损害,使得接收端得到的波形gR(t)与发送的波形gT(t)具有较大差异。
接收滤波器是收端为了减小信道特性不理想和噪声对信号传输的影响而设置的。其主要作用是滤除带外噪声并对已接收的波形均衡，以便抽样判决器正确判决。
抽样判决器首先对接收滤波器输出的信号y(t)在规定的时刻（由定时脉冲cp控制）进行
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抽样，获得抽样信号{rn}，然后对抽样值进行判决，以确定各码元 是 “1”码还是“0” 码。
２．基带系统设计中的码间干扰和噪声干扰以及解决方案
由图 1所示,其中发送滤波器的传递函数为GT(f)，冲击响应为gT(t)；接收滤波器的传递函数为GR(f),冲击响应为gR(t)。从{an}到{ân}的传输过程中，各个脉冲信号经过信道与接收滤波器 后可能发生不期望的变形,从而影响接收,这中间既有码间串扰又有噪声的影响。
经过接收滤波器后的输出信号为
y(t)={[∑∞k=−∞akδ(t−kTs)]∗gT(t)∗c(t)+n(t)}∗gR(t)
令yn(t)=n(t)∗gR(t),并令数字基带传输系统总的冲击响应为 h(t)=gT(t)∗c(t)∗gR(t) 总的频响函数为 H(f)=GT(f)C(f)GR(f) 于是
∞
y(t)=∑akδ(t−kTs)∗h(t)+yn(t)
k=−∞∞
=∑akh(t−kTs)+yn(t)
k=−∞
记抽样定时为t=nTs+t0,得到抽样值，rn=y(nTs+t0)。t0是相对固定的时延，不妨将其忽略。于是
∞
rn=y(nTs)=∑akh(nTs−kTs)+yn(nTs)
k=−∞∞
=anh(0)+∑an−mh(mTS)+yn(nTs)
m=−∞
m≠0
式中,令m=n−k。式中的第一项对应所期望接收的an符号,;第二项是其他符号对当前符号an的干扰,称为码间串扰或码间干扰（ＩＳI）;第三项为噪声影响。
由于随机性的码间串扰和噪声的存在，使抽样判决电路在判决时可能判对，也可能判错。显然，只有当码间干扰和随机干扰很小时,才能保证上述判决的正确；当干扰及噪声严重时,则判错的可能性就很大。
１)码间干扰及解决方案
码间干扰:由于基带信号受信道传输时延的影响，信号波形将被延迟从而扩展到下一码元，形成码间干扰,造成系统误码。
解决方案:
① 要求基带系统的传输函数Ｈ(f)满足奈奎斯特第一准则:
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−∞
∑H(f−
k=−∞
k
)=常数 Ts
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基带系统的系统函数H(ω)应具有升余弦滚降特性。如图2所示。这样对应的h(t)拖尾收敛速度快，能够减小抽样时刻对其他信号的影响即减小码间干扰。
2)噪声干扰及解决方案
噪声干扰：基带信号没有经过调制就直接在含有加性噪声的信道中传输，加性噪声会叠加在信号上导致信号波形发生畸变。 解决方案:
① 在接收端进行抽样判决;②匹配滤波，使得系统输出性噪比最大。
3 基带系统设计方案（分别对信源、发送滤波器和接收滤波器、信道、抽样判决器
的选择说明原因)
错误!未定义书签。
信源的选择：常见的基带信号波形有:单极性波形、双极性波
形、单极性归零波形和双极性归零波形。双极性波形可用正负电平的脉冲分别表示二进制码“1”和“0”，故当“１”和“O”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输,且在接收端恢复信号的判决电平为零，抗干扰能力较强。本次课程设计所采用的曼彻斯特码就是一种典型的双极性不归零码。在ｓimuｌink的环境下产生该信号需将“Bernoｕｌｌｉ Bｉnary Generatｏｒ”模块和 “Pｕlse Geｎeｒａtor”模块各自产生的信号经过一个“Relaｙ”模块判决后再经过一个相乘器“Product”模块。
错误!未定义书签。 发送滤波器和接收滤波器的选择：基带系统设计的核心问题是
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滤波器的选取，根据对信源的分析，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,同时为了得到最大输出信噪比，在此选择平方根升余弦滤波器作为发送（接收)滤波器，滚降系数为0.5，接收滤波器与发送滤波器相匹配。以得到最佳的通信性能(即误码率最小)
错误!未定义书签。 信道的选择：信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信
道,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 抽样判决器的选择: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。根据曼彻斯特码的码性特点,故在接收中的判决门限为0。即采用由“Pｕlｓe Genｅｒatｏr”脉冲模块“Ｒelａy”判决模块“Ｐｒｏduct”相乘器模块“Triggeｒed Sｕbsｙstem”保持模块构成的抽样判决器。
4 SIＭＵＬＩNK下基带系统的设计(分别说明信源、发送滤波器和接收滤波
器、信道、抽样判决器的建模方法,及选用的ｓimulinｋ模块及相应的参数设置情况,最后给出总的模型图）
1信源的建模及相关参数设置
曼彻斯特码基带信号源需用到的ｓimulink模块有“Ｂernoulli Binary Ｇenerator”、 “Pulse Ｇenerａtor”、“Rｅｌay”、“Producｔ”。
考虑到设计要求，“Beｒｎoｕlli Biｎaｒy Genｅratｏr”参数设置为“Saｍple timｅ”为“1/1000”，其余参数为默认值;“Pｕlｓe Gｅneｒator” 参数设置为“Ｓａmple tiｍe”为“１e-4”，“Peｒioｄ”为“１0”“Pulse Widtｈ”为“5”,其余参数为默认值。“Rｅｌaｙ”判决门限为0．5,大于0.5输出1,小于0.５则输出-1，其余参数为默认。“Ｐrodｕcｔ”所有参数均为为默认值。
其模型搭建方式如下图所示
伯努利二进制信源模块及参数的设置:
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Ｂｅrｎoulli模块参数
图 2
由伯努利信源产生曼彻斯特码建模及参数设置：
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Pulｓe模块参数 Ｒelay模块参数
图 3
发送滤波器、信道、接收匹配滤波器的建模及参数设置:
发送滤波器参数 AWGN参数
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匹配接收滤波器参数
图4
抽样与判决器的建模及参数设置：
Pulse恢复定时模块参数 Relay判决模块参数
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图 5
基带传输系统的总模型:
图6 基带传输系统的总模型
5 仿真结果分析(给出模型图中各点输出时域波形,对结果进行分析;给出接收信号
眼图并分析;分别对发送信号和接收信号的功率谱进行估计,对比其结果；统计传输过程的误码率并分析造成误码的原因）
1、曼彻斯特编码前与编码后波形
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图 7
2、发送数据波形与接收数据波形
图 ８
从以上两图可以看出,曼彻斯特的编码完全正确,发送数据波形与接收数据波形完全吻合，由于误码率很低且示波器的显示范围有限，在图 ８中看不到传输错误的码元。通过接收端与发送端时域波形对比,可以看出设计的抽样判决器的抽样判决门限比较合理，可以顺利的完成对基带信号的抽样判决，与理论分析相一致。
3、经过滤波器、信道的各点时域波形
图 9
上图第一个波形为发送滤波器输出端时域波形，产生了规律的比较适合信道传输的波形,比较光滑。中间的波形为信道输出端的时域波形,由于信噪比不是太高,对发送滤波器输出的信号影响不明显。最下端的波形为接收滤波器输出时域波形。可以见的，噪声被基本滤除，接收滤波器输出波形比较平滑。
4、曼彻斯特码元与解码后的波形比较
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图 1０
通过这两个波形比较，可以看出数据经过发送滤波器、AWGN信道、接收滤波器、采样、判决恢复后，基本完全与原波形一致。
5、接收眼图波形与分析
图 11
(1）从上图中可以看出，眼图的线迹比较细,比较清晰，并且“眼睛”很大,说明误码率比较低，码间串扰与噪声对系统传输可靠性影响不大。
（２)从上图中可以看出最佳时刻是0.2,０．７，１．2,１.7左右等时刻“眼睛”最大即抽样最佳时刻。
(3）因为眼图眼边的斜率比较大，所以看出定时误差灵敏度比较敏感。 (４)“眼睛”张开的宽度为可抽样的时间范围。
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（５)抽样时刻,上下两个阴影区的间隔距离之半为噪声容限，若噪声瞬时值超过它就可能发生错判。
６、发送信号与接收信号功率谱估计与分析
发送信号功率谱 接收信号功率谱
图 12
从两图比较中可以看出，接收信号的功率谱与发送信号的功率谱基本完全一样，说明整个基带传输系统模型的设计是合理的,能满足要求,具有较好的抗码间串扰的能力。
7、误码率统计与分析
图 13
图 1４
通过误码率统计“Ｄｉsplay”模块可知该系统的误码率为0.０095,且误码率会随着仿真时间的增长逐步降低。由图 1４发送数据波形与接收数据波形比较，可以看到中间有一处出现了错误:原码为“0”,接收到的却是“１”。原因可能有以下几个方面：
错误!未定义书签。、误码有可能是由于噪声造成的。由于噪声的存在，可能会使原有基带
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信号的正负电平出现逆转，由于抽样判决门限为0,造成判决出错出现误码。
错误!、有可能是码间干扰的原因。虽然理论分析可以完全消除码间干扰,但是由于平方根升余弦滤波器等部件不可能是完全理想的，所以在仿真及实际工程中码间干扰是不会完全消除的。
错误!未定义书签。、由于采用相乘器等模块构造解码器,其解码过程也有可能会出错。
6 遇到的问题及解决的方法
刚开始拿到这个题目时，觉得很简单，因为通信建模书上有相似的例题,只是必须要把两个例题的模块组合到一起,然后修改下要求的参数，可是组合到一起之后问题就出来啦,改过参数后，曼彻斯特编码模块编出来的不是曼彻斯特码了，这让我很是头疼，因为要求的是用曼彻斯特码做基带信号，没办法，只好在纸上画波形图，弄清楚曼彻斯特编码模块的原理,这其中胡娟老师的讲解给了我莫大的帮助。然后把“Pulsｅ”的抽样时间按编码原理调了下,出来的结果是曼彻斯特编码了。然后就是结果分析的时候出现了问题,首先是误码率太大了，达到了0．５,刚开始不知道问题出在哪了,改其他参数，误码率就是不变，经过思考影响误码率的因素,最终发现判决器“Ｒelay”的判决门限设置错了,改了之后误码率大大减小了。其次,老师说功率谱不对，这让我很郁闷，参数什么的都是按要求设置的,功率谱怎么可能会错呢，左思右想不得其解，最后去问了同学,看了他的模型才发现原来我把频谱仪给接错位置了，经过改进,一切问题就都解决了。
7 结束语(收获、体会和改进设计的建议）
这次的课程设计虽然时间很短,但让我付出了很多汗水，也学到了很多东西。通过这次的课程设计，让我更加清楚明了的学习到Ｓimuliｎk中的通信系统模型的搭建流程及各种功能模块的作用和参数设置的具体情况,同时，也让我学会了当遇到问题时，该如何思考及解决,根据产生及影响问题的因素去寻找解决方法。并且,这次的课程设计大大提高了我的动手操作能力、问题分析及解决的能力和团队合作的默契。感谢老师不厌其烦的指导,是老师耐心的教导才换回了我们这次课程设计的成功。感谢其他同学对我的帮助和支持;感谢他们对我提出的问题进行详细的解答。
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8 指导教师评语
指导教师: 成绩:
（总页数在10页左右）
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