畢業(yè)論文---基于matlab的最佳基帶傳輸系統(tǒng)分析

1、<p>　　本科生畢業(yè)論文（設計）</p><p>　　題目：基于MATLAB的最佳基帶傳輸系統(tǒng)分析</p><p>　　學 院 機電工程學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程07級2班 </p><p>　　學生姓名 </

2、p><p>　　指導教師 </p><p>　　撰寫日期：2011年 4 月 19 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　20世紀60年代出現了數字傳輸技術，它采用了數字信號來傳遞信息，從此通信進入了數字化時代。數字通信系統(tǒng)主要的兩種通信模式:數字頻

3、帶傳輸通信系統(tǒng)，數字基帶傳輸通信系統(tǒng)。本文主要研究通信系統(tǒng)中的關鍵技術－數字基帶傳輸，基帶系統(tǒng)在數字通信中有重要的代表性。主要包括基帶系統(tǒng)的結構、傳輸的方式及無碼間干擾條件的特性研究。在綜合考慮信道的加性噪聲干擾及限帶信道會引起碼間干擾的這兩方面因素，并研究其最佳基帶傳輸的發(fā)送及接收濾波的設計問題。本文還著重的研究基于MATLAB語言的數字基帶傳輸特性，通過MATLAB設計并仿真基帶系統(tǒng)，在比較實測系統(tǒng)與理論研究的基礎上加深了對基帶傳輸

4、特性的理解。</p><p>　　關鍵詞：數字基帶傳輸，碼間干擾，時域均衡 </p><p>　　Based on MATLAB the best base-band transmission system analysis</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　20 emerged

5、in the 1960s digital transmission technology, its adoption of a digital signal to transmit information, from communications to enter the digital era. Digital Communication System's two dominant mode of communication:

6、 digital transmission bandwidth communications systems, digital base-band transmission communications systems .The text introduces mostly about key technology of correspondence system which is numeric base-band transmiss

7、ion，it is an important representative. The base-band </p><p>　　Keywords：digital base-band;code of interference;time domain balanced</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>

8、　　1 引言1</b></p><p>　　1.1問題的提出及研究意義1</p><p>　　1.1.1 問題的提出1</p><p>　　1.1.2 研究的意義1</p><p>　　1.2 國內外研究現狀1</p><p>　　2 數字基帶系統(tǒng)的簡介及其實現方法2</p>&l

9、t;p>　　2.1 數字基帶系統(tǒng)的簡介2</p><p>　　2.1.1 數字基帶信號2</p><p>　　2.1.2 數字基帶傳輸2</p><p>　　2.1.3 數字基帶傳輸系統(tǒng)2</p><p>　　2.1.4數字基帶傳輸的要求及常用碼型3</p><p>　　2.2 Matlab簡介4&l

10、t;/p><p>　　2.2.1 MATLAB語句4</p><p>　　2.2.2 MATLAB在通信系統(tǒng)中的仿真5</p><p>　　3 基帶傳輸系統(tǒng)特性的研究6</p><p>　　3.1 基帶傳輸的功率譜研究6</p><p>　　3.2 眼圖在基帶傳輸系統(tǒng)的應用8</p><p&g

11、t;　　3.3 基帶傳輸中的時域均衡技術9</p><p>　　3.4 基帶系統(tǒng)的基帶傳輸特性10</p><p>　　3.4.1 升余弦滾降傳輸特性10</p><p>　　3.4.2 部分響應系統(tǒng)12</p><p>　　3.5 數字信號的最佳接收14</p><p>　　3.6 基帶系統(tǒng)的最佳化15&

12、lt;/p><p>　　3.7 綜合基帶傳輸系統(tǒng)的設計及仿真15</p><p><b>　　4 結語17</b></p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p><b>　　致 謝20</b></p><p><b>

13、　　1 引言</b></p><p>　　1.1問題的提出及研究意義</p><p>　　1.1.1 問題的提出</p><p>　　20世紀60年代出現了數字傳輸技術，它采用了數字信號來傳遞信息，從此通信進入了數字化時代。目前，通信網已基本實現數字化，在我國公眾通信網中傳輸的信號主要是數字信號。數字通信技術的應用越來越廣泛，例如數字移動通信、數字衛(wèi)星通

14、信、數字電視廣播、數字光纖通信、數字微波通信、數字視頻通信、多媒體通信等等。數字通信系統(tǒng)主要的兩種通信模式:數字頻帶傳輸通信系統(tǒng)，數字基帶傳輸通信系統(tǒng)。</p><p>　　1.1.2 研究的意義 </p><p>　　實際中，基帶傳輸不如頻帶傳輸應用廣泛，但對基帶傳輸的研究仍有非常重要的意義。這是因為：第一，數字基帶系統(tǒng)的許多問題也是頻帶傳輸系統(tǒng)必須考慮的問題；第二，隨著數字通信技術的發(fā)

15、展，基帶傳輸這種方式也有迅速發(fā)展的趨勢，它不僅用于低速數據傳輸，而且還用于高速數據傳輸；第三，在理論上，任何一個線性調制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以有一個等效的基帶載波調制系統(tǒng)所替代。因此，很有必要對基帶傳輸系統(tǒng)進行綜合系統(tǒng)的分析[1]。</p><p>　　1.2 國內外研究現狀</p><p>　　目前，數字通信在衛(wèi)星通信、光纖通信、移動通信等方面發(fā)展很快。由于基帶傳輸系統(tǒng)在數字傳輸系統(tǒng)中

16、有不可替代的作用，其應用范圍也隨著技術的發(fā)展?jié)B入網絡通信、衛(wèi)星通信、手機通信、數字電視、數字電話等生活、科技的各方面，日益成為數字通信傳輸系統(tǒng)中的關鍵技術。工業(yè)電視采用的基帶傳輸方式。它是工業(yè)用的一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)，已在寶鋼分公司廣泛應用。視頻信號的傳輸方式可分為基帶傳輸和調制傳輸兩大類，這里的基帶傳輸是指攝像機輸出的視頻信號不經過任何處理，直接通過同軸電纜傳輸到監(jiān)視端。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中記憶非線性信道的自適應數字基帶預失真線性化技術,提出

17、了一種基于記憶多項式的非直接學習結構的自適應基帶預失真方案,給出了自適應算法。仿真結果表明,該方案能有效抑制帶外頻譜擴散,減小帶內失真,降低誤比特率,實現衛(wèi)星通信系統(tǒng)中記憶非線性失真的自適應預失真[2]?；鶐в纸谢l，在大部分手機中，基頻都是最昂貴的半導體元件，隨著顯示屏價格的下降，基頻正在成為手機中占成本比例最高的元件。不僅如此，基頻還決定了手機平臺的選擇，很大程度上決定了手機的功能和性能。毫無疑問，基頻是手機的心臟。值得一提的是現在

18、WCDMA系統(tǒng)向后3G演進的</p><p>　　2 數字基帶系統(tǒng)的簡介及其實現方法</p><p>　　2.1 數字基帶系統(tǒng)的簡介</p><p>　　2.1.1 數字基帶信號</p><p>　　通信的根本任務是遠距離傳輸信息，準確地傳輸數字信息是數字通信中的一個重要環(huán)節(jié)。在數字傳輸系統(tǒng)中，其傳輸對象通常是二進制數字信息。它可能是來自計算

19、機、網絡或其他數字設備的各種數字代碼，也可能來自數字電話終端的脈沖編碼信號。數字信息在一般情況下可以表示為一個數字序列：</p><p>　　…，,,,,,…,,…</p><p>　　簡記為｛｝。是數字序列的基本單元，稱為碼元。每一個碼元只能取離散的有限個值，例如在二進制中，取0或1兩個值；在M進制中，取0，1，2，…，M-1等M個值，或者取二進制碼的M種排列。</p>&

20、lt;p>　　由于碼元只有有限個可能取值，所以通常用不同幅度的脈沖表示碼元的不同取值，例如用幅度為A的矩形脈沖表示1，用幅度為-A的矩形脈沖表示為0。這種脈沖信號被稱為數字基帶信號，這是因為它們所占據的頻帶通常從直流和低頻開始[5]。</p><p>　　2.1.2 數字基帶傳輸</p><p>　　在數字傳輸系統(tǒng)中所傳輸的通常是二元數字信號。設計數字傳輸系統(tǒng)要考慮的基本想法是選擇一

21、組有限個離散的波形來表示數字信息。這些離散波形可以是載波進行調制后的波形,也可以是不經過調制的不同電平信號。來自數據終端的原始數據信號，或者是來自模擬信號經數字化處理后的PCM碼組，ΔM序列等等都是基帶數字信號。 這些信號往往包含豐富的低頻分量。有些場合可以不經過載波調制和解調過程而直接傳輸，稱為基帶傳輸。</p><p>　　系統(tǒng)基帶波形被脈沖變換器變換成適應信道傳輸的碼型后，就送入信道，一方面受到信道特性的影

22、響，使信號產生畸變；另一方面信號被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號的隨即畸變。因此，在接收端必須有一個接收濾波器，使噪聲盡可能受到抑制，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在安排一個有限整形器和抽樣判決器組成的識別電路，進一步排除噪聲干擾和提取有用信號。對于抽樣判決，必須有同步信號提取電路。在基帶傳輸中，主要采用位同步。同步信號的提取方式采用自同步方式（直接法）。同步系統(tǒng)性能的好壞將直接影響通信質量的好壞，甚至會影響通信能否正常進行。</p&g

23、t;<p>　　2.1.3 數字基帶傳輸系統(tǒng)</p><p>　　基帶傳輸包含著數字通信技術的許多問題，頻帶傳輸是基帶信號調制后再傳輸的，因此頻帶傳輸也存在基帶問題?；鶐鬏數脑S多問題，頻帶傳輸同樣須考慮。如果把調制與解調過程看做是廣義信道的一部分，則任何數字傳輸系統(tǒng)均可等效為基帶傳輸系統(tǒng)。理論上還可證明，任何一個采用線性調制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以由一個等效的基帶傳輸系統(tǒng)來代替。</p>

24、;<p>　　數字基帶系統(tǒng)的基本結構如圖1所示。</p><p>　　信道信號形成器：基帶傳輸系統(tǒng)的輸入是由終端設備或編碼器產生的脈沖序列，它不一定適合直接在信道中傳輸。信道信號形成器的作用就是把原始基帶信號變換成適合于信道傳輸的基帶信號，這種變換主要是通過碼型變換和波形變換來實現的，其目的是與信道匹配，便于傳輸，減小碼間串擾，利于同步提取和抽樣判決。</p><p>　　信

25、道：允許基帶信號通過的媒質。信道的傳輸特性通常不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，恒參信道如（明線、同軸電纜、對稱電纜、光纖通道、無線電視距中繼、衛(wèi)星中繼信道）對信號傳輸的影響主要是線形畸變；隨參信道如（短波電離層反射、對流層散射信道等）對信號傳輸的影響主要有頻率彌散現象（多徑傳播）、頻率的選擇性衰落。信道的線性噪聲和加性噪聲的影響。在通信系統(tǒng)的分析中，常常把噪聲n(t)等效，集中在信道中引入。</p><p>　　接收濾波器

26、：主要作用是濾除帶外噪聲，對信道特性均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。</p><p>　　抽樣判決器：它是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在由位定時脈沖控制的特殊點對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復或再生基帶信號。</p><p>　　自同步法的同步提取電路：有兩部分組成，包括非線型變換處理電路和窄帶濾波器或鎖相環(huán)。非線型變換處理電路的作用是使接收信號或解調后的數字基帶信號經過

27、非線型變換處理電路后含有位同步分量或位同步信息。窄帶濾波器或鎖相環(huán)的作用是濾除噪聲和其他頻譜分量，提取純凈的位同步信號。</p><p>　　2.1.4數字基帶傳輸的要求及常用碼型</p><p>　　在實際基帶傳輸系統(tǒng)中，并非所有的原始基帶數字信號都能在信道中傳輸。例如，有的信號含有豐富的直流和低頻成分，不便提取同步信號；有的信號易于形成碼間串擾等。因此，基帶傳輸系統(tǒng)首先面臨的問題是選擇

28、什么樣的信號形式，即傳輸碼型的選擇和基帶脈沖波形的選擇。</p><p>　　為了在傳輸信道中獲得優(yōu)良的傳輸特性，一般要將信碼信號變化為適合于信道傳輸特性的傳輸碼，即進行適當的碼型變換。</p><p>　　對傳輸碼型的要求如下：</p><p>　　傳輸信號的頻譜中不應有直流分量，低頻分量和高頻分量也要小。</p><p>　　碼型中應包含

29、定時信息，有利于定時信息的提取，盡量減小定時抖動。</p><p>　　碼型變換設備要簡單可靠。</p><p>　　碼型具有一定檢錯能力，若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，則可根據這一規(guī)律性檢測傳輸質量，以便做到自動檢測。</p><p>　　編碼對信息類型不應有任何限制，即對信源具有透明性。</p><p>　　常用的碼型有AMI碼、HDB3碼、

30、分相碼、反轉碼AMI等[1]。</p><p>　　2.2 Matlab簡介</p><p>　　2.2.1 MATLAB語句</p><p>　　美國Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）軟件包，不斷更新和擴充。它是一種功能強、效率高便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數值分析、矩陣運算

31、、數字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應用程序。</p><p>　　結合MATLAB的功能與特點，在基帶傳輸系統(tǒng)仿真中有如下應用：</p><p>　?。ㄒ唬└咝Х奖愕木仃嚭蛿到M運算 </p><p>　　1.全零矩陣Zeros及全1矩陣Ones</p><p>　　Zeros（n，m）產生一個尺寸為n * m，元素全為零的矩陣。</

32、p><p>　　Ones（n，m）產生一個尺寸為n*m的矩陣。</p><p>　　Zeros（N）產生一個N維全零方陣。</p><p>　　Ones（size（A））產生一個尺寸與A相同的全1矩陣。</p><p>　　2.隨機數產生命令rand及正態(tài)隨機數產生命令Randn</p><p>　　rand（n，m）產生

33、一個尺寸為n*m的矩陣，其元素按均勻分布隨機取值于區(qū)間[0，1]。</p><p>　　Randn（n，m）產生一個尺寸為n*m的矩陣，其元素服從標準正態(tài)分布（均值為零，方差為1）。</p><p>　　Rand（size（a））產生一個尺寸與a相同的均勻分布隨機矩陣。</p><p>　　Randn（size（a））產生一個與a相同的正態(tài)分布隨機矩陣。</p

34、><p>　　3.元素均勻分割命令linspace</p><p>　　函數linspace（a，b，N）產生一個N維矢量，N個元素均勻分割區(qū)間[a，b]，第一個是a，第二個是b。</p><p>　　4.矩陣元素重排命令reshape</p><p>　　reshape（x，m，n）把矩陣x的元素重排列成m*n的矩陣形式，按逆時針方向取數。&l

35、t;/p><p>　　5.矩陣元素左右倒轉fliplr</p><p>　　fliplr可以把矩陣或向量倒置過來[6]。</p><p>　?。ǘ┓奖愕睦L圖功能 </p><p>　　MATLAB提供了豐富的繪圖功能。結合在基帶系統(tǒng)中的仿真實驗的需要，我們簡要介紹一下二維繪圖函數的繪制方法。</p><p>　　1.二

36、維繪圖函數plot</p><p>　　若X、Y是兩個相同長度的矢量，函數plot(X、Y)將激活一個圖形窗口，并畫出一條以X為橫坐標，以Y為縱坐標的曲線。例如： </p><p>　　t=[0:0.01:2*pi];</p><p>　　plot(t,sin(t))</p><p>　　即繪出函數sin（t）在區(qū)間[0，2*pi]上的曲線。

37、</p><p>　　使用plot（X，Y）函數時若省略參數X，Matlab將把Y中的元素的順序作為橫坐標的坐標值。使用plot時也可加入另一個參數S ：plot（X，Y，S ），S 用來規(guī)定繪圖時使用的顏色和繪制方式?？梢赃x擇不同的線型如實線、虛線、點劃線、波折線，也可以不劃線而用不同的標記標出點的位置。過程S 的字符有兩部分，第一部分是顏色（用一個字符表示），第二部分是繪制方式（用一到二個字符表示）。<

38、/p><p><b>　　表1 S的定義圖</b></p><p>　　2.命令hold和clf</p><p>　　在缺省狀態(tài)下，執(zhí)行plot是matlab先清除圖形窗口再繪圖。執(zhí)行hold on 后再執(zhí)行plot時，matlab將不清除圖形窗口。這樣，就可以在同一圖形內畫多條曲線。執(zhí)行hold off將使圖形窗口變回原來的狀態(tài)。單獨執(zhí)行hol

39、d而不帶參數on或off，將圖形窗口的hold狀態(tài)反轉。</p><p>　　命令clf則是清除當前的圖形窗口，但它不改變hold的狀態(tài)。</p><p>　　3.函數 semilogy（）</p><p>　　函數semilogy（）與plot（）一樣，只是Y軸是對數坐標。類似還有semilogx（），loglog（）等。</p><p>

40、<b>　　4.標簽</b></p><p>　　xlable(str)給X軸加上一個以字符串str為內容的標簽。Ylable（str）則給Y軸加標簽。Title（str）則給整個加上標題。</p><p>　　5.Figure 與close</p><p>　　如果想在同一個程序中開出多個圖形窗口，可以使用figure命令。單獨執(zhí)行figur

41、e后，MATLAB將創(chuàng)建一個新的圖形窗口，并以此作為當前窗口。執(zhí)行figure（N）將使第N個圖形成為當前圖形窗口。如果第N個窗口不存在，則figure（N）可創(chuàng)建一個新的窗口。命令close關閉當前圖形窗口。Close（N）關閉第N個圖形窗口。Close all 關閉所有圖形窗口。</p><p>　　6.創(chuàng)建子圖命令subplot</p><p>　　subplot（m，n，p）命令把

42、當前圖形窗口分割成m*n個繪畫區(qū)域，并選擇第P個區(qū)域為激活區(qū)域[7]。</p><p>　　2.2.2 MATLAB在通信系統(tǒng)中的仿真</p><p>　　matlab工具有很強的仿真能力可以仿真NR碼、NRZ碼、AMI碼、PAM碼等各種編碼及分析其功率譜。同時可以仿真通信系統(tǒng)的應用。Matlab在通信系統(tǒng)的仿真詳細的在第三章研究。</p><p>　　這里主要介紹

43、仿真的理論基礎：</p><p>　　1.時域抽樣和頻域抽樣</p><p>　　若信號函數 s(t)為定義在時間區(qū)間（-，+）上的連續(xù)函數，按區(qū)間[-T/2，T/2]</p><p>　　截短為ST（t）,再對ST（t）按時間間隔t均勻取樣，取樣點數：</p><p>　　N（t）=T/t；仿真時用這個樣值函數來表示S（t）</p&g

44、t;<p>　　如果信號的最高頻率為fH，那么必須有fH〈〈0.5/t,設為Bs，Bs=0.5/t 稱為仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬。</p><p>　　若信號s(t)的頻譜S（f）為定義在頻率區(qū)間 （-，+）上的連續(xù)函數，按區(qū)間[-Bs，Bs]截斷S（f），然后f均勻取樣</p><p>　　N（t）=2 Bs /f=N；f=1/T</p><p>　　如果

45、仿真程序設定的頻域采樣間隔是f，那么就不能仿真截斷時間1/f的信號。</p><p><b>　　2.頻域分析</b></p><p>　　函數t2f的功能是作傅立葉變換 格式：X=t2f（x）</p><p>　　函數f2t的功能是作傅立葉反變換 格式：x=t2f（X）</p><p>　　其中x是時域信號x是時域信

46、號x（t）的截短抽樣取得的取樣值矢量。</p><p>　　X是傅立葉X（f）的取樣值矢量。</p><p>　　3.取樣判決和誤碼率的測量</p><p>　　設矢量a表示發(fā)送的碼序列，矢量y表示在判決觀測到的疊加有噪聲的接收信號。接收端在每隔一個碼元間隔Ts取一個點作為判決量。所有取樣結果構成一個矢量；若取樣時刻無偏差則b=y(1:L:N)，若取樣時刻有K*△t

47、的恒定偏差，則b=y（1+k：L：N）。若判決門限為vth,則判決結果為c=sign（b-vth）雙極性或c=sign（b-vth）+1）/2 單極性。</p><p>　　若在一次觀察中發(fā)送的碼元是長度為M的矢量a,，對應的判決結果是c。誤碼數是a與c中不相同的符號數，即n_err=length（find（a~=c））,于是誤碼率為Pe=n_err/M.</p><p>　　對于基帶系統(tǒng)

48、的研究，誤碼率是一個非常重要的概念，也是評價系統(tǒng)好壞的重要參數。在用matlab仿真系統(tǒng)中，在模擬實際的條件下，達到理想的誤碼率是我們的目標[8]。</p><p>　　3 基帶傳輸系統(tǒng)特性的研究</p><p>　　3.1 基帶傳輸的功率譜研究</p><p>　　在通信中，除測試信號外，數字基帶信號通常都是隨機脈沖序列。因為若在數字通信系統(tǒng)所傳輸的數字序列不是隨

49、機的，而是確知的，則消息就不攜帶任何信息，通信就失去意義。研究隨機脈沖序列的頻譜，要從統(tǒng)計分析的角度出發(fā)，研究它的功率譜密度。</p><p>　　設一個二進制隨機脈沖序列如圖2所示。這里g1（t）和g2（t）分別代表符號的0和1，Ts為每一個碼元寬度。應當說明的是，圖中雖然把g1（t）和g2（t）都畫成了三角形（高度不同），但實際上g1（t）和g2（t）可以是任意的脈沖。</p><p>

50、;　　圖2 任一隨機脈沖序列示意波形</p><p>　　現在假設序列中任一碼元序列時間Ts內g1（t）和g2（t）出現的概率分別為P，1－P，且認為它們的出現是互不依賴的（統(tǒng)計獨立），則該序列s(t)可寫成</p><p><b>　　(1)</b></p><p><b>　　其中</b></p><

51、;p>　?。?）隨機基帶序列的功率譜密度</p><p>　　由于，故當T→時，將變成</p><p>　　于是，的功率密度譜Ps（w）最后表示為</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　上式是雙邊的功率譜密度表示式。如果寫成單邊的，則有</p><p><b&

52、gt;　　(3)</b></p><p>　　其中、分別為g1（t）、g2（t）的傅立葉變換, [9]。</p><p>　　從公式可以得出如下結論：</p><p>　　隨機脈沖序列功率譜包括兩部分：連續(xù)譜和離散</p><p>　　當g1（t）和g2（t）、p、Ts給定后，隨機脈沖序列功率譜就確定了。</p>&

53、lt;p>　　根據連續(xù)譜可以確定隨機序列的寬度；根據離散譜可以確定隨機序列是否包含直流成分（m=0）及定時信號(m=1)。連續(xù)譜總存在，而離散譜視情況而定。</p><p>　　對于單極性波形：若假設g1（t）=0,g2（t）=g(t)隨機脈沖序列的功率譜密度（雙邊）為</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　式中

54、，是的頻譜函數。當，且為矩形脈沖，即</p><p>　　則（4）式將變成 (5)</p><p>　　可知有連續(xù)譜和直流分量。</p><p>　　對于雙極性波形：若假設g1（t）=－g2（t）=g(t)，則有</p><p><b>　　(6)</b></p><p>

55、;　　同理，當，且為矩形脈沖， </p><p>　　式（6）將變成(7)</p><p>　　可知只有連續(xù)譜分量。</p><p>　　由以上分析可以看出，隨機脈沖序列的功率譜密度可能包括兩個部分：連續(xù)譜和離散譜。對于連續(xù)譜而言，代表數字信息的g1（t）和g2（t）不能完全相同，故，因而總是存在的；對于離散譜來說，在一般情況下，它也總是存在的。但我們容易觀察到

56、，若g1（t）和g2（t）是雙極性的脈沖，且波形出現概率相同，則式（3）中的第二、第三項為零，故此時沒有離散譜。</p><p>　　上述結果是十分有意義的，它一方面使我們了解隨機脈沖序列頻譜的特點，以及如何去具體地計算它的功率譜密度；另一方面利用它的離散譜是否存在這一特點，將使我們明確能否從脈沖序列中直接提取離散分量，以及采用怎樣的方法可以從基帶脈沖序列中獲得所需的離散分量。這一點在研究位同步、載波同步等問題時

57、將是重要的。</p><p>　　在matlab仿真時，若x是時域取樣值矢量，X是對應的傅立葉變量，那么x的功率譜矢量：</p><p>　　P=（X.*conj(x)）/T. 其中 conj為共軛復數函數[10]。</p><p>　　分析數字信號的脈沖序列碼的功率譜可以知道信號功率的分布，根據主要功率集中在哪個頻段，可以確定信號帶寬，進而考慮信道帶寬和傳輸網絡（

58、濾波器、均衡器）的傳輸特性。同時利用它的離散譜是否存在這個特點，可以明確能否從脈沖序列中直接提取所需的離散分量和采取怎樣的方法可以從序列中獲得所需的離散分量，以便在接收端用這些成分作位同步定時等。脈沖序列碼主要研究NRZ碼、RZ碼、AMI碼。分析噪聲的功率譜密度可以知道噪聲對系統(tǒng)的影響，并且可以人為的仿真噪聲。對于在基帶研究中有非常重要的AMI碼，根據編碼的規(guī)律，我們編寫了AMI碼的程序。</p><p>　　3

59、.2 眼圖在基帶傳輸系統(tǒng)的應用</p><p>　　為了使系統(tǒng)達到最佳化，估計系統(tǒng)的優(yōu)劣程度并觀察碼間干擾和噪聲對系統(tǒng)的影響。眼圖的跡線與接收的基帶脈沖序列的波形失真程度成正比。失真越厲害，眼圖的跡線就越模糊。而眼睛張開大小反映了碼間干擾的強弱。在實際系統(tǒng)中，完全消除碼間串擾是十分困難的，而碼間串擾對誤碼率的影響目前尚無法找到數學上便于處理的統(tǒng)計規(guī)律，還不能進行準確計算。為了衡量基帶傳輸系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，在實驗室中

60、，通常用示波器觀察接收信號波形的方法來分析碼間串擾和噪聲對系統(tǒng)性能的影響，這就是眼圖分析法。如果將輸入波形輸入示波器的Y軸，并且當示波器的水平掃描周期和碼元定時同步時，在示波器上顯示的圖形很象人的眼睛，因此被稱為眼圖。二進制信號傳輸時的眼圖只有一只“眼睛”，當傳輸三元碼時，會顯示兩只“眼睛”。眼圖是由各段碼元波形疊加而成的，眼圖中央的垂直線表示最佳抽樣時刻，位于兩峰值中間的水平線是判決門限電平[11]。 </

61、p><p>　　在無碼間串擾和噪聲的理想情況下，波形無失真，“眼”開啟得最大。當有碼間串擾時，波形失真，引起“眼”部分閉合。若再加上噪聲的影響，則使眼圖的線條變得模糊，“眼”開啟得小了，因此，“眼”張開的大小表示了失真的程度。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串擾和噪聲的影響，可評價一個基帶傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾和改善系統(tǒng)的傳輸性能。通常眼圖可以用圖7.6所示的圖

62、形來描述。</p><p><b>　　由此圖可以看出：</b></p><p>　?。?）眼圖張開的寬度決定了接收波形可以不受串擾影響而抽樣再生的時間間隔。顯然，最佳抽樣時刻應選在眼睛張開最大的時刻。</p><p>　?。?）眼圖斜邊的斜率，表示系統(tǒng)對定時抖動（或誤差）的靈敏度，斜邊越陡，系統(tǒng)對定時抖動越敏感。</p><

63、;p>　?。?）眼圖左（右）角陰影部分的水平寬度表示信號零點的變化范圍，稱為零點失真量，在許多接收設備中，定時信息是由信號零點位置來提取的，對于這種設備零點失真量很重要。</p><p>　?。?）在抽樣時刻，陰影區(qū)的垂直寬度表示最大信號失真量。</p><p>　?。?）在抽樣時刻上、下兩陰影區(qū)間隔的一半是最小噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就有可能發(fā)生錯誤判決；</p>

64、<p>　?。?）橫軸對應判決門限電平[12]。</p><p>　　為了研究噪聲和信道帶寬引起的信號失真與眼圖關系，我們可以用附錄中的程序1在matlab工具中進行仿真。其中我們設置了眼圖的參數如顯示的碼元個數，利用眼圖在多個時間段內記錄到的數據重疊起來顯示。把程序保存為M文件后，按F5就可執(zhí)行，即可生成某個信號的眼圖，如圖4。而且，可選擇不同的信號函數就可看到眼圖的變化。</p>&l

65、t;p>　　3.3 基帶傳輸中的時域均衡技術</p><p>　　理論與實踐都表明，在基帶系統(tǒng)中插入一種可調（也可不調）濾波器能減小碼間干擾的影響。這種起補償作用的濾波器的統(tǒng)稱為均衡器。</p><p>　　目前，均衡器名目繁多，但按研究的角度或領域，可以分為頻域均衡器和時域均衡器兩大類。這里所研究的是時域均衡的基本原理。時域均衡是數據高速傳輸時系統(tǒng)抗干擾所使用的主要方法。其最常用的

66、方法是在基帶信號接收濾波器后插入一個橫向濾波器，又稱橫截濾波器。輸入波形抽樣值序列為Xk,輸出序列為Yk。</p><p><b>　　基本原理如圖：</b></p><p>　　橫向濾波器的特性將完全取決于個抽頭系數(n=0,±1,±2,…),不同的值將對應不同的或。由此表明，如果各抽頭系數的、是可調整的，則上圖所示的濾波器是通用。另外，抽頭系數

67、設計可調的，也為隨時修改系統(tǒng)的時間響應提供了可能條件。</p><p>　　以上分析表明，借助橫向濾波器實現時域均衡是可能的，并指出只要用無限長的橫向濾波器，那么能做到(至少在理論上)消除碼間干擾的影響。然而，使橫向濾波器的抽頭無限多是不現實的。實際上，均衡器的長度不僅受經濟條件的限制，并且還受每一系數調整準確度的限制。如果的調整準確度得不到保證，則增加長度所獲得的效益調整問題。如果均衡器按最小峰值畸變準則或最小

68、均方畸變準則來設計，則認為這時的均衡效果是最佳的。</p><p>　　實際應用時，用示波器觀察均衡濾波器輸出信號的眼圖。通過反復調整各個增益放大器的,使眼圖的眼張開最大為止。</p><p>　　時域均衡的具體實現方法有很多種。但從實現的原理上看，大致可分為預置式自動均衡和自適應式自動均衡。預置式自動均衡是在實際傳數之前先傳輸預先規(guī)定的測試脈沖（例如重復頻率極低的周期性的單脈沖波形），然

69、后按迫零調整原理自動（也可以人工手動）調整抽頭增益；自適應式自動均衡是在傳數過程中連續(xù)測出距最佳調整值的誤差電壓，并據此電壓去調整各抽頭增益。一般地，自適應式自動均衡不僅可以使調整精度提高，而且當信道特性隨時間變化時又能有一定的自適應性[13]。</p><p>　　3.4 基帶系統(tǒng)的基帶傳輸特性</p><p>　　3.4.1 升余弦滾降傳輸特性</p><p>

70、　　基帶脈沖傳輸的研究的基本出發(fā)點，就是使基帶脈沖傳輸獲得足夠小的誤碼率，必須最大限度的減小碼間串擾和隨機噪聲的影響。碼間串擾的大小取決于輸入序列和系統(tǒng)輸出波形g(t)在抽樣時刻上的取值。</p><p>　　由于理想基帶傳輸特性實際的無法實現并且沖擊響應尾巴衰減幅度大、收斂慢，從而對抽樣判決要求十分嚴格，稍有偏差就會造成碼間串擾。于是提出了升余弦特性。</p><p><b>

71、　　升余弦滾降函數：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其沖擊響應實現比較容易，對定時的要求可降低要求，然而頻帶利用率卻下降[14]。</p><p>　　為了加深對數字信號基帶波形串擾以及升余弦滾降濾波特性的認識，我們編寫了附錄中的程序2。由于升余弦脈沖波形的參數α的值的不同，程序運行后，命令

72、窗口提示輸入參數α的值，范圍在0到1之間。如果我們選擇參數α的值為0.5并按空格鍵，即出現升余弦脈沖波形滾降信號的功率譜圖7及眼圖8</p><p>　　圖7 升余弦脈沖波形滾降信號的功率譜圖</p><p>　　圖8 升余弦脈沖波形滾降信號的眼圖</p><p>　　3.4.2 部分響應系統(tǒng)</p><p>　　部分響應系統(tǒng)技術是有控制地在

73、某些碼元的抽樣時刻引入碼間串擾，有規(guī)律的，而在其余碼元的抽樣時刻無碼間串擾。部分響應系統(tǒng)能夠改變數字脈沖序列的頻譜分布，降低對定時的要求，同時達到壓縮傳輸頻帶，提高頻帶利用率的目的。部分響應技術在高速、大容量傳輸系統(tǒng)中得到推廣和應用。</p><p>　　部分響應波形的一般形式可以是N個波形之和，其表達式為： （9）</p><p>　　其中加權系數，，…，為整數

74、[15]。</p><p>　　主要考慮五類部分響應系統(tǒng)的波形Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型。目前應用最多是Ⅰ型、Ⅳ型部分響應系統(tǒng)。第Ⅰ型部分響應信號的頻譜能量主要集中在低頻段，使用于傳輸系統(tǒng)中信道頻帶高端受限的情況，這種信號又稱為雙二進制編碼信號。第Ⅳ型部分響應信號無直流分量，而且低頻分量也少，便于通過載波電路，實現單邊帶調制。以上兩類部分響應信號的抽樣值電平數比其它類別少，這也是它們得到廣泛應用的原因之一。&l

75、t;/p><p>　　表2 五類系統(tǒng)參數表</p><p>　　為了加深了解部分響應系統(tǒng)傳遞函數的認識，我們編寫了程序3（見附錄），程序運行后，命令窗口會提示輸入r1、r2、r3、r4、r5的參數值。當我們選擇Ⅳ型時，MATLAB界面就出現功率譜（圖10）和眼圖（圖11）。</p><p>　　圖10部分響應系統(tǒng)的波形Ⅳ型的功率譜圖</p><p&

76、gt;　　圖11部分響應系統(tǒng)的波形Ⅳ型的眼圖</p><p>　　3.5 數字信號的最佳接收</p><p>　　通信系統(tǒng)的信道特性不理想及信道噪聲的存在，直接影響接收系統(tǒng)的性能，而一個通信系統(tǒng)的質量優(yōu)劣在很大程度上取決于接收系統(tǒng)的性能。研究在噪聲條件下如何最好的提取有用信號，且在最大輸出信噪比接收準則下構成最佳接收機，有重要的實用價值。</p><p>　　匹配濾

77、波器是指在白噪聲為背景的條件下，輸出信噪比最大的最佳線形濾波器。如果用匹配濾波器做接收機的輸入濾波器，則濾波器輸出的信噪比最大，因此，用匹配濾波器構成的接收是滿足最大輸出信噪比準則的最佳接收機，也稱匹配接收機。</p><p>　　匹配濾波器的傳遞函數</p><p>　　式中|是匹配濾波器的幅度特性，是信號的振幅譜。</p><p>　　由公式可知，由于匹配濾波器

78、幅度特性與信號的振幅譜相同，因此信號中頻譜幅度大的頻率成分，匹配濾波器對其衰減少，而信號中的頻譜幅度小的頻率成分衰減大。但對噪聲來說，因為是白噪聲，首先信號帶外的噪聲全部被匹配濾波器抑制，輸出的噪聲較小。</p><p>　　匹配濾波器的沖擊響應：</p><p>　　由公式說明匹配濾波器的沖擊響應是輸入信號的鏡像信號在時間上時延T。根據匹配濾波器的沖擊響應和輸入信號的關系，可以很方便的求

79、的，然后根據的波形對它進行傅立葉變換求出。</p><p>　　匹配濾波器的輸出信號為</p><p><b>　?。?0）</b></p><p><b>　　令，則上式可寫為</b></p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　

80、這里，為的字自相關函數。由此可見，匹配濾波器的輸出信號與輸入信的自相關函數成正比。</p><p><b>　　當時，有</b></p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　這說明匹配濾波器的輸出信號的最大值和輸入信號的波形無關，而與其能量有關[16]。</p><p>　　因

81、此，總結出匹配濾波器的性能：</p><p>　?。?）信號不同，對應的匹配濾波器也不同。</p><p>　?。?）信號通過匹配器會產生嚴重的波形失真。</p><p>　?。?）匹配濾波器只能用于數字信號接收。</p><p>　?。?）最大信噪比僅與信號能量及白噪聲的功率譜密度有關，與信號波形無關。</p><p&g

82、t;　　3.6 基帶系統(tǒng)的最佳化</p><p>　　基帶系統(tǒng)最佳化，實質上研究如何設計一個基帶系統(tǒng)，使其既能消除碼間串擾，同時又有最好的抗噪聲性能。滿足無碼間串擾傳輸條件，要使抗噪聲性能最好，在白噪聲背景下，都可以等效為匹配濾波器，因此最佳基帶系統(tǒng)必須滿足如下的聯(lián)立方程：</p><p><b>　?。?3）</b></p><p><

83、b>　?。?4）</b></p><p>　　其中為接收濾波器的傳遞函數，為發(fā)送濾波器的傳遞函數；為信道傳遞函數；為要求形成的濾波器特性。</p><p>　?。?）當信道特性為理想特性,并由以上方程組解得</p><p><b>　?。?4）</b></p><p>　　說明發(fā)送濾波器和接收濾波器有相

84、同的幅度特性，并且等于的平方根。若要考慮匹配濾波器的相位，則要求和共軛，并且還要移相。</p><p>　?。?）當信道特性不理想不等于1</p><p>　　根據方程,若設發(fā)送濾波器與接收濾波器有相同的幅度特性。則 （15）</p><p>　　因此，設計時要考慮不等于1的影響?？偟暮铣上辔蝗?/p>

85、應滿足線形相移特性的要求。</p><p>　?。?）不等于1并且已給定</p><p>　　由于已給定，通過測量可以得到。因此最佳接收機應滿足</p><p><b>　?。?6）</b></p><p>　　則 （17）</p><p>　　因為是給定

86、的，是實測的，因此通過時域均衡來調整[18]。</p><p>　　3.7 綜合基帶傳輸系統(tǒng)的設計及仿真</p><p>　　通信系統(tǒng)仿真原理：MATLAB用編程的方式在軟件上對基帶系統(tǒng)進行仿真?？紤]到實際中有噪聲的存在，以及對濾波器性能的要求，我們對基帶傳輸函數選擇升余弦滾降函數。并且實際中，我們對系統(tǒng)有較低的誤碼率，并且系統(tǒng)在設計過程中易于完成，且成本低，我們采取匹配濾波器，在最大信噪

87、比接收條件下對基帶最佳化。并假設信道特性理想即，且我們忽略匹配器的時延。大大的減少了編程的復雜程度，但系統(tǒng)的誤碼率卻相差很小。為了分析仿真的可行性，并比較與理論上的研究值的差別，仿真時我們在繪出實測曲線的同時還考慮理論曲線以作以比較。當碼序列為雙極性時，理論誤碼率為[19]。</p><p>　　如下圖就是一個以上所設計的基帶傳輸系統(tǒng)。由于匹配器對于輸入信號的要求，碼序列我們采用隨機的沖擊序列信號。</p&

88、gt;<p>　　在基帶信道是理想限帶情況下，適當地設計發(fā)送濾波器及接收濾波器，使得在接收端抽樣時刻的碼間干擾為零，則系統(tǒng)的合成傳遞函數必須滿足以下兩個條件：</p><p><b>　　（18）</b></p><p><b>　?。?9）</b></p><p>　　式中，，分別是發(fā)送濾波器，信道，接收濾

89、波器的相頻特性，是一時間延遲，，其中，，分別是發(fā)送濾波器，信道，接收濾波器引入的時延，W為升余弦濾波器的截止頻率（此W值取決于符號速率及升余弦滾降因子的值）。</p><p>　　在接收端抽樣時刻無碼間干擾條件下，引起誤碼的是加性噪聲，此時，最佳接收的濾波器應匹配于所接收的確定信號，使接收端抽樣時刻的信噪比最大。</p><p>　　設限帶信道是理想低通特性，并設信道不引入時延（）<

90、/p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　則接收到的確定信號的頻譜僅取決于發(fā)送濾波器的的特性，所以接收濾波器的應與發(fā)送濾波器共軛匹配，這樣，在理想限帶信道情況下，既要使接收端抽樣時刻的抽樣值無碼間干擾，又要使得在抽樣時刻抽樣值的信噪比最大，則 </p><p><b>　?。?1）</b></p&g

91、t;<p><b>　?。?2）</b></p><p>　　綜上所述，數字PAM信號通過限帶信道、并受到加性噪聲干擾的情況下，在限帶信道是理想低通條件下的最佳基帶傳輸的發(fā)送及接收濾波器的設計是：總的收發(fā)系統(tǒng)的傳遞函數要符合無碼間干擾基帶傳輸的升余弦特性；且又要考慮在抽樣時刻信噪比最大的收、發(fā)濾波共軛匹配的條件。在綜合考慮這兩方面因素的基礎上，在設計發(fā)送及接受濾波器時，要使發(fā)送

92、及接收濾波器的傳遞函數的模值分別是近似于升余弦的平方根頻譜，其相移是線性的，時延是用來確保濾波器的物理可實現性[20]。</p><p>　　編寫的程序見附錄程序5.</p><p>　　在程序的調試過程中，應注意調試技巧。</p><p>　　1、合理的清除命令窗口的內容。最簡單的方法用clc命令函數。</p><p>　　2、每運行一次程

93、序后，要清除workspace工作站。</p><p>　　3、在程序有錯誤時，觀察命令窗口可方便的找到出錯的位置。</p><p>　　4、合理利用help功能函數。</p><p>　　5、在workspace中可以觀察每次程序運行后的各個參數的值，這樣可減少調試時間。</p><p>　　運行程序后，下圖就是系統(tǒng)的仿真圖。其中，我們可以

94、任意改變圖象的顏色、曲線的實虛等。紅色的代表實則曲線，藍色的代表理論曲線。</p><p>　　圖13最佳接收基帶系統(tǒng)</p><p>　　從圖中可以看出，實測的曲線非常接近理論曲線。因此，系統(tǒng)的設計和仿真達到了本實驗的要求。</p><p><b>　　4 結語</b></p><p>　　本文對數字基帶信號傳輸的特性

95、進行了分析，并通過對基帶傳輸理論的深入理解，運用數值仿真的方法，對基帶傳輸的特性作了模擬。研究結果表明，傳輸基帶信號受到約束的主要因素是系統(tǒng)的頻率特性。當然可以有意地加寬傳輸頻帶使這種干擾減小到任意程度。然而這會導致不必要地浪費帶寬。如果展寬得太多還會將過大的噪聲引入系統(tǒng)。因此應該探索另外的代替途徑，即通過設計信號波形，或采用合適的傳輸濾波器，以便在最小傳輸帶寬的條件下大大減小或消除這種干擾?？紤]到實際中有噪聲的存在，以及對濾波器性能的

96、要求，我們對基帶傳輸函數選擇升余弦滾降函數。并且實際中，我們對系統(tǒng)有較低的誤碼率，并且系統(tǒng)在設計過程中易于完成，且成本低，我們采取匹配濾波器，在最大信噪比接收條件下對基帶最佳化。本文的研究結果對數字通信的研究與應用具有積極意義。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　南利平. 通信原理簡明教程[M]. 清華大學出版社， 2006</p

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103、和關懷下完成的，在我的學業(yè)和論文的研究工作中無不傾注著季老師辛勤的汗水和心血。季老師治學態(tài)度嚴謹、專業(yè)知識淵博，更為重要的是他無私的奉獻精神使我深受啟迪，從季老師身上，我不僅學到了扎實的專業(yè)知識，也學到了做人的道理，這將是我終身的財富。在此我要向我的導師致以最衷心的感謝和深深的敬意！</p><p>　　我還要感謝的是我們的領導，系上為我們的研究提供了良好的環(huán)境和條件，此外還得到了許多老師的熱情關心和幫助。<