通信系统建模与仿真——基于Simulink的基带传输系统的仿真

通信系统建模与仿真课程设计

For personal use only in study and research; not for commercial

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题 目 基于Simulink的基带传输系统的仿真

不得用于商业用途

仅供个人参考

2013年6月14日

1 任务书

试建立一个基带传输模型，发送数据为二进制双极性不归零码，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。

（1） 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。

（2） 要求观察接收信号眼图，说明眼图意义与影响因素，改变影响眼图的

参数，观察是否有变化。

（3） 设计定时提取系统，说明定时提取的原理，观察定时提取脉冲的波形，

说明其正确性。

2 基带系统的理论分析（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，3.定时提取原理）

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。

M进制 数字信息 输出 发 送 带限接 收 抽样 抽样 滤波器 信 道 + 滤波器

判决 判决 ○ 定时信号

图 1 ：数字基带传输系统方框图 不得用于商业用途

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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。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与发送的波形具有较大差异。

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在规定的时刻（由定时脉冲控制）进行抽样，获得抽样信号，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

实际通信中传输信道的带宽是有限的，带限信道的冲击响应在时间上是无限的，因此一个时隙内代表数据的波形经过带限信道后将在邻近的其他时隙上形成非零值，即波形的拖尾。拖尾和邻近时隙的传输波形相互叠加，形成传输数据之间的混叠，造成码间串扰。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出错。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 码间干扰解决方案：

① 要求基带系统的传输函数H(w)满足奈奎斯特第一准则：

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。

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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.定时提取原理：

双极性二进制信号本身不含定时信息，需要对其进行非线性处理（取绝对值），提取时钟的二倍频分量，最后通过二分频来恢复接收定时时钟。用锁相环来锁定定时脉冲的二次谐波后以二分频得出定时脉冲。用示波器观察恢复定时与理想定时之间的相位差，然后通过调整Integer Delay模块的延时量使恢复定时脉冲的上升沿对准眼图最佳采样时刻。

3 基带系统设计方案（分别对各模块的选择说明原因）

1 信源的选择：本次课程设计的发送数据为二进制双极性不归零码。在simulink的模块○

库中“Bernoulli Binary Generator（伯努利二进制信源）”模块可产生伯努利分布的随机二进制数序列。再通过一个“Relay”模块即可将其变为双极性不归零码。

2 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）

3 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加性高斯信道。

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。根据二进制双极性不归零码的特点，在接收中的判决门限为0。采用“Relay”判决模块进行判决，用“Product”相乘器模块进行采样，“Triggered Subsystem”保持模块构成抽样判决器。

5：对比发送数据与恢复数据波形用“Scope”模块，统计误码率用“Error Rate Calculation”模块。

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4 SIMULINK下基带系统的设计（分别说明各模块参数设置情况，最后给出总

的模型图）

1信源的建模及相关参数设置

二进制双极性不归零码用到的simulink模块有“Bernoulli Binary Generator”、

“Relay”。

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。

其模型搭建方式如下图所示

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 不得用于商业用途

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AWGN参数

匹配接收滤波器参数

抽样与判决器的建模及参数设置：

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Relay判决模块参数

基带传输系统的总模型：

定时提取子系统：

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5 仿真结果分析（波形对比分析，误码率分析，接收信号眼图分析等）

1、发送数据波形与接收数据波形

从以上两图可以看出，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。

2、经过升速率，发送滤波器，高斯信道，接收匹配滤波器后各点时域波形：

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3、接收眼图波形与分析：

加性高斯信道的信噪比为50dB时：

（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0.5,1.5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。

（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。

加性高斯信道的信噪比为10dB时：

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（6）从上图可以看出眼图比较乱，说明误码率较大。对比两图可发现噪声对系统的传输有很大影响。 4、误码率统计与分析：

通过误码率统计“Error Rate Calculation”模块。

可知该系统的误码率为0.001，且误码率会随着仿真时间的增长逐步降低。出现错误的原因可能有以下几个方面：

1、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。

2、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。

3、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。 ○

5：定时提取脉冲的波形：（上图是定时提取系统的输出波形，下图是以Pulse

Generatorl模块作为理想接收恢复定时的输出波形。） （1）：当定时提取子模块延时4个时隙时：

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（2）：当定时提取子模块延时8个时隙时：

（1） （2）

对比两图可发现定时提取模块延时改变，眼图变化不大，但误码率差别很大。当延时为4时，误码率小，说明恢复定时脉冲的上升沿对准了眼图的最佳采样时刻，且与理想定时器的采样时刻相同。延时改变时，误码率增大，与理想定时器的采样时刻不对应。

6 遇到的问题及解决的方法

因为通信建模书上有相似的例题，所以只是把两个例题的模块组合到一起，然后修改下要求的参数。但仿真后眼图很乱，而且发送数据与恢复数据波形相比有一定延时。经过思考影响眼图的因素，最终发现原因在加性高斯信道上，信噪比高，眼图就好，信噪比低眼图就很乱。由于发送滤波器和接收滤波器的滤波延时均设计为10个传输码元时隙，所以在传输中共延时20个时隙，所以接收数据比发送数据延时了20个码元。

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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，但我学到了很多东西。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。设计的系统中应该再加入一些对功率，频谱等的测量以便更好地分析系统性能。

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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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仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。

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