发布时间 : 星期六 文章通信原理课程设计 基于MATLAB的数字基带传输系统的研究和分析更新完毕开始阅读
信息工程学院通信原理课程设计
1.前言
与模拟通信相比，数字通信具有许多优良的特性，它的主要缺点就是设备复杂并且需要较大的传输带宽。近年来，随着大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度和技术难度大大降低，同时高效的传输压缩技术以及光纤等大容量传输介质的使用正逐步使带宽问题得到了解决。因此，数字传输方式日益受到欢迎。
通信原理计算机仿真实验，是对数字基带传输系统的仿真。仿真工具是MATLAB程序设计语言。MATLAB是一种先进的高技术程序设计语言，主要用于数值计算及可视化图形处理。特点是将数值分析、矩阵计算、图形、图像处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中伪科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的编程工具。运用MATLAB，可以对数字基带传输系统进行较为全面地研究。为了使本科类学生学好通信课程，我们进行了试点，通过课程设计的方式针对通信原理的很多内容进行了仿真。
2.正文
2.1数字基带传输系统
数字处理的灵活性使得数字传输系统中传输的数字信息既可以来自计算机，电传机等数据终端的各种数字代码，也可以来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码（PCM）信号等。在原理上，数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输，但在实际传输中，视系统的要求和信道情况，一般需要进行不同方式的编码，并且选用一组取值有限的离散波形来表示。这些取值离散的波形可以是未经调制的电信号，也可以是调制后的信号。未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或很低频率开始，称为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。例如，在计算机局域网中直接传输基代脉冲。这种不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，称为数字基带传输系统。而把包括调制和调解过程的传输系统称为数字带通（或频带）传输系统。
目前，虽然数字基带传输系统不如带通传输那样应用广泛，但对于基带传输系统的研究仍是十分有意义的。这是因为，第一，在利用对称电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用了这种传输方式；第二，随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有迅速发展的趋势，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；第三，基带传输中包含带通传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是带通传输系统必须考虑的问题；第四，理论上也可证明，任何一个采用线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统来研究。
数字基带传输系统的模型如图 1-1 所示，它主要包括码型变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器、均衡器和取样判决器等部分。
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图1-1 数字基带传输系统模型
简单的说，信源的信息以数字基带信号的形式从发送端经由信道传到接收端的收信者，所构成的系统称为数字基带传输系统。 1）信道信号形成器（发送滤波器）
它的功能是产生适合于信道传输的基带信号波形。因为其输入的信号一般是经过码型编码器产生的传输码，相应的基本波形通常是矩形脉冲，其频谱很宽，不利于传输，发送滤波器用于压缩输入信号频带，把输入码转换成适宜于信道传输的基带信号波形。 2）信道
信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如双绞线、同轴电缆等。信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，且含有加性噪声)(tn，因此会引起传输波形失真。本论文研究的数字基带传输系统采用零均值的高斯白噪声信道，即AWGN信道。 3）接收滤波器
它是用来接收信号，尽可能的滤除信道噪声和其他干扰，对信道进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决器的判决。 4）抽样判决器
抽样判决器则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。 5）定时脉冲和同步提取
用来抽样的位定时脉冲依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时脉冲的准确与否将直接影响判决结果。
2.2 数字基带信号
2.2.1基本的基带信号波形
数字基带信号是数字信息的电波形表示，它可以用不同的电平或脉冲来表示相应的消
息代码。数字基带信号的类型有很多，以下是几种基本的基带信号波形。 （1） 单极性波形
这是一种最简单基带信号波形。它用正电平和零电平分别对应二进制代码“1”和“0”；或者说，它在一个码元时间内用脉冲的有或无来表示“1”和“0”。该波形的特点是电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL，CMOS电路产生；缺点是有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离的传输。 （2） 双极性波形
它用正电平和负电平的脉冲分别表示二进制代码的“1”和“0”。因其正负电平的幅度相等，
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极性相反，故当“1”和“0”等概率出现时无支流分量，有利于在信道中传输，并且在接收端恢复信号的判决电平为零值，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。 （3） 单极性归零波形
所谓归零波形是指它的有电脉冲宽度?小于码元宽度Ts，即信号电压在一个码元终止
时刻前总要回到零电平。通常，归零波形使用半占空码，即占空比（?/Ts）为50%，从单极性RZ波形可以直接提取定时信息，它是其他码型提取位同步信息时常采用的一种过渡波形。
与归零波形相对应，上面的单极性波形和双极性波形属于非归零波形，其占空比
?/Ts=100%。
（4） 双极性归零波形
它是双极性波形的归零形式。它兼有双极性和归零波形的特点。由于其相邻脉冲之间存
在零电位的间隔，使得接收端很容易识别出每个码元的起止时刻，从而使收发双方能保持正确的位同步。
（5） 差分波形
这种波形是用相邻码元的电平的跳变和不变表示消息代码，而与码元本身的电位或极性无关。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此也称相对码波形，而相应的称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相应调制系统中可用于解决载波相位模糊问题。 （6） 多电平波形
上述波形的电平取值只有两种，即一个二进制相对码对应一个脉冲。为了提高频带利
用率，可以采用多电平波形或多值波形。由于多电平波形的一个脉冲对应多个二进制码，在波特率相同的条件下，比特率提高了，因此多电平波形在频带受限的高速数据传输系统中得到了广泛应用。 2.2.2基带传输的常用码型
（1）AMI码
AMI码的全称是传号交替反转码。
编码规则：把码元序列中的“1”码变为极性交替变化的传输码+1、-1、+1、-1、…，而码元序列中的“0”码保持不变。 例如：
消息码： 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 … AMI码： 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1 …
AMI码对应的波形是具有正，负，零三种电平的脉冲序列。它可以看成是单极性波形的变形，即“0”仍对应零电平，而“1”交替对应正，负电平。
优点：无直流分量，且其低频和高频分量也较少，能量集中在频率为1/2码速处；编解码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果它是AMI—RZ波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性RZ波形，从中可以提取位定时分量。
缺点：当码元序列中出现长连“0”时，信号的电平长时间不跳变，会造成提取定时信号的困难。 （2）HDB3码
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HDB3码全称是三阶高密度双极性码。它是为了克服传输波形中出现长连“0”码情况而设计的AMI 码的改进型。
编码规则：
（1）检查消息码中“0”的个数。当连“0 ”数目小于等于3时，HDB3码与AMI 码一样。 （2）如果出现四个以上连“0 ”串时，则将每4 个连“0 ”化作一小节，定义为B00V，称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲。
（3）V与前一个相邻的非“0”脉冲极性相同，并且要求相邻的V码之间极性必须交替。V的取值为+1或-1。
（4）B的取值可选0，+1，-1，以使V同时满足（3）中的两个要求。 （5）V码后面的传号码极性极性也要交替。 例如：
消息码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 AMI码：-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 HDB3码：-1 0 0 0 –V +1 0 0 0 +V -1 +1 –B 0 0 –V +B 0 0 +V -1
其中的?V脉冲和?B脉冲与?1脉冲波形相同，用V或B符号表示的目的是为了示意该非零码是由原信码的“0”变换而来的。
HDB3码的编码规则虽然比较复杂，但解码却比较简单。从编码过程中可以看出，每一个V码总是与其前一个非0码（包括B码在内）同极性，因此从收到的码序列中可以很容易地找到破坏点V码，于是可断定V码及其前3个码都为“0”码，再将所有的-1变为+1后，便可恢复原始信息代码。
HDB3码的特点是明显的，它既保留AMI码无直流分量，便于直接传输的优点，又克服了长连0串（连0的个数最多3个）的出现，HDB3码的频谱中既消除了直流和甚低频分量，又消除了方波中的高频分量，非常适合基带传输系统的特性要求。因此，HDB3码是目前实际系统中应用最广泛的码型。虽然HDB3码比AMI 码的性能更好，但它仍属于1B1T 码型。 （3）双相码
双相码又称曼彻斯特码。它用一个周期的正负对称方波来代表码元“0”，而用它的反相波形来代表码元“1”。
编码规则：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示。 例如：
消息码： 1 1 0 0 1 0 1 双相码： 10 10 01 01 10 01 10
这种码在每个码元的中心部位都发生电平跳变，因此有利于定时同步信号的提取，而且定时分量的大小不受信源统计特性的影响。曼彻斯特码中，由于正负脉冲各占一半，因此无直流分量，但这种码占用的频带增加了一倍。曼彻斯特码适合在较短距离的同轴电缆信道上传输。 （4）差分双相码
为了解决双相码因极性反转而引起的译码错误，可以采用差分双相码的概念。双相码是利用每个码元持续时间中间的电平跳变进行同步和信码表示。而在差分双相码编码中，每个码元中间的
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