基于SIMULINK基帶傳輸系統(tǒng)的設計

出處：陳莉發(fā)布于：2011-08-25 10:50:15

　　基帶：Baseband 信源（信息源，也稱發(fā)終端）發(fā)出的沒有經(jīng)過調(diào)制（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號所固有的頻帶（頻率帶寬），稱為基本頻帶，簡稱基帶。

　　一個信號的基帶帶寬是它的前帶寬調(diào)制和復用，或在多路分離和解調(diào)?！≡?復合視頻信號的裝置所創(chuàng)造的這種新的錄像機、游戲機和 DVD 播放機是一種常用的基帶信號。

　　調(diào)制解調(diào)，即我們常說的Modem，其實是Modulator（調(diào)制器）與Demodulator（解調(diào)器）的簡稱，中文稱為調(diào)制解調(diào)器。也有人跟據(jù)Modem的諧音，親昵地稱之為“貓”。

　　基帶系統(tǒng)是不經(jīng)過調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)，理想的基帶系統(tǒng)是不存在碼間干擾的，從理論上講應當是滿足奈奎斯特準則的系統(tǒng)，在實際中可以利用眼圖的觀測來判斷基帶系統(tǒng)的抗碼間干擾能力，本文在SIMULINK下對基帶系統(tǒng)進行設計仿真，利用眼圖分析了噪聲對系統(tǒng)性能的影響。

　　1 基帶系統(tǒng)的理論分析

　　1.1 基帶系統(tǒng)傳輸模型及工作原理

　　基帶系統(tǒng)傳輸模型如圖1所示。

　　1）系統(tǒng)總的傳輸特性為H（ω）=GT（ω）C（ω）GR（ω），n（t）是信道中的噪聲。

　　2）基帶系統(tǒng)的工作原理：信源是不經(jīng)過調(diào)制解調(diào)的數(shù)字基帶信號，信源在發(fā)送端經(jīng)過發(fā)送濾波器形成適合信道傳輸?shù)拇a型，經(jīng)過含有加性噪聲的有線信道后，在接收端通過接收濾波器的濾波去噪，由抽樣判決器進一步去噪恢復基帶信號，從而完成基帶信號的傳輸。

　　1.2 基帶系統(tǒng)設計中的碼間干擾及噪聲干擾

　　碼間干擾及噪聲干擾將造成基帶系統(tǒng)傳輸誤碼率的提升，影響基帶系統(tǒng)工作性能。

　　1）碼間干擾及解決方案

　　碼間干擾：由于基帶信號受信道傳輸時延的影響，信號波形將被延遲從而擴展到下一碼元，形成碼間干擾，造成系統(tǒng)誤碼。

　　解決方案：

　　①要求基帶系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H（ω）滿足奈奎斯特準則：

　　若不能滿足奈奎斯特準則，在接收端加入時域均衡，減小碼間干擾。②基帶系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)H（ω）應具有升余弦滾降特性。如圖2所示。這樣對應的h（t）拖尾收斂速度快，能夠減小抽樣時刻對其他信號的影響即減小碼間干擾。

　　2）噪聲干擾及解決方案

　　噪聲干擾：基帶信號沒有經(jīng)過調(diào)制就直接在含有加性噪聲的信道中傳輸，加性噪聲會疊加在信號上導致信號波形發(fā)生畸變。

　　解決方案：

　?、僭诮邮斩诉M行抽樣判決；②匹配濾波，使得系統(tǒng)輸出性噪比。

　　2 基帶系統(tǒng)設計方案

　　2.1 信源

　　信息傳播過程簡單地描述為：信源→信道→信宿。其中，“信源”是信息的發(fā)布者，即上載者；“信宿”是信息的接收者，即終用戶。在傳統(tǒng)的信息傳播過程中，對信源的資格有嚴格的限制，通常是廣播電臺、電視臺等機構，采用的是有中心的結構。而在計算機網(wǎng)絡中，對信源的資格并無特殊限制，任何一個上網(wǎng)者都可以成為信源

　　1）常見的基帶信號波形有：單極性波形、雙極性波形、單極性歸零波形和雙極性歸零波形。雙極性波形可用正負電平的脈沖分別表示二進制碼“1”和“0”，故當“1”和“O”等概率出現(xiàn)時無直流分量，有利于在信道中傳輸，且在接收端恢復信號的判決電平為零，抗干擾能力較強。而單極性波形的極性單一，雖然易于用TTL，CMOS電路產(chǎn)生，但直流分量大，要求傳輸線路具有直流傳輸能力，不利于信道傳輸。

　　2）歸零信號的占空比小于1，即：電脈沖寬度小于碼元寬度，每個有電脈沖在小于碼元長度內(nèi)總要回到零電平，這樣的波形有利于同步脈沖的提取。

　　3）基于以上考慮采用雙極性歸零碼——曼徹斯特碼作為基帶信號。

　　2.2 發(fā)送濾波器和接收濾波器

　　濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。

　　基帶系統(tǒng)設計的問題是濾波器的選取，根據(jù)1.2的分析，為了使系統(tǒng)沖激響應h（t）拖尾收斂速度加快，減小抽樣時刻偏差造成的碼間干擾問題，要求發(fā)送濾波器應具有升余弦滾降特性；要得到輸出信噪比，就要使接收濾波器特性與其輸入信號的頻譜共扼匹配同時系統(tǒng)函數(shù)滿足：H（ω）=GT（ω）GR（ω）考慮在t0時刻取樣，上述方程改寫為 H（ω）=GT（ω），GR（ω），于是求解出，因此，在構造基帶傳輸系統(tǒng)時要使用平方根升余弦濾波器作為發(fā)送端和接收端的濾波器。

　　2.3 信道

　　信道指通信的通道，是信號傳輸?shù)拿浇?，通常為有線信道，如市話電纜、架空明線等。信道的傳輸特性通常不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，且含有加性噪聲。因此本次系統(tǒng)仿真采用高斯白噪聲信道。

　　2.4 抽樣判決器

　　抽樣判決器是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時刻（由位定時脈沖控制）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。抽樣判決關鍵在于判決門限的確定，由于本次設計采用雙極性碼，故判決門限為0。

　　3 SIMULINK下基帶系統(tǒng)的設計

　　Simulink是MATLAB重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。同時，通過存儲模塊仿真數(shù)據(jù)可以方便地以各種形式存儲到工作區(qū)和文件中，供用戶對數(shù)據(jù)分析和處理，另外，IMULINK把具有特定功能的代碼組織成模塊的方式，這些模塊可以組織成具有等級的子系統(tǒng)，本次設計正利用SIMULINK所具有的模塊組織能力來構建基帶系統(tǒng)，來實現(xiàn)對系統(tǒng)工作過程的仿真。

　　3.1 信源的生成——曼徹斯特碼

　　曼徹斯特碼 Manchester code （又稱裂相碼、雙向碼），一種用電平跳變來表示1或0的編碼，其變化規(guī)則很簡單，即每個碼元均用兩個不同相位的電平信號表示，也就是一個周期的方波，但0碼和1碼的相位正好相反。

　　曼徹斯特的編碼規(guī)則是這樣的，即將二級制碼“1”編成“10"，將“0”碼編成“01”，在這里由于采用了二進制雙極性碼，則將“1”編成“+1-1”碼，而將“0”碼編成“-1+1”碼。根據(jù)2.1小節(jié)的理論分析，采用SIMULINK中的bernoulli binary generator（不歸零二進制碼生成器）、pulse generator（脈沖生成器）、constant（常數(shù)源模塊）、switch（開關電路）、scope（示波器）構成曼徹斯特碼的生成電路。模型連接方法如圖3所示。

　　模塊參數(shù)設置：bernoulli binary generator（不歸零二進制碼生成器）的Prpbability of a zero（零碼概率）設為0.5，sample time（采樣時間）設為0.5，pulse generator（脈沖生成器）的pulse width（％of period）（脈沖寬度）設為50％，占空比為1／2，Attitude（幅度）設為1，phase delay（相位延遲）設為0，表示不經(jīng)過延遲，起始時刻發(fā)10碼，switch（開關電路）的threshold（門限）設為0.5。constant（常數(shù)源輸出）設置為1，輸出常數(shù)1，設置為-1，輸出-1。

　　switch模塊中3個輸入分別接如圖3所示的3個信號，當輸入的第2個信號（二進制碼）大于switch的門限值0.5時，輸出為1，當輸入的第2個信號（二進制碼）小于switch的門限值0.5時，輸出為0。此時，單極性不歸零碼經(jīng)過switch電路后成為雙極性不歸零碼（+1-1+1…），pulse generator用于產(chǎn)生占空比為1／2的單極性歸零脈沖（10），經(jīng)過switch開關電路后成為雙極性歸零脈沖（+1-1），兩路雙極性信號成為乘法器product的輸入，相乘后的結果是：第1路不歸零碼的1碼與第2路（+1-1）碼相乘得到（+1-1），第1路-1碼與第2路（+1-1）碼相乘得到（-1+1）碼，這就是曼徹斯特碼。

　　3.2 傳輸模塊的實現(xiàn)

　　為了減小碼間干擾，在輸出信噪比時刻輸出信號，減小噪聲干擾，傳輸模塊由Square root Raised Cosine Transmit Filter（平方根升余弦傳輸濾波器）、AWGN Channel（高斯信道）、Square root Raised Cosine Receive Filter（平方根升余弦接收濾波器）模塊組成，其設計框圖如圖4所示。

　　模塊參數(shù)設置：SqIlare root Raised Cosine Filter（平方根升余弦濾波器）的attitude（幅值）設為1，Period（周期）設為0.5，pulse width（脈沖寬度）設為50％，Phase delay（相位延遲）設為0。AWGN Channel（高斯信道）的Initial seed（起始速度）設為67，mode（模式）設為Eb／No（信噪比），Eb／No設為100，Number of bits per symbor（每秒比特數(shù)）設為1，Imput symbolpower（輸入功率）設為1，Symbol period（信號周期）為1。

　　發(fā)送端平方根升余弦傳輸濾波器用于對輸入信號濾波成型，高斯信道中含有高斯白噪聲，滿足基帶系統(tǒng)信道特征，接收端平方根升余弦接收濾波器用于匹配濾波，得到輸出信噪比。

　　3.3 抽樣判決

　　利用switch2、pulse generatorl、productl構成抽樣判決電路，并對曼徹斯特碼解碼，其抽樣判決電路及極性轉換電路如圖5所示。

　　模塊參數(shù)設置：switch2的判決門限設為0，pulse generatorl的占空比為50％，相位延遲為0。

　　輸入信號經(jīng)switch2被抽樣判決，當信號大于0時輸出為1，當信號小于0時輸出為-1，pulse Generatorl（脈沖生成器）的輸出信號（101010 …）作為第2路信號與第1路switch2輸出信號相乘，結果是：第1路為（+1-1）時與第2路（10）相乘得到（+10），第1路為（-1+1）時與第2路（10）相乘得到（-10），完成對曼徹斯特碼的解碼。

　　解碼后的信號是占空比為50％的雙極性歸零碼，經(jīng)integer Delay（整數(shù)延遲）將占空比轉換為100％，成為歸零碼，再經(jīng)過switch3（開關電路）將雙極性碼轉換成單極性碼，得到與信源相同的碼型。

　　3.4 基帶傳輸系統(tǒng)設計總圖及各點輸出波形

　　基帶傳輸系統(tǒng)的統(tǒng)計總圖以及傳輸過程中的各點波形分別如圖6、圖7所示。

　　從圖7的波形來看，傳輸是有效的。第1行波形是待傳輸?shù)幕鶐盘?，?行波形是經(jīng)過曼徹斯特編碼模塊后產(chǎn)生的曼徹斯特碼，第3行波形是經(jīng)過接受濾波器后的波形，是一個連續(xù)信號，第4行波形是對第3行波形經(jīng)過抽樣判決后得到的雙極性的二進制碼，第5行波形是經(jīng)極性轉換后得到的二進制碼，與第1行的基帶信號比較，結果相同，只是延遲了2個碼元，這說明所設計的基帶系統(tǒng)沒有產(chǎn)生誤碼，達到了抗碼間干擾和抗噪聲干擾的目的。

　　3.5 眼圖觀測結果

　　圖8為接收濾波器觀察到的眼圖，從圖8可看出，在信噪比為100 dB下觀察眼圖，“眼睛”睜開的角度很大，且沒有“雜線”，說明系統(tǒng)在該信噪比下具有很好的抗碼間干擾能力。

　　4 結束語

　　本次設計采用平方根升余弦濾波器作為發(fā)送端和接收端濾波器，可以實現(xiàn)匹配濾波、減小系統(tǒng)碼間干擾，采用抽樣判決電路恢復重建信號，抵抗噪聲干擾。在SIMULINK下搭建系統(tǒng)，示波器觀測到的各點波形及眼圖的觀測的結果得出：基帶系統(tǒng)的設計達到了預期要求，且具有較好的抗碼間干擾能力。

　　構架在Simulink基礎之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB® 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。