1、 题 目 线 路 传 输 码 的 性 能 分 析 学生姓名 王 彦 云 学号 1113024118 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1104 班 指导教师 魏 瑞 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015 年 6 月 3 日 毕 业 论 文 设 计 任 务 书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信 1104 班 学生姓名 王彦云 一、毕业论文设计题目 线路传输码的性能分析 二、毕业论文设计工作自 2015 年 1 月 10 日 起至 2015 年 6 月 15 日止三、毕业论文设计进行地点: 物理与电信工程学院实验
2、室 四、毕业论文设计的内容要求：数字通信的根本任务是远距离、准确地传输数字信息。在数字通信终端设备中传输不同的信息速率，选择何种线路传输码型，对数字线路 的传输质量、适合性和经济性就显得十分重要。因此，选择对线路传输码进行仿真研究。本次毕业设计运用仿真软件对三种不同的线路传输码进行性能分析。 本次毕业设计要求： 1. 运用仿真软件搭建采用三种不同的线路传输码进行数据传输的数字基带通信系统； 2. 结合三种不同信道环境对比三种不同的线路传输码进行数据传输的数字基带通信系统的频谱特点与误码率情况，并对仿真结果进行分析。 五、毕业论文设计应收集资料及参考文献：阅读和学习关于线路传输码、数字基带通信系
3、统和计算机仿真技术方面的专业资料，参阅的外文文献不少于 3 篇。 六、毕业论文设计的进度安排：1 月 10 日3 月 20 日：查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。 3 月 21 日4 月 20 日：数字基带通信系统的基本仿真设计并提交中期检查报告。 4 月 21 日5 月 20 日：进一步完善数字基带通信系统的仿真设计，准备作品验收。 5 月 21 日6 月 15 日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。 指 导 教 师 系 (教 研 室 ) 通 信 教 研 室 系(教研室) 主任签名 批 准 日 期 接 受 论 文 (设 计 )任 务 开 始 执 行 日 期 学 生 签 名 I线路传
4、输码的性能分析王彦云（陕西理工学院物理与电信工程学院通信 1104 班，陕西 汉中 723003）指导教师：魏瑞摘要 在实际传输中，选择适合的信道传输码是很重要的。本次毕业设计选择了三种合适的基带传输码，分别在三种噪声环境下研究其频谱和误码率等性能。借助仿真软件 MATLAB，分别搭建了适合 Manchester 码、AMI 码、差分码传输的数字基带系统的仿真模型,其包括信道编码模块，信道传输模块，抽样判决模块和解码模块等。通过仿真后的波形、收发频谱、眼图及误码率的 分析，最终得出这三种码在瑞利噪声下的传输性能最佳，在高斯噪声下传输性能最差。关键词 基带传输系统；传输码；simulink；仿真
5、The characteristic analysis of code transmission lineWang Yanyun(Grade11,Class4,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China)Tutor:Wei RuiAbstract: In the actual transmission, it is important to choo
6、se a suitable channel transmission codes. Three suitable baseband transmission code are chosen in the graduation design , the spectrum and BER performance are study respectively in three kinds of noise environment.The transmission digital baseband system simulation model of AMI code, Manchester code
7、 ,difference code are set up respectively by the simulation of MATLAB software, the model is consisted of channel coding module, channel transmission module, sampling judgment module and decoding module. After the simulation waveforms, the spectrum , eye diagram and bit error rate are analyzed, Fina
8、lly it is concluded that the three codes under Rayleigh noise transmission performance, the best transmission performance under gauss noise is the worst.Key words：baseband transmission system; code transmission; simulink; imulationII目录引言 .11 课题研究思路 .21.1 研究目标 .21.2 方案设计 .21.3 方案分析与选择 .31.4 软件介绍 .32
9、线路传输码的工作原理 .52.1 数字基带传输系统的组成框图及模型 .52.2 数字基带传输的常用码型 .52.2.1 传输码的码型选择原则 .52.2.2 常见的几种传输码型 .62.3 数字基带信号 .62.4 无码间串扰的基带传输特性 .72.4.1 消除码间串扰的基本思想 .72.4.2 无码间串扰的条件 .72.4.3 无码间串扰的条件的传输特性的设计 .72.5 基带传输系统的抗噪声性能 .82.5.1 二进制双极性基带系统 .82.5.2 二进制单极性基带系统 .92.6 眼图 .93 系统的仿真与分析 .103.1 双相码的系统模型设计 .103.2 双相码系统参数设置 .10
10、3.3 双相码系统的仿真结果及分析 .113.4 AMI 码的系统模型设计 .133.5 AMI 码系统参数设置 .143.6 AMI 码系统的仿真结果及分析 .15III3.7 传号差分码的系统模型设计 .173.8 传号差分码系统参数设置 .183.9 传号差分码系统的仿真结果及分析 .184 结束语 .21致谢 .22参考文献 .23附录 A .24附录 B .34陕西理工学院毕业设计第 0 页，共 36 页引言随着当代科学技术的不断发展，计算机技术也不断革新，新型可视化仿真的软件应运而生。传统的设计方法已经不能满足通信系统规模和复杂度的不断加大，我们可以在很短的时间内建立整个通信系统模
11、型通过借助这些功能强大的仿真软件，并进行精准的模拟仿真。让我们能够更为直观，便捷地设计和分析基带系统模型，有利于促进通信仿真技术更快的发展，不再局限于传统的通信仿真技术，克服了其方法复杂，耗时长，易被外界环境及条件影响的缺点，被更好地应用在通信系统性能的研究中。现在， 数字通信不仅被使用于在移动通信方面，而且被广泛使用于卫星通信和光纤通信方面。基带传输系统对于数字传输系统变得愈加重要，科学技术的深入发展，使其应用范围也渐渐渗入到网络通信、卫星通信、手机通信、数字电视和数字电话等各个方面，逐步变为数字通信传输系统中的关键技术。 虽然数字基带传输使用范围不如带通传输使用范围广，但是对基带传输系统的
12、探究还是颇具有意义的。原因是，首先，在使用对称电缆形成的近程数据通信体系中普遍选用了这种传输形式；其次，数字通信技术的飞速发展，迫使基带传输方式也有了迅速发展的趋势。现在，基带传输除了用于低速率数据传输之外，甚至还用于高速率数据传输；另外，基带传输中涉及到带通传输的很多基本问题，即就是，基带传输系统要考虑的很多问题也是带通传输系统务必思考的问题；最后，理论上也能够证实，选用任何一个线性调制的带通传输系统，都能够被等效为一个基带传输系统来分析研究。研究基带传输时，关键在于对传输码的研究。合理的设计基带传输码型对输出信号的功率谱适应基带信道频率响应极具好处，具有错误检测的功能，从而在对信号在接收端
13、的时钟恢复大大有益。对数字基带信号进行仿真，借助 MATLAB 软件，能够让我们对基带传输码的特性有更为直观的观测，进而深层次理解基带信号的相关理论知识，因此对码型的研究具有十分重要的意义。所以MATLAB 对于通信系统的研究起到了至关重要的影响。单极性非归零码、双极性非归零码、单极性归零码、双极性归零码、差分码、数字双相码、传号反转编码（CMI 码）、密勒码、传号交替反转码、三阶高密度双极性码等码型是经常被用到的传输码。在传输过程当中码型变换时，容易造成码元错误，导致信号输出发生错误，因此对码型的研究显得更加尤为重要。本文主要研究数字基带传输码的各种性能特点，并基于 simulink 可视化
14、建模仿真工具，分别搭建双相码传输系统模型并仿真；搭建 AMI 码传输系统模型并仿真；搭建传号差分码传输系统模型并仿真。论文内容安排如下：第 1 章 着重介绍毕设的研究思路。具体介绍了研究目标，方案的比较与选择以及最终确定的方案的软件介绍。第 2 章 主要介绍课题的工作原理。具体涉及数字基带传输基本模型，常被使用的码型及波形，如何实现系统无码间串扰，达到抗噪声干扰等性能。第 3 章 基于第三章的数字基带传输码型，从中选择三种熟悉的码型进行基带传输系统模型的搭建、仿真，并分析误码率、频谱等性能。第 4 章 对毕设过程中存在的问题作出分析总结。陕西理工学院毕业设计第 1 页，共 36 页1 课题研究
15、思路1.1 研究目标运用仿真软件搭建采用三种不同的线路传输码 ( 双相码，密勒码，AMI 码,CMI 码,HDB3 码等码型中任选三种 ) 进行数据传输的数字基带通信系统； 结合三种不同信道环境 （也就是分别加三种不同的噪声，如高斯噪声，莱斯噪声，瑞利噪声等）比较三种不同的线路传输码进行数据传输的数字基带通信系统的频谱特点与误码率情况，并分析仿真结果，得出结论。1.2 方案设计毕设有三种可供选择的设计方案第一种设计方案框图，编码系统将输入的数据送入编码器、再被驱动电路驱动后送到遥测电缆里，编码信息传到地面后被解码系统恢复为原始数据，最后送至地面主机系统，如图 1.1 所示。图 1.1 FPGA
16、 设计方案第二种设计方案框图，首先 MCU 对采集到的数据进行各种类型码的编码，然后把编码后数据送到射频发射芯片进行发射，接收芯片对接收到的射频信号进行解调，解调后的码数据经过芯片的引脚又输入到 MCU，LCD 显示屏上最终显示的被 MCU 进行解码后的数据，如图 1.2 所示。传输码数据 传输码数据 天线 MCUATmega169 传输码 滤波电路增 益补偿天线RF接收芯片 LCD 显示屏图 1.2 单片机设计方案第三种设计方案框图，信源产生的随机信号经过编码处理后进入含有噪声的信道传输，后经抽样判决及解码输出最终波形并分析性能，如图 1.3 所示。MCUATmega 48V RF 发射芯片
17、输入 编码 驱动电路电缆输出 解码器信号处理电路陕西理工学院毕业设计第 2 页，共 36 页图 1.3 MATLAB 设计方案1.3 方案分析与选择三种方案最终都可以分析出传输码的特性，其中，单片机设计方案成本低，编程简单，灵活性强，但处理速度较慢；FPGA 是一种硬件完成算法，能够用 VHDL 或 verilog HDL 来编程，也可以进行编程、除错、再编程和反复执行，灵活度高，所以 FPGA 的处理速度比单片机更高。但编程较复杂，价格较高；MATLAB 是一种仿真软件，成本低，使用方便灵活，可以很快建立相关模型，可视化功能强。适合在理想环境下采用，而现实中噪声及一些干扰是无法避免的，再者，
18、本次设计要求里特别指出要在三种噪声环境下设计，任务量大，MATLAB 能在很短时间内完成。因此本次毕业设计选择了第三种设计方案。1.4 软件介绍三大数学软件分别是 Mathematica、Maple 和 MATLAB，近几年，工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域都有这些软件的应用。在学术界和工业领域，在动态系统领域建模和仿真方面，Simulink 已经以其相对独立的功能及使用方法取得十分卓越的成就。确切的说，Simulink 是用来对动态系统进行模型搭建，且应用最广泛的软件包之一。强大的可视化功能和简捷方便的操作是它的魅力所在。Simulink 是
19、MATLAB 的重要组成部分，是集仿真和分析于一体的软件包，不仅适用于支持连续和离散系统，而且适用于连续与离散混合的线性及非线性的系统，同时还适用于多采样频率的系统，当然，系统也可以是多进程的。在Simulink 环境中，在弄清原理的基础上，先在模块库中找到所需的子模块，然后利用鼠标就能在模型窗口中便捷地“画”出系统模型图，就像用手和纸来画一样容易。然后点仿真键进行仿真 10。Simulink 是一种用方框图来搭建模型的图形接口工具，比起传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相，具有更直观、便捷、灵活、快速等特点。 信源模块三种传输码的编码模块发送滤波器模块信道（分别加三种噪声,高斯 ,莱斯,
20、瑞利）模块匹配接收滤波器去噪抽样判决模块进一步去噪抽样判决模块和解码模块共同恢复再生基带信号观察仿真结果，分析性能定时提取陕西理工学院毕业设计第 3 页，共 36 页Simulink 模型库中含有 SINKS（输出方式）、LINEAR（线性环节）、NONLINEA（非线性环节）、SOURCE（输入源）、CONNECTIONS（连接与接口）和 EXTRA（其他环节）等子模型库，而且每个子模型库中又包含相应功能的更小子模型，我们也可以定制、创建属于自己的模块。用 Simulink 创建的模型具有递阶结构的特性，因此采用自上而下或自下而上的结构都可以建立模型。我们可以从总体到分支，由最高级开始观看模
21、型，然后依次观看子系统模块，来查看下一级的内容，以此类推，最终就能够观看到整个模型的所有细小分支，帮助我们更好地理解模型的结构，梳清各个模块间的相互关系 2。在定义完一个模型之后，我们可以通过 Simulink 的菜单或 MATLAB 的命令窗口键入命令来对它进行仿真。交互工作借助于菜单方式是十分方便的，而运行一大类仿真则要借助命令行方式才非常有用。通过 SCOPE 模块和其他的画图模块，一边进行仿真的同时，一边就可以观看到仿真结果。除此之外，我们还可以在重新设置参数后来迅速观看系统中发生的变化情况，分析出系统的某些性能。另外，MATLAB 的工作空间里还可以存放仿真后的结果，以便事后处理。
22、模型搭建好之后需要作出系统分析，分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB 的许多工具以及 MATLAB 的应用工具箱。由于 MATLAB 和 SIMULINK 两者集成于一起，所以我们可以在这两种环境下对自己搭建的模型进行仿真、分析和反复修改，达到满意效果。陕西理工学院毕业设计第 4 页，共 36 页2 线路传输码的工作原理2.1 数字基带传输系统的组成框图及模型由发送滤波器、信道、接收滤波器和抽样判决器等就可以共同组成一个典型的数字基带传输系统，如下图 2.1 所示。基带脉冲输入 基带脉冲输出图 2.1 数字基带传输系统框图图中各方框的功能简述：（1）发送滤波器：适合信道传输的基带信
23、号可以被产生。输入通常是经过编码器编码后的传输码，波形通常是矩形脉冲，频带较宽，不利于信道传输。发送滤波器以压缩频带宽度为目的，使传输码的基带信号波形能够适合在信道内传输。（2）信道：允许基带信号通过的传输媒质，一般会加入噪声。（3）接收滤波器：接收来自信道的信号，并尽量滤掉信道噪声及干扰。（4）抽样判决器：滤波器滤除噪声不彻底的情况下，在规定时刻，对接收滤波器的输出波形进行抽样判决来恢复原始基带信号。（5）定时提取：定时脉冲是用来抽样的，并借助同步电路从接收信号中提取波形，判决效果被位定时的准确度直接影响。数字基带传输系统的模型图是用定量的关系式表述数字基带信号的传输过程，如图 2.2 所示
24、。发送滤波器 传输信道 接收滤波器an antn图 2.2 数字基带传输系统模型2.2 数字基带传输的常用码型因为数字信号是由数字信源输出，或者是由模拟信源经过编码调制后形成的数字信号，一般来说都不一定适合在信道内传输，例如，含有直流和高低频分量较充足的单极性基带波形比起双极性波形，就不适合在信道内传输，因为容易造成信号畸变。又有原消息码里出现长连“1”或长连“0”的情况时，非归零波形的电平出现连续的定值，判决电平不易被确定，定时信息无法被提取。所以，对传输所需的基带信号有下列要求：（1）传输码型的选择：原消息码被编码后，必须是适合在信道内传输的码型；（2）基带脉冲的选择：所选码型形成的波形必须在基带系统中被有效传输。2.2.1 传输码的码型选择原则选择传输码应考虑下列原则：（1）功率谱中不含直流，并且低频分量尽可能少；（2）便于定时时钟的提取，便于从接收码波形中提取定时信息；GrcGR抽样判决同步提取 信道信号 形成器 信道 接收滤波器 判决抽样器
