SIMULINK下基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

陳莉

（陜西理工學(xué)院電信系，陜西漢中723000）

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(yīng)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(shè)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。

1.2 基帶系統(tǒng)設(shè)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）滿足奈奎斯特第一準則：

圖1 基帶系統(tǒng)傳輸模型Fig.1 Transmission model of baseband system

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(fù)基帶信號，從而完成基帶信號的傳輸。若不能滿足奈奎斯特第一準則，在接收端加入時域均衡，減小碼間干擾[1]。②基帶系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)H（ω）應(yīng)具有升余弦滾降特性，如圖2所示。這樣對應(yīng)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(dǎo)致信號波形發(fā)生畸變。

解決方案：①在接收端進行抽樣判決；②匹配濾波，使得系統(tǒng)輸出性噪比最大。

圖2 升余弦滾降特性Fig.2 Raised cosine roll-off characteristics

2 基帶系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 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“0”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(fù)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[2]。

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

基帶系統(tǒng)設(shè)計的核心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(yīng)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(yīng)具有升余弦滾降特性；要得到最大輸出信噪比，就要使接收濾波器特性與其輸入信號的頻譜共扼匹配GR（ω）=GT*（ω）e-jωt0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GR（ω）=GT*（ω）H（ω）=GT（ω），GR（ω），于是求解出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

信道是允許基帶信號通過的媒質(zhì)，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(fù)或再生基帶信號。抽樣判決關(guān)鍵在于判決門限的確定，由于本次設(shè)計采用雙極性碼，故判決門限為0。

3 SIMULINK下基帶系統(tǒng)的設(shè)計

SIMULINK是MATLAB提供的用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模，仿真和分析的工具包，它提供了專門用于顯示輸出信號的模塊，可以在仿真過程中隨時觀察仿真結(jié)果。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，SIMULINK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)[3-4]，本次設(shè)計正利用SIMULINK所具有的模塊組織能力來構(gòu)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(guān)電路）、scope（示波器）構(gòu)成曼徹斯特碼的生成電路。模型連接方法如圖3所示。

圖3 曼徹斯特碼生成框圖Fig.3 Generation black diagram of Manchester code

模塊參數(shù)設(shè)置：bernoulli binary generator（不歸零二進制碼生成器）的Prpbability of a zero（零碼概率）設(shè)為0.5，sample time（采樣時間）設(shè)為0.5，pulse generator（脈沖生成器）的pulse width（%of period）（脈沖寬度）設(shè)為50%，占空比為1/2，Attitude（幅度）設(shè)為1，phase delay（相位延遲）設(shè)為0，表示不經(jīng)過延遲，起始時刻發(fā)10碼，switch（開關(guān)電路）的threshold（門限）設(shè)為0.5。constant（常數(shù)源輸出）設(shè)置為1，輸出常數(shù)1，設(shè)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(guān)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(jié)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[3-5]。

3.2 傳輸模塊的實現(xiàn)

為了減小碼間干擾，在最大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(shè)計框圖如圖4所示。

圖4 傳輸模塊設(shè)計框圖Fig.4 Flow chart of transmission model design

模塊參數(shù)設(shè)置：Square root Raised Cosine Filter（平方根升余弦濾波器）的attitude（幅值）設(shè)為1，Period（周期）設(shè)為0.5，pulse width（脈沖寬度）設(shè)為50%，Phase delay（相位延遲）設(shè)為0。AWGN Channel（高斯信道）的Initial seed（起始速度）設(shè)為67，mode（模式）設(shè)為Eb/No（信噪比），Eb/No設(shè)為100，Number of bits per symbor（每秒比特數(shù)）設(shè)為1，Imput symbol power（輸入功率）設(shè)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，得到最大輸出信噪比[6]。

3.3 抽樣判決

利用switch2、pulse generator1、product1構(gòu)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(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 抽樣判決電路及極性轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Sampling judge circuit and conversion circuit

模塊參數(shù)設(shè)置：switch2的判決門限設(shè)為0，pulse generator1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 Generator1（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(jié)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(zhuǎn)換為100%，成為歸零碼，再經(jīng)過switch3（開關(guān)電路）將雙極性碼轉(zhuǎn)換成單極性碼，得到與信源相同的碼型。

圖6 基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計總圖Fig.6 General circuit of baseband transmission system design

3.4 基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)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。

圖7 傳輸過程中的各點波形Fig.7 Wave of each spot during the transmission

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(zhuǎn)換后得到的二進制碼，與第1行的基帶信號比較，結(jié)果相同，只是延遲了2個碼元，這說明所設(shè)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(jié)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。

圖8 接收濾波器端觀察到的眼圖Fig.8 Eye chart observed in receive filter

4 結(jié)束語

本次設(shè)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(fù)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(jié)果得出：基帶系統(tǒng)的設(shè)計達到了預(yù)期要求，且具有較好的抗碼間干擾能力。

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