SIMULINK下基帶傳輸系統(tǒng)的設計

基帶系統(tǒng)是不經過調制解調的系統(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：信源是不經過調制解調的數字基帶信號，信源在發(fā)送端經過發(fā)送濾波器形成適合信道傳輸的碼型，經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H(ω)滿足奈奎斯特第一準則：
   
    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。②基帶系統(tǒng)的系統(tǒng)函數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：基帶信號沒有經過調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：
    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。

2 基帶系統(tǒng)設計方案
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“O”等概率出現時無直流分量，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
    基帶系統(tǒng)設計的核心問題是濾波器的選取，根據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同時系統(tǒng)函數滿足：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，在構造最佳基帶傳輸系統(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
    信道是允許基帶信號通過的媒質，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 SINULINK下基帶系統(tǒng)的設計
    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果。同時，通過存儲模塊仿真數據可以方便地以各種形式存儲到工作區(qū)和文件中，供用戶對數據分析和處理，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(常數源輸出)設置為1，輸出常數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，單極性不歸零碼經過switch電路后成為雙極性不歸零碼(+1-1+1…)，pulse generator用于產生占空比為1／2的單極性歸零脈沖(10)，經過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
    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，其設計框圖如圖4所示。

    模塊參數設置：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)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，得到最大輸出信噪比。
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integer Delay(整數延遲)將占空比轉換為100％，成為歸零碼，再經過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行波形是待傳輸的基帶信號，第2行波形是經過曼徹斯特編碼模塊后產生的曼徹斯特碼，第3行波形是經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行波形經過抽樣判決后得到的雙極性的二進制碼，第5行波形是經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。