基于MATLAB 的数字信号基带传输系统仿真

第 20 卷 第 4 期 森 　林 　工 　程 Vol120 No14 2004 年 7 月 FOREST EN GIN EERIN G J ul. , 2004 基于 MA TLAB 的数字信号基带传输系统仿真 曲中水1 , 王建卫2 , 朱　泳2 (1. 哈尔滨理工大学 , 哈尔滨　150080 ; 2. 东北林业大学 , 哈尔滨　150040) 　　摘 　要 : SIMUL IN K是 MA TLAB 中动态系统建模、仿真和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 的一个集成环境 , 文中按照仿真过程基本步 骤用 MA TLAB 的仿真工具 SIMUL IN K实现了数字信号基带传输系统的仿真过程 , 对系统性能进行了分析。 关键词 : 数字信号 ; 基带传输系统 ; MA TLAB ; 仿真 中图分类号 : TP311 　文献标识码 : A 　文章编号 : 1001 - 005X (2004) 04 - 0031 - 03 Digital Signal Base Band Transmission System Simulation Based on MATLAB/ Qu Zhongshui ( Harbin Science and Technology University , Harbin 150080) , Wang Jianwei , Zhu Yong (Northeast Forestry University , Harbin 150040) Abstract : SIMUL IN K is the integration environment for modeling , simulation and analysis of the dynamic system in MA TLAB. According to the basic steps , the simulation of digital signal base band transmission system is realized by SIMUL IN K tool , and the system capability is analyzed. Key words : digital signal ; base band transmission system ; MA TLAB ; simulation 收稿日期 : 2003 - 03 - 01 基金项目 : 哈尔滨市青年基金项目 (项目号 0161218034) 。 第一作者简介 : 曲中水 (1971 - ) , 男 , 山东省龙口人 , 哈尔 滨理工大学讲师 , 主要从事信号处理。 1 　引 　言 MA TLAB 是美国 Mathworks 公司开发的适合 于工程各领域分析 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与复杂计算的软件。 SIMUL IN K仿真工具包是 MA TLAB 的一个附加 组件 , 是实现动态系统建摸、仿真和分析的一个集 成环境。[1 ,2 ] 数字基带传输系统主要由信道信号形成器、信 道、接收滤波器、抽样判决器和同步系统等部件组 成。文中应用 SIMUL IN K实现了数字信号基带传 输系统仿真。[1 ,3 ,4 ,5 ] 2 　数字信号基带传输系统仿真过程 下面具体介绍仿真过程。 211 　信道编码器和解码器的设计 合理的设计首先在于选择基带信号码型 , 文中 采用三阶高密度双极性码 ( HDB3) 最低码速为 2048kbps 码元 , 间隔为 T = 1/ 2097152 (s) 。HDB3 码是现在应用较广泛的码型之一。下面说明信道编 码器和解码器的设计。 在 simulink 的模块库中 , 没有对信道直接编码 的模块 , 故而采用 s 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 , 自行设计编码程序。 HDB3 码对输入的基带信号要求一次至少读入四位 进行比较和输出 , 但从 simulink 中对离散系统工作 状态可以知道一次只能判决一位 , 因此必须采用对 前三位延时保留一个码元持续时间 T = 1/ 2097152 (s) , 即系统采样时间。于是采用信道编码模块的 采样时间要和前一个模块的采样时间一致 , 即 s 函 数的采样时间特性设为继承前一模块 , 设置 sample time = - 1。对于基带信号的延迟设置 , 采用 simulink 模块库中提供的 Unit Delay (单位延迟 器) 。对其中所有 Unit Delay 模块设置初始信号为 1 , 采样时间为继承其它的模块 , 即 Sample Time = - 1。采用对于输入一次查四位 , 对于码元每位 被查四次的模式 , 当信号在延迟中 , 同时被预输 出 , 实现无因果关系的码元间的因果输出。为节省 内存空间 , 在 s 函数中只设有限个变量 , 在充分利 用原有变量的原则下 , 考虑利用输入变量 u 的向 量特性 , 把输入的 4 个信号用 simulink 提供的 singals &systems (信号与系统) 模块库的模块 Mux (向量合成模块) 输入向量 u。模块 Mux 的功能是将 多个输入顺序合成一个向量输出信号。整体设计模型 如图 1。 图 1 　整体设计模型图 其中 , S - Function模块是使函数的参数以模块形 式在模型中运行。模块 In1 功能是对一个子系统或外 部输入提供一个输入端口。模块 Out1 功能是对一个 子系统或内部输出提供一个输出端口。参数保持默认 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 值。信道编码函数的输入得到解决 , 就可以设计函数 了。在 simulink 中是系统采样时才初始化。 具体实现解码分两步进行 , ①程序实现 HDB3 码向 AM I 码的解码 ; ②AM I 码基带信号解码。考 虑到时间特性 , 是没有因果关系的 , 故而也只能采 用延时的办法产生码元间因果关系 , 才能在程序中 实现信息恢复。和信道编码一样采用 s 函数来实现 模块功能 , 由于有四个输入关系 , 用同样方法来模 块 Mux 实现多信号输入合成向量实现 s 函数的一 个输入 u。因而实现和信道编码类似。 s 函数的程序实现 HDB3 码向 AM I 码的解码。 212 　信号源设计 在 simulink 中没有这种信号源 , 对它的仿真模 块采用子系统方式。主体采用 source (信号模块 库) 的模块 Unifor Random Number (产生均匀分 布的随机数) 。该模块用于产生在指定时间区间内 的有起始种子的随机数 , 它的参数 Sample time = 01000000477。其它参数保持默认值 , 因而它产生 的值在 0～1 之间变化 , 在用 Nonlinear (非线性模 块库) 的模块 Switch (两个输入模块) 进行判决。 模块 Switch 功能是根据第二个输入决定输出其他 两个中的一个 ; 判决方式是当第二个输入大于或等 于参数 Threshold 的值 , 则输出第一个 , 否则输出 第三个。由于模块 Unifor Random Number 产生的 数均匀分布 , 参数可任意设 ; 为了检验编码和解码 器对 BHD3 码的效果 , 加大连“0”码的机率 , 这 里设参数 Threshold = 0175。对于模块 Switch 的另 两个输入用 Souce (源模块库) 的 Constant (常数 源模块) 。它的功能是产生一个常数输出信号。它 们的参数 Constant value 分别设为“1”和“0”。且 参数设为“1”的模块用信号线和模块 Switch 的第 一个入口相连。如图 2 所示。 图 2 　信号源设计图 213 　信道设计 现实世界中多是白噪声高斯信道 , 且通常的噪 声多是加性噪声。在 simulink 的模块库中 , source 库中有仿真白噪声的模块 Band - Limited White Noise (白噪声信号) 。它的功能是产生适合连续或 混合系统的正态分布随机信号。把它加入信道就成 了白噪声高斯信道。该模块的参数 Sample time = 0100000447 和信号源一致 , 其它参数可以任意设 置以达到干扰的目的。 214 　滤波器设计 发送和接收滤波器性能的好坏直接决定了基带 传输通信系统的好坏。在仿真中 , 使用 simulink 提 供的 Discrete (离散模块库) 中的模块 Discrete Fil2 ter (离散滤波器) , 等效理想低通特性的升余弦滤 波器是数字信号基带传输系统的最理想选择。因 此 , 采用改进的升余弦窗 , 即哈明窗来设计。[3 ] 215 　同步系统 在仿真实现中用 math 库中的模块 gain (增益 模块) 和 Nonlinear 中的模块 Saturation (饱和度模 块) 来进行放大限幅。滤波器用 4 中设计的窄带滤 波器。采用 simulink 模块库中提供的 Unit Delay (单位延迟器) 模仿移相器的功能 , 用时间延迟来 实现相位的变化 , 只要合理选定时间 , 能实现最佳 判决。实现时 , 把它置于脉冲形成电路之后 , 来实 现对抽样的延迟。 脉冲形成模块主要功能是寻找需要的 f 波上 的点 , 选择抽样点在码元的中间时刻 , 即 f 波的 极值点 , 由于波形有正负两部分 , 则选用 Nonlin2 ear (非线性模块库) 的模块 Switch (两个输入模 块) 两个作比较器 , 进行离散化 , 得到抽样脉冲 ; 根据电路的衰减不同 , 其参数可调整 , 这里第一个 模块 Switch 参数 threshold = 0195 , 另一个设为 - 0195。对于模块 Switch 的输入用 Souce (源模块 库) 的 Constant (常数源模块) 。它们的参数 Con2 stant value 分别设为“1”、“0”和“ - 1”。且参数 设为“1”的模块用信号线和模块 Switch 的第一个 入口相连。如图 3 所示。 图 3 　脉冲形成模块图 23 森 　林 　工 　程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 20 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 其中两模块 Switch 后的模块是 Math 库中的 Sum (求和模块) ; 它的功能是对输入信号求和 , 然后输出结果。 同步系统具体实现如图 4 所示。 216 　抽样判决部分的设计 图 4 　同步系统图 　　抽样判决分为抽样和判决两部分。抽样是接收 滤波器的输出信号和定时脉冲的输出信号相乘 , 到 定时点时的值再送判决器 , 根据开始规定的判决规 则进行判决。因此抽样部分可用 math (数学库) 中的模块 product (乘法器) 来实现。模块 product 的功能是对每个输入进行乘法运算 , 然后输出。由 于是对定时信号和信息求积 , 则它的参数 Number of inputs = 2。判决部分用两个 Nonlinear (非线性 模块库) 的模块 Switch (两个输入模块) 来比较 , 参数设定 threshold = 0185。Souce (源模块库) 的 Constant (常数源模块) 三个。它们的参数 Con2 stant value 分别设为“1”、“0”和“ - 1”。鉴于模 块 Switch 的判决准则 , 参数设为“1”的模块用信 号线和第一个模块 Switch 的第一个入口相连 , “ - 1”模块和另一个模块 Switch 的最后一个入口相 连。如图 5 所示。 图 5 　抽样判决图 3 　传输性能分析[1 ,6 ] 评价通信系统的性能主要有两个方面 , 一是有 效性 , 二是可靠性。得到 pe 与 S / N 的关系曲线 , 保持现有的带宽和码速不变 , 只有提高信噪比 S / N , 才能降低误码率 pe。 　　在仿真中 , 对信源输出和解码器输出作模 2 运 算 , 只要得到“1”码的就是传错了 ; 因此 , 求出 最后的“1”码个数和总码元数的比值 , 就是误码 率。考虑中间编码和解码模块的延时 , 须在信源输 出进行延时 , 采用六个 Discrete (离散模块库) 的 Unit Delay 模块 , 参数分别设为 1、1、1、0、0、 0 , 重点分析仿真中成功的结果 , 得到系统特性 , 并运用到仿真中 , 计算出不等概率情况下的误码 率。 4 　结 　论 文中探讨了通信系统仿真的基本步骤 , 给出 MA TLAB 在数字信号基带传输系统的仿真过程 , 对系统性能进行了仿真比较 , 还对信噪比对系统误 码率的影响进行了仿真。 参 　考 　文 　献 [1 ] 樊昌兴编著. 通信原理 (第五版) [ M ] . 北京 : 国防工业出版 社 , 2002. [2 ] 王沫然编著. SIMUL IN K建模和仿真 [ M ] . 北京 : 电子工业 出版社 , 2002. [3 ] 程佩青. 数字信号处理教程 (第二版) [ M ] . 北京 : 清华大学 出版社 , 2001. [ 4 ] 肖田元主编. 数字通信原理 [ M ] . 北京 : 清华大学出版社. 2000. [ 5 ] 唐泽鹏. Matlab 在通信中的仿真应用 [J ] . 电声技术 , 2001 , (11) : 42～45. [6 ] 王立宁编著. Matlab 与通信仿真 [ M ] . 北京 : 人民邮电出版 社 , 2000. [ 7 ] 徐素妍 , 曹坤梅. 基于 Matlab 语言的现代通信仿真分析 [J ] . 计算机应用. 2001 , 18 (1) : 52～53. [ 8 ] 谢文苗. 通信原理试验的计算机仿真 [J ] . 实验技术与管理. 2001 , 18 (1) : 83～85. [9 ] 肖大光. PCM 数字基带传输系统 [ J ] . 实验技术和管理. 2002 , 19 (1) : 21～24. [责任编辑 : 刘美爽 ] 33第 4 期 　　　　　　　　　　　曲中水等 : 基于 MA TLAB 的数字信号基带传输系统仿真 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.