The Auxiliary Teaching Software of Digital Baseband
Transmission System Based on MATLAB
Abstract： With the development of educational theory, educational means constantly updated. The teaching auxiliary software development speed is very quick, the learners to interact with the computer and complete the study, provides a personalized learning environment for students. MATLAB GUI platform has abundant ActiveX, by calling function, can realize the simulation of the system. This design is based on the platform. It realizes the simulation of the digital baseband transmission system. \digital baseband transmission system\is an important basic parts of the communication principle course of electronic information majors it has the characteristics of strong systematic and many mathematical analyses. The design includes the source, transmitting filter, receiving filter, sampling and judging module, to illustrate the characteristics of digital baseband transmission system through the analysis of the waveform, eye diagram and error code. Then file compiler generating .EXE executable program through the MATLAB compiler, run independently from the MATLAB, is more convenient to use in teaching.
Key words：Auxiliary software; System simulation; MATLAB；Eye diagram
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引 言
数字基带传输系统是《通信原理》课程中非常重要的一部分基础性内容，为了使学生加深对通信系统的理解，其中的一些概念、原理往往需要用实验来澄清，但是这类实验的实验板在市场上没有销售，而且有些实验几乎无法用硬件实现；一些替代性的实验，其实验结果由于受多种因素影响，也往往不能满足要求。因此，设计一套数字基带传输系统的仿真软件是很有必要的。
在仿真软件设计中采用了MATLAB作为仿真工具,其函数较为丰富，函数间调用方便，有大量绘图的函数，实现仿真的方法简单直观。MATLAB的图形界面功能GUI（Graphical User Interface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。图形用户界面是提供人机交互的工具，包含图形对象（如窗口、图标、菜单和文本）的用户界面。通过GUI生成的M文件在编译后可得到.EXE可执行程序，可更为方便的使用，不需要再安装MATLAB软件。
基带传输系统中很重要影响因素是码间串扰，无码间串扰的基带传输特性应满足那奎斯特第一准则，在实际系统设计中理想低通传输特性在物理上无法实现。为解决这一问题，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢下降，这被称为“滚降”，一种常用的滚降特性是余弦滚降特性。考虑到要使系统传输特性符合这一要求，在发送和接收滤波器均采用平方根升余弦滤波器，整个系统则满足余弦滚降特性。
本设计通过MATLAB GUI平台实现对数字基带传输系统的仿真，可实现对基带传输系统中信源、形成滤波器、噪声干扰、接收滤波器、抽样判决的仿真。
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第一章 数字基带传输系统
1.1数字基带传输系统的介绍
在数字传输系统中，其传输的对象通常是二进制数字信号，它可能是来自计算机、电传打字机或其它数字设备的各种数字脉冲，也可能是来自数字电话终端的脉冲编码调制（PCM）信号。这些二进制数字信号的频带范围通常从直流和低频开始，直到某一频率f，我们称这种信号为数字基带信号。在某些有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以不经过调制和解调过程在信道中直接传送，这种不使用调制和解调设备而直接传输基带信号的通信系统，我们称它为基带传输系统。而在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制过程，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，相应地，在接收端必须经过解调过程，才能恢复数字基带信号。我们把这种包括了调制和解调过程的传输系统称为数字载波传输系统。数字基带传输系统的模型主要包括码型变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器、均衡器和取样判决器等部分[1]。
图1.1 数字基带传输系统模型 干扰 码型 变换 发送 滤波 信 道 接收 滤波 均衡 器 抽样 判决 数字基带传输系统的输入信号是由终端设备或编码设备产生的二进制脉冲序列，通常是单极性的矩形脉冲信号（NRZ码）。为了使这种信号适合于信道的传输，一般要经过码形变换器，把单极性的二进制脉冲变成双极性脉冲。发送滤波器对码脉冲进行波形变换，以减小信号在基带传输系统中传输时产生的码间串扰。信号在传输过程中，由于信道特性不理想和加性噪声的影响，会使接收到的信号波形产生失真，为了减小失真对信号的影响，接收信号首先通过接收滤波器滤波，然后再经均衡器对失真信号进行校正，最后由取样判决器模块恢复数字基带脉冲序列。
1.2 数字基带信号
不同形式的数字基带信号（又称为码型）具有不同的频谱结构，为适应信道的传输特性及接收端再生、恢复数字基带信号的需要，必须合理地设计数字基带信号，即选择合适
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的信号码型。适合于在有线信道中传输的数字基带信号形式称为线路传输码型。一般来说，选择数字基带信号码型时，应遵循以下基本原则[3]：
数字基带信号应不含有直流分量，且低频及高频分量也应尽量的少。在基带传输系统中，往往存在着隔直电容及耦合变压器，不利于直流及低频分量的传输。此外，高频分量的衰减随传输距离的增加会快速地增大，另一方面，过多的高频分量还会引起话路之间的串扰，因此希望数字基带信号中的高频分量也要尽量的少。
数字基带信号中应含有足够大的定时信息分量。基带传输系统在接收端进行取样、判决、再生原始数字基带信号时，必须有取样定时脉冲。一般来说，这种定时脉冲信号是从数字基带信号中直接提取的。这就要求数字基带信号中含有或经过简单处理后含有定时脉冲信号的线谱分量，以便同步电路提取。基带传输的信号码型应对任何信源具有透明性，即与信源的统计特性无关。这一点也是为了便于定时信息的提取而提出的。信源的编码序列中，有时候会出现长时间连“0”的情况，这使接收端在较长的时间段内无信号，因而同步提取电路无法工作。为避免出现这种现象，基带传输码型必须保证在任何情况下都能使序列中“1”和“0”出现的概率基本相同，且不出现长连“1”或“0”的情况。当然，这要通过码型变换过程来实现。码型变换实际上是把数字信息用电脉冲信号重新表示的过程。此外，选择的基带传输信号码型还应有利于提高系统的传输效率；具有较强的抗噪声和码间串扰的能力及自检能力。实际系统中常常根据通信距离和传输方式等不同的要求，选择合适的基带码型[4]。
1.3 余弦滚降基带传输系统
升余弦滚降传输特性H(?)可表示为
H(?)?Hb(?)?H1(?) （1-1）
H(?)是对截止频率?b的理想低通特性Hb(?)按H(?)?Hb(?)?H1(?)的滚降特性进行
“圆滑”得到的，H1(?)对于?b具有奇对称的幅度特性，其上、下截止角频率分别为 ?b??1、?b??1。它的选取可根据需要选择，升余弦滚降传输特性H1(?)采用余弦函数，此时H(?)为
（1-2）
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1.4 眼图
眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼图”。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱[5]。“眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正[6]。评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。
（1）最佳抽样时刻应在 “眼睛”张开最大的时刻。
（2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏[7]。 （3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。 （4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。
（5）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。
（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。
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