数字基带信号的时域波形和频域功率谱研究与仿真
数字基带信号的时域波形和频域功率谱研究与仿真[20200406140621]
摘要
数字基带信号是数字通信中信息的原始表示，基带码型的选择关系到通信的有效性和可靠性。
本文在阐述了数字基带信号的基本概念后，对数字基带信号的时域波形和频域的功率谱密度开展了研究，并利用MATLAB软件工具进行了各种基带码型，如单极性的非归零码和归零码、双极性的非归零码和归零码、AMI码、HDB3码、双相码、差分双相码、Miller的时域波形和频域功率密度谱的计算和仿真，详细介绍了仿真程序的设计和细节，并对仿真结果进行了分析和讨论。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:基带码型时域仿真频域仿真功率谱密度MATLAB
目录
第一章 绪论 1
1.1 通信的发展历程及现状 1
1.2 数字信号的基本阐述 1
1.3 数字基带信号特性的研究与意义 1
1.4 章节介绍 2
第二章 仿真工具介绍 1
2.1 MATLAB简介 1
2.2 MATLAB特点 1
2.3 MATLAB优势 1
2.4 MATLAB常用函数 2
第三章 数字基带传输系统的特性 3
3.1 数字基带传输系统的概述 3
3.2 传输码型选择的基本原则 3
第四章 数字基带信号的计算机仿真 5
4.1时域波形的仿真 5
4.1.1 单极性非归零波形(NRZ) 5
4.1.2 单极性归零波形(RZ) 6
4.1.3 双极性非归零波形(NRZ) 8
4.1.4 双极性归零波形(RZ) 10
4.1.5 AMI码 12
4.1.6 HDB3码 14
4.1.7 双相码 18
4.1.8 差分双相码 19
4.1.9 Miller码 22
4.2 频域功率谱的仿真 24
4.2.1 单极性非归零波形的功率谱 25
4.2.2 单极性归零波形的功率谱 26
4.2.3 双极性非归零波形的功率谱 28
4.2.4 双极性归零波形的功率谱 30
4.2.5 AMI码和HDB3码的功率谱 31
4.2.6 双相码和差分双相码的功率谱 33
4.2.7 Miller码的功率谱 35
4.3对仿真结果的讨论和分析 36
5 总结与展望 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 通信的发展历程及现状
自上世纪通信技术出现以来，随着科技的快速发展，通信技术的发展也步入了快速发展的轨道，通信数字化亦渐渐地深入到了人们的生产生活中。虽然数字通信具有很多无可比拟的优势，但是它对设备和传输带宽的要求都较高，这在一定程度上限制了它的发展。自上世纪50年代发展至今，大规模集成电路由无到有，发展日新月异，限制数字系统设备发展的因素也越来越少。迅猛发展的科学技术为制约数字通信发展的带宽问题提供了更为可靠、高效的解决方案。因此，数字传输模式日益受到欢迎。
1.2 数字信号的基本阐述
数字信息具有很多种形式，可以是二进制数字代码序列，亦可以是处理数字过的模拟信号等，这体现了数字处理的一大优势：灵活性。本质上，一个个数字代码组成了序列从而形成了数字信息，并以此形式进行传输。但是在实际的自然环境中，由于受到来自于不同外界因素的影响，在一般情况下会要求按照系统的要求和信道的特点而使用不同样式下的编码，并用有限个二进制代码组成的序列来表示。数字基带信号的频谱特点是：从0频率或很低的频率开始，而传输之前不对信号进行载波调制而是直接使用传输数字基带信号传输的系统被称为数字基带传输系统[10]。
1.3 数字基带信号特性的研究与意义
目前，虽然在社会生产生活的很多领域并没有直接使用数字基带传输这种方式，但是数字基带传输系统也包含了很多数字通信的基本问题，研究它对于今后数字通信的发展仍然具有十分重要的意义。其中是有以下几个原因：首先，这种方式大量运用于近程传输;其二，人类科技的快速发展，基带传输在未来有着不可估量的作用；其三，基带传输与其他传输方式有着类似的问题；其四，可以透过它来研究通过线性调制的带通传输系统。为了满足信道的传输特性以及获得更好的传输效果，并不是所有的数字基带信号都合适的，所以我们有必要对数字基带信号进行更加深入的研究。在本文中，我通过MATLAB软件仿真出多种数字信号的时域波形图和频谱图并利用这些来分析它们自身各有的特点并比较它们的优劣之处。
1.4 章节介绍
第一章绪论介绍了本文课题的意义以及历史发展，第二章介绍了仿真工具的基本知识，第三章介绍了数字基带传输系统的特点，第四章做了有关数字基带信号的计算机仿真，第五章总结。
第二章 仿真工具介绍
2.1 MATLAB简介
MATLAB是一款商业数学软件，适用于矩阵运算及控制和信息处理领域设计。它使用方便灵活，易于扩展，同时又具有高效的运算能力和众多的功能。MATLAB编程语言以矩阵计算为基础，兼具有交互式结构，并且它有一个最为突出的优点：简洁和智能化。更为重要的是，它适用于多种平台，并有很高的编程和调试效率。
2.2 MATLAB特点
1) 此高级语言可用于技术计算；
2) 人机适合度高；
3) 多功能，可扩展性强；
2.3 MATLAB优势
1) 应用环境与工作平台
MATLAB是由一系列的工具组成。其中，它有与WINDOWS相类似的图形用户界面，符合更广大用户的操作习惯，提高工作效率。
2) 简单易用的程序
程序语言符合用户的书写习惯，能够大大的方便非专业人士的使用。最重要的是，它的程序可移植性强、可拓展性强，是推进MATLAB深入到科学研究及工程计算的一大利器[3]。
3) 计算机处理数据的能力
MATLAB有强大的数据处理能力，我们可以使用其中的数学运算函数实现自己的各方面的运算目的，简化工作过程中的运算难度。
4) 出色的图形处理功能
它可以完美的处理各种图像和函数作图，而且满足了一些特殊的可视化要求。
5) 多种用途的工具箱
各种各样的专业模块和工具箱都能在MATLAB中找到并使用，我们可以直接通过使用工具箱进行学习与工作而不需要通过自己直接编写源程序代码实现功能[3]。
6) 软件
软件界面易于用户熟悉与操作，可以方便用户控制各项文件与图形窗口；在语言编程这一方面，更加符合程序员的编写习惯，利于提升编程的工作进度；在对于图形处理这一方面，有着强大的图形标注能力；等等其他各项功能。
2.4 MATLAB常用函数
常用函数
abs(x)：取任何数的绝对值或者向量的长度
angle(z)：复数z的相角(Phase angle)
sqrt(x)：开平方
real(z)：复数z的实部
imag(z)：复数z的虚部
conj(z)：复数z的共轭复
plot: 规定图形坐标上的量程值都是线性的
画图标注
xlabel(Input Value); %在x轴上标注内容
ylabel(Function Value); %在y轴上标注内容
title(Two Trigonometric Functions); % 给图形写上标题
grid on; % 显示格线
第三章 数字基带传输系统的特性
3.1 数字基带传输系统的概述
在现代数字通信系统中，数字信号通常是以0、1序列的形式在信道中进行传输的，各种数字设备产生的数字脉冲和数字设备终端产生的脉冲编码（PCM）信号可以统称为数字信息[5]。频带范围在零频率或者很低频率到某一频率m f 之间的二进制数字信号被我们称为数字基带信号。没有经过载波调制的数字基带信号可以在一些具有低通特性的近距离有线信道中直接传输，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[11]。数字基带传输系统是由码型变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器、均衡器和取样判决器等各部分组成的[5]。虽然数字基带传输在现代社会中应用的不是很广泛，但是对于它的研究依然具有重要的意义。所以，为了研究数字基带信号，我们可以从时域和频域两个方面着手。
摘要
数字基带信号是数字通信中信息的原始表示，基带码型的选择关系到通信的有效性和可靠性。
本文在阐述了数字基带信号的基本概念后，对数字基带信号的时域波形和频域的功率谱密度开展了研究，并利用MATLAB软件工具进行了各种基带码型，如单极性的非归零码和归零码、双极性的非归零码和归零码、AMI码、HDB3码、双相码、差分双相码、Miller的时域波形和频域功率密度谱的计算和仿真，详细介绍了仿真程序的设计和细节，并对仿真结果进行了分析和讨论。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:基带码型时域仿真频域仿真功率谱密度MATLAB
目录
第一章 绪论 1
1.1 通信的发展历程及现状 1
1.2 数字信号的基本阐述 1
1.3 数字基带信号特性的研究与意义 1
1.4 章节介绍 2
第二章 仿真工具介绍 1
2.1 MATLAB简介 1
2.2 MATLAB特点 1
2.3 MATLAB优势 1
2.4 MATLAB常用函数 2
第三章 数字基带传输系统的特性 3
3.1 数字基带传输系统的概述 3
3.2 传输码型选择的基本原则 3
第四章 数字基带信号的计算机仿真 5
4.1时域波形的仿真 5
4.1.1 单极性非归零波形(NRZ) 5
4.1.2 单极性归零波形(RZ) 6
4.1.3 双极性非归零波形(NRZ) 8
4.1.4 双极性归零波形(RZ) 10
4.1.5 AMI码 12
4.1.6 HDB3码 14
4.1.7 双相码 18
4.1.8 差分双相码 19
4.1.9 Miller码 22
4.2 频域功率谱的仿真 24
4.2.1 单极性非归零波形的功率谱 25
4.2.2 单极性归零波形的功率谱 26
4.2.3 双极性非归零波形的功率谱 28
4.2.4 双极性归零波形的功率谱 30
4.2.5 AMI码和HDB3码的功率谱 31
4.2.6 双相码和差分双相码的功率谱 33
4.2.7 Miller码的功率谱 35
4.3对仿真结果的讨论和分析 36
5 总结与展望 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 通信的发展历程及现状
自上世纪通信技术出现以来，随着科技的快速发展，通信技术的发展也步入了快速发展的轨道，通信数字化亦渐渐地深入到了人们的生产生活中。虽然数字通信具有很多无可比拟的优势，但是它对设备和传输带宽的要求都较高，这在一定程度上限制了它的发展。自上世纪50年代发展至今，大规模集成电路由无到有，发展日新月异，限制数字系统设备发展的因素也越来越少。迅猛发展的科学技术为制约数字通信发展的带宽问题提供了更为可靠、高效的解决方案。因此，数字传输模式日益受到欢迎。
1.2 数字信号的基本阐述
数字信息具有很多种形式，可以是二进制数字代码序列，亦可以是处理数字过的模拟信号等，这体现了数字处理的一大优势：灵活性。本质上，一个个数字代码组成了序列从而形成了数字信息，并以此形式进行传输。但是在实际的自然环境中，由于受到来自于不同外界因素的影响，在一般情况下会要求按照系统的要求和信道的特点而使用不同样式下的编码，并用有限个二进制代码组成的序列来表示。数字基带信号的频谱特点是：从0频率或很低的频率开始，而传输之前不对信号进行载波调制而是直接使用传输数字基带信号传输的系统被称为数字基带传输系统[10]。
1.3 数字基带信号特性的研究与意义
目前，虽然在社会生产生活的很多领域并没有直接使用数字基带传输这种方式，但是数字基带传输系统也包含了很多数字通信的基本问题，研究它对于今后数字通信的发展仍然具有十分重要的意义。其中是有以下几个原因：首先，这种方式大量运用于近程传输;其二，人类科技的快速发展，基带传输在未来有着不可估量的作用；其三，基带传输与其他传输方式有着类似的问题；其四，可以透过它来研究通过线性调制的带通传输系统。为了满足信道的传输特性以及获得更好的传输效果，并不是所有的数字基带信号都合适的，所以我们有必要对数字基带信号进行更加深入的研究。在本文中，我通过MATLAB软件仿真出多种数字信号的时域波形图和频谱图并利用这些来分析它们自身各有的特点并比较它们的优劣之处。
1.4 章节介绍
第一章绪论介绍了本文课题的意义以及历史发展，第二章介绍了仿真工具的基本知识，第三章介绍了数字基带传输系统的特点，第四章做了有关数字基带信号的计算机仿真，第五章总结。
第二章 仿真工具介绍
2.1 MATLAB简介
MATLAB是一款商业数学软件，适用于矩阵运算及控制和信息处理领域设计。它使用方便灵活，易于扩展，同时又具有高效的运算能力和众多的功能。MATLAB编程语言以矩阵计算为基础，兼具有交互式结构，并且它有一个最为突出的优点：简洁和智能化。更为重要的是，它适用于多种平台，并有很高的编程和调试效率。
2.2 MATLAB特点
1) 此高级语言可用于技术计算；
2) 人机适合度高；
3) 多功能，可扩展性强；
2.3 MATLAB优势
1) 应用环境与工作平台
MATLAB是由一系列的工具组成。其中，它有与WINDOWS相类似的图形用户界面，符合更广大用户的操作习惯，提高工作效率。
2) 简单易用的程序
程序语言符合用户的书写习惯，能够大大的方便非专业人士的使用。最重要的是，它的程序可移植性强、可拓展性强，是推进MATLAB深入到科学研究及工程计算的一大利器[3]。
3) 计算机处理数据的能力
MATLAB有强大的数据处理能力，我们可以使用其中的数学运算函数实现自己的各方面的运算目的，简化工作过程中的运算难度。
4) 出色的图形处理功能
它可以完美的处理各种图像和函数作图，而且满足了一些特殊的可视化要求。
5) 多种用途的工具箱
各种各样的专业模块和工具箱都能在MATLAB中找到并使用，我们可以直接通过使用工具箱进行学习与工作而不需要通过自己直接编写源程序代码实现功能[3]。
6) 软件
软件界面易于用户熟悉与操作，可以方便用户控制各项文件与图形窗口；在语言编程这一方面，更加符合程序员的编写习惯，利于提升编程的工作进度；在对于图形处理这一方面，有着强大的图形标注能力；等等其他各项功能。
2.4 MATLAB常用函数
常用函数
abs(x)：取任何数的绝对值或者向量的长度
angle(z)：复数z的相角(Phase angle)
sqrt(x)：开平方
real(z)：复数z的实部
imag(z)：复数z的虚部
conj(z)：复数z的共轭复
plot: 规定图形坐标上的量程值都是线性的
画图标注
xlabel(Input Value); %在x轴上标注内容
ylabel(Function Value); %在y轴上标注内容
title(Two Trigonometric Functions); % 给图形写上标题
grid on; % 显示格线
第三章 数字基带传输系统的特性
3.1 数字基带传输系统的概述
在现代数字通信系统中，数字信号通常是以0、1序列的形式在信道中进行传输的，各种数字设备产生的数字脉冲和数字设备终端产生的脉冲编码（PCM）信号可以统称为数字信息[5]。频带范围在零频率或者很低频率到某一频率m f 之间的二进制数字信号被我们称为数字基带信号。没有经过载波调制的数字基带信号可以在一些具有低通特性的近距离有线信道中直接传输，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[11]。数字基带传输系统是由码型变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器、均衡器和取样判决器等各部分组成的[5]。虽然数字基带传输在现代社会中应用的不是很广泛，但是对于它的研究依然具有重要的意义。所以，为了研究数字基带信号，我们可以从时域和频域两个方面着手。
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