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基于MATLAB的数字基带通信系统仿真


北京邮电大学世纪学院 毕业设计(论文)



目 基于 Matlab 的数字基带通信系统 仿真





学生姓名 专业名称 所在系(院) 指导教师 通信与信息工程 通信与信息工程系




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北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文)任务书
姓名 学号 专业 通信工程 系(院) 通信与信息工程

设计(论文)题目 题目分类 □艺术设计;□ 其他

基于 MATLAB 的数字基带通信系统仿真

□ 工程设计;□ 工程技术研究;□ 软件工程(如 CAI 课题等);■ 专题研究;

□ 自然科学基金与部、 省、 市级以上科研课题; 企、 □ 事业单位委托课题; □ 院 题目来源 级课题; 指导教师(指导教师组 职 称 组长及成员姓名) 程 李 韧 殷 教授 讲师 助教 教授 通信与信息工程系 通信与信息工程系 通信与信息工程系 通信与信息工程系 组长 指导教师 成员 成员 工作单位 备注 ■自拟课题 □ 其他

游 思 晴 张 茹

毕业设计(论文)的内容和要求: [注意:选题尽量与实际应用需求相结合。要求写明本设计(论文)所涉及的分析方法或技术手段(如 定性、定量分析的方法) ;要求有独立的见解,设计内容要详细写明具体步骤和技术指标]。 数字基带传输系统是把数字基带信号直接送往信道,不经调制直接传输的系统。数字基带通信系 统的基本结构由发送滤波器、信道、接收滤波器等部分构成。研究数字基带通信系统是研究数字通信 的基础,对于数字频带通信系统的分析通常可以等效到数字基带通信系统上以简化分析。所以研究数 字基带通信系统并用软件仿真,具有现实意义。 本论文要求在分析数字基带传输基本原理的基础上,设计信道带宽受限且具有高斯白噪声的最佳 数字基带通信系统,理论分析其性能,并用眼图验证分析结果。

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应完成的工作和提交材料要求(课题完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求) : ① 开题报告:3000 字左右; ② 论文的中文摘要:200-300 字左右,包含关键词,并译成英文。英文摘要以 250 个左右实词为 宜; ③ 论文正文不少于 15000 字; ④ 尽量结合课题,翻译 1500 汉字以上的有关技术资料或专业文献; ⑤ 参考文献中,主要的文献应达到 10 篇以上,其中外文文献在 2 篇以上。 (参考文献参考文献不少于 10 篇,参考文献目录按 GB/T7714—2005 的要求填写)

参考文献
[1] 宋文涛.移动通信 [M].上海:上海交通大学出版社,1996 年 01 月. [2] 王华奎.移动通信原理与技术 [M].北京:清华大学出版社 [3] 邓华等. MATLAB 通信仿真及应用实例详解 [M].北京:人民邮电出版社,2003. [4] 王立宁.乐光新.詹非 MATLAB 与通信仿真 [M].北京:人民邮电出版社,2000. [5] 攀昌信等 通信原理.第五版 [M].北京:国防工业出版社 [6] 曹志刚.钱亚生现代通信原理 [M].北京:清华大学出版社.1992. [7] 王立宁,乐光新,詹菲.MATLAB 与通信仿真 [M].人民邮电出版社,2000. [8] 约翰·G·普罗克斯.现代通信系统-使用 MATLAB [M] .西安交通学出版社, 2001. [9] 陈萍.现代通信实验系统的计算机仿真 [M].国防工业出版社,2003. [10] 孙亮.MATLAB 语言与控制系统仿真 [M].北京工业大学出版社,2001.

[11] Swanson M.Kobayashi, M.Tewfik. A Multimedia data embedding and watermarking technologies [J].1998(06) [12] Delaigle J.Vleechouwer, C.Macq B. Watermarking algorithm based on a human visual model [J].1998(03)

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毕业设计(论文)进度计划(从正式启动时间开始,以周为单位填写) : 第 1 周-第 2 周 第 3周 第 4 周-第 7 周 第 8周 课题调研、查资料、撰写开题报告 根据查询的资料确定总体设计思路,完成开题报告并上交. 毕业设计单元部分研究,并设计出整体框架 完成论文中期检查报告

第 9 周-第 15 周 资料整理,撰写毕业论文;上交毕业设计论文,指导教师审查评阅设计报告, 毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩,学生修改毕业设计论文,准备答辩。 第 16 周 进行毕设答辩。

指导教师签字:

日期:







教 学 单 位 意 见

学 院 意 见

审核人签字: 系(院) (盖章) 年 月 日
成后附在论文内; 2、凡审核不通过的任务书,请重新申报。

审核专家签字: 年 月



备注 1、由指导教师撰写,可根据长度加页,一式三份,教务处、系(院)各留存一份,发给学生一份,任务完

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题目

数字基带传输系统的仿真

摘要 本论文主要研究了数字信号的基带传输的基本概念及数字信号基带传输的传输 过程和如何用 MATLAB 软件仿真设计数字基带传输系统。本文首先介绍了 MATLAB 仿 真软件。然后介绍了本课题的理论依据,包括数字通信,数字基带传输系统的组成 及数字基带信号的传输过程。接着介绍了数字基带传输系统的特性包括数字 PAM 信 号功率普密度及常用线路码型,并通过比较最终选择双极性不归零码。之后介绍了 数字基带信号的最佳接收的条件以及如何通过示波器观察基带信号的波形。最后按 照仿真过程基本步骤用 MATLAB 的仿真工具实现了数字基带传输系统的仿真过程,对 系统进行了分析。

关键词 数字基带传输系统

MATLAB

计算机仿真

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Title
Abstract

Digital Base Band Transmission System Simulation

This paper mainly studies the baseband transmission of digital signal and the basic concept of baseband transmission of digital signal in the transmission process and how to use MATLAB software to design and Simulation of digital baseband transmission system. This paper first introduces MATLAB simulation software. Then introduces the theoretical basis, including digital communication, digital baseband transmission system and digital baseband signal transmission process. Then it introduces the characteristics of digital baseband transmission system includes the digital PAM signal power spectrum density and commonly used line code, and through the comparison of the final choice of bipolar nrz. After introducing the digital baseband signal received by the best conditions and how the baseband signal waveform oscilloscope observation. Finally, in accordance with the basic steps of simulation process using MATLAB simulation tool to achieve the digital baseband transmission system simulation process, has carried on the system analysis. Keywords Digital Base Band Transmission System Computer simulation

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1.序论 ...................................................................................................................................................... 1 1.1 数字基带传输系统概述 ........................................................................................................ 1 2. MATLAB 基本知识 ............................................................................................................................. 4 2.1 MATLAB 简介 ........................................................................................................................... 4 2.2 MATLAB 特点 ........................................................................................................................... 4 2.3 MATLAB 优势 ............................................................................................................................. 5 2.4 MATLAB 常用函数 ..................................................................................................................... 7 2.5 MATLAB 常用工具箱 ................................................................................................................. 8 3.数字基带传输系统的简介 ................................................................................................................ 10 3.1 研究意义 ................................................................................................................................ 10 3.2 数字基带传输系统 ................................................................................................................. 10 3.2.1 基带传输系统简介 .................................................................................................... 10 3.2.2 基带传输系统结构图 ................................................................................................ 11 3.2.3 基带传输过程 ............................................................................................................ 11 4.综合研究基带传输系统的特性 ........................................................................................................ 13 4.1 数字 PAM 信号 ......................................................................................................................... 13 4.2 数字 PAM 信号功率谱密度 ..................................................................................................... 14 4.2.1 单极性不归零码(NRZ) ........................................................................................... 14 4.2.2 双极性不归零码 ........................................................................................................ 15 4.2.3 单极性归零码(RZ) ................................................................................................ 15 4.2.4 双极性归零码 ............................................................................................................. 16 4.2.5 差分码(相对码) ..................................................................................................... 17 4.3 常用线路码型 ......................................................................................................................... 18 4.3.1 AMI 码 ......................................................................................................................... 19 4.3.2 HDB3 码 ....................................................................................................................... 19 4.3.3 CMI 码 ......................................................................................................................... 20 4.3.4 数字双向码 ................................................................................................................ 20 4.4 数字基带信号的最佳接收 ..................................................................................................... 20 4.5 带限系统下的基带信号 ......................................................................................................... 21 4.5.1 抽样点无码间干扰的基带成型 ................................................................................ 21 4.5.2 升余弦滚降系统 ........................................................................................................ 21 4.5.3 最佳基带系统 ............................................................................................................ 21 4.5.4 基带信号眼图 ............................................................................................................ 22 4.6 部分响应系统 ........................................................................................................................ 24 5.基带传输系统的设计及仿真 ............................................................................................................ 25 5.1 随机信号的产生 ............................................................................................................. 26 5.1.1 高斯噪声的产生 ........................................................................................................ 26 5.1.2 随机码序列的产生 .................................................................................................... 26 5.1.3 产生数字基带信号的一般方法 ................................................................................ 26 5.1.4 NRZ 及 RZ 信号的产生 ............................................................................................... 27 5.1.5 眼图 ............................................................................................................................ 28 5.2 误码率 .................................................................................................................................... 28
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5.2.1 取样判决 ..................................................................................................................... 28 5.2.2 误码率测量 ................................................................................................................ 28 5.4 实验结果 ................................................................................................................................ 29 6.通信系统发展前景 ............................................................................................................................ 31 6.1 3G 技术 ................................................................................................... 错误!未定义书签。 衍射结构也能在带宽不间断的光波波段上产生作用。当 DWDM 信道数量增加,促使信道宽度 从 100GHz 减小到 50GHz, 再减小到 25GHz 时, MOEMS 信号处理器能保持其特性而没有过大的 纹波,而且还能控制由于高传信速率的带宽扩展所产生的串扰 ............. 错误!未定义书签。

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1.序论
1.1 数字基带传输系统概述
在数字通信系统中, 需要将输入的数字序列映射为信号波形在信道中传输, 此时信源输 出数字序列, 经过信号映射后成为适于信道传输的数字调制信号。 数字序列中每个数字产生的时 间间隔称为码元间隔, 单位时间内产生的符号数称为符号速率, 它反映了数字符号产生的快慢速 度。由于数字符号是按码元间隔不断产生的,经过将数字符号一一映射为相应的信号波形后,就 形成了数字调制信号。根据映射后信号的频谱特性,可以分成基带信号和频带信号。通常基带信 号指信号的频谱为低通型, 而频带信号的频谱为带通型的。 由消息转换过来的原始信号所固有的 频带称为基本频带,简称“基带” 来自数据终端的原始数据信号,其频谱一般是从零开始的, 。 往往包含丰富的低频成分,甚至直流分量,故称之为数字基带信号。用数字基带信号直接进行传 输, 即不搬移基带信号的频谱或只经过简单的码型变换就直接进行传输的方式称为数字基带传输。 基带信号所包含的频率范围很宽, 可以从直流到高频, 所以对用于传输基带信号的信道是有限制 的。在某些具有低通特性的有限信道,传输距离不太远的情况下,可以进行数字基带信号直接传 输。而对大多数信道,数字基带信号必须经过载波调制,把频谱搬移到较高的载频处才能在信道 中传输,这种传输方式称为数字频带传输。 数字基带传输系统的基本结构主要由基带信号形成器,信道,接收滤波器,同步提取电路和 抽样判决器组成。 基带信号形成器的作用是将原始的数字信号变换成适合于信道传输的数字基带 信号,这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的,其目的是与信道匹配,便于传输,减 少码间串扰,利于同步提取和抽样判决。信道是信号通过的媒介,其传输特性通常不满足无失真 的传输条件。另外信道还会进入噪声。在通信系统的分析中,常把噪声等效集中在信道中引入。 接收滤波器的作用是限制带外噪声进入接收系统, 对信道特性进行均衡, 使输出的基带波形有利 于抽样判决。 同步提取电路的作用是从接收信号中提取用于抽样的位定时脉冲, 保证系统可靠有 序地工作。 抽样判决器的作用是在传输特性不理想的噪声背景下, 在规定时刻对接收滤波器的输 出波形进行判决,已恢复或再生基带信号。 数字基带信号是指信息代码的电波形, 它是用不同的电平或脉冲来表示相应的信息代码。 数字基 带信号的类型很多,常见的有矩形脉冲,三角波,高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常见的是矩形脉 冲,因为矩形脉冲易于形成和变换。若数字调制器是以周期性的脉冲序列为载波,用数字序列去 调制脉冲载波的某参数, 则可将数字序列映射为相应的信号波形, 称此数字调制器为数字脉冲调
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制器, 而数字脉冲调制器输出信号波形的功率谱密度是低通型的, 所占频带是从直流或低频开始 的,其带宽是有限的。称功率谱密度为低通型的数字信号为数字基带信号。若通信信道的传递函 数是低通型的,则称此信道为基带信道,又称基带信道为低通信道,如同轴电缆和双绞线有线信 道均属基带信道。将数字基带信号通过基带信道传输,则称此传输系统为数字基带传输系统。

1.2

仿真数字基带传输系统
通信原理的主要内容就是怎样可靠而有效地实现信息的传输。 要使这些传输方法成为现

实,就需要制作出相应的发送设备及接收设备。然后在发送端,我们把欲传送的信息变换成某种 适宜的信号并将之馈入传输媒体(电缆,光缆,无线电波等) 。在接收端,信号又从媒体馈入接 收设备,我们再以同发端相反的过程恢复出原来所发送的信息。根据所学的知识,我们知道在什 么样的情况下应该选择什么样的传输方式,并能判断出噪声,信道,传输方式等因素将会怎样影 响对我们来说非常重要的一些通信指标,如信噪比,误码率,发送频谱等等。 要想充分地了解某种传输方式的特性, 最理想的办法莫过于先把它做出来, 再对其进行实际 测量。不过实际制作一套通信系统所需的周期长,代价高。有时要改变系统的某一两个参数就可 能意味着整个系统需要重做。故此对于研究设计人员来说,通过把所有的设计方案,研究问题等 都做成硬件, 再对硬件进行测量从而获得系统性能的研究方法应属于不得已而为之。 较好的研究 方法应该是在硬件制作以前就先设法对系统特性做尽可能充分的了解, 然后再去做硬件。 某种传 输方法,当我们把它做成实际系统后,它理应符合通信原理的理论对它的描述。如果我们用通信 仪表对实际系统进行实际测量的话,实测结果应该同理论分析给出一致的结果。换句话来说,如 果我们在理论阶段所依赖的模型是充分可信的, 如果我们将要制作的硬件确实能够按我们的要求 去工作,那么我们就可以在制作硬件之前,先对将要制作的实际传输系统作充分的研究,并据此 对系统设计是否合理作出评判, 如果设计是合理的我们就可以放心地去实现系统, 不然就需要修 改现有设计再做分析。 然而在通信系统中, 除非个别极简单的情况, 一般我们很难用推公式这种解析的办法得到系 统的各项性能指标。 在计算机技术十分发达的今天, 通信中的许多问题都可以通过计算机仿真的 办法来进行研究。 随着计算机技术和信息科学的飞速发展, 计算机仿真已经逐渐发展为一门独立的学科并成为 信息科学技术的重要组成部分。 计算机仿真实质上就是把硬件实验搬进了计算机, 我们可以把它 看成是一种软件实验。 在硬件实验系统中, 我们用各种电子元器件制作出通信原理中的理论模型 所该规定的各个模板,再把他们通过导线或电缆等接在一起,然后再用示波器,频谱仪,误码仪
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等通信仪表做各种测量,然后分析测量结果。在软件实验中我们也是这样做,只不过所有通信模 块及通信仪表的功能都是用程序来实现的,通信系统的全过程在计算机机中仿真运行。MATLAB 是 1984 年美国 Math Works 公司推出的一种功能强大,效率高,交互性好的数值计算和可视化 计算机高级语言,它将数值分析,矩阵计算,信号处理和图形显示有机地融合为一体,形成了一 个极其方便,用户界面有好的操作环境。随着其自身版本的不断提高,MATLAB 得到了各个领域 专家学者的广泛关注,其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。目前,MATLAB 已广泛 应用于科学研究,工程计算,仿真,自动控制等领域,是目前工程上流行最广泛的科学语言。 在科学研究,产品研发领域,在理解了基本理论的基础上,能够应用 MATLAB 软件工具进行 建模和仿真实验,是理论和实践结合的第一步。当掌握了这个十分有用的研究开发工具后,将能 够利用它进行基础的单元试验直至复杂的系统试验。MATLAB 丰富的指令和众多模块搭建的试验 环境,以及高效率的试验方法与多方面数据处理,分析及表现方式,可以节约大量人力和物力。 在实际数字通信系统中, 数字基带传输在应用上虽不如频带传输那么广泛, 但仍有相当多的 应用范围。 此外重要的是数字基带传输系统的基本理论不仅适用于基带传输, 而且还适用于频带 传输,因为所有窄的带通信号、线性带通系统及等效低通系统对等效低通信号的响应来表示,因 而频带传输系统可通过它的等效低通 (或等效基带) 传输系统的理论分析及计算机仿真来研究它 的性能,因而掌握数字基带传输的基本理论十分重要,它在数字通信系统中具有普遍意义。

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2.
2.1 MATLAB 简介

MATLAB 基本知识

MATLAB 是美国 Math Works 公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视 化、数据分析一级数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括 MATLAB 和 SIMULINK 两大部分。 MATLAB 是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,和 Mathematica、Maple 并称 为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可 以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言 的程序等,主要应用与工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检 测、金融建模设计、与分析等领域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十 分相似,故用 MATLAB 来解算问题要比用 C,FORTRAN 等语言完成相同的事情简介得 多,并且它吸收了像 Maple 等软件的有点,使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。在 新的版本中也加入了对 C,FORTRAN,C++,JAVA 的支持。可以直接调用,用户也可 以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用,此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以进行下载就可以用了。 MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作:数值分析、数值、和符号计算、工程与 科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计 与仿真、财务与金融工程。 MATLAB 的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试 和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱(单独提 供的专用 MATLAB 函数集)扩展了 MATLAB 环境,以及解决这些应用领域内特定类型 的问题。

2.2
1. 2. 3. 4.

MATLAB 特点
此高级语言可用于技术计算 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 数学函数可用于线性代数、 统计、 傅里叶变换、 筛选、 优化以及数值积分等。
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5. 6. 7. 二维和三维图形函数可用于可视化数据 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面 各种函数可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言 (如 C、 C++、 Fortran、 Java、COM 以及 Microsoft Excel)集成

2.3 MATLAB 优势
1. 友好的工作平台和编程环境 MATLAB 由一系列工具组成。这些工具方便用户用 MATLAB 的函数和文件,其中许 多工具采用的是图形用户界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑 器和调试器、 路径搜索和用于用户浏览帮助、 工作空间、 文件的浏览器。 随着 MATLAB 的商业化以及软件本身的不断升级,MATLAB 的用户界面也越来越精致,更加接近 Windows 的标准界面,人机交互性更强,操作更简单。而且新版本的 MATLAB 提供了 完整的联机查询、帮助系统,极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比 较完备的调试系统,程序不必经过变异就可以直接运行,而且能够及时的报告出现 的错误及进行出错原因分析。 2. 简单易用的程序 MATLAB 是一个高级的矩阵/阵列语言,它包含控制语句、函数、数据结构、输入 和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步, 也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(.M 文件)后再一起运行。新版本的 MATLAB 语言是基于最为流行的 C++语言极为相似,而且更加简单,更加符合科技人 员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种 语言可移植性好、可拓展性强,这也是 MATLAB 能够深入到科学研究及工程计算各个 领域的重要原因。 3. 强大的科学计算机数据处理能力 MATLAB 是一个包含大量计算算法的集合。其拥有 600 多个工程中要用到的数学 运算函数,尅也方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所用的算法都是科研 和工程计算中的最新研究成果,而且经过了各种优化和容错处理。在通常情况下, 可以用它来代替底层编程语言, C 和 C++。在计算要求相同的情况下, 如 使用 MATLAB 的编程工作量会大大减少。MATLAB 的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如 矩阵,特征向量、快速傅里叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩
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阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方的组的求解、符号运算、傅里叶 变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三 角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真。 4. 出色的图形处理功能 图形处理功能 MATLAB 自产生之日起就具有防变的数据可视化功能,以将向量和 矩阵用图形表现出来,并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和 三维的可视化、图像处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版 本的 MATLAB 对整个图形处理功能做了很大的改进和完善,使它不仅在一般数据可视 化软件都具有的功能(例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等)方面更加完善, 而且对于一些特殊的可视化要求,例如图形对话等,MATLAB 也有相应的功能函数, 保证了用户不同层次的要求。另外新版本的 MATLAB 还着重在图形用户界面(GUI) 的制作上作了很大的改善,对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 5. 应用广泛的模块集合工具箱 MATLAB 对许多专门的领域都开发了功能强大的模块和工具箱。一般来说,它们 都是由特定领域的专家开发的,用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的 方法而不需要自己编写代码。目前,MATLAB 已经把工具箱延伸到了科学研究和工程 应用的诸多领域,诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、 偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系 统设计、LMI 控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性 控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP 与通讯、 电力系统仿真等、都在工具箱(Toolbox)家族中有了自己的一席之地。 6. 实用程序接口和发布平台 新版本的 MATLAB 可以利用 MATLAB 编译器和 C/C++数据库和图形库,将自己的 MATLAB 程序自动转换为独立于 MATLAB 运行的 C 或 C++语言程序。另外,MATLAB 网页 服务还容许在 Web 应用中使用自己的 MATLAB 数学和图形程序。 MATLAB 的一个重要特 色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是 MATLAB 函数的子程序库,每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的,主 要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析、和系统仿真等方面 的应用。
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7. 应用软件开发(包括用户界面) 在开发环境中, 使用户更方便地控制多个文件和图形窗口; 在编程方面支持了函 数嵌套,有条件中断等;在图形化方面,有了更强大的图形标注和处理功能;在输 入方面,可以直接向 Excel 和 HDF5 进行连接。

2.4 MATLAB 常用函数
常用函数 abs(x):纯量的绝对值或向量的长度 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 round(x):四舍五入至最近整数 fix(x):无论正负,舍去小数至最近整数 floor(x):即舍去正小数至最近整数 ceil(x):天花板函数,即加入正小数至最近整数 rat(x):将实数 x 化为分数表示 sign(x): 符号函数 (Signum function)。 x<0 时, 当 sign(x)=-1; x=0 时, 当 sign(x)=0; 当 x>0 时,sign(x)=1。 sum(x): 向量 x 的元素总和 realmax:系统所能表示的最大数值 realmin:系统所能表示的最小数值 nargin: 函数的输入引数个数 plot: x 轴和 y 轴均为线性刻度 loglog: x 轴和 y 轴均为对数刻度 画图标注 xlabel('Input Value'); % x 轴注解 ylabel('Function Value'); % y 轴注
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title('Two Trigonometric Functions'); % 图形标题 grid on; % 显示格线 操作符与特殊字符 * 矩阵乘法 .* 数组乘(对应元素相乘) ^ 矩阵幂 .^ 数组幂(各个元素求幂) \ 左除或反斜杠 / 右除或斜面杠 ./ 数组除(对应元素除) ... 继续 , 逗号(分割多条命令) ; 分号(禁止结果显示) % 注释 = 赋值 == 相等 complex 建立一个复数 conj 复数配对 exp 指数 fft 一维的快速傅立叶变换

2.5 MATLAB 常用工具箱
MATLAB 包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包。工具包又可以分为 功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充 MATLAB 的符号计算,可视化建模 仿真,文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工 具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。 开放性使 MATLAB 广受用户欢迎。 除内部函数外, 所有 MATLAB 主包文件和各种工 具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新 的专用工具包。 MATLAB 软件的安装可以选择组件,因为安装 MATLAB 的目的主要是进行信号处理
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与系统性能分析,则推荐安装的组件如下所示: 1. MATLAB Main Toolbox—主工具箱 2. Control System Toolbox—控制系统工具箱 3. Communication Toolbox—通讯工具箱 4. Image Processing Toolbox—图像处理工具箱 5. Model predictive Control Toolbox—模型预测控制工具箱 6. Signal Processing Toolbox—信号处理工具箱 7. Statistics Toolbox—统计工具箱 8. Symbolic Math Toolbox—符号数学工具箱 9. Simulink Toolbox—动态仿真工具箱 10. Wavele Toolbox—小波工具箱 MATLAB 仿真软件能很好的对数字通信系统进行模拟仿真,用户可以根据自己研 究的需要,通过使用不同的算法编写程序来构建能够满足一定仿真要求的无线通信 信道。

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3.数字基带传输系统的简介
3.1 研究意义
数字基带传输系统在实际数字通信系统中的应用虽然没有频带传输应用广泛,但仍 有相当多的应用范围。而且最为重要的是数字基带传输系统的基本理论不仅适用于 数字基带传输系统,而且还适用于频带传输,因为所有窄的带通信号、线性带通系 统及等效低通系统都对等效低通信号的响应均可用其等效低通信号、等效低通系统 及等效低通系统对等效低通信号的响应来表示,因而频带传输系统可通过它的等效 低通(或等效基带)传输系统的理论分析及计算机仿真来研究它的性能,因而掌握 数字基带传输的基本理论十分重要,它在数字通信系统中具有普遍意义。

3.2 数字基带传输系统
3.2.1 基带传输系统简介 如果数字调制器的载波是周期性的脉冲,用数字序列去调制脉冲载波的某参数,则 可将数字序列转换成为相应的信号波形,这就被称为数字脉冲调制器。而数字脉冲 调制器输出信号波形的功率谱密度是低通型的,所占频带是从直流或低频开始的, 其带宽是有限的。那么就称此数字信号为数字基带信号。若通信信道的传递函数是 低通型的,则称此信道为基带信道,又称基带信道为低通信道,如同轴电缆和双绞 线有线信道均属基带信道。数字基带信号通过基带信道进行传输,则称此传输系统 为数字基带传输系统。

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n (t )

数字基 带信号

信道信号 形成器
G T (? )

信道
C (? )

接收滤 波器
G R (? )

抽样 判决

同步 提取 图 3-1 数字基带传输系统

3.2.2 基带传输系统结构图 基带传输系统主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。为了 保证系统可靠有序地工作,还应有同步系统。 信道信号形成器:把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号,这种变 换主要是通过码型变换和波形变换来实现的,其目的是与信道匹配,便于传输,减 小码间串扰,利于同步提取和抽样判决。 信道: 允许基带信号通过的媒质。 信道的传输特性通常不满足无失真传输条件, 甚至是随机变化的。另外信道还会进入噪声。在通信系统的分析中,常常把噪声 n (t)等效,集中在信道中引入。 接收滤波器: 滤除带外噪声, 对信道特性均衡, 使输出的基带波形有利于抽样判决。 抽样判决器:在传输特性不理想及噪声背景下,在规定的时刻(由位定时脉冲 控制)对接收滤波器的输出波形进行抽样判决,以恢复或再生基带信号。而用来抽 样的位定时脉冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取,位定时的准确与否将直接 影响判决效果。 3.2.3 基带传输过程 终端设备编码器所产生的脉冲序列将作为为基带传输系统的输入信号,为了使这种 脉冲序列能在信道中进行传输,一般要通过码型变换器将二进制脉冲序列变为双极
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性码(AMI 码或 HDB3 码) ,有时为了使信号在基带传输系统内的码间干扰降到最低, 还要进行波形变换。由于信道特性不理想或者噪声的干扰,会使经过信道的信号受 到干扰而变形。在接收端为了减小噪声的影响,首先会把通过信道的信号引入接收 滤波器,然后再经过均衡器,校正由于信道特性(包括接收滤波器在内)不理想而 产生的波形失真或码间串扰。最后在取样定时脉冲到来时,进行判决以恢复基带数 字码脉冲。

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4.综合研究基带传输系统的特性
4.1 数字 PAM 信号
由于脉冲幅度调制的频带利用率高,所以数字 PAM 信号特别适用于在限带基带信道 中的传输。 数字 PAM 信号是以脉冲载波的幅度携带数字信息。 产生 M 进制 PAM(MPAM)信号原理图如图所示。

图 4-1 产生 MPAM 信号的原理框图 MPAM 信号的一般表示式可写为 s ( t )
?
x ? ??

?a

?

n

g T ( t ? nT s )

式(4-1)

其中 g(t)是该数字信号的波形信号,a n 取值与第 n 时刻的数字符号取值一一映射。M 进制
符号相对应 M 个可能的离散幅度值。 调制:按调制信号(基带信号)的变化规律去改变载波的某些参数的过程。 调制信号:模拟调制—调制信号的取值是连续数字调制—调制信号的取值是离散的。 载波:正弦信号最为载波。 用脉冲串或一组数字信号做为载波脉冲载波的三个参数:幅度、位置、宽度。

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北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文) 4.2 数字 PAM 信号功率谱密度
数字基带信号(以下简称为基带信号)的类型有很多,常见的有矩形脉冲、三 角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲,因为矩形脉冲容易于形成 和变换。

图 4-2 矩形脉冲图

4.2.1 单极性不归零码(NRZ)

图 4-3 单极性不归零码信号波形图 特点:极性单一,有直流分量,脉冲之间无间隔。另外位同步信息包含在电平的转 换之中,当出现连 0 序列时没有位同步信息。

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单极性不归零码的功率谱密度

图 4-4 单极性不归零码的单边功率谱密度

4.2.2 双极性不归零码

图 4-5 双极性不归零码信号波形图 特点:无直流分量。这样,恢复信号的判决电平为 0,因而不受信道特性变 化的影响,抗干扰能力强。故双极性波形有利于在信道中传输。 双极性不归零码的功率谱

图 4-6 双极性不归零码的单边功率谱密度

4.2.3 单极性归零码(RZ)
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图 4-7 单极性归零码信号波形 特点: 可以直接提取定时信息, 是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过 度波形。 单极性归零码的功率谱

图 4-8 单极性归零码的单边功率谱密度图

4.2.4 双极性归零码

图 4-9 双极性归零码的信号波形图 特点:除了具有双极性不归零波形的特点外,还有利于同步脉冲的提取。 双极性归零码的功率谱密度
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图 4-10 双极性归零码的单边功率谱密度图

4.2.5 差分码(相对码)

图 4-11 差分编码 特点:利用差分码的相邻码元之间的信号波形变换与否来分别表示绝对码“1” 和“0” 。

图 4-12 相对码信号波形
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差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码的,因此称它为相对码波形。 而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。用差分波形传送代码可以消 除设备初始状态的影响,特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊的问题。 差分码的功率谱

图 4-13 相对码单边功率谱密度 在绝对码的二进制符号“1”和“0”等概出现且各符号之间互不相关的条件下, 相对码的功率谱密度与绝对码的功率谱密度相同。 通过谱分析, 可以了解信号需要占据的频带宽度和信号包含的频谱分量。 这样, 才能针对信号谱的特点来选择相匹配的信道,以及确定是否可以从信号中提取定时 信号。 数字基带信号没有确定的频谱函数是随机的脉冲序列,所以只能用功率谱来描 述它的频谱特性。由随机过程的相关函数去求随机过程的功率(或能量)谱密度比 较复杂。一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为出发点,求出数字 随机序列的功率谱的公式。 设输入的数字序列是平稳的,则 PAM 信号的功率谱密度可以通过如下式子计算 得到: Ps ( f )
? 1 Ts

?
n

R n (n )e

? j 2 ? fkT 2

G( f )

2

式(4—2)

可以看到,PAM 信号的功率谱密度不仅受序列的自相关特性的影响,同时受信号 波形的影响。因此,可以利用构造不同的自相关特性序列来改变数字基带信号的功 率谱密度形状,即基带信号的码型,适应新到的频率特性。

4.3 常用线路码型
在实际数字通信中,经常需要在数字通信设备之间通过同轴电缆或其他有线传 输媒介来传输数字基带信号。
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4.3.1 AMI 码 其编码规则是将二进制消息代码“1” (传号)交替的变换为传输码的“+1”和 “-1” ,而“0” (空号)保持不变。 消息代码:1 AMI 码: +1 0 0 0 -1 1 +1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1?? -1 +1???

0 0 0 0 0 0 -1 +1 0

AMI 码对应的基带信号是正负极性交替的脉冲序列,而 0 电位保持不变的规律。 AMI 码的优点: 1. AMI 码的编译码电路简单,便于利用传号极性交替规律观察误码情况。 2. 由于+1 和-1 交替,AMI 码的功率谱中不含直流成分,高、低频分量少,能量集中 在频率为 1/2 码速处。 3. 虽然功率谱中没有离散时钟分量,但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零 波形,便可进行位定时信号的提取。 AMI 码的不足: 当原信号码出现连“0”串时,信号的电平长时间不跳变,造成提取定时信号的 困难。

图 4-14AMI 码和 HDB 3 码的功率谱 4.3.2 HDB3 码
HDB
3

码的全称是 3 阶高密度双极性码,它是 AMI 码的一种改进型,其目的是为

了保持 AMI 码的优点而客服其缺点,使连“0”个数不超过 3 个。其编码规则如下: 当信码的连“0”个数不超过 3 个时,仍按 AMI 码的规则编,即传号极性交替;当连
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“0”个数超过 3 个时则将第 4 个“0”改为与前面的“1”同极性的脉冲,记为+V 或 -V, 称之为破坏脉冲。 相邻的 V 码的极性必须交替出现, 以确保编好的码中无直流; 为了便于识别,V 码的极性应与前一个非“0”脉冲极性相同,否则,将四连“0”的 第一个“0”风改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲,并记为+B 或-B;破坏脉冲之后的 传号码极性也要交替。 4.3.3 CMI 码 CMI 码是传号反转码的简称,与数字双向码类似,它也是一种双极性二电平码。 编码规则是: “1”码交替用“11”和“00”两位码表示; “0”码固定的用“01”表 示。CMI 码有较多的电平跃变,因此含有丰富的定时信息。 “10”为禁用码组,这个 规律可用来宏观检错。CMI 码易于实现。 4.3.4 数字双向码 又称曼彻斯特(Manchester)码.他用一个周期的正负对称方波表示“0” ,而用 其反向波形表示“1” 。

4.4 数字基带信号的最佳接收
码间干扰和信道噪声是影响接收端正确判断而造成误码的两个因素。 数字基带信号的产生——数字基带信号的调制 数字基带信号的接收——数字基带信号的解调
n w (t )

s (t )

r (t )

输出 解调器 抽样 判决

图 5-15 加性白高斯噪声信道 信道的传输特性和传输过程中噪声的存在是在数字通信系统中影响通信性能的 两个主要因素。在噪声干扰中有效的检测出信号能在一定程度上使系统性能达到最 佳并达到最好的传输状态。所谓最佳是在某种标准下系统性能达到最佳,最佳接收 是个相对的概念, 在某种准则下的最佳系统, 在另外一种准则下就不一定是最佳的。
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在某些特定条件下,几种最佳准则也可能是等价的。 在数字通信中,最长采用的是输出信噪比最大准则和差错概率最小准则。 由数字信号的判决原理我们知道,滤波器输出信号波形和发送信号波形之间的 相似程度,滤波器输出信号波形的失真程度都与抽样判决器输出数据的正确与否无 关。抽样判决器输出数据正确与否,取决于抽样时刻信号的瞬时功率与噪声平均功 率之比,即信噪比。信噪比越大,错误判决的概率就越小;信噪比越小,错误判决 概率就越大。为了使错误判决概率尽可能小,就要选择滤波器传输特性使输出信噪 比达到最大值时,该滤波器就称为输出信噪比最大的最佳线性滤波器—匹配滤波器。

4.5 带限系统下的基带信号
4.5.1 抽样点无码间干扰的基带成型 满足抽样点无码间干扰的数字基带系统, 其收发等效的基带成型应满足式 (4-3)

?
m

F(f ?

m Ts

) ? Ts

,表明了等效的基带成型的频谱特性应该满足的条件,称之为奈奎

斯特抽样无码间干扰定理。 4.5.2 升余弦滚降系统

图 5-16 升余弦滤波器的冲击响应 a=0,它允许的无码间干扰传输的最大符号速率 2W 波特,频带利用率 2 波特/Hz。 a=1,它允许的无码间干扰传输的最大符号速率 W 波特,频带利用率 1 波特/Hz。 由于升余弦滤波器频率特性的平滑性,可以用物理可实现滤波器近似实现。 a>0,x(t)尾巴衰减比较快,抽样定时出现偏差,但码间干扰比的情况要小。 4.5.3 最佳基带系统
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由于收发波形匹配使抽样时的信噪比最大,因此带限情况下的最佳基带系统设 计应该既保证无码间干扰, 同时收发匹配, 此时的基带系统称为最佳基带系统设计。 通常,满足最佳基带系统设计的发送滤波器和接收滤波器的幅度谱可以采用升余弦 滚降系统的根号函数,即根号升余弦,其相移特性是线性的。 4.5.4 基带信号眼图 从理论上讲,只要基带传输总特性 H(f)满足奈奎斯特准则,就可实现无码间 干扰传输。但在实际中,由于滤波器部件调试不理想或信道特性的变化等因素,都 可能使 H(f)特性改变,从而使系统性能恶化。计算由于这些因素所引起的误码率 非常困难,尤其在码间干扰和噪声同时存在的情况下,系统性能的定量分析更是难 以进行。 因此在实际应用中需要用简便的实验方法来定性测量系统的性能,其中一个有 效的实验方法是观察接收信号的眼图。 眼图是指利用实验手段方便的估计和改善系统性能时,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 器水平扫描周期,使其与接收码元的周期同步。此时可以从示波器显示的图形上, 观察出码间干扰和噪声的影响,从而估计系统性能的优劣程度。在传输二进制信号 波形时,示波器现实的图形很像人的眼睛,故名为“眼图” 。为了便于理解,暂先不 考虑噪声的影响。 是接收滤波器输出的无码间干扰的双极性基带波形,用示波器观察它,并将示波器 扫描周期调整到码元周期 Ts,由于示波器的余辉作用,扫描所得的每一个码元波形 将重叠在一起,形成如图(c)所示的迹线细而清晰的大“眼睛” ; 是有码间干扰的双极性基带波形,由于存在码间串扰,此波形已经失真,示波器的 扫描迹线就不完全重合,于是形成的眼图线迹杂乱, “眼睛”张开的较小,且眼图不 正,如图(d)所示。眼图的“眼睛”张开得越大,且沿途月端正,表示码间干扰越 小,反之,表示码间干扰越大。

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4-17 眼图 当存在噪声时, 眼图的线迹变成了比较模糊的代状的线, 噪声越大, 线条越宽, 越模糊, “眼睛”张开得越小。不过,应该注意,从图形上并不能观察到随机噪声的 全部形态,只能大概估计噪声的强弱。 眼图可以定性反映码间干扰的大小和噪声的大小,可以用来指示接收滤波器的 调整,以减小码间干扰,改善系统性能。 “眼睛”张开程度,反映了码间干扰和加性噪声对接收的基带信号波形的影响。 “眼睛”越大,系统性能越好; “眼睛”眯成一条缝,系统性能比较差,乱七八糟, 系统误码非常严重。

4-18 最佳抽样时刻

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北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文) 4.6 部分响应系统
两种无码间干扰系统:理想低通和升余弦滚降。 理想低通滤波特性的频带利用率虽达到基带系统的理论极限值 2 波特/HZ,但难 以实现,且它的 h(t)的尾巴震荡幅度大,收敛慢,从而对定时要求十分严格;升 余弦滤波特性所需频带宽,频带利用率下降,因此不能适应高速传输的发展。要寻 求一种传输系统, 它允许存在一定的, 受控制的码间干扰, 而在接收端可加以消除。 它能使频带利用率提高到理论上的最大值,又可形成“尾巴”衰减大、收敛快的传 输波形,从而降低对定时取样精度的要求,这类系统称为部分响应系统。 基本设计思想:在既定的信息传输速率下,采用相关编码法,在前后符号之间 注入相关性,用来改变信号波形的频谱特性,使得传输信号波形的频谱变窄,从而 达到提高系统利用率的目的。 关键点:相关编码使限带系统的发送、接收滤波器既能物理可实现,又可达到 奈式带宽的要求,但是,相关编码会使该基带传输系统在收端抽样时刻引入码间干 扰,不过,该码间干扰是受控的、已知的,所以在收端检测时可以解除其相关性, 恢复出原始数字序列。 利用相关编码引入受控码间干扰的基带传输系统, 带宽为 2WHZ (奈式带宽) ,以 2W 波特的奈式速率进行传输,达到了理论上的最大频带利用率 2 波特/HZ,并且物理可实现。

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5.基带传输系统的设计及仿真
从数学的角度看,信息从一地传送到一地的整个过程或者其各个环节不外乎是 一些码或信号的变换过程。例如信源压缩编码、纠错编码、AMI 编码、扰码等属于码 层次上的变换,而基带成型、滤波、调制等则是信号层次上的。码的变换是易于用 软件来仿真的。 要仿真信号的变换, 必须解决信号与信号系统在软件中表示的问题。 时域取样及频域取样。一般来说,任意信号 s (t ) 是定义在时间区间 ( ?? , ?? ) 上的 连续函数,但所有计算机的 CPU 都只能按指令周期离散运行,同时计算机也不能处 理 ( ?? , ?? ) 这样一个时间段。为此我们把 s (t ) 按区间 [ ? 按时间间隔Δ t 均匀取样得到
T ?t T 2 , T 2 ] 截短为 s T (t ) ,再对 s T (t )

个样值。 仿真时我们用这个样值集合来表示信号 s (t ) 。

显然Δ t 反映了仿真系统对信号波形的分辨率,Δ t 越小则仿真的精确度越高。据通 信原理所学,信号被取样以后的频谱是频率的周期函数,其重复周期是 号的最高频率为 f H , 那么必须有
fH ? 1 2?t 1 ?t

。如果信
? 1 2?t

才能保证不发生混叠失真。 我们称 B s

为仿真系统的系统带宽。如果我们的仿真程序中设定的采样间隔是Δ t ,那么我们不 能用此仿真程序来研究带宽大于 B s 的信号或系统。
此外, 信号 s (t ) 的频谱 s ( f ) 通常来说也是定义在频率区间 ( ?? , ?? ) 上的连续函数,

所以仿真频域特性时,我们也必须把 s ( f ) 截短并取样。考虑到系统带宽是 B s ,我们 把频域的截短区设计为 [ ? B s , B s ] ,然后再按间隔 ? t 均匀取样得到
2Bs ?f

个样值。? f 反

映了仿真系统在频域上的分辨率。频域离散的信号对应到时域是一个周期信号,其 周期为
1 ?f

。类似前面的分析,如果我们的仿真程序中设定的采样间隔是 ? f ,那么

我们就不能仿真截短时间超过 取样间隔设计为 ? f
? 1 T

1 ?f

的信号。考虑到时域截短时间为 T,我们把频域的

。 这样一来, 时域的总取样点数及频域的总取样点数都相等,

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为N ?
1 ? t? f

。要提高仿真的精度,就必须降低时域取样间隔 ? t ,也就是要加大总取样

点数 N。这说明仿真的精度与仿真系统的运算量直接有关。 为了处理上的方便我们今后规定采样点数 N 为 2 的整幂。举例来说,假如设计要求的系统 带宽为 1MHZ,频域最小分辨率为 10KHZ。那么据此可求得 N ?
2Bs ?f ? 200

,取 N=256。对

应的其他参数为 B s =1MHZ, ? f ?

2Bs N

? 7 . 8 KHZ

,T ?

1 ?f

? 128 ? s

, ?t

?

T N

? 0 .5 ? s



5.1 随机信号的产生
5.1.1 高斯噪声的产生 由于函数 randn (1, 产生 N 个互不相关、 N) 均值为零、 方差为 1 的高斯随机数, 所以可用它来产生白高斯噪声。设计仿真系统的取样点数是 N,系统带宽为 B s ,矢量
x=n0*Bs*randn(1,N)的总功率为 n0*Bs,最高频率分量为 Bs,并且更样点的值互不相关,故它代 表双边功率谱密度为 n 0
2 (W / HZ )

的白噪声。

5.1.2 随机码序列的产生 语句 round(rand(1,M))产生 M 个取值 1、0 等概的随机码。函数 round 表示四舍 五入。函数 rand 产生均匀分布区间[0,1]的随机数。 语句 sign(randn(1,M))产生 M 个 ? 1 等概的随机码。函数 sign(x)对矢量 x 的元 素取正负号,而高斯数 randn 取正负值得概率是相等的。 5.1.3 产生数字基带信号的一般方法 一般来说,随机数字信号可以直接或间接表示成 PAM 信号。PAM 信号指所有形如
s (t ) ?

i ? ??

?a

?

i

g ( t ? iT s )



























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imp ( t ) ?

i ? ??

? a ? ( t ? iT
i

?

s

)
G(f) g(t)

s (t ) ?

i ? ??

?a

?

i

g ( t ? iT s )

图 6-1PAM 信号等效模型 故此对各种不同的数字信号,都可以用相同的方法来产生: 产生随机码序列矢量 a。 为了方便起见,我们规定 a 的长度 M 是 2 的整幂。 产生冲击序列信号 imp (t ) 。 设矢量 imp 代表信号 imp (t ) 。imp 可如下产生: imp=zeros(1,N); imp=(1:L:N)=a/dt; 其中 N 是 imp 的矢量长度,M 是码元矢量 a 中的码元数,L 是每码元内的样点数。我 们规定 M、N 都是 2 的整幂,于是 L 自然也是 2 的整幂。 产生数字信号 s(t) 设矢量代表数字信号 s(t),矢量 g 代表脉冲波形 g(t),矢量 G 代表其频谱 G(f) 。 那么 s 的产生方法是: s=conv(imp,g); 其中,函数 conv 表示卷积。卷积后 s 的长度是 length(imp)+length(g)-1。扣除延 迟时间及拖尾时间,数字信号为: ii=find(g==max(g)); s=s([1:N]+ii(1)); 也可以用频域的方法产生数字信号 s(t): s=f2t(t2f(imp).*G); 注意此时,imp 的点数应与 g 或 G 相同。若 g 的宽度小于 imp,则应用 0 补齐。 5.1.4 NRZ 及 RZ 信号的产生 对于采用归零(RZ)及不归零(NRZ)矩形脉冲波形的数字信号,可以用简单的
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方法信号矢量 s。设 a 是码元矢量,N 是总取样点数,M 是总码元数,L 是没个码元 内的点数,那么 NRZ 信号可以这样获得: s=zeros(1,N); for ii=1:Rt/dt, s(ii+[0:M-1]*L)=a;,end 5.1.5 眼图 眼图是数字信号在示波器上重复扫描得到的显示图形。若示波器的扫描范围是 Na 个码元,那么画眼图的方法是: tt=[0:dt:Na*L*dt]; hold on for ii=1:Na*L:N-N*L plot(tt,s(ii+[1:Na*L])); end

5.2 误码率
5.2.1 取样判决 设矢量 a 表示发送的码序列,矢量 y 表示在判决点观测到的叠加有噪声的接收 信号,假设信道无时延。接收机在每一个码元间隔 T s 取一个点做为判决量。所有取 样结果构成一个矢量 b: 若取样时刻无偏差 b=y(1:L:N),若取样时刻有 k ? ? t 的恒定偏 差,则 b=y(1+k:L:N)。若判决门限为 Vth,则判决结果是 c=sign(b-Vth)(双极性结 果 ? 1 )或 c=(sign(b-Vth)+1)/2(单极性结果 0、1) 。 5.2.2 误码率测量 若在一次试观察中发送的码元是长度为 M 的矢量 a,对应的判决结果是矢量 c。 无码数是 a 与 c 中不相同的符号数,即 n_err=length(find(a~=c)),于是误码率为 Pe=n_err/M。为了提高测量精度,可加大 M 或者重复多次观察。多次观察时,误码 率为总误码数除以总码元数。

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北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文) 5.4 实验结果

说明:模块的连接线处均已标有标号,下面解释所要观察的波形。 1. 在 1 处观察产生的码元序列,同时观察码元序列的功率谱特性 2. 在 2 处观察经过根升余弦滤波器的发送码元波形、发送波形对应的功率谱 和经过根升余弦滤波器的码元波形的眼图。 3. 在 3 处观察所加噪声分量 4. 在 4 处观察接收到的码元波形、接收端码元波形对应的功率谱、经过系统 后的码元波形的眼图、同时对信道的误码率特性进行描述,给出实际传输 中的误码率曲线。 5. 在 5 处观察接收到的码元序列。再对码元序列进行变换,观察(b)中相同 的码元特性。

5.5 实验结论
实验当中选用双极性归零码的原因是双极性的码元更利于收端的取样、判决。 而实际系统当中也是多用双极性码的,一方面是没有直流分量减小了功耗,另一方 面也是双极性码的判决范围允许变换大,这样误判的可能性小了,误码率低。通过 实验的观察,发现虽然使用的多经信道,没有加时域均衡进行最佳的接收,但是判 决的输出效果还好。另外在接收端,我做了两个眼图,一个是用实验得到的码序列 经过一个根升余弦滤波器的眼图结果,另一个是接收到的波形的眼图,可以明显的 看出前者的效果要明显的好,其实就是和发送端的眼图相近的,而试验中真正要做 的眼图,也就是后者,由于噪声和没有均衡的影响,我们可以看到他的眼睛张开就 要小,而且边缘阔大,即容易出现码间干扰了。试验中遇到了很多困难,首先是开 始使用了单极性码,但是出来后的判决门限很难选择,如图中的两个码元波形,我 们可以看到,经过根生余弦滤波器后,波形的幅度是要发生变化的,就很难找到中 间值了,就给实验的分析带来了很大的困难,思考是不是要对升余弦的幅度进行设
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计,使得通过升余弦滤波器的波形不会发生幅度上的变化,使问题得到解决。实验 中的不足是:输出端的功率谱和接收码元功率谱,由于没有进行循环,使得显示效 果很乱,主要是由于加了循环之后,使得整个程序的循环过于冗余,程序执行的时 效性差,容易死机。

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6.通信系统发展前景
趋势 1-数据的供求 从 20 世纪 90 年代初以来,全球向信息密集的工作方式和生活方式的转变,推 动了光纤行业的发展。在此之前,数据处理资源的性能开始有可能实现各种各样的 应用,而所需成本对大众市场很有吸引力。在很大程度上能使现代大规模数字通信 网络得以实现并产生对其需求的分布式计算资源这一概念并没有促成数据传输技术 方面直接并行的构建。因此,除了一些值得注意的特例之外,与其说各种应用可能 受计算资源缺乏的限制,倒不如说受输入输出的束缚。这个显著特点与以前几十年 计算资源的速度缓慢和价格昂贵形成了鲜明对比。以前几十年的数据密度比较稀疏, 应用领域也在很大程度上局限于由一个或仅仅几个 CPU 和数据存储器支持的 LAN (局 域网) 。 在近 10 年内,数据客户的数量急速增长。从模拟方式到占主流通信模式的数字 传输方式的转变将历来孤立而又不相关的系统转变为可能共享同一网络的"服务"。 因此,譬如说,有线电视服务提供商可以通过传统的线路末端的电器,如电视机、 电脑、手机提供视频服务、互联网服务和电话服务。这些电器在某种程度上起着专 用数据终端设备的作用。甚至各类终端设备之间的差别也开始变得模糊不清,因为 任何人都可用当今一代手机读电子邮件、拍照和打电话。最终用户现在能够在任何 时间,从几乎任何地方使用各种服务。在用户只访问的数据只有一部分来自 PAN(个 人网) LAN 数据存储器的情况下, 或 越来越大的数据流必须经由基于光纤的公用网。 到 1998 年底,公用网中的数据通信业务量超过了电话通信业务量。从此,互联 网通信业务量的增长率从每年 45%上升到 100%。这种增长率与报刊上神话般夸大 的每季度甚至每 100 天通信业务量翻一番的报道 -- 这些报道甚至使最虔诚的 Mooresian 也汗颜--形成对比。 虽然声名狼藉的"网络"泡沫对金融市场产生了短暂影响,但数据通信业务量却 呈现出一种稳定得多的趋势。然而,正如简单的均匀分布模型所表明的,通信业务 总量的增长并没有直接带来相应的主干网带宽需求的扩大。相反,超过半数的万维 网请求都只以估计总共 20 亿个网站中的头 1000 个为目标。大型互联网服务提供商 都保留万维网缓存服务器来处理他们所接收的数量庞大的数据请求。这种服务策略 实际上产生了许多不同地域的镜象网站,导致相当部分的互联网通信业务量不通过
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主干网,而是通信业务量的产生和终止都在同一网络之内。到 2005 年底,长距通信 业务量将达到 10×1018 字节/月。这种格局对于光纤接口技术来说有几种含义。长 途通信业务量实际一直在增长,大约每年翻一番,2002 年 12 月估计达到每月 100× 1015 字节(图 1) 。即使如此大量的通信业务量也没有反映出 MAN(城域网)环路必 须容纳的总通信业务量。所以,虽然均匀分布模型预测出主干网带宽远不能满足需 求,但实际上瓶颈更可能出现在城域网环路上。 趋势 2-接入到接入 如果按照以美国或欧洲为中心的视角来看,则对光纤接口设备的需求似乎并不 很紧迫。事实上,我所采访的所有物理层供应商都说中国正在进行的基础设施建设 是他们最重要的增长机会。环太平洋区域其他地方接入设备的更新在通信元件的其 余销售额增长中占很大比重。一个说明接入需求增长的例子证明远东地区网络承受 着种种压力。 几个参与近期商展的芯片制造商将他们所有的 VDSL 销售活动都归功于 远东市场。 单单一家供应商报导说, VDSL 在韩国以每月 10 万件的持续速度替代 ADSL 调制解调器。以人口比例计算,那个供应商用 VDSL 替换 ADSL 技术的速度比在美国 采用 ADSL 和基于电缆的数据业务的总速度还要快。虽然 ADSL 和电缆业务都不直接 采用光纤链路,他们却有助于指明趋势,因为基于铜线的"最后一英里"技术所促进 的通信业务要使用光纤技术主宰的 MAN 中的网络容量。 来自 eMarketer 公司的有关 10 个国家和地区上网技术部署率的数据被一份美国 商务部报告所引用,该报告按照上网家庭和宽带上网家庭所占的百分比将美国排在 第六位(表 6-1) 。有意思的是,虽然在报告中居前六位的国家和地区的上网率相差 不大--为 52% ~ 62%,但宽带上网率却相差很大:韩国是 52%(排名第一) ,而美国 是 10%。换句话说,91%的韩国上网家庭都使用宽带"最后一英里"技术,而美国上网 家庭中只有 20%这样做。 韩国的家庭比美国少 1/3。 不管这两个市场的相对规模如何, 看来在没有迹象表明美国宽带部署格局发生悬而未决的变化情况下,美国市场无法 推动技术公司的战略计划。对提供光纤接口供应商和最后一公里铜线技术供应商的 采访加深了这个印象;他们中没有人相信这种变化即将来临。各个供应商,从半导 体制造商到大系统集成商,实际上都认为当前美国的管理环境是非同轴电缆"最后一 英里"宽带技术应用的主要障碍。商务部的数据证实美国宽带技术的低采用率并不是 因为缺少需求。 除了几条线路之外,虽然目前升级至 MAN 成了公共网增强工作中值得注意的二
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部分,但是在美国,这样的活动大多是为了降低运营成本,而不是为了大大提高容 量。 MAN 环路正在扩展地域并随之扩大单程服务长度的需求,这是一种为全世界通 信公司的目的服务的趋势。 例如一年前, MAN 业务提供光纤模块的大多数供应商, 为 他们所报出的最大单程服务长度为 40 公里。 2003 年 3 月在亚特兰大举行的光纤会议 上,光纤模块供应商一般都报出 80 公里单程服务长度;能达到 100 到 120 公里并因 此取消中继器成了供应商吹牛的资本。 趋势 3-位速率的汇聚 10Gbps 节点作为一种最有效的节点在继续发展,因为在这种节点上,许多在其 他方面根本不同的高速通信设备的要求都汇集在一起。 OC-48 节点与非电信中心业务, 如千兆以太网和光纤信道,几乎没有什么通用性。但是,城域网核心及边缘、企业 主干网和大型 SAN 均可利用标志着重要技术里程碑的收发器芯片组:芯片厂商已开 发出能满足 SONET 抖动要求的、 利用 CMOS 工艺的低成本和巨大生产能力的 10G 业务 的电路和设计规则。 增强信号捕获功能的方案, 例如自适应 CDR (时钟和数据恢复) , 有利于补偿非协议特定的信号劣化,如色散和衰减。 10Gbps 收发器的 TAM(总体可用市场)很小,不能形成采购和模块生产的规模 经济。但是,将常规技术用于数种设备的能力确实能使模块和芯片组供应商在电路 设计工程和生产工艺开发方面实现类似的利益。10Gbps 市场的这个方面对于设计和 开发组织而言是双赢。 他们不用管理多个开发项目, 就能够获取 TAM 中的更大份额。 他们可通过提高诸如测试系统和组装工具等昂贵投资设备的利用率,来更好地管理 其支出。 与协议无关的收发器芯片组还可利用汇聚于 10Gbps 的信令传送速率。这些器件 为网络运营商提供一种不同的部署和经营模型。运营商不是在安装收发器时就把光 纤或波长分配给特定通信业务类型,而是可在传输过程中进行这种分配,从而使他 们能够处理混合业务和动态需求,并将运营成本降至最低。与协议无关的收发器还 可以通过减少运营商在仓库中必须保存的各种备件来降低网络成本。 近两年市场低迷已经延缓了 40Gbps 节点的部署。当前舆论认为汇聚于 10Gbps 技术的种种好处会使 OC-768 的大规模部署再推迟 3~5 年,超过供应商预计的 18 个 月。上一代技术,如千兆以太网,会继续增长。实际上,10Gbps 节点的成功应会推 动使用光纤或铜线的 LAN 客户节点利用吉位以太网。同样,大型数据中心均可综合 利用传输速率为 1Gbps、2Gbps 和 10Gbps 的光纤信道技术。
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趋势 4-跟踪占用面积大小 知情者向我断言 MSA(多源协议)并非兔子,但考虑到其数量的增长速率,怀疑 是理所当然的。 现有的模块占用面积、 模块变种和模块供应商均超过任何人的需要。 这种情况往往会带来合并, 尤其是考虑到 10Gbps 节点的汇聚时。 诀窍是猜出哪些 MSA 可能会成功,而哪些 MSA 会被淘汰。 但应记住,不同的 MSA 并不争相用于同一种设备,所以有充足的理由存在多种 模块占用面积,但从长期来看不会很多。300 脚 MSA 可用作为 OC192 业务优化的可插 入模块的事实上的模块占用面积标准。符合 300 脚 MSA 的模块都提供一条系统一侧 的数据通路,数据通路包含有映射到 10Gbps 光纤馈线的 16 条 622Mbps 线路。收发 器可分为 SR(短距离) 、IR(中距离)和 LR(长距离)3 个等级。SR 主要用于某一 设施内部的链路;IR 适合于 40 公里的距离;LR 用于 80 公里或更长间距的点对点传 输。收发器可采用带有波长锁定装置的可调谐激光器和具有长距传输所需高消光比 的调制器。 Xenpak MSA 试图将 300 脚模块的大部分装入到空间更小、 接口更简单的封装里, 从而将 300 脚模块的 16 条 622Mbps 线路减少至 4 条 3.25Gbps 线路。 Xenpak 模块能 够与他们的线路卡平行地插拔,所以不用拔出线路卡就可更换模块。这种创新可缩 短检修时间,提高组装密度。 对于不需要长距离光纤子系统的应用来说,Xenpak 模块的体积仍然比许多 OEM 要求的要大。为缩小模块占用空间,Xpak、X2 和 XFP 三种 MSA 正在竞相用于相同设 备中,尽管它们并不共用同一系统接口。Xpak 和 X2 几乎是相同的,都共用 Xenpak 电接口,但主要在机械细节上有所不同。XFP 的占用面积在端插入模块系列中是最小 的,XFD 的与单线路 XF1(10Gbps 串行)接口的电接口也是最小的。 仅仅几个月前, OEM 好像抵制过 XFP,因为他们需要增加 SERDES(串行器/解串 行器)并需要在印刷电路板上排列全速 10Gbps 线路。SERDES 问题在于在系统采购和 应用期间可插入模块是否合用:最终客户可能使用仅仅具有他们所需模块数量的线 路卡来满足眼前的需求。当他们的需求增加时,他们可以热插入另外的模块来满足 需要,而不需把整个线路卡卸下。另外,具有不同传输特性的模块可插入相同的插 座。所以这样可以减小模块和线卡的备件库存,长距离通信用的 1550nm 模块和为短 距优化的 1310nm 模块可以使用同一种线路卡。但 XFP 的功能分割却使 SERDES 安装 在线路卡上, 因而不论是否立即需要,OEM 必须在每个模块的位置安装一个 SERDES-34

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总共有 32 个位置。 虽然 XFP 模块的成本会低于 Xen 类模块, 但由于功能分割的不同, 尤其是 SERDES 具有更粗的采集颗粒度,使 XFP 的信道平均成本更高。 如果听起来好像 XFP 没有成功的希望,则要考虑今年春节商展上随便算算就可 看出宣称生产 XFP 的产品的供应商要比声称生产任何别的 MSA 模块的供应商多。 Xenpak、 Xpak 和 X2 三种模块在市场定向和发展势头上的混乱状态似乎已为 XFP 的成 功大开方便之门。多数生产 Xen 类模块的供应商也提供 XFP,由此来保护其赌注有可 能成功的模块。虽然还没有迹象表明 X2 联盟独自产生他们的 MSA 来撤换 Xpak,但 Xen 类的第三种格式还基本没有人完成。目前为止,宣布生产符合 X2 MSA 的模块的 制造商寥寥无几--值得注意的是 Sumitomo 公司和 Merge Optics 公司。 并非只有模块厂家圈占 XFP 市场。几家通信系统大公司已在他们的线路卡上设 计了 XFP, 从而利用它非凡的组装密度并将 Xen 类型模块视为他们可以跳过的过渡产 品和短期替代品。如果 XFP 的近期市场接受程度持续增长,全部三种 Xen 类 MSA 会 发现他们受到了排挤,最坏情况就是完全被挤出市场,最好情况也只是进入 XFP 的 小型封装所不能支持的更远程的应用。 关于"Xs 的争夺"的讨论很少涉及在 SAN 和 LAN 中流行的 SFF(小形状系数)MSA 和 SFP(小形状系数可插入)MSA。这些小模块的机械设计,都不考虑热插拔,所以, 虽然它们的定义是与 SONET 兼容的,但却不太可能成为需要最高工作性能的线路卡 的竞争者。新增加的 MSA 扩展产品,即 eSFF 和 eSFP,已经在大大超越 SAN 和 LAN 的 应用中带来了引人瞩目的功能。要么这些功能会移植到其它的 MSA 上,要么 eSFF 和 eSFP MSA 像 10Gbps 节点汇聚的其他含义一样成为市场未知数。 趋势 5 - VCSELS 满街都是 与边沿发射激光二极管技术相比, VCSEL 的加工工艺更便宜, 成品率更高。 VCSEL 也能够在发射器和光纤接口提供比边沿发射半导体激光器的光耦合效率更好的光束 几何形状。直至最近,VCSEL 仅能用作工作在 850nm 的短波长器件。今年春天, Picolight 公司和英飞凌公司几乎同时发布了新的 1310nm 的 VCSEL 器件。波长更长 的激光二极管将会把 VCSEL 技术的应用从短距和超短距业务推进至中距业务。 这两个发布的其它含义是各公司在长期市场低迷中并不仅仅在老产品上做表面 文章。关键技术的开发仍在继续,公司之间也在一如既往地展开激烈竞争。 趋势 6-超级物理层 各系统历来都包含有信道监视器以有助于保证 QOS(服务质量)等级。这些监视
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器工作于网络层和传输层,既是定义 OSI 模型第三层的路由和排序功能的一部分又 是定义第四层的流量控制和纠错功能的一部分。 如果网络节点间存在透明信道,如果物理层设备能检测和正确解析比特流,则 数据链路层和网络层就会确保正常工作,除非系统出现故障,例如电力不足或冷却 系统中断。 然而,系统还能在物理层检测大部分信道变化,QOS(服务质量)在物理层更意 味着"信号质量"。物理层的监视器功能能报告有关信道情况的诊断数据,以驱动路 由判决,触发维护请求和指导维护工作。物理层的监视器还能作为信道优化方案的 一部分发挥作用,以提高容限并将误码率的统计数据降至最少。 Vitesse 公司和 AMCC 公司提供的物理层芯片都是集成了基于伺服的数据眼图优 化设备的例子。Cicata 半导体公司、BitBlitz 公司和 Accelerant Networks 公司已 设计了主要供基于铜缆设备用的自适应技术,其中包括 T3 和吉比以太网 I/O,以及 高速背板收发器。 直到最近,光模块 MSA 几乎不利用智能物理层芯片报告的功能,来提高系统对 媒质层或接口层状况的了解。SFF 和 SFP MSA 定义的新扩展部分增加了对光纤模块工 作参数的实时访问,其中包括温度、供电电压、发射器偏置电流、发射器输出功率 和接收信号强度。每个可测量参数的可编程高、低警告门限和报警门限使得模块能 够将故障和工作状况或信号状况不良区分开来。 趋势 7-MOEMS 的前兆 自由空间光功能正变得多种多样。 虽然众多开发团体已经发布大规模自由空间 2 维和 3 维开关结构的原型,但看来可伸缩性的限制使这些开关结构的商业化前景成 为疑问。另外一方面,MOEMS(微光机电系统)信号调节部件能提高系统的波长捷变 能力并改善光纤使用率。这些部件包括 DGE(动态增益均衡器) ,用以补偿信号功率 大的变化。DGE 在各种波长进出 DWDM 馈线时进行这种补偿,因而这些波长行进的距 离不同,所遭受的信号损耗相差很大。例如,基于衍射 MOEMS 结构的 DGE 可用一个 器件对多达 100 个信道上进行波长均衡,并具有小于 0.2dB 的输出纹波。这种器件 在机械上很牢固,功耗很小,并且可使用成熟高产的生产工艺。因为他们的信号调 节功能完全在光域内实现,所以 MOEMS 器件自然就是与协议无关的。 衍射结构也能在带宽不间断的光波波段上产生作用。当 DWDM 信道数量增加,促 使信道宽度从 100GHz 减小到 50GHz,再减小到 25GHz 时,MOEMS 信号处理器能保持
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其特性而没有过大的纹波,而且还能控制由于高传信速率的带宽扩展所产生的串扰。

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致谢
在本次论文的完成过程中,首先要感谢我的指导教师。老师在百忙之中利用自 己的休息时间指导我完成毕业论文的设计,遇到不会的问题,老师也会很耐心的给 我讲解给我提供帮助。其次要感谢身边的朋友和老师,对我的毕业设计提供了很大 的帮助。并且在此感谢一直给予我鼓励的家人。 大学本科四年的生活即将结束了,在此感谢在四年里给予我帮助的所有人。

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参考文献
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