點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)21頁(yè)

1、 通信原理三級(jí)項(xiàng)目 班 級(jí)：通信工程2班 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 教 務(wù) 處2016年 5月遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)（燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院）摘要：本文討論進(jìn)行了遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，著重討論了模擬信號(hào)數(shù)字化的過程，其中包含了為了提高系統(tǒng)性能進(jìn)行的信源編碼技術(shù)和信道編碼技術(shù)，我采用了HDB3碼克服連0問題，利用奇偶監(jiān)督碼和差錯(cuò)重傳機(jī)制控制誤碼率。另外，討論了數(shù)字調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，本文采用最小頻移鍵控調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，并討論了在高斯白噪聲信道條件下的此方法的可靠性和有效性。關(guān)鍵詞：脈沖編碼調(diào)制，HDB3碼，奇偶監(jiān)督碼，MSK調(diào)制，高斯白噪聲，MATLAB仿真目錄1.通信系統(tǒng)

2、概述31.1一般通信系統(tǒng)模型31.2數(shù)字通信系統(tǒng)模型31.3遠(yuǎn)距離語音通信系統(tǒng)42.信號(hào)數(shù)字化42.1信號(hào)的抽樣42.1.1抽樣定理42.1.2脈沖幅度調(diào)制PAM52.2信源編碼62.2.1十三折線法62.2.2脈沖編碼調(diào)制PCM72.3信道編碼92.3.1 HDB3碼92.3.2奇偶監(jiān)督碼93.調(diào)制與解調(diào)93.1 MSK調(diào)制93.1.1 MSK調(diào)制原理103.1.2 MSK調(diào)制113.2 MSK解調(diào)124.信道描述135.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)14附錄 MATLAB實(shí)現(xiàn)代碼141.通信系統(tǒng)概述1.1一般通信系統(tǒng)模型一般作為一個(gè)通信系統(tǒng)都由發(fā)送端和接收端兩部分組成，而發(fā)送端則分為信息源和發(fā)送設(shè)備兩部分，

3、接收端與其對(duì)應(yīng)的有接收端和受信者兩部分，發(fā)送端和接收端之間則是我們信號(hào)傳輸所需要經(jīng)過的信道，信號(hào)在信道中傳輸時(shí)會(huì)有噪聲的混入，這也是我們的通信系統(tǒng)性能討論的終點(diǎn)。圖1-1 一般通信系統(tǒng)信息源是把各種原始消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)的設(shè)備，它通過各種物理轉(zhuǎn)換的方法從自然界中采集信息并把它們轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，從而便于我們通過電子設(shè)備對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的處理。受信者則是把接受到的電信號(hào)還原成自然界中信息的設(shè)備。發(fā)送設(shè)備是通過對(duì)采集到的原始電信號(hào)進(jìn)行一系列的處理把它變成適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘?hào)。在模擬傳輸系統(tǒng)中包括放大、濾波、模擬調(diào)制等過程；在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中則包含編碼、加密、數(shù)字調(diào)制等過程。接收設(shè)備則是上述過程的

4、逆過程，將信道中傳輸?shù)男盘?hào)還原成易于處理的直接電信號(hào)。信道是從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號(hào)傳輸?shù)奈锢砻嘿|(zhì)，分為無線信道和有限信道兩大類，每種信道的特點(diǎn)不同，應(yīng)用場(chǎng)合也不相同。噪聲源是籠統(tǒng)的一個(gè)說法，它集中表示分布于通信系統(tǒng)中的各處的噪聲。1.2數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是通過數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)。需要注意的是，這并不代表用于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)就是數(shù)字信號(hào)，數(shù)字通信系統(tǒng)是通過數(shù)字信號(hào)來表示要傳送的信息，而在傳輸過程中則還是利用高頻調(diào)制的模擬信號(hào)傳輸。圖1-2 數(shù)字通信系統(tǒng)信源編碼的目的是將信息源采集來的信號(hào)進(jìn)行編碼從而提高信息的有效性，對(duì)于模擬信號(hào)來說則還要完成信號(hào)的數(shù)字化，即采樣、量化

5、、編碼的過程，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。信源譯碼則是它的逆過程。加密和解密的作用是提高信息在傳輸過程中的安全性，防止或延緩被盜取信息。信道編碼的目的是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于在信道中傳輸?shù)拇a，增強(qiáng)抗干擾能力，包括檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力等。信道譯碼是其逆過程。數(shù)字調(diào)制是將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成易于在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)，其抗干擾性能是我們討論的主要方面。數(shù)字解調(diào)是其逆過程。數(shù)字通信系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、噪聲不積累、傳輸差錯(cuò)可控、便于處理、易于集成以及保密性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)當(dāng)中。1.3遠(yuǎn)距離語音通信系統(tǒng)本文中我們討論遠(yuǎn)距離語音通信系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如下圖所示。語音信號(hào)PCM譯碼碼型變換MSK解調(diào)MSK調(diào)制碼型變換PCM

6、編碼語音信號(hào)信道圖1-3 語音通信系統(tǒng)我們這里信道中的噪聲只考慮高斯白噪聲，信道也理想化為理想全通信道。這里我們沒有進(jìn)行加密和解密處理，碼型變換中采用了克服連0問題的適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腍DB3碼，傳輸差錯(cuò)控制采用了奇偶監(jiān)督碼來監(jiān)測(cè)差錯(cuò)，采用差錯(cuò)重傳的機(jī)制來控制誤碼率，不具備糾錯(cuò)能力。為了降低誤碼率，我們的數(shù)字調(diào)制方式采用了最小頻移鍵控MSK調(diào)制，它是2FSK調(diào)制的改進(jìn)，具有包絡(luò)穩(wěn)定、相位連續(xù)、帶寬最小并且嚴(yán)格正交的特性。2.信號(hào)數(shù)字化2.1信號(hào)的抽樣2.1.1抽樣定理語音信號(hào)的頻帶范圍大概現(xiàn)在3003400Hz左右，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的第一步就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣。理論上要用沖激信號(hào)對(duì)其進(jìn)行采樣，

7、由于它物理不可實(shí)現(xiàn)我們采用窄脈沖抽樣，要想能夠無失真地恢復(fù)原模擬信號(hào)，抽樣頻率必須滿足奈奎斯特采樣定理，即設(shè)模擬信號(hào)的最高頻率分量為fc，抽樣頻率fs必須大于等于fc，所以抽樣頻率要在6800Hz以上。但在實(shí)際中，要想恢復(fù)模擬信號(hào)就要用到濾波器濾波，實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器頻率特性無法達(dá)到理想濾波器那樣嚴(yán)格的選頻特性，所以我們?cè)诔闃訒r(shí)要留有一定余量來保證頻譜不發(fā)生混疊，采樣頻率fs選擇8000Hz為宜，這也是實(shí)際電話系統(tǒng)采用的抽樣頻率。2.1.2脈沖幅度調(diào)制PAM設(shè)語音信號(hào)為m(t)，其頻譜函數(shù)為M(f)，抽樣的過程就是用這個(gè)信號(hào)對(duì)一個(gè)脈沖載波s(t)（周期窄脈沖，頻率為8000Hz）進(jìn)行幅度調(diào)制，它

8、的輸出就是時(shí)域卷積及頻域相乘。它的過程如下圖所示。圖2-1 PAM調(diào)制過程Ms(f)Ms(f)H(f)圖中左邊是時(shí)域波形，右邊表示的是對(duì)應(yīng)的頻域波形，從圖中可以看出，我們已經(jīng)將時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變成了時(shí)間上離散的抽樣信號(hào)，從其頻域中可以看到要想恢復(fù)原信號(hào)只需要用一個(gè)低通濾波器濾波就可以完整恢復(fù)原信號(hào)。抽樣保持電路H(f)m(t)s(t)圖2-2 PAM調(diào)制框圖MH(t)m(t)設(shè)抽樣保持電路的傳輸函數(shù)為H(f)，則其輸出信號(hào)就是時(shí)域卷積頻域相乘MH(f)=Ms(f)H(f)，其中，代入得到，從式中可以里看出每一項(xiàng)都乘以了H(f)，所以只要在低通濾波前加上一個(gè)傳輸函數(shù)為1/H(f)的修正濾波器

9、就可以恢復(fù)原始信號(hào)了，所以恢復(fù)框圖如下圖所示。低通濾波器修正濾波器圖2-3 恢復(fù)框圖至此我們完成了信號(hào)時(shí)間上的離散化和恢復(fù)。2.2信源編碼雖然時(shí)域抽樣完成了模擬信號(hào)時(shí)間上的抽樣，但是其幅度值仍然是取連續(xù)的變量，要想完全用二進(jìn)制編碼表示則會(huì)有無數(shù)多位，這顯然是不合適的。所以我們要對(duì)其進(jìn)行幅度上的量化。將抽樣值的范圍劃分成M個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間用一個(gè)電平表示。這樣，共有M個(gè)離散電平，它們稱為量化電平。用這M個(gè)量化電平表示連續(xù)抽樣值的方法稱為量化。量化電平數(shù)M和量化間隔v都是確定的，量化噪聲Nq也是確定的。但是，語音信號(hào)在低頻段較為集中。當(dāng)信號(hào)小時(shí)，信號(hào)量噪比也小。所以，這種均勻量化器對(duì)于小輸入信號(hào)很不

10、利。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，改善小信號(hào)時(shí)的信號(hào)量噪比，在實(shí)際應(yīng)用中常采用非均勻量化，我們采用歐洲普遍采用的A律壓縮，即13折線法進(jìn)行量化。2.2.1十三折線法我們希望信噪比不隨信號(hào)的強(qiáng)度變化，當(dāng)輸入電壓x減小時(shí)，應(yīng)當(dāng)使量化間隔Dx 按比例地減小，即要求xx，這在理論上要求壓縮特性具有對(duì)數(shù)特性。十三折線壓縮就是對(duì)其的近似實(shí)現(xiàn)。十三折線的原理圖如下圖2-4所示。圖中橫坐標(biāo)x在0至1區(qū)間中分為不均勻的8段。1/2至1間的線段稱為第8段；1/4至1/2間的線段稱為第7段；1/8至1/4間的線段稱為第6段；依此類推，直到0至1/128間的線段稱為第1段。圖中縱坐標(biāo)y 則均勻地劃分作8段。將與這8段相應(yīng)的座標(biāo)點(diǎn)

11、(x, y)相連，就得到了一條折線。圖2-4 十三折線法原理圖由圖可見，除第1和2段外，其他各段折線的斜率都不相同。在下表中列出了這些斜率。表1 折線斜率表折線段號(hào)12345678斜率161684211/21/4因?yàn)檎Z音信號(hào)為交流信號(hào)，所以，上述的壓縮特性只是實(shí)用的壓縮特性曲線的一半，在第3象限還有對(duì)原點(diǎn)奇對(duì)稱的另一半曲線，其完整曲線如下圖所示。圖2-5 十三折線2.2.2脈沖編碼調(diào)制PCM把從模擬信號(hào)抽樣、量化，直到變換成為二進(jìn)制符號(hào)的基本過程，稱為脈沖編碼調(diào)制。例如模擬信號(hào)的抽樣值為3.15，3.96，5.00，6.38，6.80和6.42，若按照“四舍五入”的原則量化為整數(shù)值，則抽樣值量

12、化后變?yōu)?，4，5，6，7和6，在按照二進(jìn)制數(shù)編碼后就變成二進(jìn)制符號(hào)：011、100、101、110、111和110。我們采用上面講的十三折線法對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行編碼。在13折線法中采用的折疊碼有8位。其中第一位c1表示量化值的極性正負(fù)。后面的7位分為段落碼和段內(nèi)碼兩部分，用于表示量化值的絕對(duì)值。其中第2至4位(c2 c3 c4)是段落碼，共計(jì)3位，可以表示8種斜率的段落；其他4位(c5 c8)為段內(nèi)碼，可以表示每一段落內(nèi)的16種量化電平。段內(nèi)碼代表的16個(gè)量化電平是均勻劃分的。所以，這7位碼總共能表示27 128種量化值。在下面的表中給出了段落碼和段內(nèi)碼的編碼規(guī)則。表2 段落碼編碼規(guī)則段落序號(hào)段

13、落碼c2 c3 c4段落范圍（量化單位）11 1 11024-204821 1 0512-102431 0 1256-51241 0 0128-25650 1 164-12860 1 032-6470 0 116-3280 0 00-16表3 段內(nèi)碼編碼規(guī)則量化間隔段內(nèi)碼c5 c6 c7 c8量化間隔段內(nèi)碼c5 c6 c7 c8151 1 1 170 1 1 1141 1 1 060 1 1 0131 1 0 150 1 0 1121 1 0 040 1 0 0111 0 1 130 0 1 1101 0 1 020 0 1 091 0 0 110 0 0 181 0 0 000 0 0 0利

14、用MATLAB進(jìn)行PCM編譯碼如下：我們知道，PCM編碼過程是存在量化誤差的，而我們解碼出的結(jié)果正是證明了這一點(diǎn)。2.3信道編碼由于在遠(yuǎn)距離傳輸過程中連0問題會(huì)使得接收方無法及時(shí)獲取同步時(shí)鐘而使得譯碼變得混亂，另外為了獲得檢糾錯(cuò)能力我們也要加上監(jiān)督碼，這時(shí)我們就要對(duì)編碼進(jìn)行再次編碼使其變成適合于在信道中傳輸?shù)拇a字，即信道編碼。2.3.1 HDB3碼由于HDB3碼具有沒有直流成分，高、低頻分量少，連“0”個(gè)數(shù)不超過3個(gè)利于在接收端提取定時(shí)信號(hào)的特點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離傳輸中非常適用。其編碼規(guī)則如下：2.3.2奇偶監(jiān)督碼奇偶監(jiān)督碼分為奇數(shù)監(jiān)督碼和偶數(shù)監(jiān)督碼，原理相同。我們采用偶數(shù)監(jiān)督碼，無論信息位有多少，其

15、監(jiān)督碼只有一位，它使得碼組中1的數(shù)目為偶數(shù)，即滿足an-1 an-2 a0=0，式子中a0是監(jiān)督位。這種編碼能夠檢測(cè)奇數(shù)個(gè)錯(cuò)碼，在接收端按照上式求“模2和”，若計(jì)算結(jié)果為1則說明存在錯(cuò)碼，否則則認(rèn)為無錯(cuò)碼，這是最簡(jiǎn)單的一種檢錯(cuò)編碼措施，沒有糾錯(cuò)能力，可以采用差錯(cuò)重傳機(jī)制來修正。3.調(diào)制與解調(diào)3.1 MSK調(diào)制最小頻移鍵控（MSK）信號(hào)是一種包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、帶寬最小并且嚴(yán)格正交的2FSK信號(hào)，MSK可以看成是OQPSK的優(yōu)化?，F(xiàn)在MSK已經(jīng)應(yīng)用于很多通信系統(tǒng)中。例如，SMSK(serial MSK)已經(jīng)在NASA的高級(jí)通信技術(shù)衛(wèi)星（ACTS）系統(tǒng)中應(yīng)用，GMSK(Gaussian MSK）已

16、是歐洲全球移動(dòng)通信（GSM）系統(tǒng)的調(diào)制方式。下圖是MSK信號(hào)調(diào)制波形示意圖。圖3-1 MSK調(diào)制波形示意3.1.1 MSK調(diào)制原理MSK信號(hào)的第k個(gè)碼元為，其中(k-1)TstkTs。式中，s代表載波角頻率，Ts是碼元寬度，k是第k個(gè)碼元的初始相位，ak=1（當(dāng)輸入碼元為1時(shí)ak=+1，當(dāng)輸入碼元為0時(shí)ak=-1）。需要注意的是相位與碼元相關(guān)。相位連續(xù)的一般條件是前一碼元末尾的總相位等于后一碼元開始時(shí)的總相位，即?；?jiǎn)后得到，在用相干法接收時(shí)，可以假設(shè)ak-1的初始值等于0，這時(shí)由上式可知(mod 2)，這說明MSK信號(hào)前后碼元具有相關(guān)性。我們將MSK信號(hào)第k個(gè)碼元的表示式子展開化簡(jiǎn)，令pk=

17、、，我們發(fā)現(xiàn)：所以我們可以采用類似差分編碼的方式來得到pk和qk，其原理框圖如下。pkak串/并轉(zhuǎn)換 差分編碼qk圖3-2 p k和q k的實(shí)現(xiàn)3.1.2 MSK調(diào)制從原理討論中我們可以得到MSK的調(diào)制式如下：從而我們可以得到MSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)的原理框圖如下圖3-3，至此我們得到了高頻調(diào)制的MSK信號(hào)，這里可以看出，雖然我們對(duì)原始信息進(jìn)行了數(shù)字化，但在需要傳輸時(shí)，我們?nèi)匀话哑湔{(diào)制成高頻模擬信號(hào)進(jìn)行發(fā)送，這有利于在信道中傳輸或天線的發(fā)射。圖3-3 MSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)原理框圖3.2 MSK解調(diào)對(duì)最小頻移鍵控調(diào)制的信號(hào)解調(diào)時(shí)我們采用相干解調(diào)的辦法。用本地載波作為相干載波與接收到的信號(hào)相乘，再通過積分判決來解

18、調(diào)出調(diào)制之前的信號(hào)。若輸入的兩個(gè)碼元為“1, +1”或“1, -1”，則qk(t)的值在0 t 2Ts期間始終為正。若輸入的一對(duì)碼元為“1，+1”或“1，1”，則值始終為負(fù)。 因此，若在此2Ts期間對(duì)上式積分，則積分結(jié)果為正值時(shí)，說明第一個(gè)接收碼元為“1”；若積分結(jié)果為負(fù)值，則說明第1個(gè)接收碼元為“1”。按照此法，在Ts t =0 pcm_out(i,1)=1; else pcm_out(i,1)=0; end if abs(x(i)=0&abs(x(i)16 step=1;st=0;pcm_out(i,2)=0;pcm_out(i,3)=0;pcm_out(i,4)=0; elseif 16

19、=abs(x(i)&abs(x(i)32 step=1;st=16;pcm_out(i,2)=0;pcm_out(i,3)=0;pcm_out(i,4)=1; elseif 32=abs(x(i)&abs(x(i)64 step=4;st=64;pcm_out(i,2)=0;pcm_out(i,3)=1;pcm_out(i,4)=1; elseif 128=abs(x(i)&abs(x(i)256 step=8;st=128;pcm_out(i,2)=1;pcm_out(i,3)=0;pcm_out(i,4)=0; elseif 256=abs(x(i)&abs(x(i)512 step=16;st=256;pc