通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、 學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合訓(xùn)練 目錄 1. 原理分析與方案論證. 1 1.1 通信系統(tǒng)架構(gòu). 1 1.2 信源碼PCM碼 . 2 1.3 基帶碼Miller碼 . 3 1.3.1密勒碼簡介. 3 1.3.2密勒碼原理. 3 1.4 信道碼漢明碼. 3 1.5 噪聲信道AWGN . 4 2. 各模塊的MATLAB實(shí)現(xiàn) . 5 2.1 信號源的實(shí)現(xiàn). 5 2.2 信源編碼PCM編碼 . 5 2.2.1 PCM編碼原理. 5 2.2.2 PCM編碼的實(shí)現(xiàn). 7 2.3. 基帶編碼Miller編碼 . 8 2.4. 信道編碼漢明碼編碼. 9 2.5. ASK調(diào)制 . 11 2.6. 信道噪聲AWGN . 12

2、 2.7. ASK解調(diào) . 13 2.8. 漢明碼解調(diào). 14 2.9. Miller譯碼 . 15 2.10. PCM譯碼 . 16 2.11. 誤碼率的計(jì)算 . 16 3.仿真結(jié)果分析. 17 3.1 源信號與接收信號波形對比. 17 3.2 誤碼率統(tǒng)計(jì). 17 4. 心得體會.18 5. 參考文獻(xiàn). 19一.原理分析與方案論證1.1 通信系統(tǒng)架構(gòu) 通信的目的是傳輸信息。通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信息源發(fā)送到一個或多個目的地。對于任何一個通信系統(tǒng)，均可視為由發(fā)送端、信道和接收端三大部分組成（如圖1-1所示）。圖1-1 通信系統(tǒng)一般模型1、信息源:把原始信息變換成原始電信號。2、信源編碼：實(shí)

3、現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸即完成A/D變化。提高信號傳輸?shù)挠行?。即在保證一定傳輸質(zhì)量的情況下，用盡可能少的數(shù)字脈沖來表示信源產(chǎn)生的信息。信源編碼也稱作頻帶壓縮編碼或數(shù)據(jù)壓縮編碼。3、信道編碼：信源編碼的目的： 信道編碼主要解決數(shù)字通信的可靠性問題。 信道編碼的原理：對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入一些冗余碼（監(jiān)督碼），形成新的碼字，接收端按照約定好的規(guī)律進(jìn)行檢錯甚至糾錯。 信道編碼又稱為差錯控制編碼、抗干擾編碼、糾錯編碼 。4、數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)的概念：把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號。數(shù)字調(diào)制的主要作用：提高信號在信道上傳輸?shù)男?，達(dá)到信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康??；?/p>

4、本的數(shù)字調(diào)制方式：振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK。5、信道：信道是信號傳輸媒介的總稱，傳輸信道的類型有無線信道（如電纜、光纖）和有線信道（如自由空間）兩種。6、噪聲源：1通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。1.2 信源碼PCM碼 通常是把從模擬信號抽樣、量化，直到變換成為二進(jìn)制符號的基本過程，稱為脈沖編碼調(diào)制PCM，簡稱脈碼調(diào)制。在編碼器中由沖激脈沖對模擬信號抽樣，得到在抽樣時刻上的信號抽樣值。這個抽樣值仍是模擬量。在量化之前，通常由保持電路將其作短暫保存，以便電路有時間對其量化。在實(shí)際電路中，常把抽樣和保持電路做

5、在一起，稱為抽樣保持電路。圖中的量化器把模擬抽樣信號變成離散的數(shù)字量，然后在編碼器中進(jìn)行二進(jìn)制編碼。這樣每個二進(jìn)制碼組就代表一個量化后的信號抽樣值。 抽樣是對模擬信號進(jìn)行周期性的掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。經(jīng)過抽樣的信號應(yīng)包含原信號的所有信息，即能無失真地恢復(fù)出原模擬信號。量化是把經(jīng)抽樣得到的瞬時值進(jìn)行幅度離散，即指定Q規(guī)定的電平，把抽樣值用最接近的電平表示。 編碼是用二進(jìn)制碼組表示有固定電平的量化值。實(shí)際上量化是在編碼過程中同時完成的。律和A律壓縮特性：1n(1+mx)1 x1)律： y = ( - （式1-1） 1n(1+m)Ax10|x|1+1nAAy=A律： （式1+

6、1nA|x|1= table( 4, 2) ) ;case 3,duanLuoMa= ( Is=table( 2, 2) ) |( Is= table( 6, 2) ) ;case 4,duanLuoMa= ( Is=table( 2, 2) & Is= table( 3, 2) ) | ( Is table ( 4,2)& Is=table( 1, 2) | ( Is=table( 4, 2)&Is=table( 5, 2) | ( Is=table ( 4,2) &Is =table( 6, 2)&Is=table( 7,2);endend設(shè)計(jì)子程序pcmcoder，計(jì)算出相應(yīng)段落碼區(qū)間里

7、的段內(nèi)號以及極性碼，完成PCM編碼。2.3 基帶編碼Miller編碼 編寫實(shí)現(xiàn)Miller編碼子程序，即對PCM編碼后的信號進(jìn)行處理，遇1則編為10，遇0則編為01即可。function mcst=mcstcoder(y,long)mcst=zeros(1,16*long);for n=1:8*longif(y(n)=1)mcst(2*n-1)=1;mcst(2*n)=0;else if(y(n)=0)mcst(2*n-1)=0;mcst(2*n)=1;endendendend2.4 信道編碼漢明碼編碼漢明碼編碼分析：現(xiàn)在以(7,4)分組碼為例來說明漢明碼的特點(diǎn)。其主要參數(shù)如下：m碼長：n=2

8、-1m信息位：k=2-1-m校驗(yàn)位：m=n-k，且m3最小距離：dmin=d0=3 其生成矩陣G（前四位為信息位，后三位為冗余位）如下： 1000110 0100011G= （式2-1） 00101110001101 系統(tǒng)碼可分為消息部分和冗余部分兩部分，根據(jù)生成矩陣，輸出碼字可按下 式計(jì)算： 1000110 0100011a ,a,a ) ,a,a , a 0 ) （式2-2）2 1 03 2 1 b = ( a 3 , G = ( a 0010111 0001101所以有b6=a3b5=a2b4=a1b3=a0b2=a3a1a0b1=a3a2a1b0=a2a1a0信息位 冗余位由以上關(guān)系可

9、以得到(7,4)漢明碼的全部碼字如表2-2所示。表2-2 (7,4)漢明碼的全部碼字漢明碼的MATLAB實(shí)現(xiàn)：function h= hanmincoder(s,L) if mod(L,4)=1; L=L+3;s(L)=0;s(L-1)=0;s(L-2)=0; elseif mod(L,4)=2; L=L+2;s(L)=0;s(L-1)=0; elseif mod(L,4)=3; L=L+1; s(L)=0; endh=zeros(1,L+L/4*3); N=L+L/4*3; j=1;for k=0:L/4-1i=4*k+1; h(j)=s(i);h(j+1)=s(i+1); h(j+2)=s

10、(i+2); h(j+3)=s(i+3);h(j+4)=xor(xor(s(i),s(i+1),s(i+2); h(j+5)=xor(xor(s(i),s(i+1),s(i+3); h(j+6)=xor(xor(s(i),s(i+2),s(i+3); j=j+7; end end由程序可見，程序先將輸入的信號序列補(bǔ)0至4的倍數(shù)，然后每4個相鄰數(shù)據(jù)作為一組，進(jìn)行處理，h序列即為編碼后的序列，h（j）、h（j+1）、h（j+2）、h（j+3）為 信息位，h（j+4）、h（j+5）、h（j+6）為冗余位。2.5 ASK調(diào)制ASK調(diào)制原理： 理論上數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制在本質(zhì)上沒有什么不同，它們都屬于正弦

11、波調(diào)制。但是，數(shù)字調(diào)制是源信號為離散型的正弦波調(diào)制，而模擬調(diào)制則是源信號為連續(xù)型的正弦波調(diào)制，因而，數(shù)字調(diào)制具有由數(shù)字信號帶來的一些特點(diǎn)。這些特點(diǎn)主要包括兩個方面：第一，數(shù)字調(diào)制信號的產(chǎn)生，除把數(shù)字的調(diào)制信號當(dāng)作模擬信號的特例而直接采用模擬調(diào)制方式產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號外，還可以采用鍵控載波的方法。第二，對于數(shù)字調(diào)制信號的解調(diào)，為提高系統(tǒng)的抗噪聲性能，通常采用與模擬調(diào)制系統(tǒng)中不同的解調(diào)方式。振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號而變化的數(shù)字調(diào)制，即源信號為“1”時，發(fā)送載波，源信號為“0”時，發(fā)送0電平。 所以也稱這種調(diào)制為通、斷鍵控（OOK）。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進(jìn)制時，也稱為二進(jìn)制振幅鍵控（2AS

12、K），2ASK信號的調(diào)制方法有模擬幅度調(diào)制方法和鍵控方法兩種。2ASK信號是數(shù)字調(diào)制方式中最早出現(xiàn)的，也是最簡單的，但其抗噪聲性能較差，因此實(shí)際應(yīng)用并不廣泛，但經(jīng)常作為研究其它數(shù)字調(diào)制方式的基礎(chǔ)。 2ASK的時域特征 2ASK信號的時域表示式為： 其中， 為隨機(jī)的單極性矩形脈沖序列， 是經(jīng)過基帶成型處理之后的脈沖序列。2ASK信號的時域波形如圖2-6所示：圖2-6 2ASK時域波形ASK調(diào)制的MATLAB實(shí)現(xiàn)：先將漢明碼序列進(jìn)行擴(kuò)展，每個數(shù)據(jù)都重復(fù)8次然后重組，與對應(yīng)的余弦載波進(jìn)行相乘，得到調(diào)制后的信號。調(diào)制后的部分波形圖如圖2-7所示圖2-7 ASK調(diào)制信號2.6 信道噪聲AWGN Matl

13、ab本身自帶了于某信號中加入高斯白噪聲的函數(shù)：AWGNy = awgn(x,SNR) 在信號x中加入高斯白噪聲。SNR為信噪比，以dB為單位。x的強(qiáng)度假定為0dBW。 設(shè)定SNR信噪比為13dB。繪制出收到噪聲干擾的傳輸信號波形圖如圖2-8所示：圖2-8 加入高斯白噪聲的調(diào)制波2.7 ASK解調(diào) 本設(shè)計(jì)采用相干解調(diào)，即采用與載波信號同步的信號與已調(diào)信號相乘，再通過FIR低通濾波器，即可解調(diào)出調(diào)制信號。解調(diào)框圖如圖2-9所示：rask 圖2-9 ASK解調(diào)框圖 解調(diào)后的波形圖如圖2-10所示：圖2-10 ASK相干解調(diào)后波形2.8 漢明碼解碼 漢明碼校驗(yàn)： 在發(fā)送端信息碼元M利用式（8-16），

14、實(shí)現(xiàn)信道編碼，產(chǎn)生線性分組碼A；在傳輸過程中有可能出現(xiàn)誤碼，設(shè)接收到的碼組為B。則收發(fā)碼組之差為： （式2-3） 這里，表示i位有錯，這樣的原則接收端利用接收到的碼組B計(jì)算： ，表示i位無錯?；?（式2-4） 因此，校正子僅與E有關(guān)，即錯誤圖樣與校正子之間有確定的關(guān)系。對于上述（7，4）碼，校正子S與錯誤圖樣的對應(yīng)關(guān)系可由式（2-4）求得，其計(jì)算結(jié)果見表2-3所示。在接收端的譯碼器中有專門的校正子計(jì)算電路，從而實(shí)現(xiàn)檢錯和糾錯。 表2-3 （7，4）碼校正子與錯誤圖樣的對應(yīng)關(guān)系 漢明碼譯碼程序： 根據(jù)上節(jié)推算的校驗(yàn)子S，可以推算出出對應(yīng)的信息位，并能對發(fā)生一位錯誤的信息進(jìn)行糾正。將接收到的漢明

15、碼每7個為一組進(jìn)行解碼，即可得到相應(yīng)的4位信息，重組后得到整個漢明碼組的譯碼結(jié)果。結(jié)果圖如圖2-11所示。 圖2-11 漢明碼解碼 2.9 miller譯碼 Miller譯碼即為其編碼的逆過程，將收到的序列每2個分為一組，遇“10”則譯為“1”，遇“01”則譯為“0”。 function demcst=mcstdecoder(y,L) demcst=zeros(1,L/2); for n=1:L/2 if(y(2*n-1)=1 & y(2*n)=0 ) demcst(n)=1; else if(y(2*n-1)=0 & y(2*n)=1) demcst(n)=0; end end end en

16、d 解碼后的結(jié)果如圖2-12所示 : 圖2-12 miller解碼2.10 PCM譯碼 PCM譯碼對接收到的二進(jìn)制PCM編碼序列進(jìn)行分組，每8個數(shù)據(jù)為一組，相應(yīng)的對應(yīng)著極性碼、段落碼、段內(nèi)碼。譯碼時，先由極性碼確定信號的符號，再由段落碼確定信號所在碼段，同時由段內(nèi)碼確定段內(nèi)量化單位數(shù)。由段落數(shù)確定段落起點(diǎn)電平和段內(nèi)量化值。最后譯碼得到的信號out= duanstartpoint+ duanneima.*duanneijianju.從而將二進(jìn)制序列譯碼出對應(yīng)的模擬信號采樣的值。 PCM譯碼后的結(jié)果如圖2-13所示： 圖2-13 PCM譯碼后的波形 2.11 誤碼率的計(jì)算 通過比較PCM編碼后與m

17、iller譯碼后的兩組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出不一致的數(shù)據(jù)的個數(shù)，除以總的PCM編碼個數(shù)，即可得到誤碼率。通過分析誤碼率的大小可以判斷此通信系統(tǒng)的好壞。 len=length(demcst); errornum=0; for i=1:len if(demcst(i)=pcmy(i) errornum=errornum+1; end end disp(誤碼率為 ); errornum/len三. 仿真結(jié)果分析 3.1 源信號與接收信號波形對比 對比輸入的源信號與經(jīng)過噪聲信道后接收到的信號波形，分別如圖3-1a和圖3-1b所示： 源信號時間函數(shù)波形 x 10 -3 PCM譯碼后的波形 圖3-1a 信源信號 圖

18、3-1b 接收信號 如圖可見，復(fù)原后的信號大致與源信號相同，但還是出現(xiàn)了毛刺，這是因?yàn)锳SK調(diào)制方式的抗噪聲性能并不是很好，當(dāng)高斯白噪聲同時干擾了一組碼中的二個以上的碼元時，便會出現(xiàn)誤碼。 3.2 誤碼率統(tǒng)計(jì) 通過誤碼率統(tǒng)計(jì)函數(shù)，可以精確的算出每次仿真的誤碼率，仿真的誤碼率結(jié)果如圖3-2所示： 圖3-2 誤碼率統(tǒng)計(jì)四.心得體會 通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程，通過課程設(shè)計(jì)我能夠比較系統(tǒng)的了解理論知識，把理論和實(shí)踐相結(jié)合，并且用到生活當(dāng)中。在做設(shè)計(jì)的過程中總會出現(xiàn)各種問題，在這種情況下我會努力尋求最佳路徑解決問題，提高了我的思考解決能力。 通過課程設(shè)計(jì)讓我知道了，平時所學(xué)的知識如果不加以實(shí)踐的話等于紙上談兵。課程設(shè)計(jì)主要是理論知識的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問題，并且自己要能找到解決問題的方案，形成一種獨(dú)立的