通信系统课程设计.docx
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通信系统课程设计.docx
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通信系统课程设计
课程设计任务书
学生姓名:
万欣专业班级:
信息sy0901
指导教师:
刘新华工作单位:
武汉理工大学
题目:
通信系统课群综合训练与设计
初始条件:
MATLAB软件,电脑,通信原理知识
要求完成的主要任务:
1、利用仿真软件(如Matlab或SystemView),或硬件实验系统平台上设计完成一个典型的通信系统
2、学生要完成整个系统各环节以及整个系统的仿真,最终在接收端或者精确或者近似地再现输入(信源),计算失真度,并且分析原因。
时间安排:
序号
设计内容
所用时间
1
根据设计任务,分析电路原理,确定实验方案
2天
2
根据实验条件进行电路的测试,并对结果进行分析
7天
3
撰写课程设计报告
1天
合计
2周
指导教师签名:
2013年1月11日
系主任(或责任教师)签名:
2013年1月11日
摘要
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,并在接收端对应进行解调恢复出原始信号。
所以本论文主要研究了数字信号的传输的基本概念及数字信号传输的传输过程和如何用MATLAB软件仿真设计数字传输系统。
通过对增量调制解调,PST码,汉明码,FSK调制解调和AWGN信道的研究,加深了解数字基带传输系统的组成及数字信号的传输过程,并通过matlab对系统进行了分析。
。
关键词:
增量调制PST码汉明码FSKAWGN信道
abstract
Indigitalcommunicationsystem,needtheinputdigitalsequencemapforsignaltransmissioninthechannel,thesourceoutputdigitalsequence,aftersignalaftermappingbecomesuitableforchanneltransmissionofdigitalmodulationsignals,andatthereceivingendcorrespondingtoresumetheoriginalsignaldemodulation.SothisthesismainlystudiesthedigitalsignaltransmissionofthebasicconceptandthedigitalsignaltransmissiontransmissionprocessandhowtouseMATLABsimulationsoftwaretodesigndigitaltransmissionsystem.Throughthedeltamodulationdemodulation,PSTcode,hammingcode,FSKmodulationdemodulationandAWGNchannelresearch,gainadeeperunderstandingofdigitalbasebandtransmissionsystemcompositionanddigitalsignaltransmissionprocess,andthroughmatlabsystemwasanalyzed.
Keywords:
deltamodulationPSTcodehammingcodeFSKAWGNchannel
1设计目的及要求
1.1设计目的
通过课程设计,使学生加强对电子电路的理解,学会对电路分析计算以及设计。
进一步提高分析解决实际问题的能力,通过完成综合设计型和创新性实验及训练,创造一个动脑动手﹑独立开展电路实验的机会,锻炼分析﹑解决电子电路问题的实际本领,实现由课本知识向实际能力的转化;加深对通信原理的理解,提高学生对现代通信系统的全面认识,增强学生的实践能力。
1.2设计要求
掌握以上各种电路与通信技术的基本原理,掌握实验的设计、电路调试与测量的方法。
1.培养学生根据需要选学参考书,查阅手册,图表和文献资料的自学能力,通过独立思考﹑深入钻研有关问题,学会自己分析解决问题的方法。
2.通过对实验电路的分析计算,了解简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
3.掌握示波器,频谱仪,失真度仪的正确使用方法,学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法,提高动手能力。
2通信系统
2.1系统简述
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,误码率等。
2.2主要步骤
本通信传输系统的MATLAB仿真包括以下内容:
单频正弦波模拟信号经过抽样(抽样频率为Fs=20F)、增量调制、二进制自然编码、PST码型变换基带传输,汉明编码,FSK调制后发送到AWGN信道,然后经过FSK解调,汉明码译码、PST码S译码、增量调制解后恢复出单频正弦波模拟信号。
2.3系统框图
3系统设计原理
3.1增量调制
增量调制简称ΔM或增量脉码调制方式(DM),它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化的方法。
它是一种把信号上一采样的样值作为预测值的单纯预测编码方式。
增量调制是预测编码中最简单的一种。
它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化,而且只对这个差值的符号进行编码,而不对差值的大小编码。
因此量化只限于正和负两个电平,只用一比特传输一个样值。
如果差值是正的,就发“1”码,若差值为负就发“0”码。
因此数码“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减,不代表信号的绝对值。
同样,在接收端,每收到一个“1”码,译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量阶。
每收到一个“0”码就下降一个量阶。
当收到连“1”码时,表示信号连续增长,当收到连“0”码时,表示信号连续下降。
译码器的输出再经过低通滤波器滤去高频量化噪声,从而恢复原信号,只要抽样频率足够高,量化阶距大小适当,收端恢复的信号与原信号非常接近,量化噪声可以很小。
增量调制尽管有前面所述的不少优点,但它也有两个不足:
一个是一般量化噪声问题;另一个是过载噪声问题。
两者可统一称为量化噪声。
阶梯曲线(调制曲线)的最大上升和下降斜率是一个定值,只要增量σ和时间间隔Δt给定,它们就不变。
那么,如果原始模拟信号的变化率超过调制曲线的最大斜率,则调制曲线就跟不上原始信号的变化,从而造成误差。
我们把这种因调制曲线跟不上原始信号变化的现象叫做过载现象,由此产生的波形失真或者信号误差叫做过载噪声。
另外,由于增量调制是利用调制曲线和原始信号的差值进行编码,也就是利用增量进行量化,因此在调制曲线和原始信号之间存在误差,这种误差称为一般量化误差或一般量化噪声。
3.2基带传输PST码
在实际的基带传输系统中,并不是所有代码的电波形都能在信道中传输。
含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的信道中传输。
PST码是成对选择三进码。
其编码过程是:
先将二进制代码两两分组,然后再把每一码组编码成两个三进制数字(+、-、0)。
因为两位三进制数字共有9种状态,故可灵活地选择其中的4种状态。
为防止PST码的直流漂移,当在一个码组中仅发送单个脉冲时,两个模式应交替变换。
例如:
表1PST码
二进制代码
+模式
-模式
00
-+
-+
01
0+
0-
10
+0
-0
11
+-
+-
PST码能提供足够的定时分量,且无直流成分,编码过程也较简单。
但这种码在识别时需要提供“分组”信息,即需要建立帧同步。
每位二进制信码都被变换成1位三电平取值(+1、0、-1)的码,因而有时把这类码称为lB/1T码。
3.3信道传输码汉明码
3.3.1汉明码编码原理
一般来说,若汉明码长为n,信息位数为k,则监督位数r=n-k。
若希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置,则要求
或
(3-1)
下面以(7,4)汉明码为例说明原理:
设汉明码(n,k)中k=4,为了纠正一位错码,由式(3-1)可知,要求监督位数r≥3。
若取r=3,则n=k+r=7。
我们用
来表示这7个码元,用
的值表示3个监督关系式中的校正子,则
的值与错误码元位置的对应关系可以规定如表1所列。
表2校正子和错码位置的关系
错码位置
错码位置
001
101
010
110
100
111
011
000
无错码
则由表1可得监督关系式:
(3-2)
在发送端编码时,信息位
的值决定于输入信号,因此它们是随机的。
监督位
、
、
应根据信息位的取值按监督关系来确定,即监督位应使式(3-2)中
、
、
的值为0(表示编成的码组中应无错码)
(3-3)
式(3-3)经过移项运算,接触监督位
(3-4)
式(3-4)其等价形式为:
(3-5)
式(3-5)还可以简记为
(3-6)
或
其中
所以有
(3-7)
式(3-7)等价于
(3-8)
其中Q为P的转置,即
(3-9)
式(3-9)表示,信息位给定后,用信息位的行矩阵乘矩阵Q就产生出监督位。
我们将Q的左边加上一个k×k阶单位方阵,就构成一个矩阵G
(3-10)
G称为生成矩阵,因为由它可以产生整个码组,即有
(3-11)
或者
(3-12)
式(3-9)即汉明码的编码原理。
3.3.2解码和纠错原理
当数字信号编码成汉明码形式(本文中即A)后在信道中传输,由于信道中噪声的干扰,可能由于干扰引入差错,使得接收端收到错码,因此在接收端进行汉明码纠错,以提高通信系统的抗干扰能力及可靠性。
一般来说接收码组与A不一定相同。
若设接收码组为一n列的行矩阵B,即
(3-13)
(3-14)
则发送码组和接收码组之差为
E就是传输中产生的错码行矩阵
(3-15)
(3-16)
若ei=0,表示接收码元无错误,若ei=1,则表示该接收码元有错。
式(3-14)可改写成
若E=0,即接收码组无错,则
,将它代人式(3-14),该是仍成立,即有
(3-17)
当接收码组有错时,E≠0,将B带入式(3-6)后,该式不一定成立。
在未超过检错能力时,式(3-23)不成立。
假设此时式(3-27)的右端为S,即
(3-18)
将
代入式(3-18),可得
(3-19)
由式(3-6)可知,所以
(3-20)
此处S与前面的
有着一一对应关系,则S能代表错码位置。
因此,纠错原理即,接收端收到码组后按式(3-19)计算出S,再根据表1判断错码情况,进行差错纠正。
3.4FSK调制及解调原理
3.4.1FSK调制原理
频移键控是利用载波的频率来传递数字信号,在2FSK中,载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化,频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。
在2FSK中,载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化。
故其表达式为:
(3-20)
典型波形如下图所示。
由图可见。
2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。
因此2FSK信号的时域表达式又可以写成:
(3-21)
传“0”信号时,发送频率为f1的载波;
传“1”信号时,发送频率为f2的载波。
可见,FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。
实现模型如下图:
图3-12FSK调制原理
3.4.2FSK解调原理
2FSK的解调方式有两种:
相干解调方式和非相干解调方式。
非相干解调是指经过调制后的2FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器f1、f2滤出不需要的信号,然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波,最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲,最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。
其原理图如下图所示:
图3-2非相干解调原理图
相干解调是指根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成,则先用两个分别对f1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波,然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干解调,再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。
原理图如下
图3-3相干解调原理图
3.5AWGN信道
加性高斯白噪声AWGN是最基本的噪声与干扰模型。
加性噪声:
叠加在信号上的一种噪声,通常记为n(t),而且无论有无信号,噪声n(t)都是始终存在的。
因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。
白噪声:
噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数,则称这样的噪声为白噪声。
如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布,则称这样的噪声为高斯白噪声。
4系统仿真及分析
4.1增量调制仿真
在仿真中构造的原始时间函数为:
x=sin(2*pi*50*t)。
调制结果如图9
图4-1增量调制
从图9中原始信号和增量调制的仿真结果比较来看,在输入信号上升部分,编码器输出现连1码,输入信号下降部分,编码器输出连0码,仿真结果基本成功。
但是在输入信号变化平缓的部分,编码器输出1、0交替码,这是由于增量幅值过大造成的。
4.2基带传输PST码仿真
将增量调制之后的二进制码进行PST编码。
关于PST的三进制编码,在程序中是用两位二进制码表示一位三进制码,第一个数表示符号正负,第二位表示值。
如正模式下,原始代码00,PST码为-+,程序中-+表示为0111,01中的0表示符号-,1就是-的绝对值1;而11,左边的1表示符号+,右边的1表示+的绝对值1。
而0程序中就用00表示,所以正模式下+0在程序中就用1100表示。
图4-2PST编码及译码
理论上由于PST编码是1B/1T码,输出码元长度是输入的两倍长。
而由图所示,编码器输入22个码元,编码器输出44个码元,即仿真结果正确。
4.3信道传输码汉明码仿真
基带码并不利于在长距离信道中传输,需要加冗余码进行差错控制,于是采用汉明码。
汉明编码仿真用的是(7,4)汉明码,n=7是总码长,k=4是信息位码长。
仿真结果如下:
图4-3汉明码编码及译码
如图所示,汉明编码器输入了44个码元,输出63个码元。
因为是(7,4)汉明编码,根据(3-8)所示,所以校验位r=6满足
,即仿真结果正确。
4.4FSK调制仿真
将汉明编码器输出的信道码进行2FSK调制,仿真结果见下:
图4-42FSK调制
如图所示传“0”信号时,发送频率为f1的载波,传“1”信号时,发送频率为f2的载波。
输入输出信号波形符合2FSK调制过程。
4.5AWGN信道仿真
将经过2FSK调制好后的信号经过AWGN信道,仿真结果如图所示。
图4-5高信噪比时加噪后波形
图4-6低信噪比时加噪后波形
如图4-5与4-6对比所示,当信噪比取1000时,即为高信噪比的时候,加噪后波形失真度小;当信噪比取5时,即为低信噪比的时候,加噪后波形失真度大。
仿真结果正确。
4.6FSK解调仿真
将经过AWGN信道的信号进行2FSK解调,并进行误码率的统计。
仿真结果如下图所示。
图4-7高信噪比时FSK解调
当信噪比取1000的时候,即为高信噪比的时候,由于噪声小,故失真小,经过相干解调和非相干解调后的信号与原序列比较差距也越小,而若噪声越小,经过相干解调和非相干解调后的信号之前差距也越小,与图像符合,即仿真结果成功。
图4-8高信噪比时FSK解调
当信噪比取-5的时候,即为低信噪比的时候,由于噪声大,故失真大,经过相干解调和非相干解调后的信号与原序列比较差距也越大,而如图所示,相干解调后的信号与信号原序列相比较差距更小,这是因为相干解调误比特率更低。
故仿真结果正确。
图4-9相干解调误码率
4.7信号解调仿真
将FSK解调后的信号进行信号恢复,结果如图所示。
图4-10汉明码译码
汉明吗译码的时候,由于编码时补位了6位监督位,所以在译码的时候,需要去掉补领的0,所以要先将译码器输入码数还原到44个码元才可以继续仿真,如图所示,汉明码译码器输出信号有44个码元,即仿真结果正确。
图4-11PST译码
PST译码是PST编码的逆过程,所以由图看出PST译码器输出依旧22个码元,即仿真结果正确。
图4-12增量解调
4.8失真度分析
当信噪比取1000时,即高信噪比时,系统解调后输出信号与原始信号比较如图4-13所示。
图4-13高信噪时原始信号与恢复信号比较
此时失真度计算为0.19511;
当信噪比取-5时,即低信噪比时,系统解调后输出信号与原始信号比较如图4-14所示。
图4-14高信噪时原始信号与恢复信号比较
此时失真度计算为5.94932;
结果分析:
从上图可以看出,增量解调恢复出的信号与原信号近似相同,但存在一定程度的失真。
经分析,是由于增量调制的量化幅度太大,产生的颗粒噪声,造成了空载失真。
4.9仿真过程中发现的问题
加噪后的信号经过FSK相干解调和非相干解调后,都会因为加噪的影响,产生一定的失真,且相干解调的误码率低于非相干解调。
而在仿真过程中,信噪比从0到1000的时候,经过FSK相干解调和非相干解调后,产生的波形是一样,只有当信噪比取负的时候,相干解调与非相干解调方式才产生了差异。
目前还没有发现问题产生的原因。
5总结
在这次课程设计中,我通过多方面地查找搜集资料,对增量调制、PST码、汉明码、FSK调制解调以及AWGN信道都进行深入理解分析,对通信系统的,成功地通过对MATLAB7.0的运用完成了对通信系统的仿真实现。
通过本次课程设计,我学到很多东西,提高了我们的逻辑思维能力,使我们在matlab仿真的分析与设计上有了很大的进步。
加深了我对通信系统的认识,进一步增进了对其原理及仿真方法实现的了解。
在编写程序时,遇到很多不能仿真的东西,通过查阅参考书和网络到,解决了仿真的问题。
不是每一个模块找到程序之后就可以让整个通信系统都能仿真出来,而是要进行融合,才能让仿真得以实现,所以对各个函数的理解及运用都要弄清楚。
在读懂编写修改程序的过程中,让我更加了解了整个通信系统的工作原理并且通过仿真分析加深了对原理的理解,体会到了理论与实际的相结合。
这次综合课程设计让我体会到了编程,仿真实现的艰辛,也让我明白必须打好基础,才能完成以后的每一个任务。
附录一参考文献
[1]刘泉《通信电子线路》武汉理工大学出版社2004年9月
[2]樊昌信《通信原理》国防科技出版社2007年
[3]THEX-1型实验平台实验指导书
[4]陈怀琛编.《数字信号处理教程:
MATLAB释义与实现》2008年
[5]罗军辉编.《MATLAB7.0在数字信号处理中的应用》机械工业出版社2008年
附录二参考程序
%/**************************************************/
clc;clearall;
%/**************自己构造一个时间函数*************/
function[codeout]=dmtz()
Ts=1e-3;
t=0:
Ts:
20*Ts;
x=sin(2*pi*50*t);
figure
(1)
subplot(3,1,1);plot(t,x,'-o');axis([020*Ts,-22]);
title('原始信号')
%/************对音频信号进行增量调制*******************/
delta=0.4;
D(1+length(t))=0;
fork=1:
length(t)
e(k)=x(k)-D(k);
e_q(k)=delta*(2*(e(k)>=0)-1);
D(k+1)=e_q(k)+D(k);
codeout(k)=(e_q(k)>0);
end
xlabel('Time(S)');
ylabel('Amplitude');
subplot(3,1,2);stairs(t,codeout);axis([020*Ts,-22]);
title('增量调制编码')
%/********对编码后的信号进行基带编码-PST编码******/
function[y]=pst(x)
flag=0;
n=0;
le=length(x);
ifle~=round(le/2)*2;
x=[x0];
end
fori=1:
2:
length(x)
m=2*x(i)+x(i+1);j=i+2*n;flag=~flag;n=n+1;
switchm
case0
y(j)=0;y(j+1)=1;y(j+2)=1;y(j+3)=1;
case1
ifflag==0
y(j)=0;y(j+1)=0;y(j+2)=0;y(j+3)=1;
else
y(j)=0;y(j+1)=0;y(j+2)=1;y(j+3)=1;
end
case2
ifflag==0
y(j)=0;y(j+1)=1;y(j+2)=0;y(j+3)=0;
else
y(j)=1;y(j+1)=1;y(j+2)=0;y(j+3)=0;
end
case3
y(j)=1;y(j+1)=1;y(j+2)=0;y(j+3)=1;
end
end
figure
(2)
subplot(3,1,1);stem(x);axis([1j+3,01.4]);
title('PST码输入二进制码流')
subplot(3,1,2);stem(y);axis([1j+3,01.4]);
title('PST码输出二进制码流')
%/*************对编码后的信号进行汉明码编码***************/
function[code]=rs(x)
k=length(x);
m=6;%监督位
n=2^m-1;%定义码长7
k=n-m;%信息位长4
figure(3)
subplot(3,1,1)
stem(x);
axis([177,01.5]);
title('汉明编码器输入信号')
code1=encode(x,n,k,'hamming');%编码函数,对信号进行差错编码
code=conj(co
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
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