通信系统课群综合训练与设计.docx

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通信系统课群综合训练与设计

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

刘新华工作单位：

信息工程学院

题目:

通信系统课群综合训练与设计

初始条件：

MATLAB软件平台

要求完成的主要任务:

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。

（信源，数字化方式，基带码，信道码，调制方式，信道类型等由所选题目确定。

1.设计任务；

2.实验电路原理分析；

3.实验方案及测试方法；

4.实验结果及分析，并与理论指标进行对比。

5.对实验成果作出评价，说明实验存在的问题，提出改进意见

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：

2015年1月11日

系主任（或责任教师）签名：

2015年1月11日

摘要

通信系统是一个十分复杂的系统，在具体实现上有多种多样的方法，但总的过程却是具有共性的。

对于一个模拟信号数字化传输，过程可分为数字化，信源编解码，信道编解码，调制解调，加扰等。

本实验利用MATLAB实现了PCM编码，HDB3码，汉明码，PSK调制，AWGN及对应的解调过程，完整实现了一个通信系统的全部过程。

MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

关键字：

通信系统，调制，解调，MATLAB

Abstract

Communicationsystemisaverycomplicatedsystemintheimplementationofavarietyofmethods.Buttheprocesshasgeneralcharacters.Foraanalogsignaldigitaltransmission,theprocesscanbedividedintodigital,sourcedecoding,channeldecoding,modem,scrambling,etc.ThisexperimentusingMATLABthedeltamodulation,Millercode,hammingcode,PSKmodulation,AWGNandthecorrespondingdemodulationprocess,completeimplementsacommunicationsystemofallprocess.

MATLABisahigh-leveltechnicalcomputinglanguageandinteractiveenvironmentforalgorithmdevelopment,datavisualization,dataanalysis,andnumericcomputation.UsingMATLAB,youcansolvetechnicalcomputingproblemsfasterthanwithtraditionalprogramminglanguages,suchasC,C++,andFortran.

Keywords：

communicationsystem，modulation，demodulation，MATLAB

1设计任务

1.1设计任务

可以用软件（如MATLAB），也可以在硬件实验系统平台上完成一个典型的通信系统（如下图1所示）的仿真。

图1典型通信系统的组成

1.2设计要求

1.系统发送端要求：

模拟信源

数字化

基带码

信道码

调制

信道类型

一时间函数

增量调制

HDB3码

汉明码

ASK

AWGN

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。

（信源，数字化方式，基带码，信道码，调制方式，信道类型等由所选题目确定。

2实验原理分析

2.1增量调制

2.1.1脉冲编码调制的基本原理

把从模拟信号抽样、量化，直到变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制，简称脉码调制。

.38

.80

如：

在下图中，模拟信号的抽样值为3.15，3.96，5.00，6.38，6.80和6.42。

若按照“四舍五入”的原则量化为整数值，则抽样值量化后变为3，4，5，6，7和6。

在按照二进制数编码后，量化值（quantizedvalue）就变成二进制符号：

011、100、101、110、111和110。

图2二进制编码原理

图3PCM系统调制原理方框图

2.1.2差分脉冲编码调制（DPCM）

对图像信号进行编码时，由于图像信号的瞬时斜率变化比较大，因此不宜采用增量调制，否则容易过载。

如果采用PCM，则数码率太高。

例如，对于频带为1MHz的可视电话信号进行编码，根据采样定理，采样速率

，若每样值采用8位编码，则数码率为16Mbit/s。

对于电视信号，图像信号宽带为6MHz，若也采用8位编码，则数码率将达100Mbit/s。

因此，在图像信号编码中一般采用差分脉冲编码调制来压缩数码率。

DPCM利用信号各采样值之间的相关性，根据过去的信号样值预测下一个样值，并仅把预测值与当前值之差（以预测误差）加以量化、编码的一种模拟信号数字化方法。

△M是将信号瞬时采样值与前一个时刻的采样量化值之差进行量化，并且只对这个差值的符号进行编码，而不是对差值的大小编码。

因此量化只限于正和负两个电平，一个样值用1比特传输。

由于此差值信号反映了信号的变化特征，包含有信号的全部信息，所以实际上并不需要传输信号的每个采样值，只需要传输差值信号的编码就可以了。

对差值信号进行PCM的编码方法就称为DPCM。

一般来说，差值信号的量化范围远小于世纪新号的量化范围，在相同的量化信噪比条件下，可大大减少编码码组位数，因而提高了编码效率。

DPCM一般是以预测编码的方式来实现的，所以也称为预测编码，其系统构成如图7所示

图4DPCM系统框图

在发送端，将欲传输信号的采样与预测值相减，得到差值信号e（t），该差值信号通过量化器量化，量化后的信号一路经过PCM编码成为DPCM信号通过信道传输；另一路与前一个预测信号相加，通过预测器形成预测信号，与下一个时刻的采样值相减，得到新的差值信号。

接收端对收到的信号进行PCM译码，恢复差值量化信号，在加法器上与预测值相加，得到原量化信号，然后再通过低通滤波便可恢复原信号的近似波形。

DPCM综合了PCM和△M的特点，它与PCM的区别是：

在PCM中是对信号的采样值进行量化、编码然后传输，而DPCM则是对信号采样值与信号预测值的差值进行量化、编码然后传输。

DPCM与△M的不同点是：

在△M中是用一位二进制表示增量，而在DPCM中是用n位二进码表示增量（差值）。

因此它是介于△M和PCM之间的一种编码方式。

语音信号和图像信号，他们的采样值之间有一定的相关性，这样就可以根据当前的采样值预测下一个时刻的采样值，因而可采用DPCM，压缩编码信号的数码率，提高编码效率。

由于差值信号的动态范围一般比信号小，如果输入信号统计特性已知，则进行适当预测可使差值信号范围更小。

实验表明，在较好图像质量的情况下，每一采样差值只需4bit编码就够了，因此与PCM相比大大压缩了传送的比特速率。

另一方面，如果比特速率相同，则DPCM比PCM信噪比可改善14dB-17dB。

与△M相比，由于它增加了量化级，因此在改善量化噪声方面由于△M。

DPCM的缺点是较易受到传输是线路噪声的干扰。

因为DPCM能压缩比特速率的实质是由于图像信号相邻样值之间存在明显的相关性，因此用一般的PCM传输时，信号含有冗余信息。

DPCM预测减少了冗余，所以抗传输噪声的能力必然降低。

在抗信道噪声方面不如△M。

因为当发生误码时，在△M中只产生一个增量的变化，而在DPCM中就可能产生几个量化阶距的变化，从而造成较大的输出噪声。

DPCM比预测效果与信号统计特性有密切关系。

要使声音和图像信号获得最佳效果，预测电路应跟踪信号特性的变化。

2.1.3增量调制

2.1.3.1增量调制原理

增量调制（△M），是DPCM的简化形式，是一种特殊的脉冲编码调制。

即是1比特量化的差值脉冲编码调制，将信号瞬时采样值与前一个时刻的采样量化值之差进行量化，并对差值的符号进行编码，而不是对差值的大小编码。

因此量化只限于正和负两个电平，1比特传输一个样值。

只要把DPCM方案中的量化器改为2电平（1bit）量化，将预测器改为一阶预测器，则DPCM系统就构成△M系统。

图为△M的原理图；图为△M的实现框图；图描述了各信号的波形。

由波形图可见，在△M发端，在定时脉冲作用下，凡上升一个台阶就量化为1，凡降低一个台阶就量化为0.在△M收端译码也十分简单，见1就增加一个△，见0就减少一个△，经过与发端一样的积分器，得到逼近x（t）的阶梯波

，经低通滤波器后输出x'（t）.

图5△M原理图

图6△M实现框图

增量调制的过程即将欲传输的模拟信号f（t）输入到减法器与本地译码器的输出相减得到差值信号e（t）,脉冲调制器中有一个采样判决器，在时钟脉冲的控制下对差值信号e（t）进行正负极性判决。

当e（t）>0时，脉冲调制器输出一个正脉冲，即“1”码；当e（t）<0时，脉冲调制器输出一个负脉冲，即“0”码，这样就形成了二进制△M序列。

脉冲调制器的输出分成两路，一路送回到本地译码器（积分器）进行译码，译码输出与下一个时刻的f（t）相减产生差值信号；另一路输出通过信道送到接收端，在接收端，通过积分器译码和低通滤波器滤波，恢复出模拟信号f'（t）.

增量调制的解调过程是通过积分器实现的。

积分器的输出波形不是阶梯波，而是一个具有固定斜率的锯齿波。

当积分器输入一个“1"码时，积分器被充电，输出一个正斜变电压，上升一个电压增量△；当积分器输入一个“0”时，积分器放电，输出一个负斜变电压，下降一个电压增量△。

当连续输入时锯齿波形就近似跟随了f（t）的变化，从而实现了译码。

然后再通过低通滤波器的平滑滤波，就能很好地恢复f（t）.

2.1.3.2△M的性能

△M调制编码译码都很简单但其缺点是可能出现过载失真。

在正常情况下，△M的量化误差

不会超过

△（△表示量化电压单位值），而在过载情况下，量化误差会大大增加，应当避免发生过载。

不过载的条件是

（2-1）

若x（t）=Asinwt，则△M不产生过载的条件是

，

是△M编码时相邻取样点的时间间隔。

由于过载而限制了输入信号的动态范围，或者限制了输入信号的最高频率，而且△M得数码率不可能进一步降低。

图7△M信号的波形

在不过载的条件下，假设量化噪声e（t）在[-△,△]均匀分布，则可求得△M的量化噪声

（2-2）

若

为接收端低通滤波器带宽，f为信号x（t）=Asinwt的（

）,

则△M系统的最大量化信噪比为

（2-3）

2.1.3.3MATLAB编程实现增量调制编译码

图8编码流程图图9译码流程图

2.2HDB3码编解码

2.2.1AMI码编码基本原理

AMI码的全称为传号交替反转码，其编码规则为将消息码的“1”（传号）交替地变换为“+1”和“-1”，而“0”（空号）保持不变。

如：

消息码：

0110000000110011…

AMI码：

0-1+10000000–1+100–1+1…

AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。

它可以看成是单极性波形的变形，即“0”仍对应零电平，而“1”交替对应正负电平。

AMI码的优点：

没有直流成分，且高、低频分量少，编译码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果它是AMI-RZ波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性RZ波形，从中可以提取位定时分量

AMI码的缺点：

当原信码出现长连“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。

解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。

2.2.2HDB3码编码基本原理

HDB3码的全称为3阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，改进目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。

其编码规则是：

（1）检查消息码中“0”的个数。

当连“0”数目小于等于3时，HDB3码与AMI码一样，+1与-1交替；

（2）连“0”数目超过3时，将每4个连“0”化作一小节，定义为B00V，称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲；

（3）V与前一个相邻的非“0”脉冲的极性相同（这破坏了极性交替的规则，所以V称为破坏脉冲），并且要求相邻的V码之间极性必须交替。

V的取值为+1或-1；

（4）B的取值可选0、+1或-1，以使V同时满足（3）中的两个要求；

（5）V码后面的传号码极性也要交替。

如：

消息码：

10000100001100000000l1

AMI码：

-10000+10000-1+100000000-1+1

HDB3码：

-1000–V+1000+V-1+1-B00–V+B00+V-l+1

其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同，用V或B符号表示的目的是为了示意该非“0”码是由原信码的“0”变换而来的。

HDB3码既要包含AMI的交替特性使输出无直流特性，又要不出现四个以上的连0，因此可以先满足后者。

把“0000”换为取代节。

规则：

先将“0000”分离开来，第一个“0000”直接变为“0000”，然后数相邻两个“0000”之间“1”的个数，奇数则变为“000V”，偶数则变为“B00V”。

2）更新符号。

根据HDB3码的编码规则有：

B总是与其前面的1或V符号相反，V总是与前面的1或B相符号相同，1总是与前面的V或B符号相反，就可编符号了。

例如:

消息代码：

1000010000110000110000000011100001

中间码：

1000V1000V11B00V11B00VB00V111000V1

HDB3码：

+1000+V-1000-V+1-1+B00+V-1+1-B00-V+B00+V-1+1-1000-V+1

2.2.3HDB3码的译码

HDB3码的编码虽然比较复杂，但译码却比较简单。

从上述编码规则看出，每一个破坏脉冲V总是与前一非“0”脉冲同极性（包括B在内）。

这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连“0”符号，从而恢复4个连“0”码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。

解码规则如下：

1）若3连“0”前后非零脉冲同极性，则将最后一个非零元素译为零，如+1000+1就应该译成“10000”；若2连“0”前后非零脉冲极性相同，则两零前后都译为零，如-100-1，就应该译为0000。

2）再将所有的-1变换成+1后，就可以得到原消息代码。

2.2.4MATLAB实现HDB3码编解码

图8HDB3编码流程图图9HDB3解码流程图

2.3汉明码编译码

2.3.1汉明码的构造原理

汉明码是能够纠正1位错码且编码效率较高的一种线性分组码（线性分组码：

按照一组线性方程构成的分组码）。

在偶数监督码中，由于使用了一位监督位a0，它和信息位an-1…a1一起构成一个代数式：

（2-4）

在接收端解码时，实际上就是在计算

（2-5）

若S=0，就认为无错码；若S=1，就认为有错码。

现将上式称为监督关系式，S称为校正子。

由于校正子S只有两种取值，故它只能代表有错和无错这两种信息，而不能指出错码的位置。

若监督位增加一位，即变成两位，则能增加一个类似的监督关系式。

由于两个校正子的可能值有4中组合：

00，01，10，11，故能表示4种不同的信息。

若用其中1种组合表示无错，则其余3种组合就有可能用来指示一个错码的3种不同位置。

同理，r个监督关系式能指示1位错码的

个可能位置。

一般来说，若码长为n，信息位数为k，则监督位数r＝n－k。

如果希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示1位错码的n种可能位置，则要求

（2-6）

按照上述方法构造的码称为汉明码。

设分组码（n，k）中k＝4，为了纠正一位错码，要求监督位数r≥3。

若取r=3，则n=k+r=7。

我们用a6a5…a0表示这7个码元，用S1、S2、S3表示三个监督关系式中的校正子，则S1S2S3的值与错码位置的对应关系可以规定如下表4所列。

表4校正子与错码位置关系

S1S2S3

错码位置

S1S2S3

错码位置

001

010

100

011

a0

a1

a2

a3

101

110

111

000

a4

a5

a6

无错

由表4中规定可见，仅当一错码位置在a2、a4、a5或a6时，校正子S1为1；否则S1为0。

这就意味着a2、a4、a5和a6四个码元构成偶数监督关系

（2-7）

同理，a1、a3、a5和a6构成偶数监督关系

（2-8）

以及a0、a3、a4和a6构成偶数监督关系

（2-9）

在发送端编码时，信息位a6、a5、a4和a3的值决定于输入信号，因此它们是随机的。

监督位a2、a1和a0应根据信息位的取值按监督关系来确定，即监督位应使上三式中S1、S2和S3的值为零（表示变成的码组中应无错码）

（2-10）

由上式经移项运算，解出监督位

（2-11）

给定信息位后，可直接按上式算出监督位，其结果如表5所列。

表5监督位计算结果

信息位

监督位

信息位

监督位

a6a5a4a3

a2a1a0

a6a5a4a3

a2a1a0

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

000

011

101

110

110

101

011

000

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

111

100

010

001

001

010

100

111

接收端收到每个码组后，先计算出S1、S2和S3，再按表5判断错码情况。

如，若接收码组为0000011，计算可得S1＝0，S2＝1，S3＝1。

S1S2S3等于011，可知在a3位有一错码。

按上述方法构造的码称为汉明码。

表5中所列的（7，4）汉明码的最小码距d0＝3，因此这种码能纠正一个错码或检测两个错码。

汉明码有以下特点：

码长n＝2r－1最小码距d＝3

信息码位k＝2r－m－1纠错能力t＝1

监督码位r＝n－k＝m

这里m为大于2的正整数，给定m后，即可构造出具体的汉明码（n，k）。

2.3.2MATLAB实现汉明码编译码

MATLAB中提供了汉明码的编码和译码函数，本程序直接调用进行编程。

①encode函数

功能：

编码函数

语法：

code=encode（msg,N,K）

说明：

该函数对二进制信息msg进行汉明编码，K为信息位长度，N为码字长度。

msg是一个K列矩阵。

其中要求N=2m-1，K=N-m，m为监督位长度。

②decode函数

功能：

译码函数

语法：

rcvcode=decode（code,N,K）

说明：

该函数对接受码字进行译码，恢复出原始信息，译码参数及方式必须和编码时采用的完全相同。

③hammgen函数

功能：

汉明码生成矩阵和校验矩阵产生函数

语法：

H=hammgen（M）；[H,G]=hammgen（M）；[H,G,N,K]=hammgen（M）

说明：

该函数的功能是产生生成矩阵和校验矩阵，其中M=N-K为校验位的长度，H为汉明码的校验矩阵，G为汉明码的生成矩阵。

④部分源程序

汉明码编码：

ym=encode（abs（yh）,7,4,'hamming/binary'）;

汉明码解码：

dm=decode（c_de,7,4,'hamming/binary'）;

2.42ASK调制与解调

2.4.1数字调制技术

为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制以使信号与信道的特性相匹配。

这种用数字信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程成为数字调制。

在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程成为数字解调。

通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。

一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字调制有离散取值的特点。

因此数字调制技术有两种方法：

①利用模拟调制的方法去实现数字式调制；

②通过开关键控载波，通常称为键控法。

基本键控方式有振幅键控、频移键控、相移键控。

振幅键控频移键控相移键控

图10正弦载波的三种键控波形

2.4.22ASK调制原理

振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。

当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。

设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。

该二进制符号序列可表示为

（2-12）

其中:

（2-13）

二进制振幅键控信号时间波型如图1所示。

由图1可以看出，2ASK信号的时间波形e2ASK（t）随二进制基带信号s（t）通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。

二进制振幅键控信号的产生方法如图2所示，图（a）是采用模拟相乘的方法实现，图（b）是采用数字键控的方法实现。

由图1可以看出，2ASK信号与模拟调制中的AM信号类似。

所以，对2ASK信号也能够采用非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），其相应原理方框图如图3所示。

2ASK信号非相干解调过程的时间波形如图4所示。

图11二进制振幅键控信号时间波型

2ASK信号的功率谱密度

由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。

2ASK信号功率谱密度的特点如下：

（1）由连续谱和离散谱两部分构成，连续谱由信号g（t）经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；

（2）已调信号波形的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。

2ASK信号功率谱密度推导：