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
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
在当今信息化社会中，随着通信技术的飞速发展，相关的通信理论、技术也得到了飞速发展。
数字通信已成为信息传输的重要手段，数字通信的新设备不断涌现，全球数字化已成为当今社会发展的主要潮流，人们越来越离不开数字通信，越来越期望了解和掌握数字通信技术。
数字通信是迅速发展的信息技术，目前将科研的发展前沿与基础的通信理论有机结合阐述的著作还很少。
Matlab是MathWorks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，其强大的计算和图形功能使其在科学计算和工程领域赢得了众多的用户。
经过许多专家、工程师在自己相关领域的扩充，Matlab成为了一个多领域、多学科、多功能的优秀科技应用软件，从而被广泛地应用于各领域和学科的研究与仿真。
Matlab是一种编程语言和可视化工具，它能对数据以图形的方式显示出来，使数据间的关系明了Matlab所包含的应用工具箱的功能非常丰富，提供的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域或者两者的混合时间域里进行建模，其中通信系统工具箱中包含了对通信系统进行分析和仿真所需的信源编码、纠错编码、信道、调制解调以及其他所用的库函数和模块。
关键词：
增量调制，Miller码，循环码，PSK，衰落信道
Abstract
Intoday'sinformationsociety,withtherapiddevelopmentofcommunicationtechnology,communicationtheory,technologyhasalsobeenarapiddevelopment.Digitalcommunicationhasbecomeanimportantmeansofinformationtransmission,newdigitalcommunicationdevicesemergingglobaldigitaltechnologyhasbecomethedevelopmenttrendintoday'ssociety,peopleincreasinglyinseparablefromdigitalcommunicationsincreasinglyexpectedtounderstandandmasterdigitalcommunicationtechnology.Digitalcommunicationsistherapiddevelopmentofinformationtechnology,thedevelopmentofcutting-edgeresearchbasedcommunicationtheorycombineelaboratewritingsrarely.
MatlabMathWorksInc.launchedasetofhigh-performancenumericalcomputationandvisualizationsoftware,powerfulcomputingandgraphicscapabilitiesmakeitwonalargenumberofusersinthefieldofscientificcomputingandengineering.Manyexperts,engineersintheirownfieldexpansion,Matlabhasbecomeamulti-field,multi-disciplinary,multi-functionalexcellenceintechnologyandapplicationsoftware,whichiswidelyusedinvariousfieldsanddisciplinesandsimulation.Matlabisaprogramminglanguageandvisualizationtools,datacanbedisplayedingraphicalformtherelationshipbetweenthedatatounderstandtheMatlabtheapplicationtoolboxfunctionscontainedveryrich,providedSimulinkisusedtodynamicallysystemmodeling,simulationandanalysissoftwarepackagethatsupportslinearandnonlinearsystems,continuous-timedomain,thediscrete-timedomain,oramixofbothtimedomainmodeling,communicationsystemtoolboxcontainscommunicationsystemanalysisandsimulationrequiredsourcecoding,errorcorrectioncoding,channel,modulationanddemodulation,andotherlibraryfunctionsandmodules.
Keywords:
deltamodulation,Millercodes,cycliccodes,PSKfadingchannel
1.设计任务
利用Matlab设计完成一个典型的通信系统（如图1所示）。
图1典型的通信系统
其中，信源为正弦信号，
数字化方式为增量调制，
基带码为Miller码，
信道码为循环码，
调制方式为PSK，
信道类型为衰落信道。
2.实验电路原理分析
2.1增量调制原理
增量调制是由PCM发展而来的模拟信号数字化的一种编码方式，它是PCM的一种特例。
增量调制编码基本原理是指用一位编码，这一位码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性，即采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还是减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。
输出的“1”，“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的绝对值。
增量调制最主要的特点就是它所产生的二进制代码表示模拟信号前后两个抽样值的差别（增加、还是减少）而不是代表抽样值本身的大小，因此把它称为增量调制。
在增量调制系统的发端调制后的二进制代码1和0只表示信号这一个抽样时刻相对于前一个抽样时刻是增加（用1码）还是减少（用0码）。
收端译码器每收到一个1码，译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量化阶，而收到一个0码，译码器的输出相对于前一个时刻的值下降一个量化阶。
增量调制（DM）是DPCM的一种简化形式。
在增量调制方式下,采用1比特量化器,即用1位二进制码传输样值的增量信息,预测器是一个单位延迟器,延迟一个采样时间间隔。
预测滤波器的分子系数向量是[0,1],分母系数为1。
当前样值与预测器输出的前一样值相比较,如果其差值大于零,则发1码,如果小于零则发0码。
增量调制系统框图如图2所示,其中量化器是一个零值比较器,根据输入的电平极性,输出为δ,预测器是一个单位延迟器,其输出为前一个采样时刻的解码样值,编码器也是一个零值比较器,若其输入为负值,则编码输出为0,否则输出为1。
解码器将输入1,0符号转换为δ,然后与预测值相加后得出解码样值输出,同时也作为预测器的输入。
输入样值enen=δsgn（en）传输δsgn（en）xn=xn-1+δsgn（en）
xn+-++
预测输出+
n-1
+预测输出解码样值输出
xn-1预测输入xn=xn-1+δsgn（en）
图2增量调制原理框图
2.2Miller码原理
Miller码也称延迟调制码，是一种变形双向码。
其编码规则：
对原始符号“1”码元起始不跃变，中心点出现跃变来表示，即用10或01表示。
对原始符号“0”则分成单个“0”还是连续“0”予以不同处理；单个“0”时，保持0前的电平不变，即在码元边界处电平不跃变，在码元中间点电平也不跃变；对于连续“0”，则使连续两个“0”的边界处发生电平跃变。
2.3循环码原理
图3总原理方框图
循环码的编、译码系统由下列五部分组成：
定时单元、信码发生器及显示部分、编码器和译码器。
（1）定时单元
本单元提供编码器及译码器所需的时序信号。
其时钟重复频率（CP）为2MHZ。
（2）信码发生器
本单元给编码器提供一个信号源，手控开关（板上CDIN）置于+5V时，发光二极管亮，代表输出“1”码元。
若开关置于“0”，代表输出“0”码元。
（3）循环码编码器
编码器是本实验的主要部分。
根据生成多项式
，采用5个异或门和D触发器组成编码器。
在K1信号的控制下，输入6位信息码元CDIN，一方面串行输入信道，另一方面通过与门送入除法电路进行计算。
第6位输入码元结束时，K1信号也为零，在CP脉冲作用下，移位寄存器将计算的结果（CDOUT）送往信道，即在6位信息码元后附加了9位监督码，使码长（n=K+r）为15。
（4）译码方框图及原理介绍
图4译码器方框图
经过信道加错后的信码，在K1信号的作用下，进入6位移存器，同时另一路进入除法电路进行伴随式计算，当6个信码全存人移存器时，电子开关置于“0”，此时信码保存在移存器中，同时另一路已进入除法器的信码，在CP脉冲的作用下，进入除法电路及正交方程形成网络、大数逻辑判决电路。
由于本实验最小码间距离d0=6，故最多能纠正两位错码，若错码个数在2个以内，该系统能自行纠正，纠正后的信码通过电子开关进入移存器，并在显示信号K3的作用下，若发光二极管亮表示“1”码，不亮表示“0”码。
此时译码信号是并行输出至显示部分的，它显示的信号应与信源显示的一一对应（注意此时信道干扰产生的错码只能是1个或2个）。
假如信道中错误个数已超过该码纠错能力（即超过2），那么译码显示与编码显示不能对应。
正交方程的定义是：
假定最高错误码元为e14，其次e13，此类推至e0，即e14在每个方程中均出现一次，而其它错误码元在4个方程组中出现一次，正交方程组如下：
由正交形成网络输出至大数逻辑判决电路，由四个三与非门及四输入与非门组成。
该电路输出信号通过与门在K2信号作用下，一方面进入除法电路进行伴随式复位，另一方面进入异或门，与6位移位寄存器中相应的信号相加（最高位）。
已纠正的码经过与门又存在相应的移位寄存器中。
6位移位寄存器将纠正后的正确码字在显示脉冲K3作用下并行输出。
在2个错误码元以内本电路能自行校正，译码器显示的码与编码器显示的码应一致。
如果错误码元超过2个，译码电路会产生错纠现象，译码显示电路显示的码与编码器不一样，即使一样也是巧合。
2.4PSK原理
相位偏移调制，又称移相键控（PSK，PhaseShiftKeying）是一种利用相位差异的信号来传送资料的调制方式。
该传送信号必须为正交信号，其基底更须为单位化信号。
一个信号所代表的数学公式
一般调制信号的改变部份可分为幅度A（ASK用）、相位
（PSK用）及频率
（FSK用）三种。
其中PSK即利用相位差异来产生的调制方式。
MPSK通用的传输符号之公式。
PSK又可称M-PSK或MPSK，目前有BPSK、QPSK、16PSK、64PSK等等，常用的只有QPSK。
而M是代表传送信号的符号（symbol）种类。
符号越多，传送的比特数越多，自然在固定时间可传送越多的资料量（bps）。
传输量公式。
图5BPSK、QPSK、8PSK及16PSK的BER对SNR图
假设各MPSK皆在同一能量下传送，PSK会因为符号种类（M）的提升使比特错误率（BitsErrorRate，BER）快速上升。
所以在符号数M大于16后都由QAM来执行调制工作。
QPSK如果用格雷码对映的方式，其BER会和BPSK一样。
所以目前常用的只有QPSK。
2.5衰落信道原理
瑞利衰落信道（Rayleighfadingchannel）是一种无线电信号传播环境的“统计模型（statisticalmodel）”。
这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度（amplitude）是随机的，即“衰落（fading）”，并且其包络（envelope）服从瑞利分布（Rayleighdistribution）。
这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。
瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号（LoS，LineofSight）的情况，否则应使用莱斯衰落信道（Riceanfadingchannel）作为信道模型。
瑞利衰落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环境。
若传播环境中存在足够多的散射，则冲激信号到达接收机后表现为大量统计独立的随机变量的叠加，根据中心极限定理，则这一无线信道的冲激响应将是一个高斯过程。
如果这一散射信道中不存在主要的信号分量，通常这一条件是指不存在直射信号（LoS），则这一过程的均值为0，且相位服从0 到2π 的均匀分布。
即，信道响应的包络服从瑞利分布。
设随机变量R，于是其概率密度函数为：
其中
。
若信道中存在一主要分量，例如直射信号（LoS），则信道响应的包络服从莱斯分布，对应的信道模型为莱斯衰落信道。
通常将信道增益以等效基带信号表示，即用一复数表示信道的幅度和相位特性。
由此瑞利衰落即可由这一复数表示，它的实部和虚部服从于零均值的独立同分布高斯过程。
图6最大多普勒频移为10Hz的瑞利衰落信道。
图7最大多普勒频移为100Hz的瑞利衰落信道。
图8瑞利衰落信道的自相关函数，其多普勒频移为10Hz。
瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。
密集的建筑和其他物体使得无线设备的发射机和接收机之间没有直射路径，而且使得无线信号被衰减、反射、折射、衍射。
在曼哈顿的实验证明，当地的无线信道环境确实接近于瑞利衰落。
通过电离层和对流层反射的无线电信道也可以用瑞利衰落来描述，因为大气中存在的各种粒子能够将无线信号大量散射。
瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。
信道衰落的快慢与发射端和接收端的相对运动速度的大小有关。
相对运动导致接收信号的多普勒频移。
图中所示即为一固定信号通过单径的瑞利衰落信道后，在1秒内的能量波动，这一瑞利衰落信道的多普勒频移最大分别为10Hz和100Hz，在GSM1800MHz的载波频率上，其相应的移动速度分别为约6千米每小时和60千米每小时。
特别需要注意的是信号的“深衰落”现象，此时信号能量的衰减达到数千倍，即30～40分贝。
3.实验过程及结果分析
图9增量调制
图10密勒码
图11循环码
图12PSK
图13瑞利衰落信道
4.总结
在本次课程设计的学习中，让我受益颇多。
一、让我养成了课前预习的好习惯。
一直以来就没能养成课前预习的好习惯（虽然一直认为课前预习是很重要的），但经过这一周，让我深深的懂得课前预习的重要。
只有在课前进行了认真的预习，才能在课上更好的学习，收获的更多、掌握的更多。
二、培养了我的动手能力。
“实验就是为了让你动手做，去探索一些你未知的或是你尚不是深刻理解的东西。
”每个步骤我都亲自去做，不放弃每次锻炼的机会。
经过这两周，让我的动手能力有了明显的提高。
三、让我在探索中求得真知。
那些伟大的科学家之所以伟大就是他们利用实验证明了他们的伟大。
实验是检验理论正确与否的试金石。
为了要使你的理论被人接受，你必须用事实（实验）来证明，让那些怀疑的人哑口无言。
虽说我们的通信原理实验只是对前人的经典实验的重复，但是对于一个知识尚浅、探索能力还不够的人来说，这些探索也非一件易事。
通信原理实验都是一些经典的给人类带来了难以想象的便利与财富。
对于这些实验，我在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。
通信原理实验让我慢慢开始“摸着石头过河”。
学习就是为了能自我学习，这正是实验课的核心，它让我在探索、自我学习中获得知识。
四、教会了我处理数据的能力。
实验就有数据，有数据就得处理，这些数据处理的是否得当将直接影响你的实验成功与否。
经过这一周，我学会了图像法等处理数据的方法，让我对其它课程的学习也是得心应手。
经过这次课程设计的学习，让我收获多多。
但在这中间，我也发现了我存在的很多不足。
我的动手能力还不够强，当有些实验需要很强的动手能力时我还不能从容应对；我的探索方式还有待改善，当面对一些复杂的实验时我还不能很快很好的完成；我的数据处理能力还得提高，当眼前摆着一大堆复杂数据时我处理的方式及能力还不足，不能用最佳的处理手段使实验误差减小到最小程度
总之，课程设计让我收获颇丰，同时也让我发现了自身的不足。
在实验课上学得的，我将发挥到其它中去，也将在今后的学习和工作中不断提高、完善；在此间发现的不足，我将努力改善，通过学习、实践等方式不断提高，克服那些不应成为学习、获得知识的障碍。
在今后的学习、工作中有更大的收获，在不断地探索中、在无私的学习、奉献中实现自己的人身价值！
5.参考文献
[1]刘泉.通信电子线路.武汉理工大学出版社,2004.
[2]樊昌信.通信原理.国防工业出版社,2006.
[3]吴大正.信号与线性系统分析.西安电子科技大学出版社,1998
[4]陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用.电子工业出版社,2006.
[5]郑君里.信号与系统.高等教育出版社,2000.
6.附录
functiony=DMcoding（）
Ts=1e-3;
t=0:
Ts:
20*Ts;
x=sin（2*pi*50*t）;
delta=0.4;%量化阶距
D（1+length（t））=0;%预测器初始状态
fork=1:
length（t）
e（k）=x（k）-D（k）;%误差信号
e_q（k）=delta*（2*（e（k）>=0）-1）;%量化器输出
D（k+1）=e_q（k）+D（k）;%延迟器状态更新
y（k）=（e_q（k）>0）;%编码输出
end
subplot（2,1,1）;plot（t,x,'-o'）;axis（[020*Ts-22]）;
subplot（2,1,2）;stairs（t,y）;axis（[020*Ts-22]）;
functionMiller=Millercoding（x）
m=length（x）;
Miller=zeros（1,2*m）;
f=0;
d=1;
fori=1:
m
ifx（i）==1
Miller（2*i-1）=f;
Miller（2*i）=not（f）;
f=not（f）;
d=1;
else
ifd==1
Miller（2*i-1）=f;
Miller（2*i）=f;
d=0;
else
f=not（f）;
Miller（2*i-1）=f;
Miller（2*i）=f;
d=0;
end
end
end
Ts=1e-3;
t=0:
Ts:
41*Ts;
stairs（t,Miller）;axis（[041*Ts-22]）;
functionT=Cycliccoding（Input）
symsx%求出所有的生成多项式
g=[10111];%选择任意一个作为（7,4）循环码的生成多项式
r=4;%监督为数
m1=poly2sym（Input）;
ifm1==0
T=[0000000];
else
m11=expand（x^r*m1）;%用x^r乘以m1，相当于对m1进行左移r位的操作
m2=sym2poly（m11）;%将多项式转化为矩阵表示形式
len=length（m2）;
iflen<7
fori=1:
len
m2（8-i）=m2（len-i+1）;
end
fori=1:
7-len
m2（i）=0;
end
end
[Q,R]=deconv（m2,g）;%求m2除以g所得的余数
R=abs（R）;
fori=1:
length（R）
R（i）=mod（R（i）,2）;
end%转化为模2运算
T=R+m2;%T为生成的一个循环码字
end
Ts=1e-3;
t=0:
Ts:
44*Ts;
stairs（t,T）;axis（[044*Ts-22]）;
function[re]=PSKcoding（Input）
cp=[];
mod1=[];
f=4*pi;
t=0:
2*pi/199:
2*pi;
forn=1:
length（Input）
ifInput（n）==0
A=zeros（1,200）;%每个值200个点
elseifInput（n）==1
A=ones（1,200）;
end
cp=[cpA];%s（t）,码元宽度200
c=cos（f*t）;%载波信号
mod1=[mod1c];%与s（t）等长的载波信号变为矩阵形式
end
figure
（1）;
subplot（2,1,1）;
plot（cp）;gridon;
axis（[04000-22]）;title（'二进制信号序列'）;
cm=[];
mod=[];
forn=1:
length（Input）
ifInput（n）==0
B=ones（1,200）;
c=cos（f*t）;%载波信号
elseifInput（n）==1
B=ones（1,200）;
c=cos（f*t+pi）;%载波信号
end
cm=[cmB];%码元宽度200
mod=[modc];%与s（t）等长的载波信号
end
re=mod;%调制
subplot（2,1,2）;plot（re）;gridon;
axis（[04000-22]）;title（'2PSK调制信号'）;
figure
（2）
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