通信原理课设.docx

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通信原理课设

一、音频传输系统设计

1.设计目的

通信的基本形式是在信源和信宿之间建立一条传递信息的通道,通信系统通常由

信源,变换器,信道,反变换器,信宿以及等效噪声等几部分构成.通过这次音频传输系统设计,我们可以深刻体会到信号在通信系统中的传输和处理过程有一个更加清晰的认识和理解,对于模拟通信系统,考查学生对调制技术的理解和使用,

同时,通过音频传输系统的设计,我们更加深刻理解了模拟通信系统设计,以及模拟通信系统下最重要的调制技术的应用和设计,锻炼了我们独立思考和分析工程问题的能力,同时,通过设计和实现,我们对复杂的工程问题会有更加深刻的认识,对一个完整的模拟通信系统会有一个更加清晰和完善的概念.

2.设计内容

利用NI-USRP节点设备接收实际的广播信号.结合LABVIEW,实现对音频信号的调制解调,观察接收信号的质量并进行分析.

3.实现步骤

音频传输系统包括发送端和接收端:

音频传输系统TX.vi:

发射端主程序的前面板如图,前面板左侧为参数输入图部分。

（1）首先,用NI-USRPConfigurationUtility观察确保硬件与电脑连接上，以及硬件的地址。

（2）然后修改发送端前面板的“设备的IP地址”。

（3）可以设置声音文件路径（labview只能识别wav格式音频文件）。

（4）USRP配置各类程序控制参数，包括IQ速率，可以更改，但是发送端与接收端的IQ速率要相同，载波频率就是频点频率。

（1）前面板右侧为输出部分，可以显示发射声音信号的时域波形和频域波形，如果程序运行出错的错误指示灯会变红，经错误处理会弹出对应的错误提示对话框。

图1-1音频发送框图

完成前面板的配置之后，打开程序框图，如图：

图1-2音频发送程序图

主程序中，与USRP相关的程序已经写好，除此之外，发射端的主要程序主要的内容包含三个功能模块，其功能如下:

1.打开音频文件

此模块的作用是根据输入的路径获取音频文件，对应于程序框图SUBVIOPENWaveformFile.vi，

输入是外部音频文件的路径，要求必须是wav格式。

如果留空，则会自动选择默认音频文件，输出时声音文件的引用句柄，每次从声音文件中读取的样点数以及任务id。

此外，这个子程序还留有一个选择是否同时播放的选项，程序的前面板会有一个勾选框，可以选择是否在发送的同时也播放声音。

2.读取声音波形

这个模块的作用是将打开音频文件模块中得到的声音文件转换成波形数组形式输出，同时，还将波形数据写进声音输出设备，使得在发送端可以听到将要发送的声音，如果在前面板勾选了同时播放声音这个选项，那么就可以通过电脑声卡播放出声音，对应于程序框图中的SubVIReadWaveforemFile.vi子程序。

输出是波形数据、任务ID以及文件标示和同时播放声音这个选项。

3.进行FM调制

该模块的作用是对音频进行FM调制，对应于ExercisesFMModulation.vi

图1-3FM调制图

该模块的输入是声音波形数据，IQ采样率和频偏，输出是经过FM调制后的时域波形，调制后的波形数据进入niUSRPWriteTxData（poly）函数。

根据前面板上配置后的各项参数发射到空间中，以供接收端程序，普通的FM收音机或者有FM接收功能的手机接收。

该模块需要分两步完成对声音信号的FM调制。

由于声卡对声音信号的采样率并不是需要的采样率，因此需要对输入的声音波形数据进行重采样，目的是把信号的采样率调整成前面板上设置的IQ采样率调整成前面板设置的IQ采样率。

在这一步要用到波形重采样函数。

用ModulateFM函数对重采样后的波形数据进行FM调制。

将输出簇创建波形，因为波形不能直接输出，转换时间标识后，连接waveform输出波形。

此时调制就完成了。

4.FM的解调

这是一种反正切的调制思想。

在程序中只需要将接收到的基带波形信号转化为极坐标的形式，得到相位信息后再对其进行求导运算即可得到调制前的原始信号。

所以在这一过程中的步骤如下：

SubVIFMDemodulationComplextoPolarWF.vi——将瞬时相位的I/Q信号转化为极坐标形式SubVIFMDemodulationUnwrapPhase-Continuous.vi——消除相位的不连续（由于反正切引起的相位在+/-180的时候的相位不连续）SubVIFMDemodulationDifferentiate-Continuous.vii——对相位逐点求导（用相位的一节导数来估计瞬时频率，它会随着我们想恢复的音频成比例变化（差分））。

此外与发送端类似，同样需要对解调后的信号进行重采样，使得其采样率能够匹配声卡的采样率。

图1-4FM解调框图

4.结论及思考

思考：

1.频偏的意义是什么？

它怎样影响调制信号？

从听众的角度，能做些什么来解决这些影响，做一些测试验证观点。

mf=最大频偏\低频信号的频率，B=2*（mf+1）F，影响带宽，而带宽影响噪声，所以同时频偏也影响输出信噪比。

从听众的角度来讲，因为公共广播的频带范围是有限的，为87.5～108MHz，以100KHz为步进搜索电台。

我们在使用通信系统时应该避开这些公共频带。

2.找出一些能证明所设计的FM收发机性能优劣的技术指标

采样率的大小：

接收机的采样效率越高，相同信噪比下收听效果越好。

天线增益：

天线增益越小，接收效果越好。

结论：

1.利用NI-USRP节电设备，结合LabVIEW，我实现了对音频信号的调制解调，收听到了包含有噪声的音乐。

2.提高接收质量：

有很多因素影响FM通信系统的有效性和可靠性，如带宽、频偏、增益和载波频率对FM通信系统的影响较大。

经测试，提高增益和减小频偏可以有效改善质量。

二、数字传输系统设计

1.设计目的

在基于NI-USRP节点设备和LabVIEW的通信系统平台上实现图片的传输，完成图像信息的信道编码、调制解调等模块的设计与实现，观察图像传输效果，并对图像传输系统的性能进行分析。

2.设计内容

发送端：

图2-1数字传输系统发送端

发送端的程序框图端进行分析。

1、初始化

主要实现USRP的初始化，配置一些基本USRP参数（如地址，IQ速率等）的模块。

2、获取图像

主要实现图片的获取

3、信源编码

该模块主要是完成霍夫曼编码—基于有序频率二叉树的编码。

图2-2信源编码

4、信道编码

这里主要是使用的（7,4）分组编码

5、脉冲调制

主要完成添加训练队列以及脉冲成形滤波的功能。

其中添加训练序列主要是为了接收端可以频偏校正。

6、信道设置

主要在信道中加入白噪声。

图2-3分组编码到信道设置

7、传入到USRP

本模块实现的是信号的发送，把调制完的数据写入USRP。

8、传输关闭

发送后关闭USRP会话。

图2-4传输框图

接收端：

接收端主程序的前面板如下图示，首先完成前面板硬件的设置，信息与发送端基本保持一致，包括载波频率，调制设置里的调制方式、I/Q速率，脉冲成型的一些参数，前面板左下方是接受信号的它的星座图,和误码率曲线。

可以通过这些来判断程序是否正确。

图2-5数字传输系统接收端

而对接收端的程序框图进行分析：

1、初始化

实现USRP初始化和配置USRP的参数，此时注意与发送对应。

如图所示。

图2-6初始化框图

2、信号检测

接收射频信号，并且下采样到中频。

3、接收

解调程序的核心，实现恢复出原数据流。

包括匹配滤波、同步、信道估计、均衡、解调和检测误码率等重要功能。

4、信道译码

这里主要是（7,4）分组编码的译码过程

5、信源译码

这里主要是对发送端的霍夫曼编码进行解码的过程

图2-6信源译码

3.实现步骤

1.设计目的

1）使用74分组码编译信号

2）使用QPSK和BPSK调制信号

3）学会利用霍夫曼编译码

2.设计内容

1）完成信道编码即（7,4）分组编码的过程，此时需要完成ExercisesEncode-74.vi，学习（7,4）分组码译码的过程。

2）将脉冲调制模块的QPSK/BPSK程序图补充完整

3）学习信源编码即霍夫曼编译码的过程

3.实现步骤

1）发送端接收端程序结构：

图2-6发送端

（1）

图2-7发送端

（2）

发送端程序框图：

使用前面板调整参数。

完成霍夫曼编码和7-4分组码编码。

其中霍夫曼算法步骤如下：

（1）初始化，根据符号概率的大小按由大到小顺序对符号进行排序。

（2）把概率最小的两个符号组成一个新符号（节点），即新符号的概率等于这两个符号概率之和。

（3）重复第2步，直到形成一个符号为止（树），其概率最后等于1。

（4）从编码树的根开始回溯到原始的符号，并将每一下分枝赋值为1，上分枝赋值为0。

该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字。

图2-8编码框图

接收端程序框图：

使用前面板调整参数，接收射频信号，并且采样到中频。

之后实现恢复出原数据流，包括匹配滤波、同步、信道估计、均衡、解调和检测误码率等重要功能。

对（7,4）分组编码的译码。

之后对发送端的霍夫曼编码进行解码。

2）分组码编码译码模块的设计：

分组编码：

设置生成矩阵，然后输入前面板的生成矩阵内，打开程序框图，进行设计。

图2-9分组码程序框图

设计图如下：

输入后将长串输入数据流进行长度为4的分块。

也即为4维数组。

和G矩阵相乘，之后再转化为一维数组。

由于矩阵乘法是数值相加的过程，而分组编码是异或过程，因此需要将矩阵内每个元素除二取余，余数即为正确的异或过程。

分组码译码：

首先设计校验矩阵H。

接着设计程序框图如下：

图2-10解调程序框图

该段程序首先将H进行转置得到矩阵H’为7*3，H‘取数组大小后输出包含行大小和列大小的矩阵，在这里使用行大小，也即矩阵第一个元素（此处索引为0）。

取出校验矩阵行数大小为7，得到n/7作为重排数组的行数，7则作为重排数组的列数，重排数据得到n/7x7的数组。

之后将重排数组与H转制矩阵相乘，得到一个nx3的矩阵为输入码的伴随矩阵。

之后对每一个元素除二取余进行异或运算。

将伴随矩阵的第一列的元素x4+第二列的元素x2+第三列的元素，得到一个列数组，每行的元素每一个伴随式转十进制之后的值。

将接收序列和错误图样两者相加，取前四列，然后将所有行拼在一起形成一个行矩阵，该矩阵即为原序列。

3）BPSK和QPSK的设计：

图2-11QPSK设计

QPSK。

因为QPSK调制后变成0,1,2,3序列，需要调制序列来表示序列中的四个数，所以先把序列两个为一组进行数组分块，分出的子数组的第一个元素乘2与第二个元素相加将序列输入到下一个模块中。

在下一个模块内，元素顺序为（1+i，1-i，-1+i，-1-i），分别对应索引为0、1、2、3时的输出值，最终，如果inputbitstream输入序列和星座图模块输出元素对应为：

0—1+i，1—1-i，2—-1+i，3—-1-i，满足QPSK的调制方案，最后利用特定算法求出输入信号平均能量，将此能量与符号能量相乘乘上信号幅值，得到输出信号

图2-12BPSK设计

BPSK。

BPSK解调如图所示。

输入数据流对2取余，输出到下一个框图，0对应1，1对应-1.

4）利用USRP设备实现图像发送

首先设置硬件设备，选择好天线，然后打开发送端和接收端。

得到结果如下：

图2-13发送和接收图像

在图像传输过程中会出现噪声干扰，通过增大增益可以使噪声减小。

4.结论及思考

思考：

无线传输中有无信道编译码，和信源编码对信号传输的影响？

在通信过程中，如果直接把原始信息用二进制转换得到的码流直接发送的话，会使得发送效率变得很低，这样就有了信源编码的概念，这是一种以提高通信有效性为目的而对信源符号进行的变换，或者说为了减少或消除信源冗余度而进行的信源符号变换。

具体来说，就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法，把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的各码元所载荷的平均信息量最大，同时又能保证无失真地恢复原来的符号序列。

移动通信系统中，数字信号在无线信道中传输时，由于信道自身条件特性不理想，会受到诸多噪声干扰的影响，因而产生误码。

为了在已知信噪比的情况下达到一定的误码率指标，除了合理设计基带信号，选择调制解调方式，并采用信道均衡，分集等措施，还应使用信道编码，使误码率进一步降低。

结论：

本实验使用基于LabVIEW和NI-USRP的通信系统平台实现了图片的传输，完成了图像信息的信道编码，调制解调等模块的设计与实现，观察到了图像传输效果。

ExercisesEncode-74.vi可以通过利用线性分组码进行编码。

分组码是将信源的信息序列分成独立的块进行处理和编码。

并且根据BPSK,可完成QPSK调制，最后形成比特流有合适的星座图。

三、总结与收获

（备注：

此处要求手写，不得拷贝，要有自己的心得体会）

本人签名：

年月日

指导教师意见

指导教师签字：

年月日