通信系统课程设计.docx

通信系统课程设计.docx

《通信系统课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信系统课程设计.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

通信系统课程设计

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

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。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

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。

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。

首先介绍了本课题的理论依据，包括数字通信，数字基带传输系统的组成及数字信号的传输过程。

然后按照仿真过程基本步骤用MATLAB的仿真工具实现了数字基带传输系统的仿真过程，对系统进行了分析。

关键词：

PCM调制、曼彻斯特码、循环码、ASK、衰落信道

Abstract

Indigitalcommunicationsystem,needtoinputdigitalsequenceismappedtothesignalinthechanneltransmission,thesequenceofdigitalsignalsourceoutput,aftermappingtobesuitableforthetransmissionofdigitalmodulationsignal,andthereceivingendcorrespondingtoresumetheoriginalsignaldemodulation.SothispapermainlystudiesthedigitalsignaltransmissionandthebasicconceptofdigitalsignaltransmissionprocessandhowtouseMATLABsoftwaresimulationdesignofdigitaltransmissionsystem.Firstintroducedthesubjectofthetheoreticalbasis,includingdigitalcommunication,digitalbasebandtransmissionsystemanddigitalsignaltransmissionprocess.ThenaccordingtothesimulationprocessbasicstepsofusingMATLABsimulationtooltoachievethedigitalbasebandtransmissionsystemsimulationprocess,hascarriedonthesystemanalysis.

Keywords:

PCMmodulation,Manchestercodes,cycliccodes,ASK,fadingchanne

1.引言

1.1通信系统简介

通信就是信息传输或消息传输，是从一地向另一地传递和交换信息。

实现信息传递所需的一切设备和传输媒质的总和称为通信系统。

通常，通信系统中传输的消息可以分为两类：

一类称作连续消息（模拟消息），另一类称作离散消息（数字消息）。

连续消息是指消息状态是连续的，如连续变化的语音、图像等。

而离散消息的状态是离散取值的，如文字、符号、数据等。

与此对应，通信系统也分为两类：

模拟通信系统和数字通信系统。

数字通信系统的基本特征是：

它传送的信号是“离散”的或数字的。

与模拟通信系统相比数字通信的主要特点是：

（1）抗干扰能力强。

（2）差错可控。

（3）易于与各种数字终端接口，用现代计算机技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。

因为自然界的许多信息都是模拟信号，例如话音、图像等，为了能用数字通信系统来传送模拟信号，必须对模拟信号进行数字化，即模数转换和数模转换。

所谓模数转换就是将模拟信号转换成数字信号，其核心包括：

（1）对模拟信号在时域上进行抽样操作，完成时间上的离散化；

（2）对模拟信号的抽样值进行量化，完成幅度上的离散化，使幅度变成有限钟取值。

数模转换是模数转换的逆过程，它对接受到的数字信号进行译码和低通滤波等处理，恢复原模拟信号。

模拟信号数字化中最常用的方法就是脉冲编码调制（PCM）。

1.2Matlab简介

MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，它的首创者是在数值线性代数领域颇有影响的CleveMoler博士，他也是生产经营MATLAB产品的美国Mathworks公司的创始人之一。

MATLAB是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。

MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而使其被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作中。

MATLAB与其它计算机高级语言如C，C++等相比，MATLAB语言编程要简洁得多，编程语句更加接近数学描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。

对于具有任何一门高级语言基础的学生来说，学习MATLAB十分容易。

当在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时，仿真技术就成为必然的选择。

2.系统设计

2.1通信系统原理

通信的目的是传递消息，通信系统是一个以传递消息为目地的系统，通信系统的一般模型如下：

图1通信系统一般模型

图中，信源的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。

信源输出的信号称为基带信号。

所谓基带信号是指没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式，。

根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。

发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。

变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。

信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。

图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。

在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。

它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。

信宿是将复原的原始电信号转换成相应的消息。

2.2系统整体设计

此次课程设计是通信系统中的一种系统：

数字通信系统的仿真。

其基本框图如图2所示：

模拟信号

抽样

量化

信源编码

信道编码

数字调制

噪声

信道

模拟信号

数字滤波器

信道译码

信源译码

抽样判决

抽

图2通信系统基本原理框图

其中：

（1）模拟信号为原始的信原信号，采取自己构造以时间函数。

（2）抽样是将上述的时间和幅值都连续的模拟信号转换成时间离散幅值连续的信号。

（3）量化是将上述的时间离散幅值连续的抽样信号转换成时间离散幅值离散的信号，抽样量化采用脉冲编码调制（PCM）。

（4）信源编码是将上述量化后的值编码成0、1比特流的形式，并且可以减少冗余，提高效率，基带码采用Manchester码进行编码。

（5）信道编码是为了提高传输可靠性，信道码采用循环码进行编码。

（6）数字调制是将上述0、1比特流转换成适合在通信信道中传输的波形，调制方式为ASK调制。

（7）信道是信号传输的通道，信号在信道中传输时经常会有噪声的干扰。

（8）数字滤波器是将调制并加有噪声的信号，去除噪声，并且解调后形成方波形式的信号。

（9）抽样判决是将方波形号转换成0、1比特流。

（10）信道译码是信道编码的反过程，采用循环码进行译码。

（11）信源译码是信源编码的反过程，采用Manchester码进行译码。

（12）最后还原成模拟信号。

3.子系统设计

3.1脉冲编码调制（PCM）

脉冲编码调制（PCM）就是把一个时间连续，取值连续的模拟信号变换成时间离散，取值离散的数字信号后在信道中传输。

脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化，编码的过程。

3.1.1抽样（Samping）

抽样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值，变为在时间轴上离散的抽样信号的过程。

例如，话音信号带宽被限制在0.3～3.4kHz内，用8kHz的抽样频率（fs），就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。

对一个正弦信号进行抽样获得的抽样信号是一个脉冲幅度调制（PAM）信号。

对抽样信号进行检波和平滑滤波，即可还原出原来的模拟信号。

抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理，离散信号才可以完全代替连续信号。

低通连续信号抽样定理内容：

一个频带限制在赫内的时间连续信号,若以的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。

语音信号经过抽样变成一种脉冲幅度调制（PAM）信号。

3.1.2量化（Quantizing）

把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制数字表示的数字量的过程称为量化。

即：

抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可有无限多个值。

显然，对无限个样值一一给出数字码组来对应是不可能的。

为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。

量化后的抽样信号与量化前的抽样信号相比较，当然有所失真，且不再是模拟信号。

这种量化失真在接收端还原模拟信号时表现为噪声，并称为量化噪声。

量化噪声的大小取决于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化级差或间隔越小，量化噪声也越小。

量化误差：

量化后的信号和抽样信号的差值。

量化误差在接收端表现为噪声，称为量化噪声。

量化级数越多误差越小，相应的二进制码位数越多，要求传输速率越高，频带越宽。

为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多，通常采用非均匀量化的方法进行量化。

非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔，幅度小的区间量化间隔取得小，幅度大的区间量化间隔取得大。

非均匀量化的实现方法有两种：

一种是北美和日本采用的μ律压扩，一种是欧洲和我国采用的A律压扩。

在PCM-30/32通信设备中，采用A律13折线的分段方法，具体是：

Y轴均匀分为8段，每段均匀分为16份，每份表示一个量化级，则Y轴一共有16×8＝128个量化级。

；X轴采用非均匀划分来实现非均匀量化的目的，划分规律是每次按二分之一来进行分段。

13折线示意图如图3所示：

图313折线示意图

由于分成128个量化级，故有7位二进制码（27＝128），又因为Y轴有正值和负值之分，需加一位极性码，故共有8位二进制码。

3.1.3编码（Coding）

量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。

若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码（例如，赋予样值0的十进制数字代码为0），在码前以“＋”、“－”号为前缀，来区分样值的正、负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。

简单高效的数据系统是二进制码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。

根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。

这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。

量化噪声随量化级数的增多和级差的缩小而减小。

量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。

因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而减小，即随数字编码信号的速率提高而减小。

自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即PCM编码。

PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。

在实际的PCM设备中，量化和编码是一起进行的。

通信中采用高速编码方式。

3.2Manchester码编解码

Manchester（曼切斯特码）又称双向码，是一种超越了传统数字编码传输极限的编解码方式。

常规码型的最大缺点就是没有定位时钟信息。

数字传输过程中缺少定位时钟信息，也就无法识别收到数据位的开始与结束的宽度等，从而在通信过程中需要其他方式解决同步问题。

而曼切斯特码是一种自动同步的编码方式，即时钟同步信号就隐藏在数据波形中，这就有效的降低了通信系统设计的复杂度。

曼切斯特码一般可由NRZ码与NRZ码的时钟相异或而得到。

NRZ码这种二元码中低电平与高电平分别与二进制符号“0”与“1”一一对应，在整个码元期间内电平保持不变。

电脉冲之间无间隔，即脉冲的宽度等于码元的宽度，极性单一。

这种信号比较适合于数字电路处理。

图4曼切斯特编码图示

由图4可知，曼切斯特码是将NRZ普通二进制数据与其位率时钟相异或而得，从而解决了传输数据定时信号的同步问题。

如果传送数据信息为“1”时，曼切斯特编码在数据位的中心由高电平跳变为低电平；如果传送数据信息为“0”时，曼切斯特编码在数据位的中心由低电平跳变为高电平；如果数据信息有连续的“1”或“0”信息出现时，则曼切斯特编码数据位的中心跳变方向也保持“1”或“0”的跳变，即在编码后，数据信息“0”的跳变波形与时钟跳变波形保持一致，数据信息“1”的跳变波形则与时钟跳变波形相反（即相位相差180°）。

曼切斯特码是一种相位调制编码，即可知时钟波形的180°相位代表NRZ数据信号的逻辑高电平，而时钟波形就代表NRZ数据信号的逻辑低电平。

3.2.1曼切斯特编码原理

由上可知，我们可以自行约定从高电平到低电平的跳变表示数据“1”（称为“1”跳变）。

从低电平到高电平的跳变表示数据“0”（称为“0”跳变）.因此发送时钟必须在发送数据位的中间进行采样，即发送时钟的频率必须为数据频率的两倍。

而实现曼切斯特软件编码比较简单，根据曼切斯特码和二进制数据的对应关系，一位二进制数据子编码后将占据两位空间。

3.2.2曼切斯特解码原理

曼切斯特解码是曼切斯特编码的逆运算过程，也就是必须从曼切斯特码数据流中提取出时钟信息，并利用这个时钟去还原得到原二进制数据的过程。

根据曼切斯特码解码过程各阶段所完成的任务的不同，可以将曼切斯特码的解码过程分为：

起始符的识别以及获取同步时钟信息、识别同步数据头、提取数据信息等3个阶段。

3.3循环码编解码

设C使某

线性分组码的码字集合，如果对任

，它的循环移位

也属于C，则称该

码为循环码。

循环码特点有：

1）循环码是线性分组码的一种，所以它具有线性分组的码的一般特性，且具有循环性，纠错能力强。

2）循环码是一种无权码，循环码编排的特点为相邻的两个数码之间符合卡诺中的邻接条件，即相邻数码间只有一位码元不同，因此它具有一个很好的优点是它满足邻接条件，没有瞬时错误（在数码变换过程中，在速度上会有快有慢，中间经过其他一些数码形式，即为瞬时错误）。

3）码字的循环特性，循环码中任一许用码经过牡环移位后，所得到的码组仍然是许用码组。

对所有的i=0,1,2,……k-1，用生成多项式g（x）除

，有：

式中

是余式，表示为：

因此，

是g（x）的倍式，即

是码多项式，由此得到系统形式的生成矩阵为：

它是一个k

n阶的矩阵。

同样，由G

=0可以得到系统形式的一致校验矩阵为：

3.3.1循环码编码原理

有信息码构成信息多项式

，其中最高幂次为k-1；用

乘以信息多项式m（x），得到的

，最高幂次为n-1，该过程相当于把信息码（

，

，……，

，

）移位到了码字德前k个信息位，其后是r个全为零的监督位；

用g（x）除

得到余式r（x）,其次数必小于g（x）的次数，即小于（n-k），将此r（x）加于信息位后做监督位，即将r（x）于

相加，得到的多项式必为一码多项式。

编码步骤为：

1）有信息码构成信息多项式m（x）=mk-1xk-1+``````m0

其中高幂次为k-1；

2）用xn-k乘上信息多项式m（x），得最高幂次为n-1，做移位；

3）用g（x）除xn-km（x）和到余式r（x）。

相应的编码过程流程如图5所示：

图5循环码编码流程图

3.3.2循环码解码原理

循环码解码步骤为：

1）有接收到的y（x）计算伴了随式s（x）。

2）根据伴随式s（x）找出对应的估值错误图样。

3）计算c^（x）=y（x）+e^（x），得估计码字。

若c^（x）=c（x），则译码正确，否则错误。

由于g（x）的次数为n-k次，g（x）除E（x）后得余式（即伴随式）的最高次数为n-k-1次，故S（x）共有2n-k个可能的表达式，每一个表达式对应一个错误格式。

其相应的流程图如图6所示：

否

初始化

由R（x）确定S（x）：

S（x）=0，无误码误码

由S（x）确定错误图样E（x）

纠错

存储c（x）

图6循环码解码流程图

3.3.3纠错能力

由于循环码是一种线性分组码，所以其纠检错能力与线性分组码相当。

而线性分组码的最小距离可用来衡量码的抗干扰能力，那么一个码的最小距离就与它的纠检错能力有关。

定理：

对于任一个

线性分组码，若要在码字内

1）检测

个错误，要求码的最小距离

；

2）纠正

个错误，要求码的最小距离

；

3）纠正

个错误同时检测

个错误，则要求

；

循环码的译码分检错译码与纠错译码两类。

在无记忆信道上，对码字c，差错图案

和接收向量

的多项式描述为

定义

的伴随多项式为

由于

所以

由此可见，

则一定有差错产生，或说满足

的差错图样

产生，它满足

。

循环码的检错译码即是计算

并判断是否为0。

3.4ASK调制与解调

为了使数字信号能够在信道中传输，必须对数字信号进行调制。

幅移键控信号（即ASK）就是其中的一种。

ASK信号的幅度是随着调制信号而变化的，ASK信号的载波频率与外加载波信号相同。

最简单的是所谓二进制幅移键控信号2ASK，其调制与解调原理框图如图7所示。

调制器与解调器是两个相反功能的电路单元。

调制信号是载波在二进制基带信号1和0控制下产生的通断信号a（n），调制器将基带信号a（n）和载波信号Acos（ωt）相乘得到调制信号，调制信号与本地载波信号相乘实现解调，解调器将调制信号恢复成基带信号即解调后信号a（n）。

图7ASK调制与解调原理框图

3.5衰落信道

在某些有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以不经过调制和解调过程在信道中直接传送，这种不使用调制和解调设备而直接传输基带信号的通信系统，我们称它为基带传输系统。

而在另外一些远距离传输的信道，特别是无线信道和光信道中，由于信道中受到各种噪声和反射漫反射的影响，使得信号产生衰落。

数字基带信号则必须经过调制过程，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，相应地，在接收端必须经过解调过程，才能恢复数字基带信号。

我们把这种包括了调制和解调过程的传输系统称为数字载波传输系统。

衰落信道有很多种，为了方便，仿真中采用加性噪声加入到调制信号中以模拟最简单的衰落信道。

具体仿真步骤是产生两个随机信号取绝对值的平方相加再开平方，即得到一个小的加性噪声，模拟成一个衰落信道，再将它与调制后的信号相加即可。

4软件设计及结果分析

4.1编程工具的选择

这次选用的软件是MATLAB，因为这款软件的功能特很强大，学习方便，仿真容易实现。

MATLAB具有以下几个特点：

1）功能强大的数值运算功能；

2）强大的图形处理能力；

3）高级但简单的程序环境；

4）丰富的工具箱。

最重要的是MATLAB学习起来方便容易，以前有学C语言的基础，MATLAB与C语言有类似之处，编程流程大概差不多，但要注意的是MATLAB与C语言在程序代码上也有细微的差别，MATLAB是一种解释性语言，在写程序代码时容易方便，但是与C语言相比它的运算速度较慢，但功能强大。

4.2软件设计方案

经过我的思考，再加上查阅了大量资料后，有了以下编程设计思路。

主函数

通过编码子函数进行量化和编码

ASK子函数

产生模拟信源并得到抽样信号

通过A侓公式反转成原始模拟信号

通过13拆线得到转换后的值

线性分组码编码

数字调制

数字滤波器

抽样判决

信道译码

图8系统软件设计流程图

在主函数中，先产生一个模拟信号，再经过抽样后得到抽样值，将抽样值通过13拆线法转换成对应值，将转换后的值经过量化和编码后得到0、1比特流，再经过信道译码，再经过ASK调制，再人为加入一些噪声，再通过数字滤波器将噪声和载波滤掉，取出直流分量，得到方波波形。

再经过抽样判决后得到0、1比特流，再经过线性分组码译码，最后经过信源译码，再经过A侓公式反转成原始模拟信号，画出各阶段的波形。

4.3编码与调试

软件设计部分包含1个主函数和多个个子函数。

1）子函数y1=zhexian（x）的功能是将抽样后得到的值用13拆线转换成对应的值；

2）子函数bit=bianma（y4,n）的功能是将抽样后的值量化后进行自然二进制编码；

3）子函数bit2=xunhuan（m）的功能是进行信道编码即：

将每四位二进制后加三位监督位，比特流的总长度除以四余下的则不进行加监督位；

4）子函数bit3=xunhuanyima（gg）和bb=ASK（bit）的功能是将信源编码后的0、1序列再经过信道编码（7，4）线性分组码编码，将信道编码后的信号进行ASK调制，由于考虑到在信道中传输是会有噪声的影响，所以在仿真时我人为的加入一定的噪声，在接收端进行相干解调，用一个与调制信号同频的信号与接收到的信号（加入噪声后的已调信号）相乘，再用一个数字滤波器进行滤波，去掉了信号中的高频成份和噪声，取出直流分量，得到方波信号，对这个信号进行抽样判决将其转换成0、1比特流后，再经过信道译码；

5）子函数a3=yima（y,n）的功能是将接收到的0、1比特流分为八位二进制一组一组的，再将每八位二进制转换为十进制数，再到每段中去寻到与发关端有相同约定段号值。

即可恢复原信号的量化值；

6）子函数y5=Ayi（y,A）的功能是将恢复的量化值通过A律反转换公式得到对应的值，是用13拆线转换的反过程。

因为在当A＝86.5时，可以用13折线用13条折线近似A律的平滑曲线，在实际工程中A律的平滑曲线不易实现，而用13折线法可以降低工程实现中的难度。

主函数的功能是是产生模拟信号并且进行抽样得到抽样值，然后将各个子函数衔接到一块，形成一个比较完整的通信系统，进行仿真画出各个阶段重要的图形，并进行观察和分析。

4.4运行结果及分析

原始模拟信号如图9所示：

图9原始模拟信号

将此模拟信号按每周期取32个点抽样，得到以下图形：

图10抽样信号

将抽样后的量化值进行二进制编码，第八位二进制数表示一个量化值，将得到的二进制数进行信道编曲码，得到如下图形：

图11信道编码后的信