《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：
工作单位：
题目:
通信系统课群综合训练与设计
初始条件
1）MATLAB软件
2）通信原理各模块相关知识
要求完成的主要任务:
主要任务:
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其中信源为随机确定的一个模拟时间函数，数字化方式采用PCM编码，基带码为HDB3码，信道码采用循环码，调制方式为PSK，信道类型为衰落信道。
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。
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：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
现代通信系统主要借助电磁波在自由空间的传播或在导引媒体中的传输机理来实现，前者称为无线通信系统，后者称为有线通信系统，无线通信的应用也越来越广泛。
数字通信是无线通信系统中最为重要的环节，数字调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径之一。
数字通信的过程主要由信息源、信源编码、信道编码、调制、加噪声、解调、信道译码、信源译码以及接收等几个比较重要的环节，每个环节都有着至关重要的作用，因此应该对每个环节都采用相对失真度较低的方法进行实现，才能达到近乎无失真的传输，本课设运用MATLAB及附带的图形函数工具设计了脉冲编码调制、基带码为HDB3、信道码为循环码、调制方式为PSK和信道为衰落信道的数字通信系统仿真模型。
通过仿真，观察了解到了数字通信模型中各个环节的实现过程，并从中了解到数字信号处理对于数字通信的巨大作用，本文很详细地介绍了整个通信系统的各个模块的程序以及仿真过程，分析地比较透彻，便于理解，通信的整个过程是一个相对来说很复杂的过程，但是由于是利用仿真软件进行仿真，各个方面都比较理想，因此最后的结果误差很小，比较符合理想情况。
关键字：
数字通信脉冲编码调制循环码PSK调制解调衰落信道
Abstract
Moderncommunicationsystemsbymeansofelectromagneticwavesinthespreadoffreespaceorguidedmediatransmissionmechanismtoachievetheformeriscalledawirelesscommunicationsystem,whichisreferredtoaswiredcommunicationsystems,wirelesscommunicationhasbecomeincreasinglywidespreadapplication.Digitalcommunicationisthemostimportantpartofthewirelesscommunicationsystem,oneoftheimportantwaystoimprovethedigitalmodulationtechniques,improvementofcommunicationsystemperformance.Digitalcommunicationprocessbyafewofthemoreimportantaspectsoftheinformationsource,sourcecoding,channelcodingandmodulation,plusnoise,demodulation,channeldecoding,sourcedecodingandreception,andeachlinkhasacrucialrole,andshouldthereforebeoneveryaspectoftherelativelylowdistortionmethodtoachieveinordertoachievethenear-losslesstransmission,thelessonsetusingMATLABgraphicsfunctionsandincidentaltooldesignedtopulsecodemodulation,thebasebandcodeforHDB3channelcodeisacycliccodemodulationschemesfordigitalcommunicationsystemsimulationmodelthePSKandchannelfadingchannel.Simulation,observationlearnedallaspectsoftheimplementationprocessinthemodelofdigitalcommunications,digitalsignalprocessingandlearnahugeroleindigitalcommunication,averydetaileddescriptionoftheentirecommunicationsystemofthevariousmodulesoftheprogramaswellasthesimulationprocess,anyanalysisthoroughcomparison,tofacilitateunderstanding,thecommunicationofthewholeprocessisarelativelycomplexprocess,butduetotheuseofsimulationsoftwareforsimulation,aspectsaremoreideal,thereforefinalresultsoferrorisverysmall,comparetheidealsituation.
Keywords:
PSKmodulationanddemodulationdigitalcommunicationpulsecodemodulationcyclecodefadingchannel
1课程设计任务与要求
1.1课程设计的目的
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课程设计的任务与要求
要求利用仿真软件（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（如图1-1所示）。
其中信源为随机确定的一个模拟时间函数，数字化方式采用PCM编码，基带码为HDB3码，信道码采用循环码，调制方式为PSK，信道类型为衰落信道。
要求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。
图1-1典型的通信系统
2数字通信系统原理分析
通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿（受信者），它的一般模型如图1-1所示。
通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统，数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。
因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。
近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。
本次课程设计的数字通信系统原理框图如图2-1所示。
图2-1数字通信系统框图
2.1脉冲编码调制原理分析
模拟信号进行数字传输的原理框图如图2-2所示。
图2-2模拟信号数字化过程
2.1.1模拟信号抽样过程
抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。
抽样定理：
设一个频带限制的（0，fH）Hz内的时间连续信号m（t）如果它不少于2fH次/s的速率进行抽样，则m（t）可以由抽样值完全确定。
图2-3模拟信号抽样过程
如图2-3就是简化的模拟信号转换离散的数字信号的抽样过程，其中f（t）是连续的时间信号，也就是模拟信号，在送到乘法器上与s（t）取样脉冲序列进行乘法运算，事实上取样脉冲序列就是离散的一个个冲激函数。
因此有
公式2-1
另外要注意的是，采样间隔的周期要足够的小，采样率要做够的大，要不然会出现混叠现象，一般情况下如果模拟信号的最高频率为fh时，采样频率fs>=2fh。
2.1.2抽样信号的量化过程
量化就是利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程。
时间连续的模拟信号经过抽样后的样值序列虽然在时间上离散，但是在幅度上仍然是连续的，在通信系统中已经有很多的量化方法了，最常见的就是均匀量化与非均匀量化。
均匀量化概念比较早出来。
因其有很多的不足之处，很少被使用，这就有了非均匀量化的概念。
非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。
它是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平的，以改善量化性能，它的特点是输入小时量阶也小，输入大时，量阶也大。
整个范围内信噪比几乎是一样的，缩短了码字长度，提高了编码效率。
实际中非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x先进行压缩处理，再把压缩的信号y进行非均匀量化。
通常使用的压缩器中，大多数采用对数压缩，即y=lnx。
广泛采用这两种对数压扩特性的是u/A率压扩。
μ律压缩特性
压缩规律：
μ压缩特性近似满足下对数规律
公式2-2
μ律压缩定性分析
μ=0时:
无压缩作用（直线）
μ＞0时:
μ↑→压缩明显
压缩作用---y是均匀的，而x是非均匀的→信号越小△x也越小
A压缩率
所谓的A压缩率就是压缩器具有如下特性：
公式2-3
公式2-4
上式中：
x为归一化的压缩器输入电压；归一化的压缩器输出电压；A为压扩参数，表示压缩程度。
本次课程设计采用的是非均匀量化的方式，使用的是A率压缩的方式，这种方式是我国目前通信中最为普遍与常用的方式。
2.1.3量化信号的编码
所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。
当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。
在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：
低速编码和高速编码。
通信中一般都采用第二类。
编码器的种类大体上可以归结为三类：
逐次比较型、折叠级联型、混合型。
在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。
下面结合13折线的量化来加以说明。
在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。
若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。
具体的做法是：
用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。
其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
这样处理的结果，8个段落被划分成27＝128个量化级。
13折线编码
特点：
基本上保持压缩特性，又便于数字实现。
图2-413折线法图
如表2-1左边是段落码和段落之间的关系，右边是段内码16个量化级之间的关系。
段落序号
段落码
量化级
段内码
8
111
15
1111
14
1110
7
110
13
1101
12
1100
6
101
11
1011
10
1010
5
100
9
1001
8
1000
4
011
7
0111
6
0110
3
010
5
0101
4
0100
2
001
3
0011
2
0010
1
000
1
0001
0
0000
表2-1段落吗与段内码
脉冲编码调制－PCM系统的量化噪声：
对于PCM系统，这相当于要求传输速率2NfHb/s，故要求系统带宽B=NfH，即要求
公式2-5
上式表明，PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽B按指数规律增长。
误码率：
误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。
如果有误码就有误码率。
简单的说，误码率就是在数字传输过程中，在发送到接收端，发送错误的码元个数占总的码元个数的比例。
误码率的计算公式如下：
公式2-6
PCM的译码过程即是编码过程的逆过程，其原理就不在这里赘述了。
2.2基带HDB3编译码原理
HDB3码称为三阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，改进之后既保持了AMI码的有点，没有直流成分，高低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处，并且又解决了AMI码的提取信号困难的缺点，是一种较为常用的基带码型。
该码型编译码的实现都比较简单，其编译码程序见附录的程序所示。
其编码规则为：
1先将消息代码变换成AMI码，若AMI码中连0的个数小于4,此时的AMI码就是HDB3码;
2若AMI码中连0的个数大于3,则将每4个连0小段的第4个0变换成与前一个非0符号（+1或-1）同极性的符号,用表示（+1+,-1-）;
3为了不破坏极性交替反转，当相邻符号之间有偶数个非0符号时，再将该小段的第1个0变换成＋B或-B,符号的极性与前一非零符号的相反，并让后面的非零符号从符号开始再交替变化。
解码规则为：
1虽然编码很复杂，但解码规则很简单，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。
2.3信道编码循环码编译码原理
2.3.1循环码编译码原理与特点
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。
该码在结构上有另外的限制，即一个码字任意循环移位的结果仍是一个有效码字。
其特点是：
（1）可以用反馈移位寄存器很容易实现编码和伴随式的计算；
（2）由于循环码有很多固有的代数结构，从而可以找到各种简单使用的译码办法。
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。
2.3.2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。
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）。
2.3.3循环码译码原理
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。
可以知道（7,4）循环码的S（x）共有2（7-4）=8个可能的表达式，可根据错误图样表来纠正（7,4）循环码中的一位错误。
2.4PSK调制与解调及衰落信道原理
PSK调制又称为相移键控，相移键控是相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。
在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。
因此，2PSK信号的时域表达式为
其中，
表示第n个符号的绝对相位：
因此，上式可以改写为
2PSK信号的调制原理框图如图2-5所示，其中控制键控的s（t）是双极性的二进制码。
图2-52PSK信号的调制原理框图
解调原理
2PSK信号的解调方法是相干解调法。
由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。
下图2-6中给出了一种2PSK信号相干接收设备的原理框图。
图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在进行抽样判决。
判决器是按极性来判决的。
即正抽样值判为1，负抽样值判为0.
图2-6psk调制解调原理框图
2PSK信号相干解调各点时间波形如图2-7所示.当恢复的相干载波产生180°倒相时,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反,解调器输出数字基带信号全部出错。
图2-62PSK信号相干解调各点波形图
另外，本次课程设计中要求使用衰落信道,我们采用较为简单的瑞利衰落信道，在无线通信信道环境中，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后，总信号的强度服从瑞利分布。
同时由于接收机的移动及其他原因，信号强度和相位等特性又在起伏变化，故称为瑞利衰落。
瑞利衰落中最简单的模型就是两个独立高斯噪声矢量模的平方开方，即是产生的瑞丽衰落信道模型，在MATLAB软件中很容易实现。
3方案设计验证
3.1PCM编译码方案设计
脉冲编码调制电路的软件仿真主要由三个部分组成，即抽样、量化和编码三个过程。
其软件编码的流程图如图3-1所示。
按照流程图即可设计出比较理想的脉冲编码调制代码。
图3-1PCM编码流程图
PCM译码即为编码的逆过程，其译码的流程图如图3-2所示。
图3-2PCM译码流程图
3.2循环码编译码方案设计
循环码的编译码原理相对复杂，但是MATLAB软件中有可以直接对二进制序列进行编译码的函数，分别为encode编码函数和decode译码函数，它们的用法如下：
1）encode函数
功能：
编码函数
语法：
code=encode（msg,N,K,method,opt）
说明：
用method指定的方法完成纠错编码。
其中msg代表信息码元，是一个K列矩阵，N是编码后的码字长度；K是信息位的长度；opt是有些编码方式需要的参数。
2）decode函数
功能：
译码函数
语法：
msg=decode（code，N，K，method，opt1,opt2,opt3,opt4）;
说明：
这个函数对接收到的码字进行译码，恢复出原始的信息，译码参数和方式必须和编码时采用的严格相同。
它对接收到的码字，按method指定的方式进行译码；opt1，…，opt4是可选项的参数。
利用这两个函数可以很方便的实现循环码的编译码，使用（7，4）码进行编解码，循环码编码时，函数变量中的method应为cyclic。
3.3HDB3编译码方案设计
HDB3码的编码原则为：
首先将原始的0、1序列转换为AMI序列；然后把“0000”换为取代节，即先将“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”；最后再更新符号，原则是：
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，就可以编符号了。
其编码的流程图如图3-3所示。
图3-3HDB3编码流程图
HDB3码的译码规则很简单，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；再将所有的-1变换成+1后，就可以得到原消息代码。
其译码流程图如图3-4所示。
图3-4HDB3译码流程图
3.4PSK调制解调方案设计
由于本次数字通信系统的基带码采用的是HDB3码，HDB3码是三阶的双极性吗，对应的二进制序列是三进制，因此如果采用简单的2PSK无法实现PSK的调制与解调，需要对原始的PSK调制方法加以改进，使之成为3PSK才可以实现调制。
其中数字码元中的-1对应着PSK调制信号中的0相位，0对应着900相位，1对应着1800相位，分别对载波实现调制。
调制模块的流程图如图3-5所示。
图3-5三进制PSK调制流程图
3PSK的解调与2PSK解调方式相同，均可以采用相干解调的方法来实现信号的解调。
其解调的流程图如图3-5所示。
图3-5PSK解调流程图
3.5瑞利衰落信道方案设计
瑞利衰落信道是一种无线电信号传播环境的统计模型。
这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。
在MATLAB软件中有可以产生瑞利衰落信道的函数即rayleignchan函数，用此函数便可以产生一个简单的瑞利衰落信道，该函数的用法可以参考一下MATLAB软件查阅，此处不再赘述。
4基于MATLAB的系统仿真分析
4.1MATLAB软件介绍
Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。
由于它使用简单，扩充便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。
可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。
科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。
目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。
另外，,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。
可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。
Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。
Matlab的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。
应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。
另外，Matlab的图形界面功能GUI（GraphicalUserInterface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。
因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具
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