通信系统课程设计matlab.docx

1、通信系统课程设计matlab！ 课程设计任务书学生姓名： 何思遥 专业班级： 通信1002班 指导教师： 艾青松 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 课程设计目的：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。要求完成的主要任务:利用仿真软件（如Matlab或SystemView），或硬件实

2、验系统平台上设计完成一 个典型的通信系统。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。设计要求为： 模拟信源为自己构造一时间函数，数字化方式为PCM，基带码为Miller码，信道码 汉明码，调制方式为ASK，信道为AWGN信道，解调方式与发送端对应。 课程设计进度安排序号设 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 教师签名： 年 月 日 系主任签名： 年 月 日 摘要本次课程设计主要是仿真通信系统中的编码和调

3、制过程。调制在通信系统中有十分重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。MATLAB软件广泛用于数字信号分析，系统识别，时序分析与建模，神经网络、动态仿真等方面有着广泛的应用。本课题利用MATLAB软件完成模拟信号进行PCM编码、Miller编码、汉明码、ASK调制、经过AWGN信道，再解调、译码的完整通信系统仿真，并通过统计误码率和对比前后波形，对这个通信系统进行评估。本次课程设计是利用仿真软件或硬件实验系统平台上设计完

4、成一个典型的通信系统。一般的通信系统是由信源，发送设备，信道，接收设备，接收者构成。根据此次课程设计的要求，是将一模拟信号经过数字化，信源编码，信道编码，数字调制后再经过相应的解码调制后，得到原始信号。关键字：MATLAB，编码，调制，解调，译码，通信系统Abstract This course is designed to simulate the process of coding and inacommunicationsystemhasaveryimportantrole.Throughthemodulation,cannotonlymovethemodulationsignalspe

5、ctrum,andthespectrumofthemovetowanttheposition,andthemodulationsignalintosuitablefortransmissionofthemodulatedsignal,andittothesystemtransmissionefficiencyandthereliabilityof thetransmissionhasagreatinfluenceonthemodulationmethod,oftendeterminesacommunicationsystemperformance.MATLABsoftwareiswidelyu

6、sedindigitalsignalanalysis,systemidentification,timeseriesanalysisandmodeling,neuralnetworks,dynamicsimulationforsuchapplications.ThistopicusingMATLABsoftwaresimulationsignalPCMcoding,Manchestercoding,hammingcodeandASKmodulation,throughAWGNchannel,anddemodulation,decodingtheintegrityofthecommunicati

7、onsystemsimulation,andthroughthestatisticalerrorrateandcontrastbeforeandafterwaveform,thecommunicationsystemtoevaluate.Thiscourseisdesignedusingsimulationsoftwareorhardwareexperimentsystemplatformdesigncompletedatypicalcommunicationsystem.Thegeneralcommunicationsystemisbythesource,sendequipment,chan

8、nel,receivingequipment,constitutethereceiver.Accordingtotherequirementsofthecoursedesign,itisaanalogsignalthroughdigital,sourcecoding,channelcoding,digitalmodulationafteraftercorrespondingdecodingmodulation,gettheoriginalsignal. Keywords:MATLAB ,Coding,modulationanddemodulation,decoding,communicatio

9、nsystem1设计任务设计目的 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。课程设计要求 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。1.培养学生根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。2.通过对实验电路

10、的分析计算，了解简单实用电路的分析方法和工程设计方法。3.掌握示波器，频谱仪，失真度仪的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和 整机指标测试方法，提高动手能力。课程设计任务 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。 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。（信源为模拟信源，数字化方式为增量调制，基带码为Miller码，信道码为循环Hamming，调制方式为ASK调制，信道类型为AWGN信道）2 实验电路原理分析实验原理框图 图 实验原理框图 数字化有三个基

11、本过程：抽样、量化、编码。根据编码的不同有几种调制方法，如脉冲振幅调制（PAM），脉冲编码调制（PCM），差分脉冲编码调制（DPCM），增量调制。基带传输的常用码型有AMI码，HDB3码，PST码，曼彻斯特码，密勒码，CMI码。 信道编码主要是为了解决数字通信的可靠性问题。常用编码有汉明码，卷积码，循环码，BCH码。 数字调制的目的是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号，提高信号在信道上传输的效率，达到信号远距离传输的目的。常见的数字调制方式有振幅键控（ASK），频移键控（FSK），相移键控（PSK）。 信道是信号传输媒介的总称，传输信道的类型有无线信道（如电缆、光

12、纤）和有线信道（如自由空间）。两种常见的信道有加性高斯白噪声信道，多径衰落信道。 根据题目要求，数字化方式为PCM调制，基带码为Miller码，信道码为Hamming码，数字调制方式为ASK调制，信道为AWGN信道，则有以下原理框图。 图 实验原理框图 PCM原理通常是把从模拟信号抽样、量化，直到编码为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制（PCM），简称脉码调制。 在编码器中由冲激脉冲对模拟信号抽样，得到在抽样时刻上的信号抽样值。这个抽样值仍是模拟量。在量化之前，通常由保持电路将其作短暂保存，以便电路有时间对其量化。在实际电路中，常把抽样和保持电路做在一起，称为抽样保持电路。量化器把模拟抽样

13、信号变成离散的数字量，然后在编码器中进行二进制编码。这样每个二进制码组就代表一个量化后的信号抽样值。解码的原理和编码过程相反。（1）抽样：抽样是对模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。经过抽样的信号应包含原信号的所有信息，即能无失真地恢复出原模拟信号。（2）量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定Q规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。按照量化级的划分方式分，有均匀量化和非均匀量化。均匀量化：把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平在各区间的中点。其量化间隔v取决于输入信号的变化范围和量化电平数。当信号的变化范围

14、和量化电平数确定后，量化间隔也被确定。 上述均匀量化的主要缺点是，无论抽样值的大小如何，量化噪声的均方根都固定不变。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的信号量噪比就很难达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围。可见，均匀量化是的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这一个缺点，实际中往往采用非均匀量化。 非均匀量化：非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的输出端可以

15、得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的信号量噪比。常见的非均匀量化有A律和率等，它们的区别在于量化曲线不同。本课设中使用的13折线压缩是有A律压缩近似而来。其折线图如下。 图 13折线压缩示意图（3）编码：把抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。话音PCM的抽样频率为8kHz，每个量化样值对应一个8位二进制码，故话音数字编码信号的速率为8bits8kHz64kb/s。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

16、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。基带编码Miller码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，即00和1

17、1交替。编码例图如下。 图 Miller码编码规则实例图信道编码Hamming码汉明码用于数据传送，能检测所有一位和双位差错并纠正所有一位差错的二进制代码，是一种编码效率较高的线性分组码。与其他的错误校验码类似，汉明码也利用了奇偶校验位的概念，通过在数据位后面增加一些比特，可以验证数据的有效性。利用一个以上的校验位，汉明码不仅可以验证数据是否有效，还能在数据出错的情况下指明错误位置。在接受端通过纠错译码自动纠正传输中的差错来实现码纠错功能，称为前向纠错FEC。在数据链路中存在大量噪音时，FEC可以增加数据吞吐量。通过在传输码列中加入冗余位(也称纠错位)可以实现前向纠错。但这种方法比简单重传协议

18、的成本要高。汉明码利用奇偶块机制降低了前向纠错的成本。 二进制幅移键控（2ASK）调制与解调原理2ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。幅移键控（ASK）相当于模拟信号中的调幅，只不过与载频信号相乘的是二进数码而已。幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是通过载波的幅度来传递的。由于调制信号只有0或1两个电平，相乘的结果相当于将载频或者关断，或者接通，它的实际意义是当调制的数字信号1时，传输载波；当调制的数字信号为0时，不传输载波。其调制器原理框图如下。 单极性不归零信号 e(t) S（t） coswt 图 2ASK调制原理框图调制过程的时间波

19、形如下。图 2ASK调制波形图本课设中ASK的解调采用相干解调方式，与模拟信号的接收系统相比，这里增加了一个抽样判决器的方框，这对于提高数字信号的接收性能是必要的。下图为2ASK接受系统的组成方框图。 coswt 定时脉冲图 2ASK解调原理框图图 给出了解调过程的时间波形。 图 2ASK解调波形图 AWGN信道噪声加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhiteGaussianNoise)是最基本的噪声与干扰模型。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一

20、常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。3 各模块的MATLAB实现信号源根据题目的要求，自己构造一个时间函数，本课设模拟话音信号。因为话音信号的频率在300Hz3400Hz之间，取典型值400Hz。构造一个模拟正弦函数。 为了使得经过抽样的信号包含原信号的所有信息，即能无失真地恢复出原模拟信号。抽样信号设定采样频率为8000Hz，因而采样点间步长为1/8000s。程序为：fs=8000; %设定采样频率 dt=1/fs; %设定步长N=30; %设置图像上一共画30个点n=0:N-1; f=400; %语音信号频率400，抽样频率800

21、0，故每个波形20个抽样点 t0=(0:89)*dt/3 y0=sin(2*pi*f*t0); %构造正弦函数（由于matlab函数构造的正弦本来就是离散的， %所以令数据点数远远大于抽样后的点数来模拟这个抽样过程）t=n*dt; y=sin(2*pi*f*t); %抽样后figure(1);subplot(2,1,1);plot(t0,y0);title(连续函数);subplot(2,1,2);stem(t,y);title(抽样);仿真结果如图， 图 信号源仿真图 PCM编码首先编写13折线非均匀编码的函数，在PCM编码函数中进行调用。PCM编码函数如下。function pcm_de

22、=PCM( input_args )%此pcm编码函数，采用13折线法非均匀编码，折叠码，参照276页y13=line13(y);%进行非均匀编码figure(2);plot(t,y13);title(13折线法进行压缩); yfix=fix(127*y13); %fix为向零取整函数figure(3);plot(t,yfix);title(取量化单位（最大为128个量化单位）);ypcm=zeros(length(y),8);%length(y)其实就是Nabsyfix=abs(yfix);for i=1:length(y) %十进制转化成二进制%dec2binvec函数结果不对所以没有用这

23、个函数 ypcm(i,2)=fix(absyfix(i)/64); ypcm(i,3)=fix(rem(absyfix(i),64)/32); ypcm(i,4)=fix(rem(absyfix(i),32)/16); ypcm(i,5)=fix(rem(absyfix(i),16)/8); ypcm(i,6)=fix(rem(absyfix(i),8)/4); ypcm(i,7)=fix(rem(absyfix(i),4)/2); ypcm(i,8)=fix(rem(absyfix(i),2);endfor i=1:length(y) if(sign(yfix(i)=-1)%负数 ypcm(

24、i,1)=0; %加负数符号位为0 else if(sign(yfix(i)=1) ypcm(i,1)=1; else if(sign(yfix(i)=0)%零 ypcm(i,1)=1; end end endend ypcm1=zeros(1,8*length(y); %ypcm是一个8*length=240的矩阵，而ypcm1是整合后输出的一行矩阵for i=1:length(y) ypcm1(8*i-7:8*i)=ypcm(i,:); figure(4);dt1=1/(fs*8);%矩形脉冲的宽度变为原 抽样间隔的1/8n1=0:8*length(y)-1;%每个抽样值8bitt1=n1

25、*dt1;stairs(t1,ypcm1);axis(0,N*dt,);%时间范围不变title(PCM编码);编码的仿真结果如下图。图 信号的非均匀量化图 PCM 编码结果 Miller编码Miller编码的子函数如下。function miller = Miller(x)%参照通信原理143页%miller码编码规则：“1”用码元中心点出现跃变来表示，即用10和01交替表示， % 单个“0”在码元持续时间内不出现电平跃变，且相邻码元的边界处也不跃变 % 连“0” 在两个0码的边界出现电平跃变，即用00和11交替表示miller=zeros(1,2*length(x);ex=1; %exch

26、angeflag1=0;for i=1:length(x); if x(i)=1 %若原码为1，则密勒码为10,01交替 miller(2*i-1:2*i)=ex,not(ex); ex=not(ex); %ex用来作为01交替的标记 flag1=1; %flag1 用来作为上一个码的标记，若上一个码为1，则flag1为1 else if flag1=1 %若原码为0；且上一个码为1 miller(2*i-1:2*i)=ex,ex; flag1=0; else %若原码为0；且上一个码为为0 ex=not(ex); miller(2*i-1:2*i)=ex,ex; end endend fs=

27、8000; %设定采样频率 dt=1/fs; %设定步长N=30; %设置图像上一共画30个点 figure(5)dt1=1/(fs*8*2);%矩形脉冲的宽度变为原 抽样间隔的1/8*1/2n1=0:8*N*2-1;%每个抽样值8bit，miller码一个码变两个t1=n1*dt1;stairs(t1,miller);axis(0,N*dt,);%时间范围不变title(Miller编码);end 为了更清晰的验证Miller码实现的功能，在编程时首先对一个8bits数据进行测试，验证程序的正误。仿真结果如下图。图 Miller编解码和Hammig编解码8bits示意图 对信号源的PCM码进

28、行Miller编码的结果如下 图 Miller编码结果图 Hamming编码Hamming编码的子函数如下。function hamming = Hamming( x )%UNTITLED2 Summary of this function goes here% Detailed explanation goes herehamming=encode(x,7,4,hamming) ;fs=8000; %设定采样频率 dt=1/fs; %设定步长N=30; %设置图像上一共画30个点 figure(6)dt1=1/(fs*8*2*7/4);%矩形脉冲的宽度1/dt1 变为原抽样间隔的1/8*1/

29、2*4/7n1=0:8*N*2*7/4-1;%每个抽样值8bit，miller码1个变2个，汉明码4个码变7个t1=n1*dt1;stairs(t1,hamming);axis(0,N*dt,);%时间范围不变title(Hamming编码);end 为了更清晰的验证Hamming码实现的功能，在编程时首先对一个8bits数据进行测试，验证程序的正误。仿真结果见图 Miller编解码和Hammig编解码8bits示意图。对信号源的Miller码进行Hammig编码的结果如下图。 图 Hamming编码结果图 ASK调制 首先产生一个载波，与之前的汉明编码的结果相乘，形成ASK调制信号。ASK调

30、制的子函数如下。function ask = ASK(x)%产生一个载波，频率为m*fs*8*2*7/4fs=8000; %设定采样频率 dt=1/fs; %设定步长N=30; %设置图像上一共画30个点 m=3;fc=m*fs*8*2*7/4;%开始采用载波频率 与汉明码 矩形脉宽保持一致,结果发现解调时效果不佳 %所以这里令 每三个载波去调制一位二进制 dt1=1/m*1/20*1/(fs*8*2*7/4);%载波每个sin波形 20个点n1=0:m*20*8*N*2*7/4-1;%每个抽样值8bit，miller码1个变2个，汉明码4个码变7 t1=n1*dt1;y=sin(2*pi*fc*t1);%构造载波正弦函数figure(7);%函数间存在调用则一定要标明是第几个图，否则会出现几十个图