课程设计 (自动保存)

1、长沙理工大学通信原理 课程设计报告刘慧青学 院 城南学院 专 业 通信工程 班 级 通信1302班 学 号 201385250201 学生姓名 刘慧青 指导教师 曹 敦 课程成绩 完成日期 2016 年 1 月 8 日课程设计成绩评定系 别 水利计通系 专 业 通信工程 班 级 通信1302班 学 号 201385250201 学生姓名 刘慧青 指导教师 曹敦 课程成绩 完成日期 2016年01月08日 指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计

2、的评定意见综合成绩 指导教师签字 2016年 月 日课程设计任务书 城南学院 学院 通信工程 专业 课程名称通信原理课程设计时间20152016学年第一学期1719周学生姓名刘慧青指导老师曹 敦题 目频带传输通信系统仿真基于DPCM编码和PSK调制主要内容： 本课程设计的目的主要是仿真通信系统中的信源编码和频带传输。录制一段语音信号，对其进行DPCM编码后再进行PSK调制，送入加性高斯白噪声信道传输，在接收端对其进行PSK解调和DPCM解码以恢复原信号，回放比较传输前后的语音质量，并观察前后信号波形是否一致，绘制误码率曲线，并结合理论进行说明。要求：（1）本设计开发平台为MATLAB中的Sim

3、ulink。（2）模型设计应该符合工程实际，模块参数设置必须与原理相符合。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。应当提交的文件：（1）课程设计学年论文。（2）课程设计附件（主要是模型文件和源程序）。 刘慧清 频带传输通信系统仿真基于DPCM编码和PSK调制第43页 共35页 黑小4频带传输通信系统仿真基于DPCM编码和PSK调制学生姓名：刘慧青 指导老师：曹敦摘 要 本课程设计的目的主要是仿真通信系统中的信源编码和频带传输。录制一段语音信号，对其进行DPCM编码后再进行PSK调制，送入加性高斯白噪声信道传输，在接收端对其进行PSK解

4、调和DPCM解码以恢复原信号，回放比较传输前后的语音质量，并观察前后信号波形是否一致，绘制误码率曲线，并结合理论进行说明。关键词 DPCM编解码；PSK调制解调；高斯白噪声；误码率；MATLAB/Simulink1 引 言通信按照传统的理解就是信息的传输。在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为社会的“命脉”。信息作为一种资源，只有通过广泛地传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经济效益。而通过作为传输信息的手段或方式，与传感技术、计算机技术相互融合，已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的

5、发展将会产生更加重大和意义深远的影响。目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。同时高效的数据压缩技术以及

6、光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。因此，数字通信的应用必将越来越广泛1。本课程设计主要是设计一个基于DPCM编码和PSK调制的语音信号频带传输通信系统并对其进行仿真。在设计此语音信号频带传输通信系统时，首先对输入语音信号利用相关的模块进行DPCM编码和PSK调制，再通过加入高斯白噪声传输信道，接着在接收端对信号进行PSK解调和DPCM译码，最后把输出的语音信号和输入的语音信号进行比较。1.1 课程设计的目的1、对通信原理这门课程有更深入、更系统地认识。2、掌握一个系统的整体过程，能够对一个系统有全面的了解和认识，能够根据要求设计所需要的系统。3、掌握数字传输系统的好处与意义。

7、4、掌握模拟信号的数字化，即模拟信号的编码，本课程设计用的是DPCM编码。5、掌握把数字信号转化为模拟信号，即数字信号的译码，本课程用的是DPCM的解码。6、掌握频带传输的意义和好处。7、掌握频带传输的调制与解调，本课程为ASK的调制与解调。8、学会运用设计平台来模拟所需设计的通信系统。1.2 课程设计的要求（1）本设计开发平台为MATLAB/Simulink。（2）模型设计应该符合工程实际，模块参数设置必须与原理相符合。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。1.3 设计平台MATLAB/SimulinkSimulink是MATLA

8、B最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程

9、只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试12 设计原理本课程设计设计的是正弦信号的频带传输系统，其需要进行信源编码。信源编码是针对信源发送信息所进行的压缩编码2。信源编码有三个部分：抽样、量化和编码。而正弦信号具有很强的短时相关性，所以信源编码采用的是差分脉冲编码(DPCM)，这样可以提高量化精度或减

10、少编码比特数。由于频带传输和数字调制可以有更好的传输质量，还能提高传输系统的有效性，因此本课程设计采用了频带传输和数字调制。2.1 带通通信概述数字信号的传输方式分为基带传输（baseband transmission）和带通传输（bandpass transmission）。实际中的大多数信道（如无线信道）因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变为数字带通信号（已调信号）的过程称为数字调制（digital modu

11、lation）。在接收端通过解调器把带通信号还原称数字数字基带信号的过程称为数字解调（digital demodulation）。通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统1。虽然数字基带传输系统可以在距离比较短的情况下直接传送，但是如果要远距离传输时，特别是无线或光纤信道传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输2。一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。因此数字调制技术有两种方法:利用模拟调制的方法去实现数字式的调制，即把数字调制看成是模拟调制特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；利用数字信号的离散取值特点通过开

12、关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控（Amplitude Shift Keying,ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying,FSK）和相移键控（Phase Shift Keying,PSK）三种基本的数字调制方式1。语音信号是模拟信号，在对模拟信号进行远距离传输时。应先通过编码，将模拟信号变换为数字信号。在对语音信号进行编码的方法主要可以分为三类：波形编码（波形编码常用的编码类型有PCM、ADM、ADPCM、APC、SBC、ATC），参数编码和混合编码3。图2-1 模拟信号数字化传输通信系统2.2

13、 DPCM编码方法DPCM是差分脉冲编码调制的英文简称，是对模拟信号幅度抽样的差值进行量化编码的调制方式。这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的抽样值，对它们的差值进行编码。差值编码可以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号的数字通信之中。在预测编码中，每个抽样值不是独立地编码，而是先跟据前几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值和预测值之差。将此差值编码并传输。此差值称为预测误差。话音信号等连续变化的信号，其相邻抽样值之间有一定的相关性，这个相关性使信号中含有冗余信息。由于抽样值及其预测值之间有较强的相关性，即抽样值和其预测值非产接近，使此预测误差的可能取值范围，比抽样值的变化范围小。所

14、以，可以少用几位编码比特来对预测误差编码，从而降低其比特率。这就是说，利用减小冗余率的办法，降低了编码比特率3。在DPCM中，只将前一个抽样值当做预测值，再取当前的抽样值和预测值之差进行编码并传输。这是，与撤职就简化成一个延时电路，其延时时间为一个抽样间隔时间Ts。DPCM系统的原理方框图如图2-2所示。(a) 编码器(b) 译码器图2-2 DPCM系统原理方框图2.3 PSK调制原理调制是将信号转换为适合信道传输或便于信道多路复用的已调信号，即将基带信号变换为适合于信道传输的频带信号。调制在通信系统中的作用至关重要，它的主要作用和目的是将基带信号(调制信号)变换成适合在信道中传输的已调信号、

15、实现信道的多路复用和改善系统抗噪声性能。因此我们需要把正弦信号进行调制。数字调制的方式有振幅键控(PSK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)等多种形式，但这三种是基本的数字调制方式。相干PSK的性能最好，目前已在中、高速传输数据时得到广泛应用。 相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息的，而振幅和频率保持不变。在PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，PSK信号的时域表达式为式（2-3）。 （2-3）其中，表示第n个符号大的绝对相位。当发送“0”时，为0; 当发送“1”时，为。因此式（2.3-1）可改写为式（2-4）。 （2-4）其中 的概率为P，的概率为-P。

16、由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故PSK信号一般可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即式（2-5）。 （2-5）其中的表达式为式（2-6）。 （2-6）这里，是脉宽为的单个矩形脉冲。发送二进制符号“0”时（取1），取0相位；发送二进制符号“1”时（取-1），取相位。这种以载波的不同相位直接去表示二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式1。PSK信号的调制原理框图如图2-3和图2-4所示。图2-3 PSK信号模拟调制方法图图2-4 PSK信号键控法调制图PSK信号的解调通常采用相干解调法，如图2-6所示。 图2-5 PSK信号相干解调法3系统设计具体的

17、实现步骤可以把每一个模块单独地实现出来，再把它们整合在一起以实现所想做的系统设计，这才是最好的设计思想。因此，以下就是在一个模块中再加模块来一步一步地实现该正弦信号的频带传输系统的。3.1 DPCM编解码在Simulink中新建一个后缀为.mdl的文件，在该文件中画出DPCM编码、解码图。用线把信号源与DPCM编码器连接起来，再将DPCM编码器与译码器连接，用示波器观察它们的波形。如图3-1所示：图3-1 DPCM编码方框图图3-2 Sine wave参数设置图3-3 Zero-order hold参数设置对当前输入信号与其前一个单位时间的输入信号的幅度差值进行编码（以下简称差值），图（3-4

18、3-5）为加法器和积分器的参数设置。图3-4 Sum参数设置图3-5 Unit delay参数设置图3-6 Sum1 参数设置差值通过继电器relay编写极性码，差值为正，输出0；差值为负，输出1。参数设置见图图3-7 Relay参数设置差值通过绝对值abs（图）,在经由量化编码器(图)对绝对值编码，输出的编码在通过整数位转换器（图）将编码转换成7位二进制数图3-8 Abs参数设置图3-9 Quantizer参数设置再将极性码和7位二进制码通过Mux模块图（3-9）复用成一路输出图3-10 Integer to bit converter参数设置图3-11 Mux参数设置图3-12 DPCM调

19、制示波器3.2 祯转换，缓冲，解缓冲图3-13 DPCM进行帧转换、缓冲、解缓冲的波形图将输入的信号进行帧转换、缓冲、解缓冲，模块参数设置如图3-143-15图3-14 Frame Status Conversion参数设置图3-15 Buffer参数设置图3-16 Unbuffer参数设置3.3 PSK调制与解调整个PSK的仿真系统的调制与解调过程为：首先将信号源的输出信号经过码型变换后与载波通过相乘器进行相乘，送入信道中传输。在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。PSK调制与解调仿真电路图如图3-17所示

20、。图3-17 PSK调制与解调仿真电路图其中各模块参数设置如图3-18、图3-19、图3-20、图3-21、图3-22、图3-23、图3-24所示。图3-18 信号源模块参数设置图3-19 载波的参数设置图3-20 码变换器的参数设置带通滤波器的最低频率设置为载波频率与调制信号频率之差，即40rad/s;最高频率设置为载波频率与调制信号频率之和,即为80rad/s。图3-21 带通滤波器参数设置低通滤波器的频率设置应为信号频率，即200rad/s。图3-22 低通滤波器参数设置图3-23 Zero-order hold参数设置图3-24 quanting encode参数设置图3-25 误码器

21、的参数设置中由上到下的各波形依次为：载波波形、矩形脉冲信号波形、信号经调制后的波形、已调信号经过带通滤波器后的波形、调制信号经过低通滤波器后的波形和经抽样判决后的波形。由各波形我们可看出该PSK调制解调系统符合设计要求3.4 将DPCM系统与PSK系统组合并加入高斯白噪声将DPCM和PSK进行组合时，首先对信号进行DPCM编码与PSK调制，然后将调制信号送入已加入高斯白噪声的信道中传输。再将信号进行PSK调制和DPCM译码。组合系统的仿真电路图如图3.27所示.图3-26 将DPCM系统与PSK系统组合并加入高斯白噪声有所不同的是在进行PSK调制前信号必须进行帧转换这一阶段，即系统将经过DPC

22、M编码量化的n个比特序列以帧的形式输出，即每一帧含有n个比特。在PSK解调后再对其进行码变换。对应的帧变换子系统电路图及相关模块参数设置如图3-28、图3-29、图3-30所示图3-27 帧变换子系统仿真电路图图3-28 Buffer模块参数设置图3-29 Unbuffer模块参数设置PSK调制与解调子系统仿真电路图如图3-31所示。图3-30 PSK调制与解调子系统仿真电路图各主要模块参数设置如下图所示。图3-31 载波模块参数设置带通滤波器的最低频率设置为载波频率与调制信号频率之差，即40rad/s;最高频率设置为载波频率与调制信号频率之和,即为80rad/s。如图3-32所示图3-32

23、带通滤波器参数设置图3-33 低通滤波器的参数设置图3-34 Zero-order hold参数设置图3-35 抽样判决器的参数设置图3-36 Error rate calcuation参数设置图3-37 误码器的参数设置图3-38 高斯白噪声的参数设置3.5 误码率模块图3-39 PSK示波器输出波形以上输出的信号需要经过缓冲（图3-41），缓冲后的信号还要经过经维度维度变换（图3-42）后再送入DPCM解码模块。图3-40 缓冲模块图3-41 reshape 参数设置3.6 DPCM解码图3-42 DPCM解码模块输入的信号经解复用（图3-43），每一帧的第一位为极性位，极性位通过继电器（

24、图3-44），判断输出为+1还是-1。每一帧的剩余7位再复用（图3-45）成一路输入位整数转换器（图3-46），接着输出的信号与继电器输出信号相乘（图3-47）。由乘法器输出的信号经过低通滤波器（图3-48）解码。图3-43 Demux参数设置图3-44 Relay参数图3-45 Mux参数设置图3-46 Bit to Integer Converter参数设置图3-47 Product2参数设置图3-48 Analog Filter Design2参数设置3.7 系统仿真整体图3-49 系统仿真整体模块至此，整个系统的仿真设计全部完成。初始信号源参数如下（图3-50），运行仿真系统，观察示波

25、器输出波形图（图 3-51），可以大致看出系统的输入信号和输出信号一致，符合仿真要求。图3-50 Sine Wave Function参数设置图3-51 该系统的误码率曲线由误码率可知，设计不符合设计要求。4 仿真电路分析与总结4.1 出现的问题：问题1.在设计DPCM解码的时候，由于参数设置的不正确，波形不正确解决办法：重新设置参数。问题2.把DPCM编码后直接进行psk调制。显示DPCM模块错误。解决方法：因为psk不能对并行数据进行调制，所以要加串并转换。问题3.在计算误码率的时候，找不到psk文件解决方法：在PSK的模宽利，没有加二进制发电机。加了后就可以了。问题4：在进行误码率的时候，不出现波形图。解决问题：在模块里的参数改成下面这样既可。问题6：误码率的波形是一条直线。解决问题：没有解决，得找老师。5 结束语课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和