通信系统课程设计

1、 学科基础课群综合训练 目录 1. 原理分析与方案论证. 1 1.1 通信系统架构. 1 1.2 信源码PCM码 . 2 1.3 基带码Miller码 . 3 1.3.1密勒码简介. 3 1.3.2密勒码原理. 3 1.4 信道码汉明码. 3 1.5 噪声信道AWGN . 4 2. 各模块的MATLAB实现 . 5 2.1 信号源的实现. 5 2.2 信源编码PCM编码 . 5 2.2.1 PCM编码原理. 5 2.2.2 PCM编码的实现. 7 2.3. 基带编码Miller编码 . 8 2.4. 信道编码汉明码编码. 9 2.5. ASK调制 . 11 2.6. 信道噪声AWGN . 12

2、 2.7. ASK解调 . 13 2.8. 汉明码解调. 14 2.9. Miller译码 . 15 2.10. PCM译码 . 16 2.11. 误码率的计算 . 16 3.仿真结果分析. 17 3.1 源信号与接收信号波形对比. 17 3.2 误码率统计. 17 4. 心得体会.18 5. 参考文献. 19一.原理分析与方案论证1.1 通信系统架构 通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信息源发送到一个或多个目的地。对于任何一个通信系统，均可视为由发送端、信道和接收端三大部分组成（如图1-1所示）。图1-1 通信系统一般模型1、信息源:把原始信息变换成原始电信号。2、信源编码：实

3、现模拟信号的数字化传输即完成A/D变化。提高信号传输的有效性。即在保证一定传输质量的情况下，用尽可能少的数字脉冲来表示信源产生的信息。信源编码也称作频带压缩编码或数据压缩编码。3、信道编码：信源编码的目的： 信道编码主要解决数字通信的可靠性问题。 信道编码的原理：对传输的信息码元按一定的规则加入一些冗余码（监督码），形成新的码字，接收端按照约定好的规律进行检错甚至纠错。 信道编码又称为差错控制编码、抗干扰编码、纠错编码 。4、数字调制数字调制技术的概念：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。数字调制的主要作用：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。基

4、本的数字调制方式：振幅键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。5、信道：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、光纤）和有线信道（如自由空间）两种。6、噪声源：1通信系统中各种设备以及信道中所固有的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。1.2 信源码PCM码 通常是把从模拟信号抽样、量化，直到变换成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

5、在一起，称为抽样保持电路。图中的量化器把模拟抽样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。 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。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。 编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。律和A律压缩特性：1n(1+mx)1 x1)律： y = ( - （式1-1） 1n(1+m)Ax10|x|1+1nAAy=A律： （式1+

6、1nA|x|1= table( 4, 2) ) ;case 3,duanLuoMa= ( Is=table( 2, 2) ) |( Is= table( 6, 2) ) ;case 4,duanLuoMa= ( Is=table( 2, 2) & Is= table( 3, 2) ) | ( Is table ( 4,2)& Is=table( 1, 2) | ( Is=table( 4, 2)&Is=table( 5, 2) | ( Is=table ( 4,2) &Is =table( 6, 2)&Is=table( 7,2);endend设计子程序pcmcoder，计算出相应段落码区间里

7、的段内号以及极性码，完成PCM编码。2.3 基带编码Miller编码 编写实现Miller编码子程序，即对PCM编码后的信号进行处理，遇1则编为10，遇0则编为01即可。function mcst=mcstcoder(y,long)mcst=zeros(1,16*long);for n=1:8*longif(y(n)=1)mcst(2*n-1)=1;mcst(2*n)=0;else if(y(n)=0)mcst(2*n-1)=0;mcst(2*n)=1;endendendend2.4 信道编码汉明码编码汉明码编码分析：现在以(7,4)分组码为例来说明汉明码的特点。其主要参数如下：m码长：n=2

8、-1m信息位：k=2-1-m校验位：m=n-k，且m3最小距离：dmin=d0=3 其生成矩阵G（前四位为信息位，后三位为冗余位）如下： 1000110 0100011G= （式2-1） 00101110001101 系统码可分为消息部分和冗余部分两部分，根据生成矩阵，输出码字可按下 式计算： 1000110 0100011a ,a,a ) ,a,a , a 0 ) （式2-2）2 1 03 2 1 b = ( a 3 , G = ( a 0010111 0001101所以有b6=a3b5=a2b4=a1b3=a0b2=a3a1a0b1=a3a2a1b0=a2a1a0信息位 冗余位由以上关系可

9、以得到(7,4)汉明码的全部码字如表2-2所示。表2-2 (7,4)汉明码的全部码字汉明码的MATLAB实现：function h= hanmincoder(s,L) if mod(L,4)=1; L=L+3;s(L)=0;s(L-1)=0;s(L-2)=0; elseif mod(L,4)=2; L=L+2;s(L)=0;s(L-1)=0; elseif mod(L,4)=3; L=L+1; s(L)=0; endh=zeros(1,L+L/4*3); N=L+L/4*3; j=1;for k=0:L/4-1i=4*k+1; h(j)=s(i);h(j+1)=s(i+1); h(j+2)=s

10、(i+2); h(j+3)=s(i+3);h(j+4)=xor(xor(s(i),s(i+1),s(i+2); h(j+5)=xor(xor(s(i),s(i+1),s(i+3); h(j+6)=xor(xor(s(i),s(i+2),s(i+3); j=j+7; end end由程序可见，程序先将输入的信号序列补0至4的倍数，然后每4个相邻数据作为一组，进行处理，h序列即为编码后的序列，h（j）、h（j+1）、h（j+2）、h（j+3）为 信息位，h（j+4）、h（j+5）、h（j+6）为冗余位。2.5 ASK调制ASK调制原理： 理论上数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都属于正弦

11、波调制。但是，数字调制是源信号为离散型的正弦波调制，而模拟调制则是源信号为连续型的正弦波调制，因而，数字调制具有由数字信号带来的一些特点。这些特点主要包括两个方面：第一，数字调制信号的产生，除把数字的调制信号当作模拟信号的特例而直接采用模拟调制方式产生数字调制信号外，还可以采用键控载波的方法。第二，对于数字调制信号的解调，为提高系统的抗噪声性能，通常采用与模拟调制系统中不同的解调方式。振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制，即源信号为“1”时，发送载波，源信号为“0”时，发送0电平。 所以也称这种调制为通、断键控（OOK）。当数字基带信号为二进制时，也称为二进制振幅键控（2AS

12、K），2ASK信号的调制方法有模拟幅度调制方法和键控方法两种。2ASK信号是数字调制方式中最早出现的，也是最简单的，但其抗噪声性能较差，因此实际应用并不广泛，但经常作为研究其它数字调制方式的基础。 2ASK的时域特征 2ASK信号的时域表示式为： 其中， 为随机的单极性矩形脉冲序列， 是经过基带成型处理之后的脉冲序列。2ASK信号的时域波形如图2-6所示：图2-6 2ASK时域波形ASK调制的MATLAB实现：先将汉明码序列进行扩展，每个数据都重复8次然后重组，与对应的余弦载波进行相乘，得到调制后的信号。调制后的部分波形图如图2-7所示图2-7 ASK调制信号2.6 信道噪声AWGN Matl

13、ab本身自带了于某信号中加入高斯白噪声的函数：AWGNy = awgn(x,SNR) 在信号x中加入高斯白噪声。SNR为信噪比，以dB为单位。x的强度假定为0dBW。 设定SNR信噪比为13dB。绘制出收到噪声干扰的传输信号波形图如图2-8所示：图2-8 加入高斯白噪声的调制波2.7 ASK解调 本设计采用相干解调，即采用与载波信号同步的信号与已调信号相乘，再通过FIR低通滤波器，即可解调出调制信号。解调框图如图2-9所示：rask 图2-9 ASK解调框图 解调后的波形图如图2-10所示：图2-10 ASK相干解调后波形2.8 汉明码解码 汉明码校验： 在发送端信息码元M利用式（8-16），

14、实现信道编码，产生线性分组码A；在传输过程中有可能出现误码，设接收到的码组为B。则收发码组之差为： （式2-3） 这里，表示i位有错，这样的原则接收端利用接收到的码组B计算： ，表示i位无错。基于 （式2-4） 因此，校正子仅与E有关，即错误图样与校正子之间有确定的关系。对于上述（7，4）码，校正子S与错误图样的对应关系可由式（2-4）求得，其计算结果见表2-3所示。在接收端的译码器中有专门的校正子计算电路，从而实现检错和纠错。 表2-3 （7，4）码校正子与错误图样的对应关系 汉明码译码程序： 根据上节推算的校验子S，可以推算出出对应的信息位，并能对发生一位错误的信息进行纠正。将接收到的汉明

15、码每7个为一组进行解码，即可得到相应的4位信息，重组后得到整个汉明码组的译码结果。结果图如图2-11所示。 图2-11 汉明码解码 2.9 miller译码 Miller译码即为其编码的逆过程，将收到的序列每2个分为一组，遇“10”则译为“1”，遇“01”则译为“0”。 function demcst=mcstdecoder(y,L) demcst=zeros(1,L/2); for n=1:L/2 if(y(2*n-1)=1 & y(2*n)=0 ) demcst(n)=1; else if(y(2*n-1)=0 & y(2*n)=1) demcst(n)=0; end end end en

16、d 解码后的结果如图2-12所示 : 图2-12 miller解码2.10 PCM译码 PCM译码对接收到的二进制PCM编码序列进行分组，每8个数据为一组，相应的对应着极性码、段落码、段内码。译码时，先由极性码确定信号的符号，再由段落码确定信号所在码段，同时由段内码确定段内量化单位数。由段落数确定段落起点电平和段内量化值。最后译码得到的信号out= duanstartpoint+ duanneima.*duanneijianju.从而将二进制序列译码出对应的模拟信号采样的值。 PCM译码后的结果如图2-13所示： 图2-13 PCM译码后的波形 2.11 误码率的计算 通过比较PCM编码后与m

17、iller译码后的两组数据，统计出不一致的数据的个数，除以总的PCM编码个数，即可得到误码率。通过分析误码率的大小可以判断此通信系统的好坏。 len=length(demcst); errornum=0; for i=1:len if(demcst(i)=pcmy(i) errornum=errornum+1; end end disp(误码率为 ); errornum/len三. 仿真结果分析 3.1 源信号与接收信号波形对比 对比输入的源信号与经过噪声信道后接收到的信号波形，分别如图3-1a和图3-1b所示： 源信号时间函数波形 x 10 -3 PCM译码后的波形 图3-1a 信源信号 图

18、3-1b 接收信号 如图可见，复原后的信号大致与源信号相同，但还是出现了毛刺，这是因为ASK调制方式的抗噪声性能并不是很好，当高斯白噪声同时干扰了一组码中的二个以上的码元时，便会出现误码。 3.2 误码率统计 通过误码率统计函数，可以精确的算出每次仿真的误码率，仿真的误码率结果如图3-2所示： 图3-2 误码率统计四.心得体会 通信系统课程设计是培养我们综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，通过课程设计我能够比较系统的了解理论知识，把理论和实践相结合，并且用到生活当中。在做设计的过程中总会出现各种问题，在这种情况下我会努力寻求最佳路径解决问题，提高了我的思考解决能力。 通过课程设计让我知道了，平时所学的知识如果不加以实践的话等于纸上谈兵。课程设计主要是理论知识的延伸，它的目的主要是要在设计中发现问题，并且自己要能找到解决问题的方案，形成一种独立的