基于128位均匀量化与循环码的DPSK传输系统设计与仿真

1、一、课题简介本综合设计是基于128位均匀量化和循环码的DPSK传输系统设计与仿真，分别从信源编码、信道编码、调制解调、信道译码、信源译码等方面介绍本系统的设计与实现，最后通过Matlab中Simulink模块仿真，完成通信系统的实现。本设计中用示波器观察各个环节的波形，并在调制与解调过程中加入噪声源后分析接受信号的性能。通过电路的运行，基本达到设计要求。二、系统原理介绍数字通信系统主要由原始信息，信源编译码，信道编译码（差错控制），载波调制与解调和信道五大部分组成。信源编码的目的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。信道编码即差错控制的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使

2、其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制的目的是将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号。具体框图如下如图1所示。 发信源信源编码信道编码调制器解调器信道译码信源译码收信者信道噪声源图1 数字通信系统的模型2.1 信源编码（128均匀量化）脉冲编码调制就是把一个时间，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，编码的过程脉冲编码调制工作原理。2.1.1抽样所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原

3、模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。在一个频带限制在内的时间连续信号，如果以的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号的频谱中最高频率不超过，当抽样频率时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。抽样定理在实际应用中应注意在抽样前后模拟信号进行滤波，把高于二分之一抽样频率的频率滤掉。这是抽样中必不可少的步骤。2.1.2 量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图2所示，量化器Q输出L个量化值，。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为

4、： （2.1）这里称为分层电平。通常： （2.2）其中称为量化间隔。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。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，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。2.1.3 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

5、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。2.2 信道编码（循环码）信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。数字信号是信道传输时受到噪声等影响后将会引起差错。为了减小差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓的“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的可靠性。本设计采用

6、循环码进行信道编码。循环码是线性码的一个重要的子类，它有以下两大特点：第一，码的结构可以用代数方法来构造和分析，并且可以找到各种实用的译码方法；第二，由于其循环特性，编码运算和伴随式计算，可用反馈移位寄存器来实现，硬件实现简单。 循环码特性：（1）特性一在一个(n,k)循环码中，存在惟一的一个nk次码多项式：每一个码多项式C(x)都是g(x)的一个倍式，反之每个为g(x)倍式，且次数小于等于n1的多项式必是一个码多项式。由此可见，(n,k)循环码中的每一个码多项式C(x)均可由下式表示：如果m(x)的系数(mk1m1m0)就是表示待编码的k位信息位，则C(x)就是对应于此信息组m(x)的码多项

7、式。因此(n,k)循环码完全可由g(x)确定。g(x)也称为循环码(n,k)的生成多项式。g(x)的次数nk等于码中一致校验位的位数。（2）特性二(n,k)循环码的生成多项式是xn+1的因子，即：xn+1=g(x)h(x)其中h(x)称为码的一致校验多项式，循环码的H矩阵也可以通过h(x)来生成。（3）特性三若g(x)是一个nk次多项式，并且是xn+1的因子，则g(x)一定能生成一个(n,k)循环码。2.3 2DPSK调制在传输信号中，2PSK信号具有较好的误码率性能。但是，在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180度的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相也可能反相，这种相位关系

8、的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送出的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出输出数字信号全部出错。为了克服此缺点提出二进制差分相移键控（2DPSK）方式。2DPSK信号的产生方法是先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对调相，从而变成二进制差分相移键控信号。2DPSK信号调制器原理框图如图2-1所示。 载波移相码变换0开 关p绝对码相对码 图2 2DPSK调制原理方框图相对（差分）移相方式（2DPSK）的调制系统如图2-2所示。差分编码相乘2DPSK相对码本地载波基带信号图3 相对移相方式产

9、生2DPSK的调制系统框图2.4 2DPSK解调2DPSK的解调方法分为两种：一种是相干解调加码反变换即极性比较法，另一种是差分相干解调即相位比较法。本设计采用极性比较法。对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊带来的问题。2DPSK的相干解调原理框图如图4所示。带通滤波器低通滤波器抽样判决器码反变换载波2DPSK基带信号乘法器定时脉冲图4 2DPSK的相干解调原理框图3、 系

10、统仿真设计3.1整体设计： 图5 整体电路图3.2信源编码 图6信源编码模块电路图 图7 正弦波参数设置 图8 矩形脉冲抽样时间设置正弦波频率设置为320Hz，幅度为1，抽样频率为4*320Hz。 图9 放大器参数设置 图10 量化器参数设置进行128位均匀量化，由于正弦波幅度为1，需要放大128倍才能在以1位最小量化区间时，每个量化电平可以用7位二进制表示。 图11 抽样判决器参数设置 图12 整数位转换器参数设置抽样判决器是将信号的符号提取出来，大于0为“1”，小于0为“0”，整数位转换器是将量化电平用7位二进制表示。3.3 循环编码 图13 循环编码模块电路图 图14 循环编码模块参数设

11、置信息位为4位，在经过循环编码后，基带信号频率为49*320Hz。3.4 DPSK调制解调 图15 DPSK调制解调电路图 图23 控制器参数设置 图24 载波参数设置采用控制器来实现对单极性码的双极性不归零码转换；载波频率设置为基带信号频率的10倍。 图25 带通滤波器参数设置 图26 本地参考载波参数设置带通滤波器下限频率为，下限截止频率为，本地参考载波设置与载波相同。 图27 抽样判决器参数设置 3.5 循环译码 图28 循环译码模块电路图 图29 译码器参数设置 图30 延迟器参数设置在循环译码后，经过2DPSK调制解调部分，有2个码元延迟，所以需要加5个码元延迟作为补偿（循环码码长为

12、7），否则系统无法还原原始信号。3.6 信源译码 图31 信源译码模块电路图 图32 Buffer器参数设置 图33 译码器参数设置在译码前，先经过6位缓冲器，进入解复用器，将第一位符号位提取出来，进行判决，大于0.5位“1”，小于0.5为“-1”，后五位进入译码器得到量化电平绝对值，之后乘法器两者相乘，最后通过低通滤波器，截止频率为信号源正弦波频率320Hz，由于低通滤波器对信号的衰减，需经过放大器对信号进行放大，方可得到原始正弦波。四、仿真结果及分析4.1 2DPSK调制解调前后对比 图34 2DPSK调制解调前后对比波形图图中第一通道为2DPSK调制前的信号，第二通道为2DPSK解调出的

13、信号，可以发现2DPSK解调出的信号相对于2DPSK调制前的信号延迟2个码元。4.2 信源编码前与译码后对比 图35 信源编码前与译码后对比波形图图中第一通道为信源编码后的信号，第二通道为信源译码前的信号，可以发现信源译码前的信号相对于信源编码后的信号延迟12个码元。4.3 接收端波形与信源对比 图36 接收端波形与信源对比波形图图中第一通道为信源正弦波信号，第二通道为信源译码得到的信号，得到的信号在3个周期后关于0轴对称。5、 总结通过本次课程设计，我对二进制数字调制和解调系统有了更深入的了解，尤其是对2DPSK系统学到了很多的东西。当然在做课程设计的过程中总会出现各种问题，如进行循环编码和译码。当时自己在做时出现了错误，在经过不断的修改数据下，终于完成实验。同时我也充分认识到了理论与实践相结合的重要性，平时我们只是一味地学习理论知识，很少有自己动手设计的时候，但这次课程设计为我们提供了一个好的机会，不仅锻炼了我的动手能力，还使我对通信系统有了感性的认识。总的来说，这次课程设计让我收获颇丰，不仅让我更深一步理解书本的知识，提高我们分析问题和解决问题的能力，而且让我体会到知识的重要性。同时我也认识到了在学习过程中的薄弱知识点，在以后的学习中，我一定更加努力学习，查缺补漏，争取