通信系统综合课设课件

1、武汉理工大学学科基础课群综合训练报告课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题目：通信系统学科基础课群综合训练课程设计目的：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。课程设计内容和要求要求：掌握以下各种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。培养学生根据需要选学

2、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。设计内容：模拟信源(模拟话音)数字化方式基带码信道码调制方式信道解调信道解码基带解码数模转换自己构造一时间函数PCMManchester码汉明码ASKAWGN与发送端对应时间安排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天指导教师签名：年 月 日 系主任（或责任教师）签名：年 月 日目录1. 原理分析与方案论证11.1 通信系统架构11.2 信源码PCM码21.3 基带码Manchester码31.3.1曼彻斯特编码简介

3、31.3.2曼彻斯特编码原理31.4 信道码汉明码31.5 噪声信道AWGN42. 各模块的MATLAB实现52.1 信号源的实现52.2 信源编码PCM编码52.2.1 PCM编码原理52.2.2 PCM编码的实现72.3. 基带编码Manchester编码82.4. 信道编码汉明码编码92.5. ASK调制112.6. 信道噪声AWGN122.7. ASK解调132.8. 汉明码解调142.9. Manchester译码152.10. PCM译码162.11. 误码率的计算163.仿真结果分析173.1 源信号与接收信号波形对比173.2 误码率统计174. 心得体会185. 参考文献19

4、摘要 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 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

5、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、Manchester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。关键字：MATLAB，编码，调制，解调，译码，通信系统AbstractMATLAB is a high-level technical computing language and interactive environ

6、ment for algorithm development, data visualization, data analysis, and numeric computation. Using MATLAB, you can solve technical computing problems faster than with traditional programming languages, such as C, C+, and Fortran. Modulation in a communication system has a very important role. Through

7、 the modulation, can not only move the modulation signal spectrum, and the spectrum of the move to want the position, and the modulation signal into suitable for transmission of the modulated signal, and it to the system transmission efficiency and the reliability of the transmission has a great inf

8、luence on the modulation method, often determines a communication system performance. MATLAB software is widely used in digital signal analysis, system identification, time series analysis and modeling, neural networks, dynamic simulation for such applications. This topic using MATLAB software simul

9、ation signal PCM coding, Manchester coding, hamming code and ASK modulation, through AWGN channel, and demodulation, decoding the integrity of the communication system simulation, and through the statistical error rate and contrast before and after waveform, the communication system to evaluate.Key

10、words：MATLAB，Coding, modulation and demodulation, decoding, communication system201 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）。接收设备发送设备信息源编码设备信 道信息源噪声源发送端接收端信道调制设备译码码设备解调设备图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

11、。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。基本的数字调制方式：振幅键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK

12、。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：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

13、，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：律： （式1-1）A律： （式1-2）式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A、为压缩系数。 数字压扩技术：一种通过大量的数字电路形成若干段折线， 并用这些折线来近似A律或律压扩特性，从而达到

14、压扩目的方法。即对数压扩特性的折线近似法。我国一般都采用A律。本文设计方案也采用A律-13折线法。1.3 基带码Manchester码数字通信系统传输码流中应含有时钟频率分量，以便于接收端从码流中提取同步信息，同步信息保证接收端按正确时序再生原始信息，减小误码率。因此信源信号进行信源编码调制后还需要进行基带编码，使得码流中“1”和“0”的统计概率应各占1/2。1.3.1曼彻斯特码简介及其编码规则 曼彻斯特码 Manchester code (又称裂相码、双向码），一种用电平跳变来表示1或0的编码，其变化规则很简单，即每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，也就是一个周期的方波，但0码和1码的相

15、位正好相反。二进制码与曼彻斯特码波形的对比关系如下。110 001 即把1变换为1/0序列中间下降沿代表1把0变换为0/1序列中间上升沿表示0。优点在于其编码后的时钟信息都不受信源统计特性影响（连续0、连续1 时无法接受定时信号），有很强的定时分量。 1.3.2 曼彻斯特码原理 用于数字基带传输的码型种类Manchester码是其中常用的一种。Manchester码是一种用跳变沿而非电平来表示要传输的二进制信息0或1一般规定在位元中间用下跳变表示“1”用上跳变表示“0”。曼彻斯特编码被被认为是一种自定时码自定时意味着数据流的精确同步是可行的。每一个比特都准确的在一预先定义时间时期的时间中被传送

16、。曼彻斯特编码提供了一种简单的方法在长时间段内没有电平跳变的情况下仍然能够对任意的二进制序列进行编码并且防止在这种情况下同步时钟信号的丢失以及防止低通模拟电路中低频直流飘移所引起的比特错误。如果保证传送的编码交流信号的直流分量为零并且能够防止中继信号的基线漂移那么很容易实现信号的恢复和防止能量的浪费。曼彻斯特码具有丰富的位定时信息。1.4 信道码汉明码汉明码Hamming code：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。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

17、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。现以数据码1101为例讲讲汉明码的编码原理，此时D8=1、D4=1、D2=0、D1=1，在P1编码时，先将D8、D4、D1的二进制码相加，结果为奇数3，汉明码对奇数结果编码为1，偶数结果为0（奇数位。若奇数结果编码为0.偶数结果为1，则叫偶数位），因此P1值为1，D8+D2+D

18、1=2，为偶数，那么P2值为0，D4+D2+D1=2，为偶数，P3值为0。这样，参照上文的位置表，汉明码处理的结果就是1010101。在这个4位数据码的例子中，我们可以发现每个汉明码都是以三个数据码为基准进行编码的。从编码形式上，我们可以发现汉明码是一个校验很严谨的编码方式。在这个例子中，通过对4个数据位的3个位的3次组合检测来达到具体码位的校验与修正目的（不过只允许一个位出错，两个出错就无法检查出来了，这从下面的纠错例子中就能体现出来）。在校验时则把每个汉明码与各自对应的数据位值相加，如果结果为偶数（纠错代码为0）就是正确，如果为奇数（纠错代码为1）则说明当前汉明码所对应的三个数据位中有错误

19、，此时再通过其他两个汉明码各自的运算来确定具体是哪个位出了问题。还是刚才的1101的例子，正确的编码应该是1010101，如果第三个数据位在传输途中因干扰而变成了1，就成了1010111。检测时，P1+D8+D4+D1的结果是偶数4，第一位纠错代码为0，正确。P2+D8+D2+D1的结果是奇数3，第二位纠错代码为1，有错误。P3+D4+D2+D1的结果是奇数3，第三位纠错代码为1，有错误。那么具体是哪个位有错误呢？三个纠错代码从高到低排列为二进制编码110，换算成十进制就是6，也就是说第6位数据错了，而数据第三位在汉明码编码后的位置正好是第6位。1.5 噪声信道AWGN加性高斯白噪声AWGN(

20、Additive White Gaussian Noise) 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。2 各模块的MATLAB实现2.1 信号源的实现根据题目的要求，自己构造一个时间函数，模拟话音信号，因为话音信号的频率在300Hz3400Hz之间，取典型值300Hz。构造一个模拟正弦函数。设定采样频率为6000Hz，因而采样点间步长为1

21、/6000s。程序为：fs=6000; %设定采样频率dt=1/fs; %设定步长N=20; long=N; n=0:N-1;t=n*dt; %截止时间 fc=300; %时间函数频率 y=sin(2*pi*fc*t); %构造正弦函数figure(1); plot(t,y); %绘制时间函数图象title(源信号时间函数波形)绘制出构造的信号波形如图2-1所示： 图2-1 信号源时间函数波形2.2 信源编码PCM编码2.2.1 PCM编码原理本设计采用A律折线法。实际中A律常用13折线法近似如图2-2所示： 图2-2 A律13折线其具体分法如下：先将X轴的区间0，1一分为二，其中点为1/2,

22、取区间1/2,1作为第八段;区间0,1/2再一分为二，其中点为1/4,取区间1/4,1/2作为第七段;区间0,1/4再一分为二，其中点为1/8,取区间1/8,1/4作为第六段;区间0,1/8一分为二，中点为1/16,取区间1/16,1/8作为第五段;区间0,1/16一分为二，中点为1/32,取区间1/32,1/16作为第四段; 区间0,1/32一分为二，中点为1/64,取区间1/64,1/32作为第三段;区间0,1/64一分为二，中点为1/128,区间1/128,1/64作为第二段;区间0,1/128作为第一段。然后将Y轴的0,1区间均匀地分成八段，从第一段到第八段分别为0,1/8,(1/8,

23、2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分别与X轴对应。码位的安排:目前国际上普遍采用8位非线性编码。例如PCM 30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4 096个量化单位(最小的量化间隔称为一个量化单位)， 在4 096单位的输入幅度范围内，被分成256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级。用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如表2-1所示：表2-1 8位非线性编码的码组结构极性码段落码段内码M1M2M3M4M5M6M7M8其中，第1位码M1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性，称为极性码。从折叠

24、二进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码M1不同外，其余几位码是完全一样的。因此在编码过程中，只要将样值脉冲的极性判出后，编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。这8段折线共包含128个量化级，正好用剩下的7位码(M2，, M8)就能表示出来。2.2.2 PCM编码的实现设计处理段落码子程序mdlGetDuanLuoMa，功能是对采样得到的信号进行比较，确定其PCM编码对应的段落码。function duanLuoMa= mdlGetDuanLuoMa( table, Is, i)s

25、witch i,case 2,duanLuoMa= ( Is= 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

26、设计子程序pcmcoder，计算出相应段落码区间里的段内号以及极性码，完成PCM编码。编码结果如图2-3所示： 图2-3 PCM编码结果2.3 基带编码Manchester编码编写实现Manchester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*long if(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; end end

27、endendManchester编码结果如图2-4所示： 图2-4 Manchester编码2.4 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：码长：信息位：校验位：，且最小距离：其生成矩阵G（前四位为信息位，后三位为冗余位）如下： （式2-1）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： （式2-2）所以有信息位冗余位由以上关系可以得到(7,4)汉明码的全部码字如表2-2所示。表2-2 (7,4)汉明码的全部码字序号信息码元冗余元序号信息码元冗余元0000000081000111100010119100110

28、0200101011010100103001111011101100140100110121100001501011011311010106011001114111010070111000151111111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

29、;j=1;for k=0:L/4-1 i=4*k+1; h(j)=s(i); h(j+1)=s(i+1); h(j+2)=s(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;endend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

30、）、h（j+6）为冗余位。编码后的结果如图2-5所示： 图2-5 汉明码编码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

31、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（2ASK），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

32、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AWGNMatlab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：F

33、IR滤波器乘法器raskz频率为fc的相干波car 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），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，表示i位无错。基于这样的原则接收端利用接收到的码组B计算校正子：（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

34、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序号错误码位ESe6e5e4e3e2e1e0S3S2S101234567/b0b1b2b3b4b5b600000000000001000001000001000001000001000001000001000000000001010100011101110111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

35、码2.9 manchester译码Manchester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 endendend解码后的结果如图2-12所示: 图2-12 manchester解码2.10 PCM译码PCM译码对接收到的二进制PCM编码

36、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manchester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(d