数字信号传输系统分析与简单设计

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海南大学课程论文

课程名称：通信原理设计型实验

题目名称：数字信号传输系统分析与简单设计

学院：信息科学技术学院

专业班级：10电子信息工程

姓名：

学号：201016013100

指导老师：周又玲

评阅意见

评阅成绩

评阅教师：

2013年月日

目录

一. 设计目的和任务

1

二. 设计内容

1

1. 数字基带信号传输设计

1

(1). AMI(AlternativeMarkInversion)编码

1

(2). HDB3(HighDensityBipolaroforder3code)编码

1

(4). HDB3编码解码程序：

2

2. 数字带通传输系统设计

3

(1). 振幅键控（AmplitudeShiftKeying，英文缩写为ASK）

3

(2). ASK调制仿真程序：

4

(3). 频移键控（frequency-shiftkeying，英文缩写FSK）

5

(4). 2FSK调制仿真程序：

6

三. 仿真结果与结果分析

9

1. HDB3仿真

9

2. 2ASK仿真

11

3. 2FSK仿真

13

四. 总结与实验心得

14

参考资料

附录

设计目的和任务

了解并尝试设计数字基带信号调制器和解调器，模拟对二进制信号的基带传输。

了解并尝试设计一种或多种类型的数字带通传输系统，对二进制信号进行二进制数字调制。

比较数字基带信号传输和数字带通传输系统的不同。

设计内容

数字基带信号传输设计

未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或更低频率开始，称为数字基带信号，这种不经载波调制而直接传输的数字基带信号系统便称为数字基带传输系统。

AMI(AlternativeMarkInversion)编码

AMI的汉语全称是信号交替反转码，为极性交替翻转码，分别有一个高电平和低电平表示两个极性。

编码规则是消息代码中的“0”不变，消息代码中的“1”交替变换为“+1”和“-1”。

AMI码的优点是没有直流成分，且高频低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处；编解码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况，是较为常用的传输码型之一。缺点是当源码出现长连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。

AMI的解码规则是从收到的符号序列中将所有的-1变换成+1后，就可以得到原消息代码。

HDB3(HighDensityBipolaroforder3code)编码

HDB3的汉语全称是三阶高密度双极性码，他是AMI码的一种改进，改进的目的是为了保持AMI码的有点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。是目前应用最为广泛的码型。

其编码规则是：

先将消息代码变换成AMI码，若AMI码中连0的个数小于4,此时的AMI码就是HDB3码;

若AMI码中连0的个数大于3,则将每4个连0小段的第4个0变换成与前一个非0符号(+1或-1)同极性的符号,用表示(+1+,-1-);

为了不破坏极性交替反转，当相邻符号之间有偶数个非0符号时，再将该小段的第1个0变换成+B或-B,符号的极性与前一非零符号的相反，并让后面的非零符号从符号开始再交替变化。

HDB3编码的优点除了具有AMI码的优点即没有直流成分，高低频分量少等等外还能保证定时信息的提取。缺点是编码比较复杂。

HDB3编码解码程序：

%==========HDB3编码===========%

temp=n;

S=0;%+\-改极性用标志位

AMI=send;

fork=1:temp

ifabs(AMI(k))==1

ifS~=0;

AMI(k)=-1*AMI(k);%将当前数改为与其前一位的数极性相反

end

S=~S;

end

end

HDB=AMI;

Sx=0;

Sv=0;%用于记录破坏脉冲和调节脉冲前信息位的极性

fork=1:temp-3

ifabs(HDB(k))==1

Sx=HDB(k);

end

if(HDB(k)==0&&HDB(k+1)==0&&HDB(k+2)==0&&HDB(k+3)==0)%检测是否连续4个码元都是0

if(Sv~=Sx)

HDB(k)=0;

HDB(k+3)=Sx;%原来的程序：HDB(k+3)=2*m;%用2表示书上的V

Sv=Sx;

else

HDB(k)=-Sx;

HDB(k+3)=-Sx;

Sv=-Sx;

end

end

end

HDB;

%========HDB3解码===========%

Sx=0;

fork=1:temp

ifabs(signal(k))>=0.66%设定判决门限为：大于0.36判定为1，小于-0.36判定为-1

if(Sx~=(abs(signal(k)/signal(k))))%如果前后符号一致则不译码为1

Sx=signal(k);

signal(k)=1;

else

Sx=(abs(signal(k)/signal(k)));%如果当前收到的码和之前的不一致，所以为0

signal(k-3)=0;

signal(k)=0;%每个V和B都变成0

Sx=0;%若当前位为破坏码，则清零标志位，以免出错

end

else

signal(k)=0;

end

end

res=signal;%解码后的恢复序列

error=0;%错误个数统计

fork=1:temp

if(res(k)-x(k))~=0

error=error+1;

end

end

注：在进行HDB3码编码的过程中会产生AMI码由于HDB3码直接在信道传输和经过变化后在信号传输受噪声影响效果接近，所以在本次设计中简化了此过程，直接用HDB3码进行模拟传输。

数字带通传输系统设计

在实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传输基带信号，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，以使信号与信道想匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。反过来把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字数字解调。通常把数字调制与解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。

振幅键控（AmplitudeShiftKeying，英文缩写为ASK）

振幅键控是载波的振幅随着数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控（2ASK），2ASK中载波只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。

2ASK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法（图a）和键控法（图b）.

2ASK解调方式也有两种基本的解调方法：非相干解调（图c）和相干解调（图d）。

图c非相干解调原理框图

图d相干解调原理框图

ASK是20世纪最初最早运用于无线电报中的数字调制方式之一，但是其受到噪声影响很大，是受噪声影响最大的调制技术，所以现在已经较少应用，只是作为研究其他数字调制的基础时的参考。

ASK调制仿真程序：

%===========ASK调制============%

N=100;

bita=[];%基带信号

sl=[];%载波信号

bitRate=1e3;

fc=1e3;%载频1KHZ

t=linspace(0,1/bitRate,N);

fori=1:length(send)%send是未调制的信源信号

ifsend(i)==0

bit1=zeros(1,N);

elseifsend(i)==1

bit1=ones(1,N);

end

bita=[bita,bit1];

c=sin(2*pi*t*fc);

sl=[slc];

end

tz=bita*10.*sl;%与载波香相乘进行调制

signal=awgn(tz,snr,'measured');%加入高斯白噪声

%==============ASK的非相干解调===============%

[b,send]=ellip(4,0.1,40,[999.9,1000.1]*2/3e3);%设计IIR带通滤波器，阶数为4，通带纹波0.1，阻带衰减40DB,抽样频率400HZ

sf=filter(b,send,signal);%信号通过该滤波器

[b,send]=ellip(4,0.1,40,[50]*2/3e3);%设计IIR低通滤波器

sf1=filter(b,send,signal2);%信号通过该滤波器，输出信号sf

sf2=[];

LL=fc/bitRate*N;

i=LL/2;

bitb=[];%调制信号

%====================判决===================%

while(i<=length(sf1))

sf2=[sf2,sf1(i)>=0.01];%门限设为大于0.01时判定为极性，根据环境更改

i=i+LL;

end

fori=1:length(sf2)

ifsf2(i)==0

bit1=zeros(1,N);

else

bit1=ones(1,N);

end

bitb=[bitb,bit1];%得到解调后的信号

end

频移键控（frequency-shiftkeying，英文缩写FSK）

是利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0。用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。对二进制的频移键控

调制方式

，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF，是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以

二进制频移键控

的信号带宽比较大，频带利用率小。

2FSK信号的产生方法主要有两种：是采用模拟调制电路实现（图e），采用键控法实现（图f）。

图e模拟调制原理图图f键控法调制原理图

2FSK解调方式主要的也有两种：非相干解调（图g）和相干解调（图h）。除此之外还有其他解调方法如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。

图g非相干解调原理框图

图h相干解调原理框图

2FSK调制仿真程序：

%============2FSK调制=============%

N=100;%模拟一个码元的点数

bita=[];%基带信号

fori=1:length(send)%send为输入信号

ifsend(i)==0

bit1=zeros(1,N);

else

bit1=ones(1,N);

end

bita=[bita,bit1];%基带信号

end

bitRate=1e3;%每一个码元中采样点的间隔宽度0.001s

fc=1e3;%载频1KHZ

t=linspace(0,1/bitRate,N);

tz=[];%调制信号

c1=sin(2*pi*t*fc);%载波

c2=sin(2*pi*t*fc*2);%载波

fori=1:length(send)

ifsend(i)==1

tz=[tz,c1];

else

tz=[tz,c2];

end

end

signal=awgn(tz,snr,'measured');%加噪，信噪比为snr，由外设定

%===============解调===============%

Fs=5e3;%采样频率设为400HZ

[b1,a1]=ellip(4,0.1,40,[999.9,1000.1]*2/Fs);%设计IIR带通滤波器，阶数为4，通带纹波0.1，阻带衰减40DB

[b2,a2]=ellip(4,0.1,40,[1999.9,2000.1]*2/Fs);

sa=filter(b1,a1,signal);%信号通过IIR带通滤波器

sb=filter(b2,a2,signal);

%===============相乘器===============%

t=linspace(0,1/bitRate,N);

c1=sin(2*pi*t*fc);

c2=sin(2*pi*t*fc*2);

sia=[];

sib=[];

fori=1:n

sia=[sia,c1];

sib=[sib,c2];

end

siga=sa.*sia;%乘同频同相sia

sigb=sb.*sib;%乘同频同相sib

%================LPF================%

Fs=5e3;%抽样频率设为400HZ

[b1,a1]=ellip(4,0.1,40,[50]*2/Fs);%设计IIR低通滤波器

[b2,a2]=ellip(4,0.1,40,[50]*2/Fs);%设计IIR低通滤波器

sfa=filter(b1,a1,siga);%信号通过该滤波器，输出信号sfa

sfb=filter(b2,a2,sigb);%信号通过该滤波器，输出信号sfb

%==============抽样判决==================%

s2a=[];s2b=[];

LL=fc/bitRate*N;

i1=LL/2;i2=LL;

bitb=[];%解调后的信号

while(i1<=length(sfa))%判决过程

s2a=[s2a,sfa(i1)>=0];

i1=i1+LL;

end

while(i2<=length(sfb))

s2b=[s2b,sfb(i2)<=0];

i2=i2+LL;

end

fori=1:n

ifs2a(i)>s2b(i)%接收的上支路大判为0，反正判为1

bit1=zeros(1,N);

else

bit1=ones(1,N);

end

bitb=[bitb,bit1];%bitb即为解调后的信号

end

仿真结果与结果分析

调用m文件函数，输入一个随机的二进制数，个数为20，设置信噪比为60：

出现一个选择框，进行仿真的选择：

HDB3仿真

选择HDB3，会进行HDB3编码和译码的仿真，生成图像figure（1），并在MATLAB的命令窗口显示出误码的个数：

仿真生成的图像

结果显示为0个误码

从仿真图像中可以看出来，信噪比60的情况下，输入信号个数为20时没有长生误码。因为噪声的功率小，所以对信号影响不大，这点可以从“信号+噪声”的结果图中看出来信号波形没有较大的变化，所以经过解调之后没有产生误码。

若将信噪比减小，并将输入码元的个数增大会得到以下的结果：

AMI编码HDB3编码和加噪声图

误码结果

从上面的两幅图中可以看到AMI码和HDB3码的不同之处，在长串连“0”时，HDB3会进行破坏码编码。

信噪比低（信噪比设为5）的情况下，加噪声后的波形部分发生严重的失真，导致误码的产生，产生的误码数为43个误码。

说明在信噪比较低的情况下，用HDB3码传输信息还是会产生较多的误码，误码率超过了25%。

2ASK仿真

选择2ASK调制解调系统时的结果图和误码个数为0：

误码统计结果

从实验结果中可以看出在同样的条件下，输入一个20个码元的信号，信噪比设为60时，对信号进行2ASK调制解调的出来的结果也没有产生误码。原因和HDB3编码传输时的原因相同，恕不赘述。

从figure（1）中的第二幅图可以看出2ASK调制是幅度调制，经过全波整流之后相当于对调制信号取绝对值，然后经过低通滤波之后滤除高频部分，得到基波信号。

将输入信号改为200码元的随机二进制信号，信噪比设为5，可以看到结果中产生了2个误码，较HDB3编码传输的误码率大大减少。当

误码统计结果

仿真部分结果

2ASK调制时判决门限要根据信道环境和信号的强度和极性百分比进行设值，否则会产生很大的误码率。在实验时，将载波信号的幅度加大，若是判决门限设的太低则会产生较大的误码率。相反，载波幅值较小时，判决门限就要相应的考虑设值偏小。

2FSK仿真

选择2FSK调制解调系统时的结果图和误码个数为0：

误码结果

从figure（1）中对比第一和第二幅图可以看出2FSK调制规律，是根据信号的不同极性进行频率调制，产生编码。调制的信号进行非相干解调，将2FSK信号分解成为上下两路信号分别进行解调，然后进行判决。判决的门限不用专门设置，而是直接比较两路信号抽样值的大小而判为“1”或“0”。这样可以降低误码的产生，在进行解调时不用考虑太多的情况。分解之后的两路信号通过相乘器与同频率的余弦函数相乘得到类似于2ASK解调时的全波整流的结果。

由理论可知2FSK调制收噪声影响较小，在相同输入为20个码元的信息时没有产生误码。当将输入增加到200个，信噪比设为5时的结果如下：

可以看出和误码个数为0个，将信噪比设为1，码元个数增加到1000个码元验证2FSK调制的误码情况：

从结果中可以看出来在信噪比为1的情况下误码率为6.6%。抗干扰效果十分理想。

总结与实验心得

本次实验设计从信源处讨论，分析数字信号基带传输系统和数字信号带通传输系统的实现原理，模拟两种类型传输系统和同一种系统不同种信息传输方法的实现，对比其不同。加深对编码解码，调制解调的了解。整个实验过程中所用的软件为MATLAB7.10。

由于本次实验设计开始的比较晚，时间比较紧，做的略有不足。实验从开始构思、设计、程序编写到软件仿真得出结果这个过程持续了四至五天，整个过程都是由自己一个人独立进行，通过查阅所学过课程、查阅课外的书籍和网上查找资料完成实验。

由于对MATLAB中一些高级的用法不是很了解，对某些专业用的函数也不是很掌握，在许多MATLAB教程书籍中也没有很好的写出来，在进行设计过程中从网络资源中找了许多他人的作品，借鉴了许多有用的MATLAB使用技巧，使实验做的更加完美和在仿真时变得十分方便。比如输入多变量的函数编写，以控制信号的码元个数、原码和信噪比，使得在实验仿真过程中可以很方便的查看不同信噪比对信息传输时的影响。

通过实验让我从大体结构上了解到了在信息传输时对信源的处理，加深对HDB3码的编码的特点和掌握了编码实现方法；增进对2ASK和2FSK调制解调系统的理解和总体框架的构造，还有学习了系统中所用到的各种滤波器的MATLAB仿真用法及参数设计。总而言之，实验并不完美，有许多不尽人意之处还有待改善，通过实验我不仅熟悉了通信原理课程所学的部分知识，也学习了MATLAB，收获很大。

参考资料：

《通信原理（第六版）》樊昌信曹丽娜国防工业出版社

《MATLAB在电气信息类专业中的应用》周又玲清华大学教育出版社

《MATLAB宝典》陈杰电子工业出版社

附录：

完整m文件程序：

function[y]=TXtest(x,n,snr)

%输入信源码元、码元个数和信噪比，

%选择调制和解调方式，得到结果，输出误码个数；

%x为信源，n为码元个数输入，snr为信噪比;

send=x;

swit=menu('选择通信方式','HDB3','2ASK','2FSK');%创建目录

switchswit

%==================================%

%==========HDB3编码与解码===========%

case1,scolor='HDB3';

%========HDB3编码===========%

temp=n;

S=0;%+\-改极性用标志位

AMI=send;

fork=1:temp

ifabs(AMI(k))==1

ifS~=0;

AMI(k)=-1*AMI(k);%将当前数改为与其前一位的数极性相反

end

S=~S;

end

end

HDB=AMI;

Sx=0;

Sv=0;%用于记录破坏脉冲和调节脉冲前信息位的极性

fork=1:temp-3

ifabs(HDB(k))==1

Sx=HDB(k);

end

if(HDB(k)==0&&HDB(k+1)==0&&HDB(k+2)==0&&HDB(k+3)==0)%检测是否连续4个码元都是0

if(Sv~=Sx)

HDB(k)=0;

HDB(k+3)=Sx;%原来的程序：HDB(k+3)=2*m;%用2表示书上的V

Sv=Sx;

else

HDB(k)=-Sx;

HDB(k+3)=-Sx;

Sv=-Sx;

end

end

end

HDB;

figure(1);

subplot(5,1,1);plot(x,'LineWidth',1.5),title('基带信号'),gridon;axis([0,n,-2.5,2.5]);

subplot(5,1,2);plot(AMI,'LineWidth',1.5),gridon;title('AMI编码'),axis([0,n,-2.5,2.5]);

subplot(5,1,3);plot(HDB,'LineWidth',1.5),gridon;title('HDB3编码'),axis([0,n,-2.5,2.5]);

signal=awgn(HDB,snr,'measured');%加入设定信噪比的高斯白噪声

subplot(5,1,4);plot(signal,'LineWidth',1.5),gridon;title('信号+噪声'),axis([0,n,-2.5,2.5]);

%========HDB3解码===========%

Sx=0;

fork=1:temp

ifabs(signal(k))>=0.66%设定判决门限为：大于0.36判定为1，小于-0.36判定为-1

if(Sx~=(abs(signal(k)/signal(k))))%如果前后符号一致则不译码为1

Sx=signal(k);

signal(k)=1;

else

Sx=(abs(signal(k)/signal(k)));%如果当前收到的码和之前的不一致，所以为0

signal(k-3)=0;

signal(k)=0;%每个V和B都变成0

Sx=0;%若当前位为破坏码，则清零标志位，以免出错

end

else

signal(k)=0;

end

end

res=signal;%解码后的恢复序列

error=0;%错误个数统计

fork=1:temp

if(res(k)-x(k))~=0

error=error+1;

end

end

y=error;

subplot(5,1,5);plot(res,'LineWidth',1.5),gridon;title('HDB3编码解码结果'),axis([0,n,-2.5,2.5]);

%====================================%

%========2ASK调制与解调仿真===========%

case2,scolor='2ASK';

%=====调制=====%

N=100;

bita=[];%基带信号

sl=[];%载波信号

bitRate=1e3;

fc=1e3;%载频1KHZ

t=linspace(0,1/bitRate,N);

fori=1:length(send)

ifsend(i)==0

bit1=zeros(1,N);

elseifsend(i)==1

bit1=ones(1,N);

end

bita=[bita,bit1];

c=sin(2*pi*t*fc);

sl=[slc];

end

figure(1);

subplot(4,1,1);plot(bita,'LineWidth',1.5),title('基带信号'),gridon;axis([0,N*length(send),-2.5,2.5]);

tz=bita*10.*sl;%进行ASK调制

subplot(4,1,2);plot(tz,'LineWidth',1.5);title('ASK调制后信号');gridon;

signal=awgn(tz,snr,'measured');%加入高斯白噪声

subplot(4,1,3);plot(signal,'LineWidth',1.5),gridon;title('信号+噪声')

%=======ASK的非相干解调=======%

[b,send]=ellip(4,0.1,40,[999.9,1000.1]*2/3e3);%设计IIR带通滤波器，阶数为4，通带纹波0.1，阻带衰减40DB,抽样频率400HZ

sf=filter(b,send,signal);%信号通过该滤波器

figure(2);

subplot(3,1,1);plot(sf,'LineWidth',1.5),gridon;title('BPF')

signal2=sf.*sl;%乘同频同相信号完成全波整流

subplot(3,1,2);plot(signal2,'LineWidth',1.5),gridon;title('全波整流器');

[b,send]=ellip(4,0.1,40,[50]*2/3e3);%设计IIR低通滤波器

sf1=filter(b,send,signal2);%信号通过该滤波器，输出信号sf

subplot(3,1,3);plot(sf1,'LineWidth',1.5),gridon;title('LPF');

sf2=[];

LL=fc/bitRate*N;

i=LL/2;

bitb=[];%调制信号

%==============判决==============%

while(i<=length(sf1))

sf2=[sf2,sf1(i)>=0.01];%门限设为大于0.001时判定为极性，根据环境更改

i=i+LL;

end

fori=1:length(sf2)

ifsf2(i)==0

bit1=zeros(1,N);

else

bit1=ones(1,N);

end

bitb=[bitb,bit1];%得到解调后的信号

end

figure(1);

subplot(4,1,4);plot(bitb,'LineWidth',1.5),gridon;title('解调后信号');axis([0,N*length(sf2),-2.5,2.5]);

%=====将接码改成与发送码形式相同的码元，并判断误码个数=========%

temp=1;

stat=0;%统计“1”的个数用以判断信号极性

fori=1:length(bitb)

iftemp<N%计数小于码元长度时统计码元的判定情况

temp=temp+1;

ifbitb(i)==1

stat=stat+1;

else

stat=stat-1;

end

else%计数等于码元长度时给码元赋值“0”或“1”恢复原码

temp=1;

ifstat>0

res(i/N)=1;%解调后的信号

else

res(i/N)=0;

end

stat=0;

end

end

%=====统计误码个数====%

error=0;%误码数

fork=1:n

if(res(k)-x(k))~=0%有误码则加一

error=error+1;

end

end

y=error;

%============================%

%=======2FSK调制与解调=======%

case3,scolor='2FSK';

%=====2FSK调制====%

N=100;%模拟一个码元的点数

bita=[];%基带信号

fori=1:length(send)

ifsend(i)==0

bit1=zeros(1,N);

else

bit1=ones(1,N);

end

bita=[bita,bit1];%基带信号

end

figure(1);

subplot(4,1,1);plot(bita,'LineWidth',1.5),title('基带信号'),gridon;axis([0,N*length(send),-2.5,2.5]);

bitRate=1e3;%每一个码元中采样点的间隔宽度0.001s

fc=1e3;%载频1KHZ

t=linspace(0,1/bitRate,N);

tz=[];%调制信号

c1=sin(2*pi*t*fc);%载波

c2=sin(2*pi*t*fc*2);%载波

fori=1:length(send)

ifsend(i)==1

tz=[tz,c1];

else

tz=[tz,c2];

end

end

subplot(4,1,2);plot(tz,'LineWidth',1.5);title('2FSK已调信号');gridon;

signal=awgn(tz,snr,'measured');%加噪

subplot(4,1,3);plot(signal,'LineWidth',1.5),gridon;title('信号+噪声')

%===========解调============%

Fs=5e3;%采样频率设为400HZ

[b1,a1]=ellip(4,0.1,40,[999.9,1000.1]*2/Fs);%设计IIR带通滤波器，阶数为4，通带纹波0.1，阻带衰减40DB

[b2,a2]=ellip(4,0.1,40,[1999.9,2000.1]*2/Fs);

sa=filter(b1,a1,signal);%信号通过IIR带通滤波器

sb=filter(b2,a2,signal);

figure(2);

subplot(3,2,1);plot(sa,'LineWidth',1.5),gridon;title('BPF')

subplot(3,2,2);plot(sb,'LineWidth',1.5),gridon;title('BPF')

%==========相乘器=============%

t=linspace(0,1/bitRate,N);

c1=sin(2*pi*t*fc);

c2=sin(2*pi*t*fc*2);

sia=[];

sib=[];

fori