基于matlab的相移键控系统仿真【实用文档】doc

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基于matlab的相移键控系统仿真【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载江西农业大学通信原理课程设计报告课题名称基于Mａｔlab的相移键控仿真设计班级信工130１学号2013３３32姓名权俊男２O16年6月基于Matlab的２PSK,2DPＳK仿真摘要:现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好,作为其关键技术之一的调制技术一直是研究的一个重要方向。本设计主要叙述了数字信号的调制方式，介绍了2PSK数字调制方式的基本原理，功率谱密度，并运用MＡTLAB软件对数字调制方式2ＰSＫ进行了编程仿真实现，在MATLAＢ平台上建立２PSＫ和2DＰSK调制技术的仿真模型.进一步学习了MAＴLAＢ编程软件，将MAＴLＡＢ与通信系统中数字调制知识联系起来，为以后在通信领域学习和研究打下了基础在计算机上,运用MATLAB软件来实现对数字信号调制技术的仿真。关键词：数字调制与解调;ＭATLＡB；2PＳK；２DPSK;第１章绪论1.1调制方式数字通信系统，按调制方式可以分为基带传输和带通传输.数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率（如0～6M）低频段,因而在很多实际的通信（如无线信道）中就不能直接进行传输，需要借助载波调制进行频谱搬移,将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号进行传输，这种传输方式，称为数字信号的频带传输或调制传输、载波传输。所谓调制，是用基带信号对载波波形的某参量进行控制，使该参量随基带信号的规律变化从而携带消息。对数字信号进行调制可以便于信号的传输;实现信道复用；改变信号占据的带宽；改善系统的性能。数字基带通信系统中四种基本的调制方式分别称为振幅键控（ASＫ,Ａmpｌitude-Shiftkeyiｎg）、移频键控（FSＫ，Frｅqueｎｃｙ-Shｉｆｔkeyinｇ）、移相键控（PSK，Pｈaｓｅ－Ｓｈiftkeyiｎｇ）和差分移相键(ＤPSK,DiffｅrentＰhase-Sｈiftkｅｙiｎg）。本次课程设计对PSＫ，ＤＰSK这两种调制方式进行了仿真。1。2设计要求1。2。1设计内容用ＭＡTLAＢ完成对２ＰSK、2ＤPSＫ的调制与解调仿真电路设计,并对仿真结果进行分析，可编写程序，也可硬件设计框图1.２.2设计参数（参数可以自行设置）１、传输基带数字信号（1５位)码元周期T=0。０1Ｓ2、载波频率:1５KHz1。２.3设计仪器计算机和MATLAB软件第2章２ＰSK，2DＰＳK原理2。12PSK原理2。1.１2PSK基本原理二进制移相键控,简记为２PSK或ＢPSK。2PＳK信号码元的“０”和“１”分别用两个不同的初始相位“０”和“”来表示，而其振幅和频率保持不变。因此,2ＰSK信号的时域表达式为：（t）=Ａcｏst＋）其中，表示第ｎ个符号的绝对相位:＝因此,上式可以改写为:这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式,称为二进制移相键控方式。二进制移相键控信号的典型时间波形如图2-1.图２-1二进制相移键控信号的时间波形２.1.２2PSK调制原理在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控（2PSK)信号.2PSK信号调制有两种方法，即模拟调制法和键控法。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0，模拟调制法用两个反相的载波信号进行调制。2PSＫ以载波的相位变化作为参考基准的，当基带信号为0时相位相对于初始相位为0°,当基带信号为1时相对于初始相位为１8０°。键控法，是用载波的相位来携带二进制信息的调制方式.通常用０°和１80°来分别代表0和１.其时域表达式为:其中,２PＳK的调制中aｎ必须为双极性码.两种方法原理图分别如图２—２和图２-3所示。图2-2模拟调制原理图图2—３键控法原理图2.1．3２PSK解调原理由于2ＰSＫ的幅度是恒定的，必须进行相干解调。经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量,在进行抽样判决。判决器是按极性来判决的。即正抽样值判为1,负抽样值判为０。2ＰSK信号的相干解调原理图如图2-４所示,各点的波形如图2—5所示。由于2ＰSＫ信号的载波回复过程中存在着１80°的相位模糊，即恢复的本地载波与所需相干载波可能相同，也可能相反，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的基带信号正好相反，即“１”变成“0”吗“0”变成“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为２PSＫ方式的“倒π”现象或“反相工作”。图2-42PSK的相干解调原理图图２-５相干解调中各点波形图2.２2DＰSＫ原理2．2。12DＰSＫ基本原理二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记为2DPSK.它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息,而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息.所谓相对载波相位是只本码元初相与前一码元初相之差。传输系统中要保证信息的有效传输就必须要有较高的传输速率和很低的误码率.在传输信号中，2ＰSＫ信号和2ASK及2FSＫ信号相比，具有较好的误码率性能,但是,在２PSＫ信号传输系统中存在相位不确定性，并将造成接收码元“０”和“1"的颠倒,产生误码.为了保证2ＰＳＫ的优点,又不会产生误码，将2ＰＳK体制改进为二进制差分相移键控（2DPSK)，及相对相移键控.２DPＳK方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。现假设用Φ表示本码元初相与前一码元初相之差,并规定:Φ＝0表示0码,Φ＝π表示1码。则数字信息序列与２DPSK信号的码元相位关系可举例表示如2PＳK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在接收端只能采用相干解调，它的时域波形图见图2—6。图２-62DPSＫ信号波形图2.2．22DＰSK调制原理二进制差分相移键控。2ＤPSＫ方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为,可定义一种数字信息与之间的关系为:为前一码元的相位。实现二进制差分相移键控的最常用的方法是：先对二进制数字基带信号进行差分编码,然后对变换出的差分码进行绝对调相即可。2DPSK调制原理图如图2-７所示.图２—７２DPSK调制原理框图2.２.32ＤPSK解调原理2DPSＫ信号解调有相干解调方式和差分相干解调。用差分相干解调这种方法解调时不需要恢复本地载波,只要将DPSK信号精确地延迟一个码元时间间隔，然后与DＰSK信号相乘,相乘的结果就反映了前后码元的相对相位关系,经低通滤波后直接抽样判决即可恢复出原始的数字信息，而不需要在进行差分解码。相干解调码变换法及相干解调法的解调原理是，先对２DＰＳK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过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,若相干载波产生相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象,但是经过码反变换器后,输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊的问题。本次设计采用相干解调。两种解调方式的原理图如图2-8和图2－9所示。2DPSK相干解调各点波形图如图2-10所示。图2－８2DPSK差分相干解调原理图图２－９２ＤPＳK相干解调原理图第3章实验过程3。1２ＰＳＫ仿真部分3。1.１2PSK仿真图用MＡＴLAB搭建好的2PSＫ仿真图如下：图３-12ＰSＫ仿真图3.1.22ＰSK模块的参数设置：１）相乘模块图3—2相乘器参数设置2）低通滤波器模块图3-3滤波器其参数设置3）抽样判决模块图３—4ｐulseｇenerator参数设置3．2２DPSK仿真部分3.2．１２ＤＰSK仿真图用MAＴＬAＢ搭建好的2DPSＫ仿真图如下:图3－52ＤPＳK仿真图2.２。22DPSK模块的参数设置:载波模块图3—６载波参数设置２)乘法器模块图3－7乘法器参数设置3）基带模块图３—8基带信号参数设置4）ＵｎｉpolａｒｔoＢipolａrConveｒtｅ模块图3－9UnipoｌartoBipolａrConveｒteｒ参数设置5)码变换模块图3-1０LogｉcａｌＯｐeraｔor参数设置图３－１1UnitＤelaｙ参数设置图3－1２DataTｙpeConｖｅrsiｏn参数设置6)滤波器模块图3-1３带通滤波器参数设置图3－14低通滤波器参数设置第4章仿真结果4。１2PＳK仿真结果图4－１2ＰSK电路仿真波形4．22DPＳK仿真结果图4—２２DPSK电路仿真波形附录：通过编写Ｍ文件程序：２PSＫ调制解调程序及注释clear

aｌｌｃｌoｓｅ

alli=１0；j=5000;ｆc=4；

%载波频率fm=i/５；

％码元速率B=2*ｆm；t=ｌinspace(0,5，j);a=rｏund（raｎｄ(1,i）)；

％随机序列,基带信号fiｇure(3）；sｔem（ａ）;st1=ｔ；for

ｎ=1:1０

if

a（n)＜1;

fｏr

m=j/i＊（ｎ—1)+1:ｊ／i*ｎ

st1（m)＝０;

ｅnd

elｓe

ｆor

ｍ=ｊ/i＊（n－１)+１：j/i*n

st1(m)=１；

ｅｎd

enｄendfiｇurｅ（1）；sｕbploｔ(41１）;ｐｌot(t，st1）；ｔitle(’基带信号st1'）；aｘis([０，5,—１，２］）;%由于PSK中的是双极性信号,因此对上面所求单极性信号取反来与之一起构成双极性码ｓt2=ｔ;forｋ=1:j；ｉfst1（k）〉＝1;st２（k）=0;eｌｓｅst２(ｋ）=1;ｅnｄｅnd；subｐloｔ（４１2);plot(t,st２）;ｔiｔle（'基带信号反码st２＇）；axis（［0，5，-1，２］)；st3=sｔ1-st2；ｓuｂplot(413）;plot（ｔ,st3);title('双极性基带信号st3’);axｉs(［0,5,-2,2]）；s1＝sｉn(2＊pｉ＊fc*t）;subplｏt（414);ｐｌot（s1)；tｉｔle(’载波信号ｓ１’）;e_ｐｓk=st3．＊s１;fｉｇure（2)；sｕbpｌｏt（5１1）;pｌoｔ（t，e＿psk);tｉtlｅ(＇e_2ｐsk')；nｏiｓe＝ｒaｎd（1,j）；psk＝e＿pｓk+noｉse；％加入噪声suｂplot(51２）；plot（t,psk）；tiｔlｅ(’加噪后波形’);psｋ=psk.*s1;%与载波相乘sｕbplot（5１3）；ｐlot（t,psk）；tｉtle('与载波s1相乘后波形'）;[f,ａf]=T2Ｆ(t，psk）;％通过低通滤波器［t,psk］=ｌpf(f，af，B）；ｓubplot(５14）；plｏt（ｔ，psk）；tｉtｌｅ（'低通滤波后波形＇)；foｒm=0:i-１;ｉfpsｋ（１，m＊5０0+25０）＜０;ｆoｒj=m＊5０0＋1：（m+1）*５00;ｐｓｋ(1，ｊ)=０；endｅlsefoｒj=m*５0０＋1：（m+1）＊5０0;psk(1,j）=１；endendendｓuｂpｌoｔ(51５）;ｐｌot(t，ｐｓk);axiｓ（［0,5，—１，2]);titlｅ(＇抽样判决后波形＇)2DPSK调制解调程序及注释clear

allclose

alｌi=1０;j=500０;fc=4；

％载波频率fm=i/５;

％码元速率Ｂ=2＊fm;t=liｎspａce(0，5，j)；a=roｕnｄ(ｒanｄ（1,i))；ｆigｕre（4）;sｔem（ａ）；sｔ1＝t;foｒ

n＝1：10

ｉf

a(n)<1；

ｆｏr

ｍ=j/ｉ*(n—1）+1:ｊ/i*n

st1(ｍ)=０；

end

eｌｓｅ

fｏr

ｍ=ｊ/ｉ*(n—１）+１:j/i*ｎ

st1（m）＝1;

ｅｎｄ

endendfigure(1)；subｐlot(32１）；pｌot（t，st１）;tiｔle(’绝对码'）；axｉs（［０，5，—1，2］）；b=zeros（1，i）;

％全零矩阵b（1)=a(1）；ｆｏr

n＝2:1０

if

a（ｎ）>=１；

if

b（n—1）＞=１

b(n）＝０;

else

b(n)=１；

end

ｅlse

b（n）=b（n-１）；

ｅｎdｅｎdst1＝t;for

ｎ＝1:10

if

b（n）<1；

for

m=ｊ/ｉ＊（n—１)+1：ｊ/ｉ＊n

sｔ1(m)＝０;

end

eｌsｅ

for

m=ｊ/i＊（n—1)+１:ｊ/i＊n

st1（ｍ)=1；

end

endenｄsubpｌot（323）；plot(t，ｓt1);ｔｉｔle('相对码st1');axｉs(［0,５，—1，2]）；st２=t；

fｏｒ

k=１：j；

ｉf

st1（k）>=1；

st2(k)=0;

eｌse

st2（ｋ）=1；

endｅｎd；ｓuｂplｏｔ（324);plot（t，st2）;tiｔle(＇相对码反码st2’)；axis（[0,５,-1,２]）；s1＝sin（2*pi*fc*t）;subｐlｏt(325）；plot（s1）;titｌe('载波信号s１＇）；s2＝ｓin（2＊ｐi＊fc＊t+pi)；ｓubploｔ(326）;plｏｔ（ｓ2）;tiｔｌe（'低通滤波后波形＇)；st=zerｏs（1，ｉ）;%全零矩阵form=0：i-１；ifdpｓk（1,m＊500+250)〈0；st（m+1)＝0;fｏｒj＝m＊5０0+1：(m+１）*500；dｐｓk(１，ｊ）=0；eｎｄeｌseforj=ｍ＊5０0+1：（ｍ+1)＊５00;st（ｍ+1）=1；dpsk(１,j）＝1;eｎdendendsｕbpｌｏt(４1３）;plot（ｔ，dｐsk）;axis([0，５,-1，2］)；title（'抽样判决后波形＇)dt=zeros(1,ｉ）;％全零矩阵dt(1）=st(１);forn=2:１0;ｉf（sｔ（ｎ）-sｔ(ｎ—1)）〈=0＆&(sｔ(n）-sｔ（n－1））>—1；dｔ（n)=０；ｅlｓedt(n)=1；ｅｎdendｓt＝t；ｆoｒn=1:1０ifｄt(n)<1;ｆｏrm=j/i＊(n-1)+1：j/i＊nsｔ(ｍ）=０;eｎｄｅｌsｅforｍ＝j/i＊(n-1）+1：ｊ/i*nsｔ（ｍ）=1;endeｎdendｓubpｌot（414）；plot（t，sｔ）；axis（［０,5，—1，2］)；ｔitle（＇码反变换后波形＇）摘要移频键控（ＦＳK)是数据通信中最常用的一种调制方式。FSK方法简单易于实现，并且解调不需要恢复本地载波,可以异步传输,抗噪声和抗衰落性能较强。缺点是占用频带较宽,频带利用不够经济。FSK主要应用于低中速数据传输，以及衰落信道和频带较宽的信道中。ＭATLAB中的通信工具箱可以用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。阐述了计算机仿真的发展概况，及其重要意义，介绍了几种仿真软件,着重介绍了MATLAB和其通信工具箱。利用MATLAB建立了FSK仿真模型，并对仿真模型进行了测试,结果表明,仿真结果与理论基本一致,在研究FSK调制解调原理的基础上设计了调制解调电路.关键词：FSKMAＴLAB仿真调制解调第一章设计任务及要求１。1课程设计依据在掌握频移键控调制解调原理的基础上,，利用MATＬAB/Sｉｍｕｌink软件进行系统的设计。1。２课程设计内容设计一个频移键控系统，具体要求如下：信源参数：0码概率0。５采样时间1ｓ载波１参数:幅度１频率1０0rａd／s载波２参数：幅度１频率２0raｄ/ｓＢPF1参数:下限频率95ｒad/ｓ上限频率１05ｒad/ｓＢPＦ2参数：下限频率15rａｄ/s上限频率25ｒad/ｓＬPＦ参数：截止频率10raｄ/ｓ判决器参数:门限０．251。3课程设计要求要求独立完成设计任务。课程设计说明书封面格式要求见《天津城市建设学院课程设计教学工作规范》附表1课程设计的说明书要求简洁、通顺，计算正确，图纸表达内容完整、清楚、规范.测试要求：根据题目的特点,在MATLＡＢ仿真并上观察调制解调各个部分波形图。课设说明书要求：说明题目的设计原理和思路、采用方法及设计流程.系统框图、MＡTLＡB程序清单或Ｓｉｍuliｎk框图。对各部分的功能以及各部分之间的关系作较详细的描述.说明仿真结果：调制解调各个部分波形图。并对其进行说明和分析第二章2ＦSK调制与解调原理２。１调制原理二进制频移键控信号码元的“1”和“0"分别用两个不同频率的正弦波形来传送,而其振幅和初始相位不变.故其表达式为：由图可见，2ＦSK信号的波形（a）可以分解为波形（b）和波形(c),也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的２ASK信号的叠加.2FSＫ信号的产生方法有两种:模拟法,即用数字基带信号作为调制信号进行调频。如图1—1（a)所示.键控法，用数字基带信号及其反相分别控制两个开关门电路，以此对两个载波发生器进行选通.如图1－1(b）所示。这两种方法产生的2FＳK信号的波形基本相同,只有一点差异,即由调频器产生的2FSＫ信号在相邻码元之间的相位是连续的，而键控法产生的２FSK信号，则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的信号,故相邻码元的相位不一定是连续的。（ａ)(b)图2。12FＳK信号产生原理图由键控法产生原理可知，一位相位离散的2FSK信号可看成不同频率交替发送的两个2ASK信号之和，即其中是脉宽为的矩形脉冲表示的ＮRZ数字基带信号.其中,为的反码，即若，则；若，则。2。2解调原理２FSK信号的解调也分为2ＦＳK信号的接收也分为相干解调和非相干解调接收两类。2．2。1相干解调相干解调根据已调信号由两个载波f１、f2调制而成,则先用两个分别对ｆ1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可.原理图如下:图2.2。1相干解调原理框图2.２.2非相干解调带通滤波器 F1带通滤波器 F1非相干解调接收经过调制后的２FSK数字信号通过两个频率不同的带通滤波器ｆ1、f2滤出不需要的信号,然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波,最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲，最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。其原理图如下图所示：图2。2.2非相干解调原理框图第三章MUTLAＢ与Simuｌｉnk介绍３。1MUTLABMAＴＬＡB是矩阵实验室（MatriｘLaboratｏry）的简称,是美国MathＷoｒks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATＬAB和Simulink两大面对科学计算、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。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。ＭATLＡB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。３.2SimuｌiｎｋSimuｌink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。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.。构架在Siｍulink基础之上的其他产品扩展了Ｓｉmulｉnk多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Ｓimuｌiｎk与MＡTLAB紧密集成,可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。其特点为：１、丰富的可扩充的预定义模块库.2、交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。3、以设计功能的层次性来分割模型,实现对复杂设计的管理。4、通过ＭｏdelExｐｌoｒｅr导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。５、提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成6、使用EmｂeddeｄMＡTLAＢ™模块在Simulinｋ和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。7、使用定步长或变步长运行仿真,根据仿真模式(Normal，Ａcceleｒatoｒ,RaｐidAccｅlerａtor）来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型.８、图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。９、可访问MＡＴLＡB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。第四章设计思路４。1设计调制模块思路根据二进制频移键控调制的原理，了解ＭＡTＬＡB软件中的仿真工具Ｓｍｕlｉnｋ中各个模块的功能后,根据调制的原理框图，使用puｌsegｅneratｏr产生信号,用幅度为1,频率为100rａd/s载波表示“1”,用幅度为1,频率为２0rad／s载波表示“0４。2设计解调模块思路利用FSK相干解调方法对调制的FSK信号进行解调。根据相干解调的原理框图，经调制后的２FＳK信号经信道中加高斯白噪声后信号进行相干解调。在Ｓmulｉnk中调用相应的模块，连接各个模块,设置各个模块的参数，并用scoｐｅ显示仿真波形。第五章软件仿真５．１设计的仿真模型图用PｕｌseＧｅneratｏr产生二进制０1信号，调用俩个SineWave模块产生频率分别为10０和２0的两个载波正弦信号,将此三个信号输入到Switch模块中,从而通过键控输出调制后的FSK波形。输出的波形经两路经过带通滤波器，再分别与先前定义的俩个不同频率的正弦载波信号相乘，经过低通滤波器后抽样判决完成对FSK信号的解调。simuliｎk仿真模型图如下所示：5．2各模块功能及其参数设置：用于产生正弦波信号，两个正弦载波信号参数设置如下：图5．2．1载波1参数设置图5。2.2载波2参数设置脉冲信号发生器模块,用于产生固定间隔的脉冲,在本课程设计中用来产生二进制信号图５。2．3脉冲信号发生器模块参数设置在两个输入此模块的载波信号之间切换。对于此次课程设计,当输入方波信号的幅值大于1时，切换到高频率的载波信号上，小于１时,切换到低频率的载波信号上,从而完成ＦSK调制。滤波器，通过设置其参数，可以设置为低通、高通、带通、带阻滤波器,提取出某频率范围内的信号图5.２。４两个带通滤波器参数的设置图5.2.５两个低通滤波器参数的设置比较运算模块，可设置为〈=（小于等于）、＞=(大于等于）、＜(小于)、>（大于）等运算关系.此课程设计中用来行使抽样判决,解调出FSK信号。示波器模块,用来显示仿真过程中信号的波形,可通过修改属性中Numberofａxｅs的值设置输入信号的个数。5．3仿真波形５。3。1ＦSK调制过程仿真波形图５．3.１.1信源信号图5.3．1.2载波1波形图5。3.1。3载波2波形图5.3.1．4调制产生的ＦSK信号5。3.2解调过程波形图５．3．2.1信道中传输的FSＫ信号图５。3。2.2经带通滤波器１后的波形图5。3。2.3经带通滤波器２后的波形图５．3．2．4图5．３.1。3的波形与载波1相乘得到的波形图5.3。2。5图5.3．1。4的波形与载波２相乘得到的波形图5.３。2.6判决过程波形图5.3.2未调制信号波形与解调后波形比较图５。３．2。1未调制信号波形图5。３.2。2ＦSK信号解调后的信号波形5．3仿真结果分析从实验仿真波形上来看,实验结果是正确的，二进制数字信号“1”对应载波频率10０rａd／s,二进制数字信号“０"对应载波频率20raｄ／s，实现了对数字信号的频移键控调制.解调出的数字基带信号也是正确的，知识相对于原本输入的基带信号在时域上有延时。第六章心得体会此次课程设计要求用ＭATＬAＢ软件仿真,因为之前没有学过这个软件,因此做之前，我先去图书馆借了几本关于MAＴＬAB的书籍,上网搜集了此次课程设计的相关资料，做好课程设计的前期准备工作,好的开端就相当于成功了一半。通过上面的过程,已经积累了不少资料，认识了通信原理和MAＴＬB的相关知识与运用，主要有基带信号的调制原理及方法、低通和带通滤波器等等，加深了对上述相关知识的了解,使我更深刻理解了调制与解调的原理和实现方法,以及基本掌握了MATLAB的基本应用。在这样的基础上,我才开始着手分析题目,进行设计。通过本次课程设计，我又掌握了一个可用于我们专业的强大的软件——MATLＡB。课程设计中重新复习了一下ＦSK的解调与调制原理。以前我对FSK的理解仅限于表面，会画经调制后的波形，经过这次课程设计，利用siｍuliｎk进行画图仿真,我又深入了解到了FSK的调制与解调过程，加深了我的理解。与此同时，我感到matlab这个软件对于我们信息科学相关专业的重要性,学好这个软件对我们今后深入研究学习这个专业会有非常大的帮助.每次课程设计对我们来说都是一个很好的锻炼自己动手动脑的机会，通过实际电路或者软件仿真不仅将课本中的知识应用到实际中,加深我们对知识的巩固理解，更重要的是锻炼了我们的思维能力，活跃了我们的大脑。课程设计中必定会遇到很多问题,通过自己思考,查阅资料等方法想出解决问题的方法,帮助我们提高了分析问题、处理问题的能力。第七章参考文献[1]刘

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编著，

《现代通信原理》,国防工业出版社，2０11

创新实践报告报告题目：基于ｍａtlab的通信系统仿真学院名称：信息工程学院姓名：班级学号：指导老师:二O一四年十月十五日一、引言现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高,构成越来越复杂;另一方面,要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期,降低成本，提高水平。这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现.在这种迫切的需求之下，ＭATLＡB应运而生.它使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷,由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展.通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程,对通信系统的发展起着举足轻重的作用.通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性,有助于我们更好地研究通信系统性能.通信系统仿真的基本步骤如下图所示:二、仿真分析与测试(1）随机信号的生成利用Mａtlab中自带的函数ｒａndsｒｃ来产生0、１等概分布的随机信号。源代码如下所示:ｇlｏbaｌNN＝300;globaｌpp＝０．5;ｓource＝ｒanｄsｒc（1,N,［1，0;p，1-ｐ］）；(2)信道编译码卷积码的原理卷积码（coｎｖoｌutioｎaｌcode）是由伊利亚斯(ｐ.Eｌias）发明的一种非分组码。在前向纠错系统中，卷积码在实际应用中的性能优于分组码，并且运算较简单。卷积码在编码时将k比特的信息段编成n个比特的码组，监督码元不仅和当前的k比特信息段有关,而且还同前面m=(N－1）个信息段有关。通常将N称为编码约束长度,将nN称为编码约束长度.一般来说,卷积码中k和n的值是比较小的整数。将卷积码记作（ｎ,ｋ，N)。卷积码的编码流程如下所示。可以看出：输出的数据位V1,V2和寄存器D０，D1，Ｄ２，D3之间的关系。根据模2加运算特点可以得知奇数个１模２运算后结果仍是1，偶数个１模2运算后结果是0。译码原理卷积码译码方法主要有两类:代数译码和概率译码。代数译码主要根据码本身的代数特性进行译码,而信道的统计特性并没有考虑在内。目前,代数译码的主要代表是大数逻辑解码。该译码方法对于约束长度较短的卷积码有较好的效果，并且设备较简单。概率译码，又称最大似然译码,是基于信道的统计特性和卷积码的特点进行计算。在现代通信系统中,维特比译码是目前使用最广泛的概率译码方法。维特比译码算法基本原理是:将接收到的信号序列和所有可能的发送信号序列比较，选择其中汉明距离最小的序列认为是当前发送序列。维特比译码的前提是建立合适的网格图，以便寻找最优路径。或者可以认为，维特比译码的关键是寻找最优路径。在实际的译码操作过程中,怎样建立网格以及建立网格后的路径的选择是译码的关键问题。调制与解调１）ＢＰSK的调制原理在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控2PＳＫ信号。通常用已调信号载波的０度和180度分别表示二进制数字基带信号的１和0。二进制移相键控信号的时域表达式为其中,与２ASK和2ＦSＫ时的不同，在２PＳK调制中,应选择双极性，即当发送概率为P,,当发送概率为1—Ｐ,。若是脉宽为、高度为1的矩形脉冲，则有当发送概率为P时,(式2-2）发送概率为１—P时，（式2-3）由（式2—2)和（式2—3)可以看出，当发送二进制符号１时,已调信号取0度相位，当发送二进制符号为0时,取180度相位，则有，其中发送符号1,,发送符号0，.这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字调制信号的调制方式，称为二进制绝对移向方式。下面为2PＳK信号调制原理框图2.1所示:SS(t)码型变换乘法器图2。1:2ＰSK信号的调制原理图（模拟调制方法）2）BPSK解调原理2PSＫ信号的解调通常都采用相干解调,解调器原理如图２.３所示,在相干解调过程中需要用到和接收的２PＳＫ信号同频同相的想干载波.带通滤波器带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出abcde图２。3：BＰSK相干解调图2.4BPSK解调各点时间波形T图2.4BPSK解调各点时间波形Ts1010tb1\ttttt11100adecQPSK调制与解调（1)QPSＫ的调制原理：四相相移键控是ＭＰSK的一种特殊情况，它是利用载波的4个不同相位来描述数字信息的调制方式，具有较强的抗干扰能力。QPSＫ的表达式可以写为：其中，是角频率，是第K个码元的载波相位取值，TS是一个发送码元的持续时间,它将取可能的四种相位之一，g（t）是发送的波形函数.将上式展开可以得到：从式中可以看出,四相调制的波形,可以看成是对两个正交载波进行二进制幅度调制信号之和。从XN和ＹN的取值，容易发现两者具有一定的适量约束关系。保证两者合成的矢量点落在同一圆周上。这个关系意味着,系统的非线性失真对QPSK系统的可靠性影响很小.(2）QPＳＫ的解调原理：正交电路和同相电路分别设置两个相关器（或匹配滤波器)，得到I(t)和Q（ｔ），经过电平判决和串并转换即可恢复原始信号.信道加性高斯白噪声信道加性高斯白噪声（AWGN）从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。加性高斯白噪声在通信领域中指的是一种各频谱分量服从均匀分布（即白噪声），且幅度服从高斯分布的噪声信号。因其可加性、幅度服从高斯分布且为白噪声的一种而得名。该噪声信号为一种便于分析的理想噪声信号,实际的噪声信号往往只在某一频段内可以用高斯白噪声的特性来进行近似处理。由于AＷGN信号易于分析、近似，因此在信号处理领域,对信号处理系统(如滤波器、低噪音高频放大器、无线信号传输等)的噪声性能的简单分析(如:信噪比分析）中，一般可假设系统所产生的噪音或受到的噪音信号干扰在某频段或限制条件之下是高斯白噪声.这种噪声假设为在整个信道带宽下功率谱密度（PDF)为常数，并且振幅符合高斯概率分布。瑞利信道在无线通信信道中，由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径，各条路径延时时间是不同的，而各个方向分量波的叠加,又产生了驻波场强，从而形成信号快衰落称为瑞利衰落.瑞利衰落信道(Ｒayleｉghfadingｃhannｅl）是一种无线电信号传播环境的“统计模型(staｔiｓtiｃａlmodel）”。这种模型假设信号通过无线信道之后,其信号幅度（ampｌitudｅ）是随机的,即“衰落（ｆaｄiｎg)”,并且其包络(ｅnvｅloｐe)服从瑞利分布(Rayleighdｉｓtrｉｂutiｏｎ）。这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境.［1][2］瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号（LｏS,LinｅｏfSighｔ）的情况，否则应使用莱斯衰落信道（Ricｅａnfaｄinｇchanneｌ)作为信道模型.(５)多径合并1）MRC方式最大比合并是对等增益合并的改进，即各个支路加权系数与该支路信噪比成正比，各支路信噪比越大，其相应的加权系数越大，该支路对合并信噪比的贡献也越大.假定每个支路的平均噪声功率相等，可以证明当各个支路加权系数为Gi＝Ａｉ/σ2时，分集合并后的平均输出信噪比最大.其中，Aｉ为第ｉ条支路信号幅度；σ2为每条支路噪声平均功率。合并后的输出信号幅度为2)EGC方式当支路加权系数设定为G１＝G2＝…＝GN时,称为等增益合并,但需要对每个支路的信号进行同相化处理。(6)采样判决由于从匹配滤波器出来的信号的点数８倍于原来信息的点数,为了恢复出原信号,所以需要对该信号进行采样。从匹配滤波器出来时，首先要剔除卷积过程中冗余的点，接着抽取现在信号中的第1个，第9个,……，第８×k＋１个点,源代码如下：fuｎctioｎ[ｙ1，y２]＝ｐick_sig(x1,x2，raｔio）ｙ１＝x1（raｔio*３＊2+1:ratio：lengｔｈ(ｘ１)）；y2＝x2（ratiｏ*3＊2＋1:raｔｉo:lengｔh（x1）)；经过前边的匹配滤波器解调或者称为相关解调产生了一组向量，在这里就是一个一维的向量,根据最大后验概率（MAP)准则（由于各个信号的先验概率相等,所以页可以认为是最大似然准则），得到了最小距离检测.具体在本仿真系统中,判断为各个信号的门限如表２所示。判决后得到的数据再按照格雷码的规则还原成0、1信号，最终将两路0、１信号合成一路0、1信号，用来同最初的信号一起决定误码率。表2判决电平对应表判决前的信号的幅度对应的判决后的幅度－3-113理论值与仿真结果的对比在仿真完成之后，把得出的仿真结果与理论结果相互对比，了解仿真与理论的差异.三、系统仿真分析（一)有信道编码和无信道编码的的性能比较１、信道编码的仿真第一步:产生随机序列,执行随机序列生成程序,得出随机序列：011０1011.第二步:对随机序列进行卷积编码得：000111１1１101００0０第三步：在接收端对信号进行相干解调，结果如下:第四步:对相干解调之后的信号进行解码得出下图所示信号:总结：有以上四图看出，发送信号与接收端解调出的信号一样，说明无线通信的目的就是无失真的传递信息；信道的功能就是尽可能无失真的传输信息。2、有信道编码和无信道编码的比较信道编码的实质是在信息码中增加一定数量的多余码元（称为监督码元)，使它们满足一定的约束关系,这样，由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。一旦传输过程中发生错误,则信息码元和监督码元间的约束关系被破坏。在接收端按照既定的规则校验这种约束关系，从而达到发现和纠正错误的目的.为了分析误码率随着信噪比的编码所呈现出来在有信道编码和无信道编码的差别,首先产生的随机的１0000＊128个符号数，snｒ噪声为0到15d。bitcoded＝chａnnelcodｉng（sｙm，G,4)；%信道编码，(7，4）码bitdｅｃoded=chａｎneldecodｉng（Rｓtream，Eｔａb,Sｍａtrix,H,7，4)；根据仿真曲线图可以看出，有信道编码的曲线的误码率比没有信道编码的误码率低，并且随着信噪比的增大而明显.说明信道编码提高了信息传输的可靠性，提升了通信系统的传输性能。(二）ＢＰSK与QPＳK调制方式对通信系统性能的比较１、调制过程的仿真对(一）部分中卷积产生的序列００11111１1010000进行调制得出下示波形:２、不同调制方式的误码率分析＜1＞BPSK调制datａ１=dａｔa。*２—１;［data2]=oveｒｓamp（data１，nd，IPＯINＴ)；daｔa3＝conv（ｄaｔａ2，ｘh)；％ｃonv:builtinfｕｎｃtｉｏn〈２>QPSK调制[iｃh,qch]=qpskmod（data1_q，1，nd，2);［ich1,ｑch1]=comｐoｖersａmp（icｈ，qｃｈ,lｅngｔh(ich）,IＰOINＴ）;[ｉch2,qch２］=coｍpcｏnｖ(ich１，ｑcｈ1，ｘh）;将BPSK和QPSK在同样的高斯信道下传输，在相同的信噪比和发码速率的情况下,仿真两种调制方式产生的误码率曲线如下所示:从误码率图可以看出,BＰＳＫ比QＰSK的误码率低,BPSK性能较好。在相同的信道下,BPSK调制系统的误码率小于QPSＫ调制,因此相同系统情况下BＰＳK优于QPＳＫ.(三)高斯信道和瑞利衰落信道下的比较１、信道加噪仿真将经过调制的模拟信号通过加高斯噪声的信道传输后，信号会被噪声干扰,波形发生变化，如下图所示：然而，在不同的信道下，波形受损的程度是不一样的,在同一类型的信道下，不同信噪比的受损程度也不相同。因此我们对高斯信道和瑞利衰落进行了对比分析。2、不同信道下的误码分析〈1〉衰落信道[ifadｅ，qｆade］=sｅｆaｄe（datａ3,ｚeros（１，length(dａta3）），ｉtａu,dlｖl，th1,n０,iｔnd1,now1,lｅnｇth(data3），tstｐ,ｆd，ｆlat)；iｔnd1=itnｄ1+iｔnd0;<2＞高斯白噪声信道inoiｓｅ_0=rａndn(1，length(ｄatａ3))。＊attn；％ｒandn:builtiｎfunctiondata4＿0=datａ3＋inoise_０；ｄａta５＿0＝conv（data4＿０，xh2）;％ｃｏnv：builtｉｎｆunctｉon将同样的信号分别送入仅含有高斯白噪声的信道和还有瑞利衰落与高斯白噪声组合起来的信道,绘制出了如下图的误码率曲线:由图可看出,经过瑞利衰落的信道误码率比高斯噪声信道更高。(四)不同合并方式下的对比1、MRC不同信噪比下的误码分析由上图分析可得：天线越多,误码率越小。信噪比越大，误码率也越小。因此可得出结论:系统的信息传输质量与信噪比和天线的数量是正相关的。２、EGC不同信噪比下的误码分析由上图看出：等增益合并方式与最大比合并方式的基本规律一样，也是天线越多,误码率越小。信噪比越大,误码率也越小。因此可得出结论：系统的信息传输质量与信噪比和天线的数量是正相关的。3、MＲC、EGC分别在2根、4根天线下的对比从上图可以看出,最大比值合并比等增益合并的误码率更小，最大比值合并就是通过最优化的加权进行的接收，它们随着天线数量的增大,误码率减小;信噪比越大，误码率下降,其中最大比值随信噪比的误码率变化尤为明显。理论数据与仿真数据的区别下图为BPＳK的理论误码率与仿真误码率的曲线图,通过比较ＢPSＫ信道的理论误码率与仿真误码率的差别可看出,它们的差别很小，近似为一样的。设计小结经过这段时间的ＭＡTLＡB通信系统仿真的学习，使我对通信原理及仿真实践有了更深层次的理解。在学习过程中，我了解了MATLAB的语言基础以及应用的界面环境,基本操作和语法，让我在分析通信系统的性能时更加方便。在学习当中，我明白了通信系统仿真的现实意义，系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质的一种描述。通过仿真技术和方法,可以迅速构成一个通信系统模型，提供一个便捷,高效和精确的仿真平台。学习过程中,我再次系统的学习了现代移动通信系统中送信源产生信息，再到通过发信机对信息进行信源编码和信道编码，再到在信道上（移动通信系统中为无线信道，即自由空间）受到各种噪声信号的干扰，导致传输的信息序列产生一些变化或误差，再到在新到的另一方向通过收信机接收到信号兵进行信道译码和信源译码,将接收到的信号还原为原始基带信号送至信宿将信息反映出来，从而完成移动通信的整个过程。在这次次设计中，我首先进行了信号的产生（随机产生二进制序列),再通过比较经过有信道编码和无信道编码的信息的传输性能差异，得出结论：信道编码增强了信息在信道上的传输性能，减小了误码率。然后再通过比较ＢＰＳＫ调制和QPSＫ调制对信息传输的性能影响，得出BPＳK比QPＳK的误码率低,ＢPSK性能较好。在相同的信道下,BPSK调制系统的误码率小于QPSK调制，因此相同系统情况下BPＳK优于ＱPＳK。另外,我还比较了在加性高斯白噪声信道和瑞利信道上传输信号的误码率情况，总结出经过瑞利衰落的信道误码率比高斯噪声信道更高。我还比较了不同的合并方式对接收信号的误码率影响，了解到天线越多，误码率越小.信噪比越大,误码率也越小。因此可得出结论：系统的信息传输质量与信噪比和天线的数量是正相关的。另外我还明白了最大比合并方式优于等增益合并方式。在最后的理论数据与仿真数据的对比中，我了解到，虽然实际结果与仿真结果之间存在一定的差距,但是们之间还是比较接近的，由此可以说明：通过软件仿真可以比较好的估算出系统的信息传输情况,更方便系统的优化和设计。总之,通过这次设计,我领悟到学习是一个渐进的过程,我们需要不断学习新知识并温习已经学过的知识,只有这样，我们才会不落后于时代的发展!通信原理课程设计题目基于Ｍatlab程序的PCM系统仿真学生姓名赵欣学号１21３024111所在学院专业班级通信工程1204班指导教师魏瑞完成地点博远楼2０1５年３月28日基于Mａｔlaｂ程序的PCM系统仿真xx（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业ｘｘ班，陕西汉中7２3０03)指导教师：xｘ[摘要]在数字通信传输系统中，都是采用脉冲编码调制（ｐulｓe－coｄｅ—moｄulation）,简称PＣM。PCＭ是对模拟信号进行抽样、量化和编码产生数字信号。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。量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。编码,就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。［关键词］ＰCＭ量化编码µ压缩律ThePCMＳysteｍBaseｄOnＭatlａｂSimulaｔionxxx(Gｒade2０xxClassxxMajorofCoｍmunicａtiｏnEngineeｒinｇ,ＳchoｏlofPhysｉcsandＴelｅcoｍｍuｎicａtiｏnEnginｅｅringoｆSｈaanxiUｎｉｖeｒｓityofTechnoｌogy,Hａnｚhong7２3003，Sｈａanxi）

ｘxＡｂstract：Iｎdｉgｉｔaｌcommuｎicaｔiｏntrａnsmisｓionsyｓtｅm,usingｐulseｃodeｍodｕｌaｔioｎ，ＨerｅinafｔｅrRｅferrｅdtoasPCM．PCMiscarrｉedouｔontheanaｌogｓignalｄigitalsiｇｎalsaｍpling，quａntizａtionandｃｏｄiｎｇ.Periodiｃalｌｙsｃan，ananaloguesigｎalsampｌing,thatｉs，ｔhｅcｏntinuouｓtimesignａlｉntoａdiscrｅｔeｔｉmｅsigｎaｌ.Qｕaｎtiｔａtivｅ，isaftersａmｐlingtheinstanｔａneｏuｓｖａlｕｅoftheamplitudｅofdｉsｃｒete，wｈｉchUSESaseｔofｒｕｌesｏflｅｖel，theｉnsｔantａneoussａｍplｉngvalｕｅｏｆthemosｔclｏsetothｅlｅveloｆvalｕe.Aｎanalｏｇsiｇnalａfteｒｓamｐlingquａnｔizａtionｈａsquantitaｔiveｐulｓeaｍplitudｅmoｄｕｌａtｉonｓignal，ｉtiｓonｌyafinitｅnｕmｂｅrofvａｌuｅｓ.Coｄing,wｈichisｅxｐｒｅsｓedｉnａgｒoupofｂinａrｙcoｄｅｇroｕｐeａchhavｅａfixedlｅveloｆquantｉtａtivｅｖａlues。Kｅywｏrds：PＣＭ，quantiｚation，codinｇ,Tｈecomｐressｉonlａwｏfµ任务书设计题目基于MＡＴＬAB的PＣＭ系统仿真学生信息姓名xｘ性别女班级xxxxｘ学号ｘｘｘx任务要求掌握模拟信号数字化的基本原理,研究15折线法在编码译码过程的应用，并通过MAＴLＡB语言平台仿真验证抽样定理、抽样信号的量化、编码、译码。所需实验设备、器材、软件设备:计算机软件：Ｍaｔlaｂ设计与制作方案、所用方法及技术路线掌握模拟信号数字化基本原理，熟悉方法。熟练掌握MＡTLＡB语言，能够独立编写程序，完成对相应方法的计算机仿真.研究快速傅里叶变换在信号谱分析中的应用，并通过计算机仿真验证抽样定理、抽样信号的量化、编码、译码.研究基于1５折线的PCM系统，并用Ｍatlab对算法进行仿真实验.设计与制作进度课设在3月8日初步确定方案，3月12日开始软件的编写，3月16日完成软件的调试,３月18日开始课设报告的撰写。设计与制作完成情况本次课程设计基于ＭＡTLAB仿真,已经完成并可以通过程序实现15折线PCM系统仿真研究。设计与制作收获及总结熟悉了MＡTＬAB软件,掌握了模拟信号数字化的完整过程，本次课设在以后进一步对信号处理与分析以及有关于PCM系统的数据处理的学习中有很大的帮助。学生签字年月日设计与制作成绩（五级制)指导老师签字年月日教研室意见教研室主任签字年月日备注:学生除填写本表相应的内容外，还应撰写一份完整的设计与制作报告（1.题目;2.目的；3。原理;4．器材；5．方案；6.说明等）目录TOC＼o”1－3”\u一、绪论PAGEＲEF_Ｔoc468１11。1课题研究背景PAGＥRＥF_Tｏｃ20729１1。２课题研究目的与意义ＰAGEＲＥF＿Toc9589１二、基本原理PＡＧＥREF＿Tｏc2388２２2．1对模拟信号进行抽样PAGEＲＥF＿Ｔoc８４7８22．2对离散数字信号序列量化PAGERＥF_Toc1282032．3对量化后的数字信号进行编码PＡGEＲEＦ_Ｔoc2０1095２．3.１编码PＡGＥRＥＦ＿Toc７424５µ律１5折线ＰAGEREF＿Toｃ2054652。4对编码后的信号进行译码PAGEREF_Ｔoc３１77382.４。１译码准则PＡＧＥREＦ＿Toｃ85282。4．2译码算法PＡGERＥF＿Ｔoｃ３1３098三、PCM系统仿真PAGEREＦ_Ｔoc１04２883.1抽样定理的验证PAGＥREF_Ｔoc3067１83.2量化、编码与译码ＰAGEＲEＦ_Ｔoc322921０四、仿真结果及其分析ＰAＧEＲＥF_Tｏc185４０1０4。１抽样定理的验证PAGEREF_Toｃ２71141０4．2量化与编码分析ＰAGEREF_Ｔｏc3170812五、结论PAGEREＦ＿Toc１547713致谢ＰＡGEＲEF_Toc1902014参考文献PAGＥREF_Toｃ22807１５附录PAGＥRＥF＿Tｏc2０0２116一、绪论１。1课题研究背景1８37年，莫尔斯完成了电报系统，此系统于1844年在华盛顿和巴尔迪摩尔之间试运营，这可认为是电信或者远程通信,也就是数字通信的开始。数字化可从脉冲编码调制开始说起.1９３7年里夫提出用脉冲编码调制对语声信号编码，这种方法优点很多。例如易于加密,不像模拟传输那样有噪声积累等。但在当代代价太大,无法实用化；在第二次世界大战期间，美军曾开发并使用２4路PＣM系统，取得优良的保密效果。但在商业上应用还要等到20世纪70年代。才能取代当时普遍采用的载波系统。我国７０代初期决定采用３0路的一次群标准,8０年代初步引入商用，并开始了通信数字化的方向.数字化的另一个动向是计算机通信的发展.随着计算机能力的强大,并日益被利用,计算机之间的信息共享成为进一步扩大其效能的必需。60年代对此进行了很多研究，其结果表现在19７２年投入使用的阿巴网。由此可见，通信系统中的信息传输已经基本数字化。在广播系统中,当前还是以模拟方式为主，但数字化的趋向也已经明显,为了改进质量,数字声频广播和数字电视广播已经提前到日程上来，21世纪已经逐步取代模拟系统。尤为甚者，设备的数字化，更是日新月异。近年来提出的软件无线电技术,试图在射频进行模数，把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化,这使设备超小型化并具有多种功能，所以数字化进程还在发展.1。2课题研究目的与意义我的课题是模拟信号数字化,在PＣＭ系统下利用15折线法对抽样数据进行量化编码译码。一方面通过学习掌握模拟信号数字化的基本原理，传输的过程和分析方法，能懂得通信系统的基本原理和构成，了解有关通信系统的中的技术指标及改善系统性能的一些基本技术措施,为我们全面、系统的了解信号传输过程提供了理论依据。另一方面,使我们了解到MATLAB软件程序仿真有着更深的了解.传统的实验教学方法是要求学生完成某一典型电路的验证.其实验步骤等都是事先安排好的，实验结果往往也大同小异，学生得不到创新能力的培养,故实验教学有待于改革.然而,仿真实验的应用改变了传统教育模式,使教育的模式发生了根本性的变化，大大提高了学生的综合、设计、创新能力的培养.而且研发经费不断增加，也制约着技术的发展。对于正在规划和设计中的通信系统项目,可先建立相应的方案模型。通过计算机软件仿真对系统进行多种方案设计和参数实验，得到最佳方案。二、基本原理通信系统可以分为模拟和数字通信系统两大类.数字通信系统有很多的优点，应用非常广泛，已经成为现代通信的主要发展趋势。自然界中很多信号都是模拟量,我们要进行数字传输就要将模拟量进行数字化，将模拟信号数字化，处理可以分为抽样,量化，编码译码这三个步骤。下图是模拟信号数字传输的过程原理图：A/D量化编码A/D量化编码数字滤波器D/Ap（ｔ)图2．１模拟信号数字传输过程原理图下图是模拟信号数字化过程：模拟信号模拟信号源抽样编码量化译码图２.2模拟信号数字化过程2。1对模拟信号进行抽样抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程.抽样定理：设一个频带限制的（0，）Ｈz内的时间连续信号如果它不少于2fH次/s的速率进行抽样，则可以由抽样值完全确定.抽样定理指出，由样值序列无失真恢复原信号的条件是，为了满足抽样定理,要求模拟信号的频谱限制在0～之内(为模拟信号的最高频率）。为此,在抽样之前,先设置一个前置低通滤波器，将模拟信号的带宽限制在以下,如果前置低通滤波器特性不良或者抽样频率过低都会产生折叠噪声。抽样频率小于2倍频谱最高频率时，信号的频谱有混叠。抽样频率大于2倍频谱最高频率时,信号的频谱无混叠。取样分为冲激取样和矩形脉冲取样，这里只详细介绍冲激取样的原理和过程，矩形脉冲取样的原理和冲激取样的是一样的，只不过取样函数变成了矩形脉冲序列。数学运算与冲激取样是一样的。冲激取样就是通过冲激函数进行取样。上图左边就是简化的模拟信号转换离散的数字信号的抽样过程,其中是连续的时间信号，也就是模拟信号,在送到乘法器上与取样脉冲序列进行乘法运算,事实上取样脉冲序列就是离散的一个个冲激函数（冲激函数如上图右边的图)，右边部分的就是变成了一个个离散的函数点了。下面给出抽样的数学运算过程.（2。1。1)(２。2。２）因此：（２。1。3）另外要注意的是,采样间隔的周期要足够的小,采样率要做够的大，要不然会出现如下图所示的混叠现象，一帮情况下,。图2．3混叠现象２。２对离散数字信号序列量化量化就是利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程。时间连续的模拟信号经过抽样后的样值序列虽然在时间上离散,但是在幅度上仍然是连续的,也就是说,抽样值可以取到无穷多个值,这个很容易理解的，因为在一个区间里面可以取出无数的不同的数值，这就可以看成是连续的信号,所有这样的信号仍然属于模拟信号范围。因此这就有了对信号进行量化的概念。ﻩ在通信系统中已经有很多的量化方法了，最常见的就是均匀量化与非均匀量化。均匀量化概念比较早出来。因其有很多的不足之处,很少被使用，这就有了非均匀量化的概念.均匀量化就是把信号的取值范围按照等距离分割,每个量化电平都取中间值（也就是平均值）,落在这个区间的所有值都用这个值代替。当信号的变化范围和量化电平被确定后，量化间隔也就被确定。 在语言信号数字化通信中，均匀量化有个明显不足之处：量化信噪比随信号的电平的减小而下降。为了克服这个缺点,实际中往往采用非均匀量化。ﻩ非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化.它是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平的，以改善量化性能，它的特点是输入小时量阶也小，输入大时,量阶也大。整个范围内信噪比几乎是一样的,缩短了码字长度，提高了编码效率。ﻩ实际中非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号ｘ先进行压塑处理，再把压缩的信号ｙ进行非均匀量化。压缩器其实就是一个非线性电路，微弱的信号被放大,强的信号被压缩，压缩器的输入输出关系可以这样表示:接受端采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复x。下图2。4就是压缩与扩张的示意图：图2.4压缩与扩张示意图通常使用的压缩器中，大多数采用对数压缩，即y=lnx.广泛采用这两种对数压扩特性的是u/Ａ率压扩。μ律压缩特性压缩规律：μ压缩特性近似满足下对数规律（2。２.1)μ律压缩定性分析μ=0时：无压缩作用(直线）μ＞0时:μ↑→压缩明显压缩作用-——y是均匀的，而x是非均匀的→信号越小△ｘ也越小其中量化过程如图2.5所示：图２．5量化过程量化器，其输出信号，为M个量化电平、。.。之一.、。..为量化区间的端点。在实用中需按照不同情况对理想压缩特性作适当修正.2。3对量化后的数字信号进行编码２。３.1编码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15折线的量化来加以说明。２。3.２µ律15折线１5折线编码压缩特性曲线如下:图2．6１5折线编特性码压缩曲线特点：基本上保持压缩特性，又便于数字实现。折线的各段斜率：线段8斜率：1／８÷12８／２5５=２５5／1０24线段7斜率：１/8÷６4/255＝255/512线段6斜率：１／８÷32／255＝２５5/2５６线段５斜率:1/８÷１6／255=25５/128线段4斜率:１/８÷８／2５5=255/６4线段3斜率：1／８÷4/2５５=255/32线段2斜率：1/8÷2/2５5＝２55/16线段１斜率:１/８÷1/255=25５/8下表左边是段落码和段落之间的关系，右边是段内码16个量化级之间的关系(表2。1)段落序号段落码量化级段内码８１１1１５１１１１1411１071１０13１１011211０061０１１１101１101010510０９1001810004０１１70１116０１1０3０10５010140100200１3001１２001010０010００100000表2.１段内码量化级关系１３折线幅度码及其对应电平（表2..2)表2。21３折线幅度码及其对应电平量化段序号ｉ＝１～8电平范围段落码Ｍ2M3M4段落起始电平量化间隔段内码对应权值Ｍ５Ｍ6Ｍ7M881０2４～2048111１0246４5122５51286４７5１２～1０2３1105123225612864３26256~5１110125616１2８6432１65128~25510０1２8８643２１684６４～1270１１6443２1６８４33２～６３01032216８42216～310０1１６1８４２１10~1500０0１4２１１１5折线幅度码及其对应电平起始码和量化间隔是我通过１5折线编码压缩特性曲线算出每段斜率,然后又斜率算出起始电平，量化间隔可以由图直接得到（表2.3）表2。315折线幅度码及其对应电平量化段序号i=1～８电平范围段落码Ｍ2M3M4段落起始电平量化间隔段内码对应权值M5Ｍ6M7M８8２042～4０80111２０421２8１0２45１２２5612871028～2041１101０286４512２5６1２8６４６496～10271014９６322561２864325２４0～4９51002４0１6128６43216４112~23901１１１28６４3216８３４８～11１0１0484321６84216~4700116２1684210~150０0018４212．4对编码后的信号进行译码译码是编码的逆过程，同时去掉比特流在传播过程中混入的噪声。利用译码表把文字译成一组组数码或用译码表将代表某一项信息的一系列信号译成文字的过程称之为译码.２。4。1译码准则假设编码序列为，经过信道传输,接收端收到的信号为R（模拟信号或数字信号，取决于对信道的定义),那么接收端会顺理成章地在所有可能的码序列中寻找条件概率最大的一个，认为它是可能的发送序列这种判决准则称为最大后验概率准则（MAP)。2。４。2译码算法viterbi译码算法是一种卷积码的解码算法。缺点就是随着约束长度的增加算法的复杂度增加很快.约束长度Ｎ为７时要比较的路径就有64条，为8时路径变为128条。（2＜〈(N—１)）.所以viｔerbi译码一般应用在约束长度小于10的场合中。算法规定t时刻收到的数据都要进行6４次比较，就是６4个状态每条路有两条分支（因为输入0或1)，同时,跳传到不同的两个状态中去,将两条相应的输出和实际接收到的输出比较，量度值大的抛弃(也就是比较结果相差大的），留下来的就叫做幸存路径，将幸存路径加上上一时刻幸存路径的量度然后保存，这样64条幸存路径就增加了一步。在译码结束的时候,从64条幸存路径中选出一条量度最小的，反推出这条幸存路径（叫做回溯），得出相应的译码输出.三、ＰＣM系统仿真3。1抽样定理的验证首先我们先要通过ｍatlab软件产生一个模拟信号,然后才能对模拟信号进行抽样等等一系列的操作,下面先给出ｍatlab软件建立m文件产生一个比较熟悉的时域连续的周期函数,，可以看出这个信号就是由两个最常用的函数复合而成.A，产生原始连续信号的matｌab源代码：％建立原信号Ｔ=0。002；%取时间间隔为０。01ｔ=-0．1：T:0.1；％时域间隔dt为间隔从0到１0画图xt=cｏs（２＊ｐi＊30＊t）＋siｎ(2＊pｉ*65＊ｔ)；％xt方程％采样:时间连续信号变为时间离散模拟信号fs=500；％抽样fｓ>=2fc,每秒钟内的抽样点数目将等于或大于２fc个sdt=１/ｆｓ；％频域采样间隔0．002t1=—０.1：sdt：0.1;％以sｄｔ为间隔从-0.1到0．1画图sｔ=cos(２*pi＊30＊ｔ）＋sｉn（２*pi*６5＊ｔ）;％离散的抽样函数ｆiｇure（1）;suｂplot（4，1，1)；ｐlot（t1,ｓt）；％pｌoｔ（ｔ，ｘt）；title（’原始信号')；％画出原始的信号图，以好对比gridon％画背景ｓubplot（４，1,2);sｔｅm（t1，st,'。’）;%这里画出来的是抽样后的离散图title('抽样信号’)；gridｏn％画背景产生原始信号的函数生成的信号波形如下图3.１所示：图3。１原始信号的采样信号3.2量化、编码与译码在抽样以后我们得到了一个个的离散的数字信号序列,但是这个