通信系统课程设计

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！课程设计任务书:通信系统课群综合训练与设计软件，电脑，通信原理知识:1、利用仿真软件（如Matlab或一个典型的通信系统2、学生要完成整个系统各环节以及整个系统的仿真，最终在接收端或者精确或年年月月日日目录摘要.................................................................................................................................3Abstract............................................................................................................................31.引言.............................................................................................................................11.1通信系统简介.....................................................................................................11.2Matlab简介........................................................................................................12.系统设计......................................................................................................................22.1通信系统原理.....................................................................................................22.2系统整体设计.....................................................................................................33.子系统设计...................................................................................................................43.1脉冲编码调制（）.......................................................................................43.1.1抽样（Samping）......................................................................................43.1.2量化（Quantizing）..................................................................................53.1.3编码（Coding）........................................................................................63.2Manchester码编解码..........................................................................................63.2.1曼切斯特编码原理....................................................................................73.2.2曼切斯特解码原理....................................................................................73.3循环码编解码.....................................................................................................83.3.1循环码编码原理.......................................................................................93.3.2循环码解码原理.......................................................................................93.3.3纠错能力................................................................................................103.4ASK调制与解调...............................................................................................113.5衰落信道..........................................................................................................124软件设计及结果分析...................................................................................................124.1编程工具的选择...............................................................................................124.2软件设计方案...................................................................................................134.3编码与调试......................................................................................................134.4运行结果及分析...............................................................................................145心得体会.....................................................................................................................19参考文献........................................................................................................................19附录...............................................................................................................................20Ⅰ摘要在数字通信系统中，需要将输入的数字序列映射为信号波形在信道中传输，本概念及数字信号传输的传输过程和如何用MATLAB软件仿真设计数字传输系数字信号的传输过程。然后按照仿真过程基本步骤用MATLAB的仿真工具实现了数字基带传输系统的仿真过程，对系统进行了分析。关键词：PCM调制、曼彻斯特码、循环码、ASK、衰落信道AbstractIndigitalcommunicationsystem,needtoinputdigitalsequenceismappedtothesignalinthechanneltransmission,thesequenceofdigitalsignalsourceoutput,aftermappingtobesuitableforthetransmissionofdigitalmodulationsignal,andthereceivingendcorrespondingtoresumetheoriginalsignaldemodulation.SothispapermainlystudiesthedigitalsignaltransmissionandthebasicconceptofdigitalsignaltransmissionprocessandhowtouseMATLABsoftwaresimulationdesignofdigitaltransmissionsystem.Firstintroducedthesubjectofthetheoreticalbasis,includingdigitalcommunication,digitalbasebandtransmissionsystemanddigitalsignaltransmissionprocess.ThenaccordingtothesimulationprocessbasicstepsofusingMATLABsimulationtooltoachievethedigitalbasebandtransmissionsystemsimulationprocess,hascarriedonthesystemanalysis.Keywords:PCMmodulation,Manchestercodes,cycliccodes,ASK,fadingchanneⅠ武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书1.引言1.1通信系统简介所需的一切设备和传输媒质的总和称为通信系统。图像等。而离散消息的状态是离散取值的，如文字、符号、数据等。与此对应，通信系统也分为两类：模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统的基本特征是：它传送的信号是“离散”的或数字的。与模拟通信123）易于与各种数字终端接口，用现代计算机技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。因为自然界的许多信息都是模拟信号，例如话音、图像等，为了能用数字通信系统来传送模拟信号，必须对模拟信号进行数字化，即模数转换和数模转换。1）对模拟信号在2）对模拟信号的抽样值进行量化，完成幅度上的离散化，使幅度变成有限钟取值。数模转换是模数转换的逆过程，它对接受到方法就是脉冲编码调制（PCM1.2Matlab简介MATLAB的名称源自MatrixLaboratory响的CleveMolerMATLAB产品的美国Mathworks公司的创始人之一。MATLAB是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。将高性能科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作中。MATLAB与其它计算机高级语言如C，C++等相比，MATLAB语言编程要简洁得1武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书多，编程语句更加接近数学描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。对于具有任何一门高级语言基础的学生来说，学习MATLAB十分容易。当在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时，仿真技术就成为必然的选择。2.系统设计2.1通信系统原理般模型如下：图1通信系统一般模型成是信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制（进行频谱据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。信号）变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些2武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。信宿是将复原的原始电信号转换成相应的消息。2.2系统整体设计此次课程设计是通信系统中的一种系统：数字通信系统的仿真。其基本框图如图2所示：抽样噪声模拟信号信源译码信道译码抽样判决数字滤波器图2通信系统基本原理框图其中：(1)模拟信号为原始的信原信号，采取自己构造以时间函数。(2)抽样是将上述的时间和幅值都连续的模拟信号转换成时间离散幅值连续的信号。(3)量化是将上述的时间离散幅值连续的抽样信号转换成时间离散幅值离散的信号，抽样量化采用脉冲编码调制（PCM(4)信源编码是将上述量化后的值编码成0、1比特流的形式，并且可以减少冗余，提高效率，基带码采用Manchester码进行编码。(5)信道编码是为了提高传输可靠性，信道码采用循环码进行编码。(6)数字调制是将上述0、1比特流转换成适合在通信信道中传输的波形，调制方式为ASK调制。(7)信道是信号传输的通道，信号在信道中传输时经常会有噪声的干扰。3武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书(8)形式的信号。(9)抽样判决是将方波形号转换成0、1比特流。(10)信道译码是信道编码的反过程，采用循环码进行译码。(11)信源译码是信源编码的反过程，采用Manchester码进行译码。(12)最后还原成模拟信号。3.子系统设计3.1脉冲编码调制（PCM）PCM幅度量化，编码的过程。）抽样是把模拟信号以其信号带宽2抽样信号的过程。例如，话音信号带宽被限制在0.3～3.4kHz内，用8kHz的抽样频率（PAM）信号。对抽样信号进行检波和平滑滤波，即可还原出原来的模拟信号。号抽样定理内容：一个频带限制在赫内的时间连续信号,若以的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。语音信号经过抽样变成一种脉冲幅度调制（PAM）信号。4武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书）把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制数字表示的数字量的过程称为量化。即：抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可有无限多个值。显然，对无限个样值一一给出数字码组来对应是不可能的。为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。取决于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化级差或间隔越小，量化噪声也越小。量化误差：量化后的信号和抽样信号的差值。量化误差在接收端表现为噪声，称为量化噪声。量化级数越多误差越小，相应的二进制码位数越多，要求传输速率越高，频带越宽。化。幅度大的区间量化间隔取得大。我国采用的A律压扩。在PCM-30/32通信设备中，采用A律13Y轴均匀分为816Y轴一共有16×8＝128X轴采用非均匀划分来实现非均匀量化的目的，划分规律是每次按二分之一来进行分段。13折线示意图如图3所示：图313折线示意图5武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书由于分成128727＝128Y轴有正值和负值之分，需加一位极性码，故共有8位二进制码。）分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码（例如，赋予样值0的十进制数字代码为0号。简单高效的数据系统是二进制码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。量化噪声随量化级数的增多和级差的缩小而减小。量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而减小，即随数字编码信号的速率提高而减小。自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即PCMPCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。在实际的PCM设备中，量化和编码是一起进行的。通信中采用高速编码方式。3.2Manchester码编解码Manchester数据波形中，这就有效的降低了通信系统设计的复杂度。曼切斯特码一般可由NRZ码与NRZ码的时钟相异或而得到。NRZ码这种二元码0”与“1”一一对应，在整个码元期间内电平保持不变。电脉冲之间无间隔，即脉冲的宽度等于码元的宽度，极性单一。这种信号比较6武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书适合于数字电路处理。图4曼切斯特编码图示由图4NRZ而解决了传输数据定时信号的同步问题。如果传送数据信息为“1”时，曼切斯特编码在数据位的中心由高电平跳变为低电平；如果传送数据信息为“0”时，曼切斯特编码10”信息出现时，则曼切斯特编码数据位的中心跳变方向也保持“1”或“0”的跳变，即在编码后，01”的跳变波形则与时180形的180°相位代表NRZ数据信号的逻辑高电平，而时钟波形就代表NRZ数据信号的逻辑低电平。由上可知，我们可以自行约定从高电平到低电平的跳变表示数据“11”00”跳变）.因此发送时钟必须在码后将占据两位空间。7武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书及获取同步时钟信息、识别同步数据头、提取数据信息等3个阶段。3.3循环码编解码(c,c,,c)C设C使某线性分组码的码字集合，如果对任C，它的循n1n20(c,c,c,c)环移位C(1)也属于C，则称该n1码为循环码。n2n30循环码特点有：1）循环码是线性分组码的一种，所以它具有线性分组的码的一般特性，且具有循环性，纠错能力强。2）循环码是一种无权码，循环码编排的特点为相邻的两个数码之间符合卡诺中的条件，没有瞬时错误（在数码变换过程中，在速度上会有快有慢，中间经过其他一些数3）码字的循环特性，循环码中任一许用码经过牡环移位后，所得到的码组仍然是许用码组。对所有的i=0,1,2,……-1，用生成多项式除，有：nkixxnkia(x)g(x)b(x)ii式中是余式，表示为：b(x)ib(x)bix1bxbnki,nk1ii,0因此，nki是的倍式，即nk1是码多项式，由此得到系统形式的xb(x)xb(x)i生成矩阵为：100bbbbbk1,nk1k1,1k1,0010bGk2,nk1k2,1kx,00000bbb0,nk10,10,0它是一个kn阶的矩阵。同样，由GT=0可以得到系统形式的一致校验矩阵为：Hbb0,nk1100bk1,nk1k2,nk18Hbbbb010k1,1k2,10,10,0bb001k1,0k2,0武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书(x)m(x)xm有信息码构成信息多项式mk1，其中最高幂次为k-1；用x0乘nkk1以信息多项式m(x)xmkm，nk1m，……，m，m）移位到了码字德前k个信息位，其后是r个全为零的监督位；1k20(x)用除xnkm得到余式r(x),其次数必小于的次数，即小于（加于信息位后做监督位，即将于xmk(x)相加，得到的多项式必为一码多项式。n编码步骤为：1）有信息码构成信息多项式m(x)=mk-1xk-1+``````m0其中高幂次为k-1；2）用xn-k乘上信息多项式m(x)，得最高幂次为，做移位；3）用除xn-km(x)和到余式。相应的编码过程流程如图5所示：图5循环码编码流程图循环码解码步骤为：1）有接收到的计算伴了随式s(x)。9武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书2）根据伴随式找出对应的估值错误图样。3）计算，得估计码字。若c^(x)=c(x)，则译码正确，否则错误。由于g(x)的次数为n-k次，g(x)除E(x)n-k-1次，故S(x)共有2n-k个可能的表达式，每一个表达式对应一个错误格式。其相应的流程图如图6所示：由确定错误图样E(x)(x)E(X)R(X)纠错c存储c(x)图6循环码解码流程图有关。定理：对于任一个(n,k)线性分组码，若要在码字内e11）检测个错误，要求码的最小距离d；d2t12）纠正个错误，要求码的最小距离；dte13）纠正个错误同时检测个错误，则要求；er和接收向量的多项式描述为10武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书r(x)c(x)e(x)r(x)s(x)定义的伴随多项式为s(x)r(x)(modg(x))ssxsxsx2r1012r1由于c(x)a(x)g(x)0(modg(x)),所以s(x)e(x)(modg(x))由此可见，s(x)0e(xg(x0的差错并判断e(x)(modg(x))0e(x)s(x)图样是否为0。3.4ASK调制与解调为了使数字信号能够在信道中传输，必须对数字信号进行调制。幅移键控信号（即ASK）就是其中的一种。ASKASK信号的载波频率与外加载波信号相同。最简单的是所谓二进制幅移键控信号2ASK，其调制与解调原理框图如图7二进制基带信号1和0控制下产生的通断信号a(n)，调制器将基带信号a(n)和载波信号Acos(t)相乘得到调制信号，调制信号与本地载波信号相乘实现解调，解调器将调制信号恢复成基带信号即解调后信号。图7ASK调制与解调原理框图11武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书3.5衰落信道通信系统，我们称它为基带传输系统。而在另外一些远距离传输的信道，特别是无线信道和光信道中，由于信道中受到各种噪声和反射漫反射的影响，使得信号产生衰落。数程的传输系统称为数字载波传输系统。到一个小的加性噪声，模拟成一个衰落信道，再将它与调制后的信号相加即可。4软件设计及结果分析4.1编程工具的选择这次选用的软件是MATLAB，因为这款软件的功能特很强大，学习方便，仿真容易实现。MATLAB具有以下几个特点：1）功能强大的数值运算功能；2）强大的图形处理能力；3）高级但简单的程序环境；4）丰富的工具箱。最重要的是MATLABC语言的基础，与C语言有类似之处，编程流程大概差不多，但要注意的是MATLAB与C语言在程序代码上也有细微的差别，C语言相比它的运算速度较慢，但功能强大。12武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书4.2软件设计方案经过我的思考，再加上查阅了大量资料后，有了以下编程设计思路。产生模拟信源并得到抽样信号通过13拆线得到转换后的值ASK子函数抽样判决信道译码通过A侓公式反转成原始模拟信号图8系统软件设计流程图在主函数中，先产生一个模拟信号，再经过抽样后得到抽样值，将抽样值通过13拆线法转换成对应值，将转换后的值经过量化和编码后得到0、1比特流，再经过信道译码，再经过ASK调制，再人为加入一些噪声，再通过数字滤波器将噪声和载波滤掉，取出直流分量，得到方波波形。再经过抽样判决后得到0、1比特流，再经过线性分组A4.3编码与调试软件设计部分包含1个主函数和多个个子函数。1）子函数y1=zhexian(x)的功能是将抽样后得到的值用13拆线转换成对应的值；2）子函数bit=bianma(y4,n)的功能是将抽样后的值量化后进行自然二进制编码；3bit2=xunhuan(m)的功能是进行信道编码即：将每四位二进制后加三位监督位，比特流的总长度除以四余下的则不进行加监督位；4)子函数bit3=xunhuanyima(gg)和bb=ASK(bit)的功能是将信源编码后的0、1序列再经过信道编码（7，4）线性分组码编码，将信道编码后的信号进行ASK调制，13武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书由于考虑到在信道中传输是会有噪声的影响，所以在仿真时我人为的加入一定的噪声，已调信号）相乘，再用一个数字滤波器进行滤波，去掉了信号中的高频成份和噪声，取出直流分量，得到方波信号，对这个信号进行抽样判决将其转换成0、1比特流后，再经过信道译码；5）子函数的功能是将接收到的0、1比特流分为八位二进制一组一值。即可恢复原信号的量化值；6的功能是将恢复的量化值通过A律反转换公式得到对应的值，是用13拆线转换的反过程。因为在当＝86.5时，可以用13折线用13条折线近似A律的平滑曲线，在实际工程中A律的平滑曲线不易实现，而用13折线法可以降低工程实现中的难度。主函数的功能是是产生模拟信号并且进行抽样得到抽样值，然后将各个子函数衔接到一块，形成一个比较完整的通信系统，进行仿真画出各个阶段重要的图形，并进行观察和分析。4.4运行结果及分析原始模拟信号如图9所示：原始模拟信号1002468图9原始模拟信号14武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书将此模拟信号按每周期取32个点抽样，得到以下图形：抽样信号1002468图10抽样信号进制数进行信道编曲码，得到如下图形：信道编码后的信号100123图11信道编码后的信号经过ASK调制后的信号和在调制后的信号中加入噪声有如下图形：15武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书数字调制后的信号10-100.0050.010.0150.020.0250.03加噪后的信号210-1-200.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04图12调制及加噪后的信号在接收端用一个与调制后的波同频的相干波与接收到的信号相乘后得到以下图形：与相干波相乘后的波形21001图13与相干波相乘后的波形经过数字低通滤波器滤除噪声和载波后的波形如下图：16武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书低通滤波后的波形1001234图14低通滤波后的波形通过信道译码后的图形如下：信道译码信号10012图15信道解码后的波形将信道译码后的信号，分为八位二进制位一组一组的，再将其恢复成十进制数，到对应段去找取值，即恢复原始信号的量化值，再将其值通过A律公式反解出原始信号的抽样值，画出如下图形：17武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书100图16解码后原始信号的抽样值波形将上图用平滑的曲线边接起来，再标注上抽样点则得到如下图形：100图17接收端输出信号信号经过系统后，稍有些延时。18武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书5心得体会通过这次实验，我收获不少，对通信原理更加了解，尤其是对数字通信系统更深刻了解了其工作流程。在这次课程设计中，一开始的预期工作就是查资料，我通过查阅架，然后在理清楚了基本框架后，我就开始一步步的设计子程序，然后编写一些测试的接起来，也出了一点点小差错，比如是数据不对，越过数组范围之类的问题。议，通过协议和接收到的信号，才能完整的恢复原始信号。通过这次课程设计我也学到了不少东西，学习是无止尽的，在以后的学习中，我会保持良好的学习态度，继续提高我的思考设计能力。参考文献[1]刘泉.通信电子线路.武汉理工出版社.2007年[2]张辉，曹丽.现代通信原理与技术.西安电子科技大学出版社.2005[3]王秉钧，冯玉氓等.通信原理[M].清华大学出版社2006年11月[4]王福昌.通信原理[M].清华大学出版社，2006.9[5]孙屹.Matlab通信仿真开发手册国防工业出版社.2005.1[6]冯育涛.通信系统仿真.国防工业出版社.2009[7]达新宇，孟繁茂，邱伟.通信原理实验与课程设计.北京邮电大学出版社.2005[8]郭文彬，桑林.通信原理—基于Matlab的计算机仿真.北京邮电大学出版社.2006[9]陈怀琛等.MATLAB及在电子信息课程中的应用.电子工业出版社.2007年19武汉理工大学《通信系统课群综合训练与设计》课程设计说明书附录clc;clearall;%/*************************自己构造一个时间函数*******************************/fs=6000;dt=1/fs;%设定采样频率%设定步长%点数N=50;long=N;n=0:N-1;t=n*dt;%截止时间fc=300;%时间函数的频率%时间函数余弦函数y=sin(2*pi*fc*t);figure(1);plot(t,y);%绘制时间函数图象title('源信号时间函数波形')%/*************************对音频信号进行pcm编码*************************/L=length(y);pcmy=pcmcoder(y,L,long);figure(2)%调用PCM函数stairs(pcmy);%绘制PCM编码后的图像title('PCM编码')ylim([-0.21.2]);%axis([0300-0.21.2]);%/*************************对编码后的信号进行基带编码-曼彻斯特编码************/mcstz=mcstcoder(pcmy,long);figure(3)stairs(mcstz);title