電子與通信工程通信系統(tǒng)仿真

1、1設計任務 1.1系統(tǒng)簡述 通信原理的主要內容就是怎樣可靠而有效地實現(xiàn)信息的傳輸。要使這些傳輸方法成為現(xiàn)實，就需要制作出相應的發(fā)送設備及接收設備。然后在發(fā)送端，我們把欲傳送的信息變換成某種適宜的信號并將之饋入傳輸媒體（電纜，光纜，無線電波等）。在接收端，信號又從媒體饋入接收設備，我們再以同發(fā)端相反的過程恢復出原來所發(fā)送的信息。根據(jù)所學的知識，我們知道在什么樣的情況下應該選擇什么樣的傳輸方式，并能判斷出噪聲，信道，傳輸方式等因素將會怎樣影響對我們來說非常重要的一些通信指標，如信噪比，誤碼率等。 1.2主要步驟  本通信傳輸系統(tǒng)的MATLAB仿真包

2、括以下內容：單頻正弦波模擬信號經過抽樣（抽樣頻率為Fs=20F）、增量調制、二進制自然編碼、AMI碼型變換基帶傳輸，循環(huán)編碼ASK調制后發(fā)送到衰落信道，然后經過ASK解調，循環(huán)碼譯碼、AMI碼譯碼、數(shù)模轉換后恢復出單頻正弦波模擬信號。 信源：采用單頻率正弦波； 數(shù)字化方式：增量調制（DM）； 基帶碼：AMI碼； 信道碼：循環(huán)碼； 調制方式：ASK； 信道類型：衰落信道。 1.3 系統(tǒng)框圖 要完成整個系統(tǒng)各環(huán)節(jié)以及整個系統(tǒng)的仿真，最終在接收端或者精確或者近似地再現(xiàn)輸入（信源），計算失真度，并且分析原因。具體

3、的框圖如下圖1所示。  圖1 系統(tǒng)框圖2系統(tǒng)原理及實現(xiàn) 2.1增量調制 增量調制是由PCM發(fā)展而來的模擬信號數(shù)字化的一種編碼方式，它是PCM的一種特例。增量調制編碼基本原理是指用一位編碼，這一位碼不是表示信號抽樣值的大小，而是表示抽樣幅度的增量特性，即采用一位二進制數(shù)碼“1”或“0”來表示信號在抽樣時刻的值相對于前一個抽樣時刻的值是增大還是減小，增大則輸出“1”碼，減小則輸出“0”碼。輸出的“1”，“0”只是表示信號相對于前一個時刻的增減，不表示信號的絕對值。  增量調制最主要的特點就是它所產生的二進制代碼表示模擬信號前后兩個抽樣值的

4、差別(增加、還是減少)而不是代表抽樣值本身的大小，因此把它稱為增量調制。在增量調制系統(tǒng)的發(fā)端調制后的二進制代碼1和0只表示信號這一個抽樣時刻相對于前一個抽樣時刻是增加(用1碼)還是減少(用0碼)。收端譯碼器每收到一個1碼，譯碼器的輸出相對于前一個時刻的值上升一個量化階，而收到一個0碼，譯碼器的輸出相對于前一個時刻的值下降一個量化階。 增量調制(DM)是DPCM的一種簡化形式。在增量調制方式下,采用1比特量化器,即用1位二進制碼傳輸樣值的增量信息,預測器是一個單位延遲器,延遲一個采樣時間間隔。預測濾波器的分子系數(shù)向量是0,1,分母系數(shù)為1。當前樣值與預測器輸出的前一樣值相比較,如果其差

5、值大于零,則發(fā)1碼,如果小于零則發(fā)0碼。 增量調制盡管有前面所述的不少優(yōu)點，但它也有兩個不足：一個是一般量化噪聲問題;另一個是過載噪聲問題。兩者可統(tǒng)一稱為量化噪聲。階梯曲線（調制曲線）的最大上升和下降斜率是一個定值，只要增量和時間間隔t給定，它們就不變。那么，如果原始模擬信號的變化率超過調制曲線的最大斜率，則調制曲線就跟不上原始信號的變化，從而造成誤差。我們把這種因調制曲線跟不上原始信號變化的現(xiàn)象叫做過載現(xiàn)象，由此產生的波形失真或者信號誤差叫做過載噪聲。另外，由于增量調制是利用調制曲線和原始信號的差值進行編碼，也就是利用增量進行量化，因此在調制曲線和原始信號之間存在誤差，這種誤差稱為

6、一般量化誤差或一般量化噪聲。 增量調制的流程圖如下圖2所示。  圖2 增量調制流程圖2.2 基帶傳輸AMI碼 在實際的基帶傳輸系統(tǒng)中，并不是所有代碼的電波形都能在信道中傳輸。含有直流分量和較豐富低頻分量的單極性基帶波形就不適宜在低頻傳輸特性差的信道中傳輸。 AMI(Alternative Mark Inversion)碼的全稱是信號交替反轉碼，是通信編碼中的一種，為極性交替翻轉碼，分別有一個高電平和低電平表示兩個極性。它的編碼規(guī)則是: 消息代碼中的0 傳輸碼中的0； 消息代碼中的1&#

7、160;傳輸碼中的+1、-1交替。  例如:  消息代碼:1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 AMI碼: +1 0 -1 0 +1 0 0 0 -1 0 +1 -1 +1 解碼規(guī)則是：從收到的符號序列中將所有的-1變換成+1后，就可以得到原消息代碼。 AMI碼的特

8、點是: 由AMI碼確定的基帶信號中正負脈沖交替，而0電位保持不變；所以由AMI碼確定的基帶信號無直流分量，且只有很小的低頻分量；不易提取定時信號，由于它可能出現(xiàn)長的連0串。   2.3信道傳輸碼循環(huán)碼 由于對信號進行AMI編碼后得到的是有1、-1 和0三個電平的數(shù)字信號，而對信道循環(huán)編碼的輸入只能是兩個電平，因此有必要將AMI編碼后得到的三電平數(shù)字序列轉換為二電平。編碼原理比較簡單，1用10表示，-1用01表示，0用11表示即可。 經過信源編碼和系統(tǒng)復接后生成的節(jié)目傳送碼流，通常需要通過某種傳輸媒介才能到達用戶接收機。傳輸媒

9、介可以是廣播電視系統(tǒng)（如地面電視廣播系統(tǒng)、衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)或有線電視廣播系統(tǒng)），也可以是電信網(wǎng)絡系統(tǒng)，或存儲媒介（如磁盤、光盤等），這些傳輸媒介統(tǒng)稱為傳輸信道。通常情況下，編碼碼流是不能或不適合直接通過傳輸信道進行傳輸?shù)?，必須經過某種處理，使之變成適合在規(guī)定信道中傳輸?shù)男问?。在通信原理上，這種處理稱為信道編碼（ChannelCoding） 循環(huán)碼是線性分組碼的一種，所以它具有線性分組碼的一般特性，此外還具有循環(huán)性。循環(huán)碼是一種無權碼，循環(huán)碼編排的特點是相鄰兩個數(shù)碼之間符合卡諾圖中的鄰接條件，即相鄰兩個數(shù)碼之間只有一位碼元不同，碼元就是組成數(shù)碼的單元。 循環(huán)碼最大的特點就是碼

10、字的循環(huán)特性，所謂循環(huán)特性是指：循環(huán)碼中任一許用碼組經過循環(huán)移位后，所得到的碼組仍然是許用碼組。若為一循環(huán)碼組，則、還是許用碼組。也就是說，不論是左移還是右移，也不論移多少位，仍然是許用的循環(huán)碼組。 循環(huán)碼編碼原理：有信息碼構成信息多項式，其中最高冪次為k-1； 用乘以信息多項式m(x)，得到的，最高冪次為n-1，該過程相當于把信息碼（移位到了碼字德前k個信息位，其后是r個全為零的監(jiān)督位；用g(x)除得到余式r(x),其次數(shù)必小于g(x)的次數(shù)，即小于（n-k），將此r(x)加于信息位后做監(jiān)督位，即將r(x)于相加，得到的多項式必為一碼多項式。 糾錯能力：

11、0;由于循環(huán)碼是一種線性分組碼，所以其糾檢錯能力與線性分組碼相當。而線性分組碼的最小距離可用來衡量碼的抗干擾能力，那么一個碼的最小距離就與它的糾檢錯能力有關。 定理：對于任一個線性分組碼，若要在碼字內（1）檢測e個錯誤，要求碼的最小距離； （2）糾正t個錯誤，要求碼的最小距離； （3）糾正t個錯誤同時檢測e個錯誤，則要求；  由于MATLAB自帶了循環(huán)碼的編碼譯碼及等相關函數(shù)，下面將其列舉出來： （1）編碼函數(shù)encode函數(shù)    語法：code=encode(msg,N,K,method,opt)&#

12、160;（2）譯碼函數(shù)decode函數(shù) 語法：msg=decode（code，N，K，method，opt1,opt2,opt3,opt4）;  （3）生成循環(huán)碼的生成多項式cyclpoly  語法：p=cyclpoly（N,K）;  p=cyclpoly（N,K,fd_flag）;2.4 ASK調制 “幅移鍵控”又稱為“振幅鍵控”，記為ASK。也有稱為“開關鍵控”（通斷鍵控）的，所以又記作OOK信號。ASK是一種相對簡單的調制方式。幅移鍵控（ASK）相當于模擬信號中的調幅，只不過與載頻信號相乘的是二進制

13、數(shù)碼而已。幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，信息比特是通過載波的幅度來傳遞的。二進制振幅鍵控（2ASK）， 由于調制信號只有0或1兩個電平，相乘的結果相當于將載頻或者關斷，或者接通，它的實際意義是當調制的數(shù)字信號為“1”時，傳輸載波；當調制的數(shù)字信號為“0”時，不傳輸載波。其中s（t）為基帶矩形脈沖。一般載波信號用余弦信號，而調制信號是把數(shù)字序列轉換成單極性的基帶矩形脈沖序列，而這個通斷鍵控的作用就是把這個輸出與載波相乘，就可以把頻譜搬移到載波頻率附近。 ASK信號，在實際中使用較少，但它是研究各種數(shù)字調制技術的基礎。 ASK信號是利用代表數(shù)字信息“

14、0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控（調制）一個連續(xù)的載波，有載波輸出時表示發(fā)送“1”，無載波輸出時表示發(fā)送“0”。  ASK信號的產生可以用如下的方法，如圖3所示；ASK信號的一種解調方式，包絡解調法，如下圖圖4所示。    圖3 ASK的實現(xiàn)圖4 包絡解調2.5衰落信道 在某些有線信道中，特別是在傳輸距離不太遠的情況下，數(shù)字基帶信號可以不經過調制和解調過程在信道中直接傳送，這種不使用調制和解調設備而直接傳輸基帶信號的通信系統(tǒng)，我們稱它為基帶傳輸系統(tǒng)。而在另外一些遠距離傳輸?shù)男诺?，特別是無線信道和光信道中，由于信道中受到各種噪

15、聲和反射漫反射的影響，使得信號產生衰落。數(shù)字基帶信號則必須經過調制過程，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸，相應地，在接收端必須經過解調過程，才能恢復數(shù)字基帶信號。我們把這種包括了調制和解調過程的傳輸系統(tǒng)稱為數(shù)字載波傳輸系統(tǒng)。 衰落信道有很多種，為了方便，仿真中采用加性噪聲加入到調制信號中以模擬最簡單的衰落信道。具體仿真步驟是產生兩個隨機信號取絕對值的平方相加再開平方，即得到一個小的加性噪聲，模擬成一個衰落信道，再將它與調制后的信號相加即可。 可以采用瑞利或者萊斯兩種模型進行模擬。瑞利衰落信道是一種無線電信號傳播環(huán)境的“統(tǒng)計模型”。這種模型假設信號通過無線信道之后，其信

16、號幅度是隨機的，即“衰落”，并且其包絡服從瑞利分布。這一信道模型能夠描述由電離層和對流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境。瑞利衰落只適用于從發(fā)射機到接收機不存在直射信號的情況，否則應使用萊斯衰落信道作為信道模型。3系統(tǒng)仿真 3.1增量調制仿真 對模擬信號x=sin(2*pi*50*t)進行增量調制。原始模擬信號如圖5所示，進行增量調制后的圖如圖6所示。 圖5 原始信號圖6 增量調制3.2 基帶傳輸AMI碼 把增量調制的結果作為輸入，對上述結果進行AMI編碼。編碼后的結果如下，用MATLAB作的圖如圖7所示。 圖7 AMI編碼&

17、#160;3.3信道傳輸碼循環(huán)碼 把編好的AMI碼，先進行轉化變成二進制，轉化后的信號如圖8所示。再用（7,4）循環(huán)碼進行信道編碼。輸出作的圖如圖9所示。圖8 AMI轉化二進制 圖9 循環(huán)碼3.4 ASK調制 對循環(huán)碼進行調制，調制方式采用ASK。調制結果作的圖如圖10所示。 圖10 ASK調制3.5衰落信道 循環(huán)碼經過瑞利衰弱信道后的波形如圖11所示： 圖11 衰落信道3.6解碼過程 解碼包括ASK解碼和循環(huán)碼解碼以及AMI解碼。對它們的解碼如下列圖所示：圖12是ASK解碼，圖13是循環(huán)碼解碼，圖14是AMI解碼

18、。 圖12 ASK解碼圖13 循環(huán)碼解碼圖14 AMI解碼3.7數(shù)模轉化及失真分析 對AMI信號進行數(shù)模轉化，還原出模擬信號，信號如圖15所示。對比還原信號和原始信號，分析失真情況。根據(jù)誤差表達式 ，求出每個點對應的誤差值，再求方差即可得到誤差值?？偟恼`差表達式為： 計算可得D=0.83%，在允許的誤差范圍內。因此該通信系統(tǒng)基本滿足在接收端再現(xiàn)輸入信源，仿真成功。圖15 還原信號和原始信號4小結本論文主要對一個簡單的通信系統(tǒng)進行了仿真，進而引出模擬調制和解調、編碼與解碼以及通信信道的概念，并給出了基于MATLAB的通信系統(tǒng)的設計和仿真的實現(xiàn)，運用MATL

19、AB仿真軟件進行仿真。通過對本次應用MATLAB語言對通信系統(tǒng)的分析，使我系統(tǒng)的理解了調制和解調的功能，對掌握信息的傳輸有了進一步提高。從上面的分析我們可以看出用MATLAB輔助分析信號頻譜，具有編程簡單、計算準確、繪圖方便、結果直觀等特點。用MATLAB的計算功能，不僅使大量的手工計算得以簡化, 也使得離散系統(tǒng)的分析更為簡便和高效。利用MATLAB的繪圖功能，有利于分析結果的直觀理解，也有利于深入掌握所學的內容。參考資料1 樊昌信曹麗娜通信原理（第六版）M,北京：國防工業(yè)出版社，20092 程相君，陳生潭信號與系統(tǒng) M,西安：西安電子科技大學出版社,19903 曹志剛，錢壓生現(xiàn)代通信原理M,

20、北京：清華大學出版社，19924 劉敏，魏玲MATLAB通信仿真與應用M，北京：國防工業(yè)出版社，20015 唐向宏，岳恒立，鄭學峰MATLAB及在電子信息類課程中的應用M，北京：電子工業(yè)出版社，2006 6 陳杰MATLAB寶典M，北京：電子工業(yè)出版社7 張德豐MATLAB/Simulink建模與仿真M，北京：電子工業(yè)出版社附錄：源程序clc;clear;Ts=1e-3;t=0:Ts:20*Ts;x=sin(2*pi*50*t);%x=sin(2*pi*50*t)+0.5*sin(2*pi*150*t);delta=0.4;D(1+length(t)=0;for k=1:length(t) e

21、(k)=x(k)-D(k); e_q(k)=delta*(2*(e(k)>=0)-1); D(k+1)=e_q(k)+D(k); codeout(k)=(e_q(k)>0);endfigure;plot(t,x,'-o');axis(0 20*Ts, -1 1);hold on;title('原始模擬信號');figure;stairs(t,codeout);axis(0 20*Ts,-0.2 1.2);title('增量調制后信號');%AMI編碼%xn=1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1

22、 1num=0;yn=zeros(1,length(codeout);for k=1:length(codeout) if codeout(k)=1 num=num+1; if(mod(num,2)=0) yn(k)=1; elseyn(k)=-1; end endendfigure;stairs(t,yn);axis(0 20*Ts,-2 2);title('AMI編碼信號');%yn=-1 1 -1 0 0 1 0 -1 1 0 0 0 0 0 -1 0 1 0 0 -1 1yn1=zeros(1,length(yn)*2);num=0;t1=0:0.0005:0.0205

23、;for k=1:length(yn) if yn(k)=1 yn1(2*k-1)=1; yn1(2*k)=0; else if yn(k)=0 yn1(2*k-1)=1; yn1(2*k)=1; else if yn(k)=-1 yn1(2*k-1)=0; yn1(2*k)=1; end end endendfigure;stairs(t1,yn1);axis(0 0.0210, -0.5 1.5);title('AMI碼轉為二進制碼');%循環(huán)編碼m=4;n=7;k=3;t2=0:Ts:97*Ts;p=cyclpoly(n,k);code=encode(yn1,n,k,&#

24、39;cyclic',p);figure;stairs(t2,code);axis(0 0.1,-0.5 1.2);title('編碼器輸出信號');fd=0;fc=100;fs=fc*6;td=1/fs;chan=rayleighchan(td,fd);yout=filter(chan,ask_out);for i=1:784 if real(yout(i)>=0 yout(i)=abs(yout(i); else yout(i)=-abs(yout(i); endendfigure;plot(yout);axis(0 800,-2 2);title('ASK調制')y