通信系統(tǒng)課群綜合訓練與設(shè)計

1、 題目: 通信系統(tǒng)課群綜合訓練與設(shè)計 初始條件： MATLAB 軟件，電腦，通信原理知識 要求完成的主要任務: 1、利用仿真軟件（如Matlab或SystemView），或硬件實驗系統(tǒng)平臺上設(shè)計完成一個典型的通信系統(tǒng)2、學生要完成整個系統(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。時間安排：序號設(shè) 計 內(nèi) 容所用時間1根據(jù)設(shè)計任務，分析電路原理，確定實驗方案2天2根據(jù)實驗條件進行電路的測試，并對結(jié)果進行分析7天3撰寫課程設(shè)計報告1天合 計2周指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄摘 要IAbstractII1

2、.設(shè)計任務12.實驗電路原理分析22.1增量調(diào)制原理22.2 Miller碼原理32.3循環(huán)碼原理32.4 PSK原理32.5衰落信道原理43.實驗過程及結(jié)果分析54.總結(jié)105.參考文獻11附錄12摘 要一個典型的數(shù)字通信系統(tǒng)包括信源，發(fā)送設(shè)備，信道，接收設(shè)備，信宿。其中發(fā)送設(shè)備包括編碼與調(diào)制，接收設(shè)備包括解調(diào)和譯碼。本文采用增量調(diào)制進行數(shù)字化，對信源采用Miller碼進行編碼，采用PSK進行調(diào)制解調(diào)，同時對衰落信道進行循環(huán)編解碼，從而設(shè)計一個典型的通信系統(tǒng)模型。 MATLAB是MathWorks公司推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，其強大的計算和圖形功能使其在科學計算和工程領(lǐng)域贏得了

3、眾多的用戶。MATLAB是一種編程語言和可視化工具，它能對數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示出來，使數(shù)據(jù)間的關(guān)系明了。 關(guān)鍵詞：增量調(diào)制，Miller碼，循環(huán)碼，PSK，衰落信道 AbstractA typical digital communication system including source, the sending device, channel, receiving device, the sink. Wherein the coding and modulation transmission apparatus comprising, a receiving apparatus incl

4、udes a demodulation and decoding. In this paper, the digital delta modulation of the source code using the Miller encoding using PSK modulation and demodulation, while the fading channel codec cycle to design a typical communication system model.MathWorks MATLAB is a high-performance company launche

5、d numerical computation and visualization software, its powerful computing and graphics capabilities make it in scientific computing and engineering fields has won many users. MATLAB is a programming language and visualization tools, the data can be displayed graphically, so that the relationship be

6、tween the data and clear.Keywords: delta modulation , Miller codes, cyclic codes , PSK, fading channeII1.設(shè)計任務利用Matlab設(shè)計完成一個典型的通信系統(tǒng)（如圖1所示）。首先是要具有信源，信源包括模擬和數(shù)字信號兩種。其次，輸入信號經(jīng)過編碼，在通過某種調(diào)制方式送入信道。在傳輸信道中由于加上了噪聲的干擾，因此，輸出信號先進過解調(diào)，再進行譯碼，最終在接收端收到原始的輸入信號。圖1典型的通信系統(tǒng)其中：信源為正弦信號，數(shù)字化方式為增量調(diào)制，基帶碼為Miller碼，信道碼為循環(huán)碼，調(diào)制方式為PSK，信

7、道類型為衰落信道。2.實驗電路原理分析2.1增量調(diào)制原理增量調(diào)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(diào)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(diào)制最主要的特點就是它所產(chǎn)生的二進制代碼表示模擬信號前后兩個抽樣值的差別(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(diào)

8、制。在增量調(diào)制系統(tǒng)的發(fā)端調(diào)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(diào)制(DM)是DPCM的一種簡化形式。在增量調(diào)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,如果其差值大于零,則發(fā)1碼,如果小于零則發(fā)0碼。增量調(diào)制系統(tǒng)框圖如圖2所示,其中量化器是

9、一個零值比較器,根據(jù)輸入的電平極性,輸出為 ,預測器是一個單位延遲器,其輸出為前一個采樣時刻的解碼樣值,編碼器也是一個零值比較器,若其輸入為負值,則編碼輸出為0,否則輸出為1。解碼器將輸入1,0符號轉(zhuǎn)換為 ,然后與預測值相加后得出解碼樣值輸出,同時也作為預測器的輸入。解碼編碼二電平量化輸入樣值 en en=sgn(en) 傳輸 sgn(en) xn=xn-1+sgn(en) xn + - + +單位延遲 預測輸出 + n-1 單位延遲 + 預測輸出 解碼樣值輸出 xn-1 預測輸入xn=xn-1+sgn(en)圖2 增量調(diào)制原理框圖2.2 Miller碼原理Miller碼也稱延遲調(diào)制碼，是一種

10、變形雙向碼。其編碼規(guī)則：對原始符號“1”碼元起始不躍變，中心點出現(xiàn)躍變來表示，即用10或01表示。對原始符號“0”則分成單個“0”還是連續(xù)“0”予以不同處理；單個“0”時，保持0前的電平不變，即在碼元邊界處電平不躍變，在碼元中間點電平也不躍變；對于連續(xù)“0”，則使連續(xù)兩個“0”的邊界處發(fā)生電平躍變。2.3循環(huán)碼原理在線性分組碼中，有一種重要的碼稱為循環(huán)碼。它是在嚴密的代數(shù)學理論基礎(chǔ)上建立起來的。這種碼的編碼和解碼都不太復雜，而且檢（糾）錯能力較強。循環(huán)碼除了具有線性碼的一般性質(zhì)外，還具有循環(huán)性。循環(huán)性是指任一碼組循環(huán)一位以后，仍為該碼組中的一個碼組。循環(huán)碼的編碼原理如下：在編碼下，首先要根據(jù)給

11、定的（n，k）值選定生成多項式g（x），即從（xn+1）的因子中選擇一個（n-k）次多項式作為g（x）。由于所有碼多項T（x）都可以被g（x）整除。根據(jù)這條原則，就可以對給定的信息位進行編碼，設(shè)m（x）為信息碼多項式，其次數(shù)小于k。用xn-k乘m(x),得到的xn-k*m(x)的次數(shù)必定小于n。用g（x）除xn-k*m(x),得到余式r（x），r（x）的次數(shù)必定小于g（x）的次數(shù)，即小于（n-k）。將此余式r(x)加于信息位之后作為監(jiān)督位，即將r(x)和xn-k*m(x)相加，得到的多項式必定是一個碼多項式。循環(huán)碼的解碼原理為：接收端解碼的要求有兩個，檢錯和糾錯。達到檢錯目，的的解碼原理十分簡

12、單。由于任一個碼組多項式T(x)都應該能被生成多項式g(x)整除，所以在接收端可以將接收碼組R(x)用原生成多項式g(x)去除。當傳輸中未發(fā)生錯誤時，接收碼組與發(fā)送碼組相同，即R(x)=T(x),故接收碼組R(x)必定能被g(x)整除；若碼組在傳輸過程中發(fā)生錯誤，則R(x)不等于T(x),R(x)被g(x)除時可能除不盡而有余項，即有R(x)/g(x)=Q(x)+r(x)/g(x) 公式（1）2.4 PSK原理相位偏移調(diào)制，又稱移相鍵控（PSK，Phase Shift Keying）是一種利用相位差異的信號來傳送資料的調(diào)制方式。該傳送信號必須為正交信號，其基底更須為單位化信號。一個信號所代表的

13、數(shù)學公式： 公式（2）一般調(diào)制信號的改變部份可分為幅度A（ASK用）、相位（PSK用）及頻率（FSK用）三種。其中PSK即利用相位差異來產(chǎn)生的調(diào)制方式。當發(fā)送數(shù)字“0”時，用相位“0”表示，當發(fā)送數(shù)字“1”時，用相位“”表示。因此已調(diào)信號只是代表調(diào)制信號的相位變換，而不是信代表號本身。2.5衰落信道原理瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一種無線電信號傳播環(huán)境的“統(tǒng)計模型(statistical model)”。這種模型假設(shè)信號通過無線信道之后，其信號幅度(amplitude)是隨機的，即“衰落(fading)”，并且其包絡(envelope)服從瑞利分布（Rayl

14、eigh distribution）。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（LoS，Line of Sight）的情況，否則應使用萊斯衰落信道（Ricean fading channel）作為信道模型。瑞利衰落能有效描述存在能夠大量散射無線電信號的障礙物的無線傳播環(huán)境。若傳播環(huán)境中存在足夠多的散射，則沖激信號到達接收機后表現(xiàn)為大量統(tǒng)計獨立的隨機變量的疊加，根據(jù)中心極限定理，則這一無線信道的沖激響應將是一個高斯過程。如果這一散射信道中不存在主要的信號分量，通常這一條件是指不存在直射信號（LoS），則這一過程的

15、均值為0，且相位服從0 到2 的均勻分布。即，信道響應的包絡服從瑞利分布。 若信道中存在一主要分量，例如直射信號（LoS），則信道響應的包絡服從萊斯分布，對應的信道模型為萊斯衰落信道。信道衰落的快慢與發(fā)射端和接收端的相對運動速度的大小有關(guān)。相對運動導致接收信號的多普勒頻移。圖中所示即為一固定信號通過單徑的瑞利衰落信道后，在1秒內(nèi)的能量波動，這一瑞利衰落信道的多普勒頻移最大分別為10Hz和100Hz，在GSM1800MHz的載波頻率上，其相應的移動速度分別為約6千米每小時和60千米每小時。特別需要注意的是信號的“深衰落”現(xiàn)象，此時信號能量的衰減達到數(shù)千倍，即3040分貝。3.

16、實驗過程及結(jié)果分析輸入信號為正弦信號，經(jīng)過增量調(diào)制后，變換為二進制序列，如下圖3所示。圖3增量調(diào)制將經(jīng)過增量調(diào)制以后的信號再進行Miller編碼，有編碼規(guī)則可知，此時輸出的Miller編碼信號的長度是輸入信號的2倍，見下圖4。圖4 Miller編碼本次課程設(shè)計中，采用循環(huán)編碼作為信道編碼，且Matlab提供專門的產(chǎn)生循環(huán)碼的函數(shù)，因此利用已經(jīng)提供的函數(shù)，可得出此時設(shè)計中循環(huán)編碼信號如下圖5所示。圖5循環(huán)編碼信號信號經(jīng)過循環(huán)編碼以后，要進行PSK調(diào)制。輸入信號作為基帶信號被加載在高頻載波上，利用相位變化進行調(diào)制，輸出結(jié)果如下圖6所示。圖6 2PSK編碼調(diào)制 信道為衰落信道，由下圖7可知，信號在進

17、入該衰落信道之后，輸出信號的幅度減小，相位也發(fā)生了畸變。圖7 瑞利衰落信道此時，信號完成了所有的調(diào)制過程，信號從信道中傳輸出來，接收端要收到和信源信號一樣的接收信號，則必需對信道輸出信號進行解調(diào)，如下圖8，是信號經(jīng)過2PSK解調(diào)之后的波形。圖8 2PSK解調(diào)信號經(jīng)過2PSK解調(diào)之后的信號再進行循環(huán)解碼，如下圖9所示。圖9 循環(huán)解碼信號輸出循環(huán)解碼信號還要經(jīng)過Miller譯碼，如下圖10所示。圖10 Miller譯碼信號輸出最終,Miller譯碼信號要經(jīng)過增量解調(diào)才能恢復成原始信號，如下圖11所示。圖13增量解碼輸出信號由上述一系列圖中，我們可以看出原始輸入信號在經(jīng)過增量調(diào)制，Miller編碼，

18、循環(huán)調(diào)制，2PSK調(diào)制，衰落信道，2PSK解調(diào)，循環(huán)解調(diào)，Miller譯碼以及增量解調(diào)之后，接收到的信號基本上能還原成原始的輸入信號。當然在整個信息傳輸過程傳輸中，不可避免地會產(chǎn)生細微的誤差，增量調(diào)制解調(diào)，2PSK的調(diào)制解調(diào)過程都會引起信號發(fā)生時延等畸變，造成誤差的產(chǎn)生，在設(shè)計過成功中我們應當通過多次試驗選擇最佳結(jié)果。4.總結(jié) 5.參考文獻附錄MATLAB程序代碼：%-信源-Ts=1e-3; t=0:Ts:20*Ts; x=sin(2*pi*50*t);%-增量調(diào)制-delta=0.2; %量化階距 D(1+length(t)=0; %預測器初始狀態(tài) for k=1:length(t) e(k

19、)=x(k)-D(k); %誤差信號e_q(k)=delta*(2*(e(k)>=0)-1); %量化器輸出 D(k+1)=e_q(k)+D(k); %延遲器狀態(tài)更新y(k)=(e_q(k)>0); %編碼輸出endfigure(1)subplot(2,1,1);plot(t,x,'-o');axis(0 20*Ts -2 2);subplot(2,1,2);stairs(t,y);axis(0 20*Ts -2 2);title('增量調(diào)制信號');%-Miller編碼-m=length(y);Miller=zeros(1,2*m);f=0;d=1

20、;for i=1:m if y(i)=1 Miller(2*i-1)=f; Miller(2*i)=not(f); f=not(f); d=1; else if d=1 Miller(2*i-1)=f; Miller(2*i)=f; d=0; else f=not(f); Miller(2*i-1)=f; Miller(2*i)=f; d=0; end endendTs=1e-3; t=0:Ts:41*Ts;figure(2)stairs(t,Miller);axis(0 41*Ts -1 2);title('密勒編碼信號');%-循環(huán)編碼-n=7;m=4;k=3;p=cycl

21、poly(n,k); %循環(huán)碼生成多項式，n=7，k=4code = encode(Miller,n,k,'cyclic',p); %編碼函數(shù)，對信號進行差錯編碼figure(3)Ts=1e-3; t=0:Ts:97*Ts;stairs(t,code);axis(0 97*Ts -1 2);title('循環(huán)編碼信號');%-PSK編碼-cp=;%mod1=;f=4*pi;t=0:2*pi/199:2*pi;for n=1:length(code) if code(n)=0 A=zeros(1,200);%每個值200個點 elseif code(n)=1 A=

22、ones(1,200); end cp=cp A; %s(t),碼元寬度200 %c=cos(f*t);%載波信號 %mod1=mod1 c;%與s(t)等長的載波信號變?yōu)榫仃囆问絜ndfigure(4);subplot(2,1,1);plot(cp);grid on;axis(0 4000 -2 2);title('二進制信號序列');cm=;mod=;for n=1:length(code) if code(n)=0 B=ones(1,200); c=cos(f*t); %載波信號 elseif code(n)=1 B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi);

23、 %載波信號 end cm=cm B; %碼元寬度200 mod=mod c; %與s(t)等長的載波信號endre=mod;%調(diào)制subplot(2,1,2);plot(re);grid on;axis(0 4000 -2 2);title('2PSK調(diào)制信號');%figure(5);%subplot(2,1,1);plot(abs(fft(cp);%axis(0 4000 0 800);title('原始信號頻譜');%subplot(2,1,2);plot(abs(fft(re);%axis(0 4000 0 800);title('2PSK信號

24、頻譜');%-衰落信道-LengthOfSignal=length(re); %信號長度(最好大于兩倍fc)fm=51; %最大多普勒頻移fc=510; %載波頻率 delay=0 31 71 109 173 251;power=0 -1 -9 -10 -15 -20; %dBy_in=zeros(1,delay(6) re; %為時移補零y_out=zeros(1,LengthOfSignal); %用于信號輸出for i=1:6 f=1:2*fm-1; %通頻帶長度 y1=0.5./(1-(f-fm)/fm).2).(1/2)/pi; %多普勒功率譜（基帶） Sf=zeros(1,

25、LengthOfSignal); Sf1=y1;%多普勒濾波器的頻響 Sf(fc-fm+1:fc+fm-1)=y1; %基帶映射到載波頻率上 x1=randn(1,LengthOfSignal); x2=randn(1,LengthOfSignal); nc=ifft(fft(x1+i*x2).*sqrt(Sf); %同相分量 x3=randn(1,LengthOfSignal); x4=randn(1,LengthOfSignal); ns=ifft(fft(x3+i*x4).*sqrt(Sf); %正交分量 r0=(real(nc)+j*real(ns); %瑞利信號 r=abs(r0);

26、 %瑞利信號幅值 y_out=y_out+r.*y_in(delay(6)+1-delay(i):delay(6)+LengthOfSignal-delay(i)*10(power(i)/20);end; figure(5);subplot(2,1,1);plot(re(delay(6)+1:LengthOfSignal); %去除時延造成的空白信號title('信源信號');subplot(2,1,2);plot(y_out(delay(6)+1:LengthOfSignal); title('經(jīng)過衰落信道后輸出的信號');%-PSK解調(diào)-t=0:2*pi/1

27、99:2*pi;f3=4*pi;mod2=;for n=1:length(y_out)/200 c2=cos(f3*t);%載波信號 mod2=mod2 c2;%與s(t）等長的載波信號變?yōu)榫仃囆问絜ndre1=mod2.*y_out;%同步解調(diào)%低通信號濾波器fp=100;fs=300;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%計算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計算H（z)jt=filter(b,a,re1);%抽樣判決for m=1:length(

28、y_out) if jt(m)<0 jt(m)=1; %if mod2(m,200)=0 % output1(fix(m/200)+1)=jt(m-100); %end elseif jt(m)>=0 jt(m)=0; %if mod2(m,200)=0 %output1(fix(m/200)+1)=jt(m-100); %end endendfigure(6)subplot(211);plot(jt);grid onaxis(0 4000 -2 2);%nn=1;m5=100;D_PSK=;while m5<length(jt) if jt(m5)=0 D_PSK=D_PSK 0; elseif jt(m5)=1 D_PSK=D_PSK 1; end % nn=nn+1; m5=m5+200;endsubplot(212);Ts=1e-3; t=0:Ts:97*Ts;stairs(t,D_PSK);axis(0