通信系統(tǒng)課群綜合訓(xùn)練及設(shè)計(jì)

1、 題目: 通信系統(tǒng)課群綜合訓(xùn)練與設(shè)計(jì) 初始條件： MATLAB 軟件，電腦，通信原理知識(shí) 要求完成的主要任務(wù): 1、利用仿真軟件（如Matlab或SystemView），或硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)完成一個(gè)典型的通信系統(tǒng)2、學(xué)生要完成整個(gè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)以及整個(gè)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(jì)算失真度，并且分析原因。時(shí)間安排：序號(hào)設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容所用時(shí)間1根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，分析電路原理，確定實(shí)驗(yàn)方案2天2根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行電路的測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析7天3撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告1天合 計(jì)2周指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘 要IAbstractII1

2、.設(shè)計(jì)任務(wù)12.實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析54.總結(jié)105.參考文獻(xiàn)11附錄12摘 要一個(gè)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(jìn)行數(shù)字化，對(duì)信源采用Miller碼進(jìn)行編碼，采用PSK進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，同時(shí)對(duì)衰落信道進(jìn)行循環(huán)編解碼，從而設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)算和可視化軟件，其強(qiáng)大的計(jì)算和圖形功能使其在科學(xué)計(jì)算和工程領(lǐng)域贏得了

3、眾多的用戶。MATLAB是一種編程語(yǔ)言和可視化工具，它能對(duì)數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示出來(lái)，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(jì)任務(wù)利用Matlab設(shè)計(jì)完成一個(gè)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(hào)兩種。其次，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼，在通過(guò)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(hào)先進(jìn)過(guò)解調(diào)，再進(jìn)行譯碼，最終在接收端收到原始的輸入信號(hào)。圖1典型的通信系統(tǒng)其中：信源為正弦信號(hào)，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(shí)驗(yàn)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(lái)的模擬信號(hào)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(hào)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(jìn)制數(shù)碼“1”或“0”來(lái)表示信號(hào)在抽樣時(shí)刻的值相對(duì)于前一個(gè)抽樣時(shí)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(hào)相對(duì)于前一個(gè)時(shí)刻的增減，不表示信號(hào)的絕對(duì)值。增量調(diào)制最主要的特點(diǎn)就是它所產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼表示模擬信號(hào)前后兩個(gè)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)制。在增量調(diào)

8、制系統(tǒng)的發(fā)端調(diào)制后的二進(jìn)制代碼1和0只表示信號(hào)這一個(gè)抽樣時(shí)刻相對(duì)于前一個(gè)抽樣時(shí)刻是增加(用1碼)還是減少(用0碼)。收端譯碼器每收到一個(gè)1碼，譯碼器的輸出相對(duì)于前一個(gè)時(shí)刻的值上升一個(gè)量化階，而收到一個(gè)0碼，譯碼器的輸出相對(duì)于前一個(gè)時(shí)刻的值下降一個(gè)量化階。增量調(diào)制(DM)是DPCM的一種簡(jiǎn)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(jìn)制碼傳輸樣值的增量信息,預(yù)測(cè)器是一個(gè)單位延遲器,延遲一個(gè)采樣時(shí)間間隔。預(yù)測(cè)濾波器的分子系數(shù)向量是0,1,分母系數(shù)為1。當(dāng)前樣值與預(yù)測(cè)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,其中量化器是一個(gè)零值比較

9、器,根據(jù)輸入的電平極性,輸出為 ,預(yù)測(cè)器是一個(gè)單位延遲器,其輸出為前一個(gè)采樣時(shí)刻的解碼樣值,編碼器也是一個(gè)零值比較器,若其輸入為負(fù)值,則編碼輸出為0,否則輸出為1。解碼器將輸入1,0符號(hào)轉(zhuǎn)換為 ,然后與預(yù)測(cè)值相加后得出解碼樣值輸出,同時(shí)也作為預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)輸出 + n-1 單位延遲 + 預(yù)測(cè)輸出 解碼樣值輸出 xn-1 預(yù)測(cè)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，是一種變形雙向碼。

10、其編碼規(guī)則：對(duì)原始符號(hào)“1”碼元起始不躍變，中心點(diǎn)出現(xiàn)躍變來(lái)表示，即用10或01表示。對(duì)原始符號(hào)“0”則分成單個(gè)“0”還是連續(xù)“0”予以不同處理；單個(gè)“0”時(shí)，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(diǎn)電平也不躍變；對(duì)于連續(xù)“0”，則使連續(xù)兩個(gè)“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(yán)密的代數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。這種碼的編碼和解碼都不太復(fù)雜，而且檢（糾）錯(cuò)能力較強(qiáng)。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(gè)碼組。循環(huán)碼的編碼原理如下：在編碼下，首先要根據(jù)給定的（n，k

11、）值選定生成多項(xiàng)式g（x），即從（xn+1）的因子中選擇一個(gè)（n-k）次多項(xiàng)式作為g（x）。由于所有碼多項(xiàng)T（x）都可以被g（x）整除。根據(jù)這條原則，就可以對(duì)給定的信息位進(jìn)行編碼，設(shè)m（x）為信息碼多項(xiàng)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(xiàng)式必定是一個(gè)碼多項(xiàng)式。循環(huán)碼的解碼原理為：接收端解碼的要求有兩個(gè)，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。達(dá)到檢錯(cuò)目，的的解碼原理十分簡(jiǎn)單。由于任一

12、個(gè)碼組多項(xiàng)式T(x)都應(yīng)該能被生成多項(xiàng)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(xiàng)式g(x)去除。當(dāng)傳輸中未發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，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(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，則R(x)不等于T(x),R(x)被g(x)除時(shí)可能除不盡而有余項(xiàng)，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(hào)來(lái)傳送資料的調(diào)制方式。該傳送信號(hào)必須為正交信號(hào)，其基底更須為單位化信號(hào)。一個(gè)信號(hào)所代表的數(shù)學(xué)公式：

13、公式（2）一般調(diào)制信號(hào)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(lái)產(chǎn)生的調(diào)制方式。當(dāng)發(fā)送數(shù)字“0”時(shí)，用相位“0”表示，當(dāng)發(fā)送數(shù)字“1”時(shí)，用相位“”表示。因此已調(diào)信號(hào)只是代表調(diào)制信號(hào)的相位變換，而不是信代表號(hào)本身。2.5衰落信道原理瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一種無(wú)線電信號(hào)傳播環(huán)境的“統(tǒng)計(jì)模型(statistical model)”。這種模型假設(shè)信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道之后，其信號(hào)幅度(amplitude)是隨機(jī)的，即“衰落(fading)”，并且其包絡(luò)(envelope)服從瑞利分布（Rayleigh d

14、istribution）。這一信道模型能夠描述由電離層和對(duì)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(jī)到接收機(jī)不存在直射信號(hào)（LoS，Line of Sight）的情況，否則應(yīng)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(wú)線電信號(hào)的障礙物的無(wú)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(hào)到達(dá)接收機(jī)后表現(xiàn)為大量統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的隨機(jī)變量的疊加，根據(jù)中心極限定理，則這一無(wú)線信道的沖激響應(yīng)將是一個(gè)高斯過(guò)程。如果這一散射信道中不存在主要的信號(hào)分量，通常這一條件是指不存在直射信號(hào)（LoS），則這一過(guò)程的均值為0，且

15、相位服從0到2的均勻分布。即，信道響應(yīng)的包絡(luò)服從瑞利分布。 若信道中存在一主要分量，例如直射信號(hào)（LoS），則信道響應(yīng)的包絡(luò)服從萊斯分布，對(duì)應(yīng)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度的大小有關(guān)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致接收信號(hào)的多普勒頻移。圖中所示即為一固定信號(hào)通過(guò)單徑的瑞利衰落信道后，在1秒內(nèi)的能量波動(dòng)，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(yīng)的移動(dòng)速度分別為約6千米每小時(shí)和60千米每小時(shí)。特別需要注意的是信號(hào)的“深衰落”現(xiàn)象，此時(shí)信號(hào)能量的衰減達(dá)到數(shù)千倍，即3040分貝。3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析輸入信號(hào)為正弦信號(hào)

16、，經(jīng)過(guò)增量調(diào)制后，變換為二進(jìn)制序列，如下圖3所示。圖3增量調(diào)制將經(jīng)過(guò)增量調(diào)制以后的信號(hào)再進(jìn)行Miller編碼，有編碼規(guī)則可知，此時(shí)輸出的Miller編碼信號(hào)的長(zhǎng)度是輸入信號(hào)的2倍，見(jiàn)下圖4。圖4 Miller編碼本次課程設(shè)計(jì)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(shí)設(shè)計(jì)中循環(huán)編碼信號(hào)如下圖5所示。圖5循環(huán)編碼信號(hào)信號(hào)經(jīng)過(guò)循環(huán)編碼以后，要進(jìn)行PSK調(diào)制。輸入信號(hào)作為基帶信號(hào)被加載在高頻載波上，利用相位變化進(jìn)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(hào)在進(jìn)入該衰落信道之后，輸出信號(hào)的幅度減小

17、，相位也發(fā)生了畸變。圖7 瑞利衰落信道此時(shí)，信號(hào)完成了所有的調(diào)制過(guò)程，信號(hào)從信道中傳輸出來(lái)，接收端要收到和信源信號(hào)一樣的接收信號(hào)，則必需對(duì)信道輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，如下圖8，是信號(hào)經(jīng)過(guò)2PSK解調(diào)之后的波形。圖8 2PSK解調(diào)信號(hào)經(jīng)過(guò)2PSK解調(diào)之后的信號(hào)再進(jìn)行循環(huán)解碼，如下圖9所示。圖9 循環(huán)解碼信號(hào)輸出循環(huán)解碼信號(hào)還要經(jīng)過(guò)Miller譯碼，如下圖10所示。圖10 Miller譯碼信號(hào)輸出最終,Miller譯碼信號(hào)要經(jīng)過(guò)增量解調(diào)才能恢復(fù)成原始信號(hào)，如下圖11所示。圖13增量解碼輸出信號(hào)由上述一系列圖中，我們可以看出原始輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)增量調(diào)制，Miller編碼，循環(huán)調(diào)制，2PSK調(diào)制，衰落信道，2

18、PSK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(hào)基本上能還原成原始的輸入信號(hào)。當(dāng)然在整個(gè)信息傳輸過(guò)程傳輸中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的誤差，增量調(diào)制解調(diào)，2PSK的調(diào)制解調(diào)過(guò)程都會(huì)引起信號(hào)發(fā)生時(shí)延等畸變，造成誤差的產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)過(guò)成功中我們應(yīng)當(dāng)通過(guò)多次試驗(yàn)選擇最佳結(jié)果。4.總結(jié) 5.參考文獻(xiàn)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(yù)測(cè)器初始狀態(tài) for k=1:length(t) e(k)=x(k)-D(k); %誤差信號(hào)

19、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(hào));%-Miller編碼-m=length(y);Miller=zeros(1,2*m);f=0;d=1;for i=1:m if y(i)=1 Miller(2*i-1)=f; Miller(2

20、*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(hào));%-循環(huán)編碼-n=7;m=4;k=3;p=cyclpoly(n,k); %循環(huán)碼生成多項(xiàng)式，n=7，k=4code = encode(Miller,n,k,cyc

21、lic,p); %編碼函數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行差錯(cuò)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(hào));%-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(gè)值200個(gè)點(diǎn) elseif code(n)=1 A=ones(1,200); end cp=cp A; %s(t),碼元寬度200 %c=cos(f*t);%載波信號(hào) %mod1=mod1 c;%與s(t

22、)等長(zhǎng)的載波信號(hào)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(jìn)制信號(hào)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(hào) elseif code(n)=1 B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %載波信號(hào) end cm=cm B; %碼元寬度200 mod=mod c; %與s(t)等長(zhǎng)的載波信號(hào)endre=mod;%調(diào)制subplot(2,1,2);plot(

23、re);grid on;axis(0 4000 -2 2);title(2PSK調(diào)制信號(hào));%figure(5);%subplot(2,1,1);plot(abs(fft(cp);%axis(0 4000 0 800);title(原始信號(hào)頻譜);%subplot(2,1,2);plot(abs(fft(re);%axis(0 4000 0 800);title(2PSK信號(hào)頻譜);%-衰落信道-LengthOfSignal=length(re); %信號(hào)長(zhǎng)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;pow

24、er=0 -1 -9 -10 -15 -20; %dBy_in=zeros(1,delay(6) re; %為時(shí)移補(bǔ)零y_out=zeros(1,LengthOfSignal); %用于信號(hào)輸出for i=1:6 f=1:2*fm-1; %通頻帶長(zhǎng)度 y1=0.5./(1-(f-fm)/fm).2).(1/2)/pi; %多普勒功率譜（基帶） Sf=zeros(1,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,Length

25、OfSignal); 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(hào) r=abs(r0); %瑞利信號(hào)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);sub

26、plot(2,1,1);plot(re(delay(6)+1:LengthOfSignal); %去除時(shí)延造成的空白信號(hào)title(信源信號(hào));subplot(2,1,2);plot(y_out(delay(6)+1:LengthOfSignal); title(經(jīng)過(guò)衰落信道后輸出的信號(hào));%-PSK解調(diào)-t=0:2*pi/199:2*pi;f3=4*pi;mod2=;for n=1:length(y_out)/200 c2=cos(f3*t);%載波信號(hào) mod2=mod2 c2;%與s(t）等長(zhǎng)的載波信號(hào)變?yōu)榫仃囆问絜ndre1=mod2.*y_out;%同步解調(diào)%低通信號(hào)濾波器fp=10

27、0;fs=300;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%計(jì)算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計(jì)算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計(jì)算H（z)jt=filter(b,a,re1);%抽樣判決for m=1:length(y_out) if 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 m5length(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(