CDIO課程設(shè)計報告

1、河南師范大學(xué)CDIO課程項目設(shè)計報告項 目 名 稱 數(shù)字通信系統(tǒng)仿真采用2DPSK調(diào)制和(7,4)循環(huán)碼 專 業(yè) 通信工程 班 級 成 員 指 導(dǎo) 教 師 設(shè) 計 時 間 2013.03-2013.06 1 項目計劃 通過我們對電子系統(tǒng)設(shè)計課程的學(xué)習(xí)和理解，綜合運用所學(xué)的理論知識運用MATLAB軟件對數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行仿，運用課本中所學(xué)到的理論知識完成數(shù)字通信系統(tǒng)仿真，采用2DPSK對輸入輸出進(jìn)行調(diào)制解調(diào)和(7,4)循環(huán)碼對信道進(jìn)行編碼技術(shù)，在實驗中鍛煉我們查閱資料、方案比較、團(tuán)結(jié)合作的能力。學(xué)會簡單電路的實驗調(diào)試和整機指標(biāo)測試方法，增強我們的動手能力，為以后學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。1.1項目設(shè)計目

2、的與內(nèi)容要求 本次課程設(shè)計我們所做的課題是對數(shù)字系統(tǒng)主要原理和技術(shù)進(jìn)行研究，包括8進(jìn)制正交調(diào)幅（2DPSK）及解調(diào)技術(shù)、高斯噪聲信道原理、以及信源編碼中的(7,4)循環(huán)碼技術(shù)、信道編碼中的(7,4)循環(huán)碼技術(shù)原理等。建立完整的基于2DPSK和（7,4）循環(huán)碼的數(shù)字通信系統(tǒng)仿真模型，包括2DPSK調(diào)制解調(diào)及(7,4)循環(huán)碼的編譯碼。在信道中加入高斯噪聲，觀察系統(tǒng)的糾檢錯能力，統(tǒng)計誤碼率，并進(jìn)行分析。1.2項目可行性分析基于數(shù)字信號的傳輸優(yōu)于模擬信號,所以數(shù)字信號的傳輸越來越重要。雖然近距離時可以由數(shù)字基帶號直接傳輸,但是進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時必須將基帶信號調(diào)制到高頻處。二進(jìn)制移相鍵控是二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)

3、制的基本方式之一. 其包括兩種方式:絕對移相方式(2PSK)和相對(差分)移相方式(2DPSK)。絕對移相方式存在一個缺點,即倒“”現(xiàn)象。因此,在實際中一般不采用2PSK方式,而采用2DPSK方式。由于數(shù)字通信在抗干擾性!保密性以及數(shù)字信號處理方面的優(yōu)越性，它的應(yīng)用越來越廣泛"數(shù)字調(diào)制技術(shù)作為這個領(lǐng)域中極為重要的一個方面，也得到了迅速發(fā)展。在理論分析循環(huán)碼編碼和譯碼基本原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿真結(jié)果表明循環(huán)碼能有效地克服來自通訊信道的干擾，保證數(shù)據(jù)通信的可靠及系統(tǒng)的穩(wěn)定 ，使誤碼率大幅度降低。對循環(huán)碼的研究結(jié)果表明可以有效地降低錯誤概率，具有一定的實用價值。2 需求分析與設(shè)計說明2.1

4、需求分析雖然數(shù)字通信發(fā)展了短短二十幾年的時間，但由于它有較強的抗干擾性，易于保密，并且處理數(shù)字信號也很方便，可以應(yīng)用在光纖通信、衛(wèi)星通信等新興的通信系統(tǒng)中，因此它的應(yīng)用前景十分廣闊。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字調(diào)制技術(shù)具有至關(guān)重要的作用，經(jīng)分析得出3，在頻帶利用率方面，PSK高于FSK，且在相同的信噪比條件下,PSK的誤碼率低于FSK。從可靠性和有效性來考慮，PSK是最優(yōu)越的調(diào)制方式。因而 PSK 在數(shù)字通信中得到了廣泛應(yīng)用,PSK有2相( BPSK),4相(QPSK) ，8相(8PSK) 等等。在相同條件下，與兩相調(diào)制技術(shù)相比，多相( 相位多于4) 調(diào)制技術(shù)的實現(xiàn)，需要付出更高的功率代價，所以，2

5、相 PSK調(diào)制技術(shù)在實際中使用最多。但是PSK信號在解調(diào)時，有相位模糊現(xiàn)象出現(xiàn)，一般采用相對相移鍵控(2DPSK) 來解決這一問題。2.2 設(shè)計原理數(shù)字通信系統(tǒng)按調(diào)制方式可以分為基帶傳輸系統(tǒng)和帶通傳輸系統(tǒng)，相應(yīng)的數(shù)字信號的傳輸方式為基帶傳輸和帶通傳輸。基帶傳輸是將未經(jīng)調(diào)制的信號直接傳輸，頻帶傳輸是對各種信號調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q。數(shù)字基帶信號的功率一般處于從零開始到某一頻率的低頻段，而實際應(yīng)用中大多數(shù)信道具有帶通特性，因而不能直接進(jìn)行傳輸。為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，已使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字頻帶信號的過程

6、稱為數(shù)字調(diào)制。數(shù)字通信系統(tǒng)的各部分作用信息源：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號（稱為消息信號或基帶信號）。信源編碼與譯碼：信源編碼實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸即完成A/D變化；提高信號傳輸?shù)挠行?，即通過使用某種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來減少信息的冗余度（減少信息碼元數(shù)目）和降低數(shù)字信號的碼元速率。信道譯碼是信源編碼的逆過程。信道編碼與譯碼：為了減小差錯，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力，實現(xiàn)可靠通信。數(shù)字調(diào)制與解調(diào)：數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形

7、成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號。數(shù)字解調(diào)就是采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號。信道：信息傳輸媒介的總稱，傳輸信道的類型分為無線信道和有線信道。噪聲源：通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。受信者（簡稱信宿）:傳送消息的目的地，其功能與信源相反，即把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如揚聲器等?？傮w原理方框圖1所示：圖1 數(shù)字通信過程循環(huán)碼編譯碼原理：在實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸一般采用系統(tǒng)碼的編碼方式即在發(fā)送的信息序列之后附加上特定位數(shù)序列的冗余位，該冗余位稱為所發(fā)送的信息序列的監(jiān)督位，監(jiān)督位一般是由所發(fā)送的信息序列經(jīng)過恰當(dāng)?shù)淖兓a(chǎn)生，

8、 若監(jiān)督位由信息序列經(jīng)過線性組合得到，則稱得到的系統(tǒng)碼為線性分組碼。循環(huán)碼是線性分組碼的一個重要子類，具有嚴(yán)密的代數(shù)學(xué)理論。循環(huán)碼“線性”是指任意兩個循環(huán)碼模2相加所得的新碼仍為循環(huán)碼。循環(huán)碼具有線性碼的一般性質(zhì)（即封閉性，指一種線性分組碼的任意兩個碼組之和仍是該分組碼的另一個碼組）外，還具有循環(huán)性即循環(huán)碼中任一碼組循環(huán)一位（將最右端碼元移至左端或反之）以后,仍為該碼組中的一個碼組(n,k)循環(huán)碼表示其中信息位為k監(jiān)督位為 n-k位3。 若一個循環(huán)碼的所有碼字多項式都是一個次數(shù)最低的非零首一多項g（x）的倍式則 g(x)生成該碼 ,并稱g(x)為該碼的生成元或生成多項式。若在GF(2)上的（n

9、,k）循環(huán)碼中，存在唯一的指數(shù)多項式g(x)，使得每一個碼多項式c(x)都是g(x)的倍式，且每一低于或等于n-1次的g(x)倍式，一定是碼多項式。循環(huán)碼最大的特點就是碼字的循環(huán)特性，所謂循環(huán)特性是指：循環(huán)碼中任一許用碼組經(jīng)過循環(huán)移位后，所得到的碼組仍然是許用碼組，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)碼的生成多項式寫為,它是循環(huán)碼碼集中唯一的，冪次為的碼多項式，則是一個冪次為的碼多項式。按模運算，此時： 即，且因也是次冪，故。由于它是循環(huán)碼，故按模運算后的“余式”也是循環(huán)碼的一個碼字，它必能被整除，即： 由以上兩式可以得到： 從上式中可以看出，生成多項式g(

10、x)應(yīng)該是的一個因式，即循環(huán)碼多項式應(yīng)該是的一個次因式。由生成多項式可以得出相應(yīng)的典型生成矩陣及標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督矩陣： 循環(huán)碼的編譯碼過程如下：（1）編碼過程第一步：將信息碼字表示為，其最高次冪為；第二步：將與求模得出相應(yīng)的余式；第三步：編碼結(jié)果為。（2）譯碼過程第一步：由接收碼字與監(jiān)督矩陣相乘得出錯誤圖樣；第二步：判斷是否為零。若不為零，則出錯。在假定至多只有一位錯的情況下，可以有效地譯了相應(yīng)的信息碼字。第三步：在出錯的情況下，將與標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督矩陣對比，得出錯誤的比特位并進(jìn)行更正得出前四位為信息碼字。（7,4）循環(huán)編碼已知（7，4）循環(huán)碼的生成多項式和校驗多項式可分別為：，。寫得其生成矩陣和校驗矩陣分別

11、為： 程序：%cyle_code.mfunction msg_en= cycle_code(m,msg) %循環(huán)碼編碼函數(shù)% 輸入?yún)?shù)% m：監(jiān)督位的位數(shù)；% msg：信息碼字% 輸出參數(shù)% msg_en：編碼結(jié)果% input parameters% 碼長與信息碼字n=2m-1;k=n-m;%產(chǎn)生生成矩陣parmat和校驗矩陣genmatpol = cyclpoly(n,k);parmat,genmat,k = cyclgen(7,pol);% 調(diào)整生成矩陣與監(jiān)督矩陣gen_temp=eye(k);par_temp=eye(m);parmat=par_temp genmat(:,1:m)&#

12、39;genmat=gen_temp genmat(:,1:m);%產(chǎn)生編碼后的碼字空間 Cmsg_en=rem(msg*genmat,2);(7,4)循環(huán)碼編碼（信道編碼）程序：%cyle_decode.mfunction code=cycle_decode(m,msg) %循環(huán)碼譯碼函數(shù)% 輸入?yún)?shù)% m：監(jiān)督位的位數(shù)；% msg：信息碼字% 輸出參數(shù)% code：譯碼結(jié)果% 碼長與信息碼字n=2m-1;k=n-m;%產(chǎn)生生成矩陣parmat和校驗矩陣genmatpol = cyclpoly(n,k);parmat,genmat,k = cyclgen(7,pol);%調(diào)整生成矩陣與監(jiān)督矩

13、陣gen_temp=eye(k);par_temp=eye(m);parmat=par_temp genmat(:,1:m)'genmat=gen_temp genmat(:,1:m);% 計算伴隨式S=rem(msg*parmat',2)'count=0;% 比較譯碼if (sum(S)=0) for (ii=1:1:n) for(jj=1:1:m) if(S(jj)=parmat(jj,ii) count=count+1; end; end; if (count=3) mis=ii; else count=0; end; end;else mis=0;end;if

14、(mis) msg(mis)=rem(msg(mis)+1,2);end;% 譯碼結(jié)果code=msg(1:k); 加入高斯白噪聲信道是通信系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)之一,信道的傳輸質(zhì)量影響著信號的接收和解調(diào)。這種影響表現(xiàn)在兩個方面:一是產(chǎn)生噪聲,二是減弱信號的強度和改變信號的形狀。通信系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是使接收端能夠再現(xiàn)發(fā)送端發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。因此,在設(shè)計通信系統(tǒng)的過程中,信道對傳輸信號的影響是一個不可或缺的環(huán)節(jié)。為了使仿真的通信系統(tǒng)與實際更為相似,選擇了加性高斯白噪聲(AWGN channel)。為了與信道的統(tǒng)計特性相匹配，并區(qū)分通路和提高通信的可靠性，而在信源編碼的基礎(chǔ)上，按一定規(guī)律加入一些新的監(jiān)督碼元，

15、以實現(xiàn)糾錯的編碼。噪聲代碼如下： ynoisy= awgn(y,3,'measured'); % 加高斯白噪聲.如圖2所示 圖2 加高斯白噪聲.如圖3 經(jīng)（7,4）循環(huán)碼信道編碼后誤碼率的改善仿真：圖3 經(jīng)（7,4）循環(huán)碼信道編碼后誤碼率的改善仿真仿真程序：clc;initialseed=71; inputinitialseed=63;inputsampletime=1/1000; y=;y1=;for snr=1:10; sim('hammingencoding'); y=y,mean(simout(:,1); y1=y1,mean(simout1(:,1);

16、endsnr=1:10;semilogy(snr,y,snr,y1) xlabel('SNR(dB)')ylabel('BER')title('經(jīng)（7,4）循環(huán)碼信道編碼后誤碼率的改善')2DPSK的調(diào)制原理一般來說，2DPSK信號有兩種調(diào)試方法，即模擬調(diào)制法和鍵控法。2DPSK信號的的模擬調(diào)制法框圖如圖4所示，其中碼變換的過程為將輸入的單極性不歸零碼轉(zhuǎn)換為雙極性不歸零碼。碼變換相乘載波s(t)eo(t) 圖4模擬調(diào)制法2DPSK信號的的鍵控調(diào)制法框圖如圖5所示，其中碼變換的過程為將輸入的基帶信號差分，即變?yōu)樗南鄬Υa。選相開關(guān)作用為當(dāng)輸入為數(shù)字

17、信息“0” 時接相位0，當(dāng)輸入數(shù)字信息為“1”時接pi。圖5 鍵控調(diào)制調(diào)制仿真程序設(shè)計：1）產(chǎn)生基帶信號 本例中使用matlab中的rand函數(shù)隨機產(chǎn)生10個隨機數(shù)，并采用就近取整的辦法使其值為0、1.此過程產(chǎn)生的碼為絕對碼。并且，每個值需要分配一定的長度。代碼如下：clear allclose alli=10; %碼元的個數(shù)j=5000;fc=4;fm=i/5;B=2*fm;t=linspace(0,5,j); % 將0-5區(qū)間平均分為j份% 產(chǎn)生基帶信號 %a =round(rand(1,i); %產(chǎn)生10個隨機碼，記為ast1=t;for n=1:10 if a(n)<1; for

18、 m=j/i*(n-1)+1:j/i*n % j/i為每個碼元的 st1(m)=0; end else for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n st1(m)=1; end endend2）相對碼產(chǎn)生 根據(jù)相對碼的原理，源碼中1的值對應(yīng)相位改變，源碼中0的值對應(yīng)相位不改變。將變?yōu)?,0仍為0，則形成相對碼。代碼如下：b=zeros(1,i);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)

19、<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(412);plot(t,st1);title('相對碼');axis(0,5,-1,2);st2=t; for k=1:j; if st1(k)>=1; st2(k)=0; else st2(k)=1; endend; st1即為相對碼，st2為相對碼的反碼，在調(diào)制中使用。3）產(chǎn)生載波信號代碼： s1=sin(2*pi*fc*t);4） 調(diào)制按圖6中所示，相對碼及其反碼分

20、別和載波相乘再相加，即得到調(diào)制信號。d1=st1.*s1;d2=st2.*(-s1);%相移180figure(2);subplot(4,1,1);plot(t,d1);title('st1*s1');subplot(4,1,2);plot(t,d2);title('st2*s2');e_dpsk=d1+d2; 圖6碼元產(chǎn)生傳輸系統(tǒng)設(shè)計比較簡答，只需加入信道噪聲即可。代碼：noise=rand(1,j);dpsk=e_dpsk+0.5*noise;%加入噪聲效果如圖7所示 圖7 調(diào)制信號解調(diào)系統(tǒng) 2DPSK信號最常用的解調(diào)方法有兩種，一種是差分相干法，另一種是極

21、性比較法。差分相干法： 2DPSK信號先經(jīng)過帶通濾波器，去除調(diào)制信號頻帶以外的在信道中混入的噪聲，此后該信號分為兩路，一路延時一個碼元的時間后與另一路的信號相乘，再經(jīng)過低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號的低頻信號，將其送入抽樣判決器中進(jìn)行抽樣判決，抽樣判決器的輸出即為原基帶信號。它的原理框圖如圖8：圖8差分相干法法極性比較法是2DPSK信號經(jīng)過帶通濾波器，濾掉信道中產(chǎn)生的噪聲，再與本地載波相乘，經(jīng)過低通濾波器，得到包含基帶信號的低頻信號，將其送入抽樣判決器得到相對碼，再經(jīng)過碼（反）變換器得到基帶信號。原理圖如圖9所示圖9 極性比較法法解調(diào)仿真程序設(shè)計：1）帶通濾波器2）乘法器3）低通濾波

22、器設(shè)計為只允許基頻信號通過。代碼：f,af = T2F(t,dpsk);t,dpsk = lpf(f,af,B);所用函數(shù)代碼：T2F子函數(shù)function f,sf= T2F(t,st)dt = t(2)-t(1);T=t(end);df = 1/T;N = length(st);f=-N/2*df:df:N/2*df-df;sf = fft(st);sf =T/N*fftshift(sf);function t,st=lpf(f,sf,B)df = f(2)-f(1);T = 1/df;hf = zeros(1,length(f);bf = -floor( B/df ): floor( B

23、/df ) + floor( length(f)/2 );hf(bf)=1;yf=hf.*sf;t,st=F2T(f,yf);st = real(st);4）抽樣判決器 抽樣判決器就是過零檢測。 代碼：st=zeros(1,i);for m=0:i-1;if dpsk(1,m*500+250)<0; st(m+1)=0; for j=m*500+1:(m+1)*500; dpsk(1,j)=0; endelse for j=m*500+1:(m+1)*500; st(m+1)=1; dpsk(1,j)=1; endendend兩種解調(diào)方式不同之處在于延遲單元和碼（反）變換器。5）延遲單元

24、 延遲一個碼元長度，第一個碼元長度的內(nèi)容根據(jù)編碼規(guī)則，抽樣判決。 代碼：if dpsk(65)<0 dpsk_delay(1:j/i)=dpsk(1:j/i);else dpsk_delay(1:j/i)=-dpsk(1:j/i)enddpsk_delay(j/i+1:j)=dpsk(1:j-j/i);6）碼（反）變換器 將相對碼變換為絕對碼，與編碼器正好相反。dt=zeros(1,i);dt(1)=st(1);for n=2:10; if (st(n)-st(n-1)<=0&&(st(n)-st(n-1)>-1; dt(n)=0; else dt(n)=1;

25、 endendst=t;for n=1:10 if dt(n)<1; for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n st(m)=0; end else for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n st(m)=1; end endend極性比較法解調(diào)結(jié)果結(jié)果如圖10、圖11所示，可見解調(diào)結(jié)果與源碼完全一致。 圖10極性比較法解調(diào)結(jié)果圖11 源碼 差分相干法解調(diào)結(jié)果如圖12、圖13所示，解調(diào)結(jié)果與源碼完全一致。圖12 差分相干法解調(diào)結(jié)果 圖13 源碼2.3 設(shè)計流程（1）建立2DPSK和（7,4）循環(huán)碼數(shù)字通信仿真模型。（2）在信道中加入高斯噪聲。（3）觀察糾錯檢錯能力、統(tǒng)計誤碼率、并

26、進(jìn)行分析。3 技術(shù)難點及解決方法 在利用Matlab共同完成的2DPSK調(diào)制和和（7，4）循環(huán)碼編譯碼技術(shù)對數(shù)字通信系統(tǒng)仿真設(shè)計中,由于信道中引入了適當(dāng)?shù)母咚拱自肼?還有接收端帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置問題,加入噪聲的影響,它使解調(diào)后的輸出波形與信號源產(chǎn)生的波形相比有一定的畸變和時延。為了更好地改善系統(tǒng)的傳輸性能,通過（7，4）循環(huán)碼編譯碼技術(shù)增加信息冗余性，從而改善系統(tǒng)傳輸過程中受噪聲的影響，降低誤碼率。此外,同步也是該通信系統(tǒng)中一個重要的研究問題。本設(shè)計中采用了兩種解調(diào)的設(shè)計方式,并比較二者與理論上得到的結(jié)果，得出二者解調(diào)性能的優(yōu)劣。同時在接收端需要提供一個與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波,來保證載波同步。解調(diào)出的基帶信號要經(jīng)過抽樣判決器。抽樣判決的時刻應(yīng)位于每個碼元的終止時刻,因此,在接收端必須產(chǎn)生一個用作抽樣判決的定時脈沖序列,它和碼元接收的終止時刻應(yīng)對齊,還應(yīng)與系統(tǒng)輸入的時鐘信號相一致,這樣就保證了系統(tǒng)的位同步