Matlab通信仿真設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)

南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課程名稱Matlab通信仿真設(shè)計(jì)院（系、部、中心） 通信工程學(xué)院專 業(yè) 信息工程 班 級(jí)K信息101、K算通101起 止日 期 2013/5/13-2013/5/17指導(dǎo)教師 潘子宇課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的讓學(xué)生綜合運(yùn)用信號(hào)與線性系統(tǒng)，通信原理，以及matlab語(yǔ)言等綜合應(yīng)用知識(shí)?；臼煜ぼ浖_(kāi)發(fā)流程、要點(diǎn)以及注意事項(xiàng)。通過(guò)進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)和編程，以加深對(duì)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提高學(xué)生利用matlab在通信領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)踐的應(yīng)用能力、分析解決問(wèn)題的能力；增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)踐應(yīng)用流程模式的理解。課程設(shè)計(jì)題目及要求題目一：調(diào)幅廣播系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)模擬幅度調(diào)制是無(wú)線電最早期的遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)。在幅度調(diào)制中，以聲音信號(hào)控制高頻率正弦信號(hào)的幅度，并將幅度變化的高頻率正弦信號(hào)放大后通過(guò)天線發(fā)射出去，成為電磁波輻射。波動(dòng)的電信號(hào)要能夠有效地從天線發(fā)送出去，或者有效地從天線將信號(hào)接收回來(lái)，需要天線的等效長(zhǎng)度至少達(dá)到波長(zhǎng)的1/4。聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后其波長(zhǎng)約在15?1500km之間，實(shí)際中不可能制造出這樣長(zhǎng)度和范圍的天線進(jìn)行有效信號(hào)收發(fā)。因此需要將聲音這樣的低頻信號(hào)從低頻率段搬移到較高頻率段上去，以便通過(guò)較短的天線發(fā)射出去。人耳可聞的聲音信號(hào)通過(guò)話筒轉(zhuǎn)化為波動(dòng)的電信號(hào)，其頻率范圍為20?20KHz。大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人耳對(duì)語(yǔ)音的頻率敏感區(qū)域約為300?3400Hz,為了節(jié)約頻率帶寬資源，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中將電話通信的傳輸頻帶規(guī)定為300?3400Hz。調(diào)幅廣播除了傳輸聲音以外，還要播送音樂(lè)節(jié)目，這就需要更寬的頻帶。一般而言，調(diào)幅廣播的傳輸頻率范圍約為100?6000Hz。題目二：模擬信號(hào)的數(shù)字化基帶信號(hào)的采樣定理是指，對(duì)于一個(gè)頻譜寬度為BHz的基帶信號(hào)，可惟一地被均勻間隔不大于1/(2B)秒的樣值序列所確定。采樣定理表明，如果以不小于1/(2B)次/秒的速率對(duì)基帶模擬信號(hào)均勻采樣，那么所得到樣值序列就包含了基帶信號(hào)的全部信息，這時(shí)對(duì)該序列可以無(wú)失真地重建對(duì)應(yīng)的基帶模擬信號(hào)。例如，電話話音信號(hào)的最高頻率為3400Hz，為了保證無(wú)失真采樣，對(duì)其進(jìn)行采樣的最低速率必須大于等于6800次/秒，考慮到實(shí)際低通濾波器的非理想特性，數(shù)字電話通信系統(tǒng)中規(guī)定采樣率為8000次/秒。為了保證在足夠大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)數(shù)字電話話音具有足夠高的信噪比，提出了非均勻量化：在小信號(hào)時(shí)采用較小的量化間距，而在大信號(hào)時(shí)用大的量化間距。在數(shù)學(xué)上，非均勻量化等價(jià)于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍壓縮后再進(jìn)行均勻量化。小信號(hào)通過(guò)壓縮器時(shí)增益大，大信號(hào)通過(guò)壓縮器時(shí)增益小。這樣就使小信號(hào)在均勻量化之前得到較大的放大，等價(jià)于以較小間距直接對(duì)小信號(hào)進(jìn)行量化，而以較大間距對(duì)大信號(hào)進(jìn)行量化。在接收端要進(jìn)行相應(yīng)的反變換，即擴(kuò)張?zhí)幚?，以補(bǔ)償壓縮過(guò)程引起的信號(hào)非線性失真。中國(guó)和歐洲的PCM數(shù)字電話系統(tǒng)采用A律壓擴(kuò)方式，即：Ax(2-1)(1+InA|x|)1+InAy=s(2-1)(1+InA|x|)sgn(x)、1+InA壓縮系數(shù)A=87.6。A律壓縮擴(kuò)張曲線可用折線來(lái)近似，16段折線點(diǎn)是：x=[-1,-1/2,-1/4,-1/&-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/&1/4,1/2,1]y=[-1,-7/8,-6/8,-5/8,-4/8,-3/8,-2/8,-1/8,0,1/8,2/8,3/8,4/8,5/8,6/8,7/8,1]其中靠近原點(diǎn)的4根折線斜率相等，可視為一段，因此總折線數(shù)為13段，稱為13段折線近似。用Simulink中的Look-UpTable查表模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)13折線近似的壓縮擴(kuò)張計(jì)算的建模,壓縮模塊的輸入向量設(shè)置為：[-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/12&0,1/12&

1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]輸出量向量設(shè)置為：[-1：1/8：1]。擴(kuò)張模塊的設(shè)置與壓縮模塊的設(shè)置相反。題目三：帶限數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真在實(shí)際通信中傳輸信道的帶寬是有限的，這樣的信道稱為帶限信道。帶限信道的沖激響應(yīng)在時(shí)間上是無(wú)限的，因此一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的代表數(shù)據(jù)的波形經(jīng)過(guò)帶限信道后將在鄰近的其他時(shí)隙上形成非零值，稱為波形的拖尾。拖尾和鄰近其他時(shí)隙上的傳輸波形相互疊加后，形成傳輸數(shù)據(jù)之間的混疊，造成符號(hào)間干擾，也稱為碼間干擾。接收機(jī)中，在每個(gè)傳輸時(shí)隙中的某時(shí)間點(diǎn)上，通過(guò)對(duì)時(shí)域混疊后的波形進(jìn)行采樣，然后對(duì)樣值進(jìn)行判決來(lái)恢復(fù)接收數(shù)據(jù)。在采樣時(shí)間位置上符號(hào)間的干擾應(yīng)最小化（該采樣時(shí)刻稱為最佳采樣時(shí)刻），并以適當(dāng)?shù)呐袥Q門(mén)限來(lái)恢復(fù)接收數(shù)據(jù)，使誤碼率最小（該門(mén)限稱為最佳判決門(mén)限）。在工程上，為了便于觀察接收波形中的碼間干擾情況，可在采樣判決設(shè)備的輸入端以恢復(fù)的采樣時(shí)鐘作為同步，用示波器觀察該端口的接收波形。利用示波管顯示的暫時(shí)記憶特性，在示波管上將顯示多個(gè)時(shí)隙內(nèi)接收信號(hào)的重疊波形圖案，稱為眼圖。對(duì)于傳輸符號(hào)為等概的雙極性碼，最佳判決門(mén)限為0,最佳采樣時(shí)刻為眼圖開(kāi)口最大處，因?yàn)樵摃r(shí)刻上的碼間干擾最小。當(dāng)無(wú)碼間干擾時(shí)，在最佳采樣時(shí)刻上眼圖波形將會(huì)聚為一點(diǎn)。課程設(shè)計(jì)任務(wù)及工作量的要求〔包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)、圖紙、實(shí)物樣品等要求〕題目一：調(diào)幅廣播系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)任務(wù)一：調(diào)幅廣播系統(tǒng)的仿真采用接收濾波器AnalogFilterDesign模塊，在同一示波器上觀察調(diào)幅信號(hào)在未加入噪聲和加入噪聲后經(jīng)過(guò)濾波器后的波形。采用另外兩個(gè)相同的接收濾波器模塊，分別對(duì)純信號(hào)和純?cè)肼暈V波，利用統(tǒng)計(jì)模塊計(jì)算輸出信號(hào)功率和噪聲功率，繼而計(jì)算輸出信噪比，用Disply顯示結(jié)果。對(duì)中波調(diào)幅廣播傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真，模型參數(shù)指標(biāo)如下。1.基帶信號(hào)：音頻，最大幅度為1?；鶐y(cè)試信號(hào)頻率在100?6000Hz內(nèi)可調(diào)。2?載波：給定幅度的正弦波，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，初相位設(shè)為0,頻率為550?1605Hz內(nèi)可調(diào)。3?接收機(jī)選頻放大濾波器帶寬為12KHz，中心頻率為1000kHz。4?在信道中加入噪聲。當(dāng)調(diào)制度為0.3時(shí)，設(shè)計(jì)接收機(jī)選頻濾波器輸出信噪比為20dB，要求計(jì)算信道中應(yīng)該加入噪聲的方差，并能夠測(cè)量接收機(jī)選頻濾波器實(shí)際輸出信噪比。任務(wù)二：調(diào)幅的包絡(luò)檢波和相干解調(diào)性能仿真比較根據(jù)通信理論，以解調(diào)輸出信噪比衡量的同步相干解調(diào)性能總是優(yōu)于包絡(luò)檢波性能。在輸入高信噪比條件下，包絡(luò)檢波接近同步相干解調(diào)的性能，而隨著輸入信噪比逐漸降低，包絡(luò)檢波性能也逐漸變壞，當(dāng)輸入信噪比下降到某一值時(shí)，包絡(luò)檢波輸出信噪比將急劇下降，這種現(xiàn)象稱為包絡(luò)檢波的門(mén)限效應(yīng)。以任務(wù)一為傳輸模型，在不同輸入信噪比條件下仿真測(cè)量包絡(luò)檢波解調(diào)和同步相干解調(diào)對(duì)調(diào)幅波的解調(diào)輸出信噪比，觀察包絡(luò)檢波解調(diào)的門(mén)限效應(yīng)。任務(wù)三：用matlab編程方法，得出解調(diào)性能曲線通過(guò)編程方法，連續(xù)改變輸入信號(hào)信噪比，用以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的方差，每計(jì)算一個(gè)方差后調(diào)用一次ex1_2.mdl,從而獲得在Workspace中的數(shù)據(jù)SNR_out,通過(guò)matlab繪圖的方法將包絡(luò)檢波和相干解調(diào)的信噪比與輸入信噪比的關(guān)系繪于同一圖，比較其性能。在matlab空間調(diào)用ex1_2.mdl的函數(shù)是sim(‘ex1_2.mdl')。題目二：模擬信號(hào)的數(shù)字化任務(wù)一:PCM編碼PCM是脈沖編碼調(diào)制的簡(jiǎn)稱，是現(xiàn)代數(shù)字電話系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音編碼方式。A律PCM數(shù)字電話系統(tǒng)中規(guī)定：傳輸語(yǔ)音的信號(hào)頻段為300~3400Hz，采樣率為8000次/s,對(duì)樣值進(jìn)行13折線壓縮后編碼為8位二數(shù)字序列。因此，PCM編碼輸出的數(shù)碼速率為64kbps。PCM編碼的二進(jìn)制序列中，每個(gè)樣值用8位二進(jìn)制碼表示，其中最高比特位表示樣值的正負(fù)極性，規(guī)定負(fù)值用0表示，正值用1表示。接下來(lái)的3位比特表示樣值的絕對(duì)值所在的8段折線的段落號(hào)，最后4位是樣值處于段落內(nèi)16個(gè)均勻間隔上的間隔序號(hào)。在數(shù)學(xué)上，PCM編碼較低的7位相當(dāng)于對(duì)樣值的絕對(duì)值進(jìn)行13折線近似壓縮后的7位均勻量化編碼輸出。設(shè)計(jì)一個(gè)13折線近似的PCM編碼器模型，使它能夠?qū)θ∩嵩冢?1,1］內(nèi)歸一化信號(hào)樣值進(jìn)行編碼。任務(wù)二：PCM解碼設(shè)計(jì)并測(cè)試一個(gè)對(duì)應(yīng)于任務(wù)一的PCM解碼器。PCM解碼器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最位（極性碼）和7位數(shù)據(jù)，然后將7位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化、擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出解碼值。任務(wù)三：PCM串行傳輸模型在以上兩任務(wù)基礎(chǔ)上，建立PCM串行傳輸模型，并在傳輸信道中加入指定錯(cuò)誤概率的隨機(jī)誤碼。PCM編碼輸出經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換后得到二進(jìn)制碼流送入二進(jìn)制對(duì)稱信道。在解碼端信道輸出的碼流經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后送入PCM編碼，之后輸出解碼結(jié)果并顯示波形。題目三：帶限數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真任務(wù)一：升余弦波形及其頻譜研究用Matlab通信工具箱提供的rcosine函數(shù)作出一組滾升余弦濾波器的沖激響應(yīng)，滾降系數(shù)為0，0.5,0.75和1,并通過(guò)FFT求出其幅頻特性。碼元時(shí)隙為1ms,在一個(gè)碼元時(shí)隙內(nèi)采樣10次，濾波器延時(shí)為5個(gè)碼元時(shí)隙。任務(wù)二：滾升余弦濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)滾升余弦濾波器，滾降系數(shù)為0.75。輸入為4元雙極性數(shù)字序列，符號(hào)速率為1000波特，設(shè)濾波器采樣率為10000次/s,即在一個(gè)符號(hào)間隔中有10個(gè)采樣點(diǎn)。請(qǐng)建立simulink仿真模型觀察滾升余弦濾波器的輸出波形、眼圖以及功率譜。任務(wù)三：帶限基帶傳輸模型建立一個(gè)基帶傳輸模型,發(fā)送數(shù)據(jù)為二進(jìn)制雙極性不歸零碼，發(fā)送濾波器為平方根升余弦濾波器，滾降系數(shù)0.5,信道為AWGN信道，接收濾波器與發(fā)送濾波器相匹配。發(fā)送數(shù)據(jù)率為1000bps，要求觀察接收信號(hào)眼圖，并設(shè)計(jì)接收機(jī)采樣判決部分，對(duì)比發(fā)送數(shù)據(jù)與恢復(fù)數(shù)據(jù)波形，統(tǒng)計(jì)誤碼率。主要參考文獻(xiàn)1、2、3、1、2、3、4、5、《Matlab教程》，張志涌編著，北京航空航天大學(xué)出版社，2004年。《MATLAB5.X程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言》樓順天于衛(wèi)閆華梁等《Matlab與通信仿真》，王立寧等編，人民郵電出版社，2000年1月?！禡atlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析》，邵玉斌編著，清華大學(xué)出版社，2008年6月。課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排起止日期2013年起止日期2013年5月13日2013年5月14日一2013年5月16日2013年5月17日先