數(shù)字通信系統(tǒng)仿真1

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一、試驗要求：

1、仿真工具

Matlab、SystemView、NS-2、Opnet。

2、基本要求

選擇2種以上適合的調(diào)制方式；選用2種以上噪聲信道；選擇2種以上的信源編碼方式；選用2種以上的信道編碼方式。

3、性能分析

比較不同信源、信道編碼方式對系統(tǒng)的影響；比較噪聲信道變化時對系統(tǒng)的影響；比較不同的信道帶寬對對系統(tǒng)的影響；比較不同調(diào)制方法對系統(tǒng)的影響。

4、性能指標(biāo)

誤碼率、傳輸速率、流量。

本試驗通過使用MATLAB中的SIMULINK仿真平臺，搭建了8個仿真模型，來對比分析通信系統(tǒng)的性能。所采用的信源編碼是PCM和DPCM編碼，信道編解碼分別是漢明碼和卷積碼，調(diào)制解調(diào)器分別為MFSK和DBPSK，信道為多徑萊斯衰落信道+AWGN信道、多徑瑞利衰落信道+AWGN信道。本試驗分別對這8個模型進(jìn)行仿真，對比它們的性能，得到了相應(yīng)的結(jié)果。

二、試驗原理

數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)，如圖2.1所示。它的主要組成結(jié)構(gòu)為輸入/輸出變換器、信源編/譯碼器、信道編/譯碼器，數(shù)字調(diào)制/解調(diào)器和信道。

由信源編碼器輸出的二進(jìn)制數(shù)字序列成為信息序列，它被傳送到信道編碼器。信道編碼器的目的是在二進(jìn)制信息序列中以受控的方式引入一些冗余，以便于在接收機(jī)中用來戰(zhàn)勝信號在信道中傳輸時所遭遇的噪聲和干擾的影響。因此，所增加的冗余是用來提高接收

數(shù)據(jù)的可靠性以及改善接受信號的逼真度的。

信源和輸入變換器信源編碼信道編碼器數(shù)字調(diào)制器信道輸出信號輸出變換器信源譯碼器信道譯碼器數(shù)字解調(diào)器

圖2.1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本

各個模塊在系統(tǒng)中起著各種各樣的作用，目的是為了實現(xiàn)更高效的通信，各個具體模塊的作用介紹如下：

1、信源編碼/譯碼

信源編碼的作用是盡量減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，換句話說，就是找到一種方法實現(xiàn)信源輸出的有效表示方法，使其產(chǎn)生較少的冗余，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。信源編碼是將模擬或數(shù)字的信源輸出轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字序列的一個過程。離散信源有兩種的數(shù)學(xué)模型。一種是輸出序列是統(tǒng)計獨立的，即當(dāng)前的輸出字符與所有過去和將來的輸出字符統(tǒng)計無關(guān)，這樣的信源稱作離散無記憶信源(DMS)；另外一種是信源輸出是統(tǒng)計相關(guān)的，可基于平穩(wěn)來構(gòu)造其數(shù)學(xué)模型。該輸出信源具有兩個任意長度的輸出序列的聯(lián)合密度概率不隨時間的起點位置的改變而變化。離散信源的編碼是采用一種方法使信源的平均比特率盡可能接近信源熵H(X)，常用的方法有霍夫曼算法，Lempel-Ziv算法等。模擬信源的編碼可以劃分為三類。一類是時間波形編碼，它可以表示出信源波形的時域特性，包括：脈沖編碼調(diào)制(PCM)，差分脈沖調(diào)制(DPCM)，增量調(diào)制(DM)等編碼方法；其次類是頻譜波形編碼，把信源波形分成不同的頻譜子帶，在各個子帶內(nèi)進(jìn)行時間波形或頻率特性編碼，包括：子帶編碼，自適應(yīng)變換編碼等編碼方法；還有一類是模型基信源編碼，它基于信源的數(shù)學(xué)模型，用得最廣泛的模型基信源編碼是線性預(yù)計編碼(LPC)。

2、信道編碼/譯碼

信道編碼是為了減小傳輸?shù)恼`碼率。信號在信道傳輸時，可能由于噪聲、衰落以及干擾等因素的影響而產(chǎn)生過錯。為了減小過錯的發(fā)生，可以在信號在信道傳輸之前對信號進(jìn)行信道編碼，參與一定規(guī)則的監(jiān)視元。接收端按一定的規(guī)則進(jìn)行譯碼，在譯碼的過程中發(fā)現(xiàn)錯誤改正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

3、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)

調(diào)制實質(zhì)是頻譜的搬移，它將基帶信號轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)念l帶信號。而且，調(diào)制信號還有可以實現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道的利用率和減小干擾，提高系統(tǒng)抗干擾能力的作用。調(diào)制可以實現(xiàn)傳輸帶寬和信噪比之間的互換。常用的數(shù)字調(diào)制方式有正交幅度調(diào)制(QAM)，頻移鍵控(FSK)，相移鍵控(PSK)，最小頻移鍵控(MSK)等等。在接受端，可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)的方式還原得到基帶信號。

作為最終一步，當(dāng)需要模擬輸出時，信源譯碼器從信道譯碼器接收其輸出序列，并根據(jù)所采用的信源編碼方法的有關(guān)知識重構(gòu)由信源發(fā)出的原始信號。由于信道譯碼的過錯以及信源編碼器可能引入的失真，在信源譯碼器輸出端的信號只是原始信源輸出的一個近似。在原始與重構(gòu)信號之間的信號差或信號差的函數(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)引入失真的一種度量。

三、試驗內(nèi)容

1、仿真工具

SIMULINK是MathWorks公司隨MATLAB一道發(fā)行的功能十分強(qiáng)大的動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真通用軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者的混合，系統(tǒng)還可以是多采樣率的。該軟件為用戶的建模和仿真過程提供了完善、靈活的可視化設(shè)計和調(diào)試環(huán)境，并且包含豐富的基本功能模塊庫和眾多專業(yè)領(lǐng)域的工具箱，是研究、分析和設(shè)計各種繁雜系統(tǒng)的有利工具。

2、仿真內(nèi)容

本文將根據(jù)上述框圖，采用MATLAB中的SIMULINK模塊進(jìn)行仿真，搭建了多個仿真模型，來對比分析通信系統(tǒng)的性能，并得到相應(yīng)的結(jié)果。系統(tǒng)中，首先采用隨機(jī)二進(jìn)制信號發(fā)生器作為輸入，信源編碼分別采用PCM和差分編碼，信道編碼分別采用漢明碼和卷積碼，然后分別經(jīng)過MFSK和DBPSK調(diào)制，噪聲信道為AWGN信道，傳輸信道為多徑瑞利衰落信道和多徑萊斯衰落信道。如下表所示：

表3.1：試驗仿真系統(tǒng)配置

內(nèi)容信源信源編碼方式信道編碼方式調(diào)制方式方案一隨機(jī)二進(jìn)制信號發(fā)生器PCM（7，4）漢明碼方案二差分編碼卷積碼DBPSKMFSK信道類型多徑萊斯衰落信道+AWGN多徑瑞利衰落信道+AWGN

3、仿真實現(xiàn)

（1）不同信源編碼對系統(tǒng)性能的影響：a）系統(tǒng)配置：

表3.2：信源編碼系統(tǒng)配置

信源信源編碼調(diào)制方式信道PCMMFSK多徑瑞利衰落信道+AWGN隨機(jī)二進(jìn)制信號發(fā)生器隨機(jī)二進(jìn)制信號發(fā)生器差分編碼MFSK多徑瑞利衰落信道+AWGNb）仿真框圖：

圖3.1差分編碼+Hamming+MFSK+瑞利衰落+AWGN

圖3.2PCM+Hamming+MFSK+瑞利衰落+AWGN

c）仿真結(jié)果：

從圖3.3可以看出PCM編碼的性能要優(yōu)于差分編碼。

圖3.3PCM和差分編碼的誤碼率對比

（2）不同信道編碼對系統(tǒng)性能的影響：a）系統(tǒng)配置：

表3.3：信道編碼系統(tǒng)配置

信源信源編碼