Matlab软件平台通信系统设计 通信系统课群综合训练与设计.docx

武汉理工大学学科基础课群综合训练报告 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 江雪梅 工作单位：信息工程学院 题 目: 通信系统课群综合训练与设计 初始条件：matlab软件平台、通信系统基础知识 要求完成的主要任务: （1）利用仿真软件matlab，或硬件实验系统平台上设计完成一个典型的通信系统。 （2）学生要完成整个系统各环节以及整个系统的仿真，最终在接收端或者精确或者近似地再现输入（信源），计算失真度，并且分析原因。 课程设计进度安排序号设 计 内 容所用时间1根据设计任务，分析电路原理，确定实验方案2天2根据实验条件进行电路的测试，并对结果进行分析7天3撰写课程设计报告1天合 计2周 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘 要iabstractii1 设计任务12 实验原理分析22.1 pcm原理介绍22.1.1 抽样(sampling)22.1.2 量化（quantizing）22.1.3 a压缩律：22.1.4 编码（coding）32.2 hdb3编码及解码原理42.2.1 ami码编码基本原理42.2.2 hdb3码编码基本原理42.2.3 hdb3码的译码52.3 汉明码52.3.1 校验52.3.2 纠错52.3.3 校验方法52.3.4 构造原理62.4 psk数字调制72.4.1数字调制技术72.4.2 二进制相移键控（2psk）基本原理82.5 awgn信道原理93 实验方案设计及测试方法103.1方案设计103.2系统编码流程图103.3 pcm编解码分析103.4 汉明码编解码分析113.5 hdb3编解码分析113.6 psk调制解调编程分析113.7 awgn信道编码分析124 实验结果及分析134.1 信源模块134.1.1 抽样结果134.1.2 13折线法量化结果134.1.3 pcm编码结果134.2 hdb3编码结果144.3 汉明码编码结果154.4 psk调制结果164.5 awgn信道仿真结果164.6 psk解调结果174.7 hdb3解调结果184.8 汉明码解码结果184.9 pcm解码结果195 分析与小结20参考文献21附录22摘 要 通信系统的功能就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。一个数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，主要有信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调。具体过程是把信息源的模拟信号经过模数转换变成数子信号然后，再进行基带编码、信道编码、载波调制然后发送到信道中，然后在接收端进行对应的解调、译码、数模转换得到最终的接收信号，利用matlab软件编程，完成了整个通信系统编码仿真分析。 关键词：matlab、pcm、hdb3、psk abstractcommunication system is aimed at transimitting the information from the source to one or another destination. digital signal is used by a digital communication system to be transferred, basically source coding and decoding, channel coding and decoding, digital modulation and demodulation. the specific process is the source of the analog signal after a/d convert into number son signal and then, again carries on the baseband coding, channel coding,.hdb3 knitting decoding principle used to implement the source knitting decoding, psk modulation demodulation principle used to implement the digital modulation and demodulation, awgn channel and the principle for noise approximation, using matlab software programming, complete the whole communication system coding simulation analysis.keywords: matlab, pcm, hdb3, pskii1 设计任务完成整个系统各环节以及整个系统的仿真，最终在接收端或者精确或者近似地再现输入（信源），计算失真度，并且分析原因。信源：自己构造一时间函数，数字化方式：pcm，基带码：hdb3，信道码：汉明码，调制方式：psk，信道类型：awgn ；解调，信道解码，基带解码，数模转换的过程与输入端对应（典型的通信系统如图1-1所示）。 图1-1 典型的通信系统与上图对应，信息源首先经过pcm数字化在经过hdb3码进行基带编码和汉明码信道得到原信号的二进制码，由于先进行汉明码编码不改变码字的极性二hdb3会改变码字极性所以在后来的设计中先进行汉明码再进行hdb3，对于整个信号只要解码与编码的过程相对应就是一样的；然后再进过psk调制，由于是有极性的hdb3码，进行psk调制颇为复杂，接着进入awgn；再到接受设备经过解调再译码后模数转换得到原始信号。本实验采用的数字通信系统，是利用数字信号来传递信息的通信系统，原理图如图1-2。信源编码信源信道编码数字调制信道数字解调信道译码信源译码信宿白噪声图1-2 数字通信系统模型2 实验原理分析2.1 pcm原理介绍 模拟信号数字化必须经过三个过程，即抽样、量化和编码，以实现话音数字化的脉冲编码调制（pcm，pulse coding modulation）技术。2.1.1 抽样(sampling)离散时间信号通常是有连续时间信号经周期采样得到的。完成采样功能的器件称为采样器，下图所示为采样器的示意图。图中xa(t)表示模拟信号，xa(nt)表示采样信号，t为采样周期，n=0，1，2，3.一般可以把采样器视为一个每隔t秒闭合一次的电子开关s。在理想情况下，开关闭合时间满足t。实际采样过程可视为脉冲调幅过程，xa(t)为调制信号，被调脉冲载波p(t)是周期为t、脉宽为的周期脉冲串。当0时的理想采样情况是实际采样的一种科学的、本质的抽象，同时可使数学推导得到简化。下面主要讨论理想采样。2.1.2 量化（quantizing）抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可有无限多个值。显然，对无限个样值一一给出数字码组来对应是不可能的。为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”，分的级数越多，即量化级差或间隔越小，量化噪声也越小。2.1.3 a压缩律：所谓a压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律： 其中，a为压缩系数；y为归一化的压缩器输出电压；x为归一化的压缩器输入电压。图2-2画出了a为某一取值的归一化压缩特性。a律压缩特性是以原点奇对称的，为了简便，图中只给出了正半轴部分。图2-1 a压缩律特性 上图中，x和y都在-1和+1之间，取量化级数为n(在y方向上从-1到+1被均匀划分为n个量化级)，则量化间隔为其中当n很大时，在每一量化级中压缩特性曲线可看作是直线。13折线：实际中，a压缩律通常采用13折线来近似，13折线法如图2-3所示，图中先把x轴的0,1区间分为8个不均匀段。2.1.4 编码（coding） 量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码（例如，赋予样值0的十进制数字代码为0），在码前以“+”、“”号为前缀，来区分样值的正、负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。简单高效的数据系统是二进制码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。2.2 hdb3编码及解码原理2.2.1 ami码编码基本原理ami码的全称为传号交替反转码，其编码规则为将消息码的“1”(传号)交替地变换为“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。如：消息码： 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1ami码： 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 1 +1 0 0 1 +1 ami码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。它可以看成是单极性波形的变形，即“0”仍对应零电平，而“1”交替对应正负电平。ami码的优点：没有直流成分，且高、低频分量少，编译码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果它是ami-rz波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性rz波形，从中可以提取位定时分量ami码的缺点：当原信码出现长连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。解决连“0”码问题的有效方法之一是采用hdb3码。2.2.2 hdb3码编码基本原理hdb3码的全称为3阶高密度双极性码，它是ami码的一种改进型，改进目的是为了保持ami码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。 其编码规则是：（1）检查消息码中“0”的个数。当连“0”数目小于等于3时，hdb3码与ami码一样，+1与-1交替；（2）连“0”数目超过3时，将每4个连“0”化作一小节，定义为b00v，称为破坏节，其中v称为破坏脉冲，而b称为调节脉冲；（3）v与前一个相邻的非“0”脉冲的极性相同(这破坏了极性交替的规则，所以v称为破坏脉冲)，并且要求相邻的v码之间极性必须交替。v的取值为+1或-1；（4）b的取值可选0、+1或-1，以使v同时满足（3）中的两个要求； （5）v码后面的传号码极性也要交替。 其中的v脉冲和b脉冲与1脉冲波形相同，用v或b符号表示的目的是为了示意该非“0”码是由原信码的“0”变换而来的。hdb3码既要包含ami的交替特性使输出无直流特性，又要不出现四个以上的连0，因此可以先满足后者。1）把“0000”换为取代节。规则：先将“0000”分离开来，第一个“0000”直接变为“0000”，然后数相邻两个“0000”之间“1”的个数，奇数则变为“000v”，偶数则变为“b00v”。2）更新符号。根据hdb3码的编码规则有：b总是与其前面的1或v符号相反，v总是与前面的1或b相符号相同，1总是与前面的v或b符号相反，就可编符号了。例如:消息代码：1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1中间码： 1 0 0 0 1 0 0 0 v 1 1 b 0 0 v 1 1 b 0 0 v b 0 0 v 1 1 1 0 0 0 v 1hdb3码：+1 0 0 0 -1 0 0 0 -v +1 -1 +b 0 0 + v -1 +1 -b 0 0 -v +b 0 0 +v -1 +1 -1 0 0 0 -v +12.2.3 hdb3码的译码hdb3码的编码虽然比较复杂，但译码却比较简单。从上述编码规则看出，每一个破坏脉冲v总是与前一非“0”脉冲同极性(包括b在内)。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点v，于是也断定v符号及其前面的3个符号必是连“0”符号，从而恢复4个连“0”码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。解码规则如下：1）若3连“0”前后非零脉冲同极性，则将最后一个非零元素译为零，如+1000+1 就应该译成“10000”；若2连 “0”前后非零脉冲极性相同，则两零前后都译为零，如-100-1，就应该译为0000。2）再将所有的-1变换成+1后，就可以得到原消息代码。2.3 汉明码2.3.1 校验与其他的错误校验码类似，汉明码也利用了奇偶校验位的概念，通过在数据位后面增加一些比特，可以验证数据的有效性。利用一个以上的校验位，汉明码不仅可以验证数据是否有效，还能在数据出错的情况下指明错误位置。2.3.2 纠错 在接收端通过纠错译码自动纠正传输中的差错来实现码纠错功能，称为前向纠错fec。在数据链路中存在大量噪音时，fec可以增加数据吞吐量。通过在传输码列中加入冗余位(也称纠错位)可以实现前向纠错。但这种方法比简单重传协议的成本要高。汉明码利用奇偶块机制降低了前向纠错的成本。2.3.3 校验方法 进行奇偶校验的方法是先计算数据中1的个数，通过增加一个0或1(称为校验位)，使1的个数变为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。利用更多的校验位，汉明码可以检测两位码错，每一位的检错都通过数据中不同的位组合来计算出来。校验位的数目与传输数据的总位