通信系统课群综合训练与设计.doc

题目: 通信系统课群综合训练与设计 初始条件： matlab 软件，电脑，通信原理知识 要求完成的主要任务: 1、利用仿真软件（如matlab或systemview），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。时间安排：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.实验电路原理分析22.1增量调制原理22.2 miller码原理32.3循环码原理32.4 psk原理32.5衰落信道原理43.实验过程及结果分析54.总结105.参考文献11附录12摘 要一个典型的数字通信系统包括信源，发送设备，信道，接收设备，信宿。其中发送设备包括编码与调制，接收设备包括解调和译码。本文采用增量调制进行数字化，对信源采用miller码进行编码，采用psk进行调制解调，同时对衰落信道进行循环编解码，从而设计一个典型的通信系统模型。 matlab是mathworks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，其强大的计算和图形功能使其在科学计算和工程领域赢得了众多的用户。matlab是一种编程语言和可视化工具，它能对数据以图形的方式显示出来，使数据间的关系明了。 关键词：增量调制，miller码，循环码，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 includes 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 launched 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 between the data and clear.keywords: delta modulation , miller codes, cyclic codes , psk, fading channeii1.设计任务利用matlab设计完成一个典型的通信系统（如图1所示）。首先是要具有信源，信源包括模拟和数字信号两种。其次，输入信号经过编码，在通过某种调制方式送入信道。在传输信道中由于加上了噪声的干扰，因此，输出信号先进过解调，再进行译码，最终在接收端收到原始的输入信号。图1典型的通信系统其中：信源为正弦信号，数字化方式为增量调制，基带码为miller码，信道码为循环码，调制方式为psk，信道类型为衰落信道。2.实验电路原理分析2.1增量调制原理增量调制是由pcm发展而来的模拟信号数字化的一种编码方式，它是pcm的一种特例。增量调制编码基本原理是指用一位编码，这一位码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性，即采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还是减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。输出的“1”，“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的绝对值。增量调制最主要的特点就是它所产生的二进制代码表示模拟信号前后两个抽样值的差别(增加、还是减少)而不是代表抽样值本身的大小，因此把它称为增量调制。在增量调制系统的发端调制后的二进制代码1和0只表示信号这一个抽样时刻相对于前一个抽样时刻是增加(用1码)还是减少(用0码)。收端译码器每收到一个1码，译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量化阶，而收到一个0码，译码器的输出相对于前一个时刻的值下降一个量化阶。增量调制(dm)是dpcm的一种简化形式。在增量调制方式下,采用1比特量化器,即用1位二进制码传输样值的增量信息,预测器是一个单位延迟器,延迟一个采样时间间隔。预测滤波器的分子系数向量是0,1,分母系数为1。当前样值与预测器输出的前一样值相比较,如果其差值大于零,则发1码,如果小于零则发0码。增量调制系统框图如图2所示,其中量化器是一个零值比较器,根据输入的电平极性,输出为 ,预测器是一个单位延迟器,其输出为前一个采样时刻的解码样值,编码器也是一个零值比较器,若其输入为负值,则编码输出为0,否则输出为1。解码器将输入1,0符号转换为 ,然后与预测值相加后得出解码样值输出,同时也作为预测器的输入。解码编码二电平量化输入样值 en en=sgn(en) 传输 sgn(en) xn=xn-1+sgn(en) xn + - + +单位延迟 预测输出 + n-1 单位延迟 + 预测输出 解码样值输出 xn-1 预测输入xn=xn-1+sgn(en)图2 增量调制原理框图2.2 miller码原理miller码也称延迟调制码，是一种变形双向码。其编码规则：对原始符号“1”码元起始不跃变，中心点出现跃变来表示，即用10或01表示。对原始符号“0”则分成单个“0”还是连续“0”予以不同处理；单个“0”时，保持0前的电平不变，即在码元边界处电平不跃变，在码元中间点电平也不跃变；对于连续“0”，则使连续两个“0”的边界处发生电平跃变。2.3循环码原理在线性分组码中，有一种重要的码称为循环码。它是在严密的代数学理论基础上建立起来的。这种码的编码和解码都不太复杂，而且检（纠）错能力较强。循环码除了具有线性码的一般性质外，还具有循环性。循环性是指任一码组循环一位以后，仍为该码组中的一个码组。循环码的编码原理如下：在编码下，首先要根据给定的（n，k）值选定生成多项式g（x），即从（xn+1）的因子中选择一个（n-k）次多项式作为g（x）。由于所有码多项t（x）都可以被g（x）整除。根据这条原则，就可以对给定的信息位进行编码，设m（x）为信息码多项式，其次数小于k。用xn-k乘m(x),得到的xn-k*m(x)的次数必定小于n。用g（x）除xn-k*m(x),得到余式r（x），r（x）的次数必定小于g（x）的次数，即小于（n-k）。将此余式r(x)加于信息位之后作为监督位，即将r(x)和xn-k*m(x)相加，得到的多项式必定是一个码多项式。循环码的解码原理为：接收端解码的要求有两个，检错和纠错。达到检错目，的的解码原理十分简单。由于任一个码组多项式t(x)都应该能被生成多项式g(x)整除，所以在接收端可以将接收码组r(x)用原生成多项式g(x)去除。当传输中未发生错误时，接收码组与发送码组相同，即r(x)=t(x),故接收码组r(x)必定能被g(x)整除；若码组在传输过程中发生错误，则r(x)不等于t(x),r(x)被g(x)除时可能除不尽而有余项，即有r(x)/g(x)=q(x)+r(x)/g(x) 公式（1）2.4 psk原理相位偏移调制，又称移相键控（psk，phase shift keying）是一种利用相位差异的信号来传送资料的调制方式。该传送信号必须为正交信号，其基底更须为单位化信号。一个信号所代表的数学公式： 公式（2）一般调制信号的改变部份可分为幅度a（ask用）、相位（psk用）及频率（fsk用）三种。其中psk即利用相位差异来产生的调制方式。当发送数字“0”时，用相位“0”表示，当发送数字“1”时，用相位“”表示。因此已调信号只是代表调制信号的相位变换，而不是信代表号本身。2.5衰落信道原理瑞利衰落信道（rayleigh fading channel）是一种无线电信号传播环境的“统计模型(statistical model)”。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度(amplitude)是随机的，即“衰落(fading)”，并且其包络(envelope)服从瑞利分布（rayleigh distribution）。这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号（los，line of sight）的情况，否则应使用莱斯衰落信道（ricean fading channel）作为信道模型。瑞利衰落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环境。若传播环境中存在足够多的散射，则冲激信号到达接收机后表现为大量统计独立的随机变量的叠加，根据中心极限定理，则这一无线信道的冲激响应将是一个高斯过程。如果这一散射信道中不存在主要的信号分量，通常这一条件是指不存在直射信号（los），则这一过程的均值为0，且相位服从0到2的均匀分布。即，信道响应的包络服从瑞利分布。 若信道中存在一主要分量，例如直射信号（los），则信道响应的包络服从莱斯分布，对应的信道模型为莱斯衰落信道。信道衰落的快慢与发射端和接收端的相对运动速度的大小有关。相对运动导致接收信号的多普勒频移。图中所示即为一固定信号通过单径的瑞利衰落信道后，在1秒内的能量波动，这一瑞利衰落信道的多普勒频移最大分别为10hz和100hz，在gsm1800mhz的载波频率上，其相应的移动速度分别为约6千米每小时和60千米每小时。特别需要注意的是信号的“深衰落”现象，此时信号能量的衰减达到数千倍，即3040分贝。3.实验过程及结果分析输入信号为正弦信号，经过增量调制后，变换为二进制序列，如下图3所示。图3增量调制将经过增量调制以后的信号再进行miller编码，有编码规则可知，此时输出的miller编码信号的长度是输入信号的2倍，见下图4。图4 miller编码本次课程设计中，采用循环编码作为信道编码，且matlab提供专门的产生循环码的函数，因此利用已经提供的函数，可得出此时设计中循环编码信号如下图5所示。图5循环编码信号信号经过循环编码以后，要进行psk调制。输入信号作为基带信号被加载在高频载波上，利用相位变化进行调制，输出结果如下图6所示。图6 2psk编码调制 信道为衰落信道，由下图7可知，信号在进入该衰落信道之后，输出信号的幅度减小，相位也发生了畸变。图7 瑞利衰落信道此时，信号完成了所有的调制过程，信号从信道中传输出来，接收端要收到和信源信号一样的接收信号，则必需对信道输出信号进行解调，如下图8，是信号经过2psk解调之后的波形。图8 2psk解调信号经过2psk解调之后的信号再进行循环解码，如下图9所示。图9 循环解码信号输出循环解码信号还要经过miller译码，如下图10所示。图10 miller译码信号输出最终,miller译码信号要经过增量解调才能恢复成原始信号，如下图11所示。图13增量解码输出信号由上述一系列图中，我们可以看出原始输入信号在经过增量调制，miller编码，循环调制，2psk调制，衰落信道，2psk解调，循环解调，miller译码以及增量解调之后，接收到的信号基本上能还原成原始的输入信号。当然在整个信息传输过程传输中，不可避免地会产生细微的误差，增量调制解调，2psk的调制解调过程都会引起信号发生时延等畸变，造成误差的产生，在设计过成功中我们应当通过多次试验选择最佳结果。4.总结 5.参考文献附录matlab程序代码：%-信源-ts=1e-3; t=0:ts:20*ts; x=sin(2*pi*50*t);%-增量调制-delta=0.2; %量化阶距 d(1+length(t)=0; %预测器初始状态 for k=1:length(t) e(k)=x(k)-d(k); %误差信号e_q(k)=delta*(2*(e(k)=0)-1); %量化器输出 d(k+1)=e_q(k)+d(k); %延迟器状态更新y(k)=(e_q(k)0); %编码输出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(增量调制信号);%-miller编码-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*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(密勒编码信号);%-循环编码-n=7;m=4;k=3;p=cyclpoly(n,k); %循环码生成多项式，n=7，k=4code = encode(miller,n,k,cyclic,p); %编码函数，对信号进行差错编码figure(3)ts=1e-3; t=0:ts:97*ts;stairs(t,code);axis(0 97*ts -1 2);title(循环编码信号);%-psk编码-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);%每个值200个点 elseif code(n)=1 a=ones(1,200); end cp=cp a; %s(t),码元宽度200 %c=cos(f*t);%载波信号 %mod1=mod1 c;%与s(t)等长的载波信号变为矩阵形式endfigure(4);subplot(2,1,1);plot(cp);grid on;axis(0 4000 -2 2);title(二进制信号序列);cm=;mod=;for n=1:length(code) if code(n)=0 b=ones(1,200); c=cos(f*t); %载波信号 elseif code(n)=1 b=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %载波信号 end cm=cm b; %码元宽度200 mod=mod c; %与s(t)等长的载波信号endre=mod;%调制subplot(2,1,2);plot(re);grid on;axis(0 4000 -2 2);title(2psk调制信号);%figure(5);%subplot(2,1,1);plot(abs(fft(cp);%axis(0 4000 0 800);title(原始信号频谱);%subplot(2,1,2);plot(abs(fft(re);%axis(0 4000 0 800);title(2psk信号频谱);%-衰落信道-lengthofsignal=length(re); %信号长度(最好大于两倍fc)fm=51; %最大多普勒频移fc=510; %载波频率 delay=0 31 71 109 173 251;power=0 -1 -9 -10 -15 -20; %dby_in=zeros(1,delay(6) re; %为时移补零y_out=zeros(1,lengthofsignal); %用于信号输出for i=1:6 f=1:2*fm-1; %通频带长度 y1=0.5./(1-(f-fm)/fm).2).(1/2)/pi; %多普勒功率谱（基带） sf=zeros(1,lengthofsignal); sf1=y1;%多普勒滤波器的频响 sf(fc-fm+1:fc+fm-1)=y1; %基带映射到载波频率上 x1=randn(1,lengthofsignal); x2=randn(1,lengthofsignal); 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); %瑞利信号 r=abs(r0); %瑞利信号幅值 y_out=y_out+r.*y_in(delay(6)+1-delay(i):delay(6)+lengthofsignal-delay(i)*10(power(i)/20);end; figure(5);subplot(2,1,1);plot(re(delay(6)+1:lengthofsignal); %去除时延造成的空白信号title(信源信号);subplot(2,1,2);plot(y_out(delay(6)+1:lengthofsignal); title(经过衰落信道后输出的信号);%-psk解调-t=0:2*pi/199:2*pi;f3=4*pi;mod2=;for n=1:length(y_out)/200 c2=cos(f3*t);%载波信号 mod2=mod2 c2;%与s(t）等长的载波信号变为矩阵形式endre1=mod2.*y_out;%同步解调%低通信号滤波器fp=100;fs=300;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%计算归一化角频率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%计算阶数和截止频率b,a=butter(n,wn);%计算h（z)jt=filter(b,a,re1);%抽样判决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(