通信原理课程设计-基于PCM-TMD-2DPSK技术的单向传输系统设计.doc

1 南华大学电气工程学院 通信原理课程设计 设计题目设计题目 基于 PCM TMD 2DPSK 技术的 单向传输系统设计 专专 业 业 通信工程通信工程 学生姓名学生姓名 学学 号号 起迄日期起迄日期 2015 年 6 月 29 日 2015 年 7 月 10 日 指导教师指导教师 系主任 系主任 2 通信原理课程设计通信原理课程设计 任务书任务书 1 课程设计的内容和要求 包括原始数据 技术要求 工作要求等 1 技术要求 设计并实现基于 PCM TMD 2DPSK 技术的单向传输系统 要求实现两路语音信号 同时传输 设计 PCM 编码模块 TMD 时分复用模块 2DPSK 调制和解调模块 2 工作要求 查阅参考文献 利用通信原理基本理论 分析系统工作原理 设计系统方框图 掌握计算机辅助设计方法 利用 MATLAB Systemview Multisim 等软件进行仿真 设计 具备独立设计能力 熟悉通信系统的调试和测量方法 掌握电子电路安装调试技术 选择合适的元器件搭接实际电路 掌握电路的测试 和故障排除方法 提高分析问题和解决问题的能力 2 对课程设计成果的要求 包括图表 或实物 等硬件要求 设计系统方框图 对系统方框图进行仿真 分析实验结果 撰写设计说明书 书写 格式规范 语言流畅简洁 文字不得少于 3000 字 要求图表清晰 分析通彻 有理有 据 3 3 主要参考文献 1 樊昌信 通信原理 第 6 版 M 北京 电子工业出版社 2012 12 2 樊昌信 曹丽娜 通信原理教程 第 3 版 M 北京 国防工业出版社 2006 9 3 刘学勇 详解 MATLAB Simulink 通信系统建模与仿真 M 北京 电子工业出版社 2011 11 4 张水英 徐伟强 通信原理及 MATLAB Simulink 仿真 M 北京 人民邮电出版社 2012 9 5 赵鸿图 茅艳 通信原理 MATLAB 仿真教程 M 北京 人民邮电出版社 2010 11 6 赵静 张瑾 基于 MATLAB 的通信系统仿真 M 北京 北京航空航天大学出版社 2010 1 7 赵谦 通信系统中 MATLAB 基础与仿真应用 M 西安 西安电子科技大学出版社 2010 3 8 徐明远 邵玉斌 MATLAB 仿真在现代通信中的应用 M 西安 西安电子科技大学出 版社 2011 4 9 邵玉斌 MATLAB Simulink 通信系统建模与仿真实例分析 M 北京 清华大学出版社 2008 6 10 邵佳 董辰辉 MATLAB Simulink 通信系统建模与仿真实例精讲 M 北京 电子工 业出版社 2009 6 11 黄智伟 基于 NI Multisim 的电子电路计算机仿真设计与分析 修订版 M 北京 电 子工业出版社 2011 6 12 孙屹 戴妍峰 SystemView 通信仿真开发手册 M 北京 国防工业出版社 2004 11 13 青松 程岱松 武建华 数字通信系统的 SystemView 仿真与分析 M 北京 北京航空航 天大学出版社 2001 6 4 课程设计工作进度计划 序号起 迄 日 期工 作 内 容 1 2015 6 29 2015 7 2系统方案设计 2 2015 7 3 2015 7 5利用 MATLAB Systemview Multisim 等软件进行仿真设 计 3 2015 7 6 2015 7 8通信系统的调试和测量 排除故障 分析实验结果 4 2015 7 9 2015 7 10整理设计报告 指导教师宁志刚 日期 2015 年 6 月 28 日 4 摘摘 要要 通信系统作为一个实际系统 是为了满足社会与个人的需求而产生的 目的就是传送消息 数据 语音和图像等 通信技术的发展 特别是近 30 年来形 成了通信原理的主要理论体系 即信息论基础 编码理论 调制与解调理论 同步 和信道复用等 本文设计了一个简单的单向传输的通信系统 通过设计 PCM 编码 模块 TMD 时分复用模块 2DPSK 调制和解调模块 实现了基于 PCM TMD 2DPSK 技术的单向传输系统 达到了两路语音信号同时传输的目的 关键词 通信系统 关键词 通信系统 单向传输 单向传输 模块化设计模块化设计 5 目录目录 引言 1 1 设计内容 2 1 1 设计目的 2 1 2 设计要求 2 2 课程设计任务分析及设计 6 2 1 通信系统各部分组成及原理 6 2 2 两路语音信号同时传输通信系统模型 6 2 3 脉冲编码调制 PCM 6 2 4 时分复用 TDM 8 2 5 2DPSK 二进制差分编码调制 8 3 基于 MATLAB Simulink 的单向传输系统设计 9 3 1 MATLAB Simulink 简介 9 3 2 基于 MATLAB Simulink 的单向传输系统设计 10 3 2 1 PCM 编码模块设计 10 3 2 2 时分复用 TDM 12 3 2 3 2DPSK 二进制差分编码调制 13 3 2 4 DTDM 解时分复用模块 16 3 2 5 PCM 解码模块 17 3 2 6 其他相关部分设计 19 4 系统过程及仿真结果分析 21 4 1 系统总模块框图 21 4 2 系统仿真结果 21 4 3 系统步骤及仿真结果分析 22 5 心得体会 23 6 参考文献 24 6 引引 言言 数字通信系统已成为当今通信的发展方向 自然界的许多信息通过传感 器转换后 绝大多数是模拟量 脉冲编码调制 PCM 是把模拟信号变换为数 字信号的一种调制方式 主要用于语音传输 在此次仿真实验中 借助于 MATLAB 软件 可以直观方便地进行计算和仿真 因此可以通过运行结果 分 析系统特性 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境 是实现动态系统建模 仿真和分析的一个软件包 被广泛应用于线性系统 非线性系统 数字控制及数字信号处理的建模和仿真 中 7 1 设计内容设计内容 1 1 设计目的设计目的 加深对所学的通信原理知识的理解 培养专业素质 掌握通信电路的设计 方法 能够设计简单的通信电路系统 培养学生对通信电路系统的整机调试和 检测能力 通过通信专业课程设计掌握通信处理中的常用方法 提高自己的动 手分析能力 1 2 设计要求设计要求 画出系统结构框图 根据系统的工作原理 利用 MATLAB Simulink 软件 画出系统结构图并进行仿真 观察波形 2 2 课程设计任务分析及设计课程设计任务分析及设计 2 12 1 通信系统各部分组成及原理通信系统各部分组成及原理 图 2 1 通信系统一般模型 发送设备 低通滤波器 PCM 编码器 复接器 调制器等 接收设备 带通滤波器 PCM 解码器 分接器 解调器等 2 22 2 两路语音信号同时传输通信系统模型两路语音信号同时传输通信系统模型 图 2 2 两路语音同时传输通信系统模型 信源发送 设备 信道接收 设备 信宿 噪声源 信号源 1Pcm 编码 信号源 2Pcm 编码 TDM 模 块 2dpsk模 块 DTDM 模块 Pcm 解码 Pcm 解码 接收的第 1 路信号 接收的第 2 路信号 8 2 32 3 脉冲编码调制脉冲编码调制 PCM 编码编码 2 3 1 所谓脉冲编码调制 就是将模拟信号抽样量化 然后将已量化值变换成代 码 PCM原理框图如图 3 1 所示 图 2 3 PCM 原理方框图 PCM 在通信系统中完成将语音信号数字化功能 它的实现主要包括三个步 骤完成 抽样 量化 编码 分别完成时间上离散 幅度上离散 及量化信号的 二进制表示 2 3 2 PCM编码原理 1 抽样 所谓抽样 就是对模拟信号进行周期性扫描 把时间上连续的信号变成时间 上离散的信号 该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息 也就是说 能无失真的恢复原模拟信号 它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的 2 量化 量化 就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散 即用一组规定的电平 把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示 模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化 均匀量化 用这种方法量化输入信号时 无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都 采用相同的量化间隔 为了适应幅度大的输入信号 同时又要满足精度要求 就 抽 样 保 持 量化编码 低通 滤波译 码 模拟信 号输入 PCM 信号 输出 模拟信 号输出 PCM信号输 入 模拟信号 输出 a 发送端 b 接收端 9 需要增加样本的位数 但是 对话音信号来说 大信号出现的机会并不多 增加 的样本位数就没有充分利用 为了克服这个不足 就出现了非均匀量化的方法 非均匀量化 非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的 输出端可以得到较高 的平均信号量化噪声功率比 量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比 例 因此量化噪声对大 小信号的影响大致相同 即改善了小信号时的量化信噪 比 由于A 律压缩实现复杂 常使用 13 折线法编码 压扩特性图如下图所示 图 2 4 A 律 13 折线法编码压扩特性图 这样 它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点 又便于用数字电路实现 2 3 3 编码 所谓编码就是把量化后的信号变换成代码 其相反的过程称为译码 一般均 按极性码 段落码 段内码的顺序排列 2 42 4 时分复用时分复用 TDM 10 时分多址是将通信信道在时间坐标上划分成若干等间隔的时隙 ts time slot 时隙编号 并且周期重复出现 每对通信设备将工作在某个分配 或指定 的时隙上 即不同的通信用户是靠不同的时隙划分实现通信的 2 52 5 2DPSK 二进制差分编码调制二进制差分编码调制 1 调制 2DPSK 方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一 种方式 2DPSK 的产生调制信号需要经过码型变换 将绝对码变为相对码 2 解调 图 2 5 相干解调法框图 本课程设计采用相干解调法 解调器原理图和解调过程 其解调原理是 先 对 2DPSK 信号进行相干解调 恢复出相对码 再经码反变换器变换为绝对码 从而恢复出发送的二进制数字信息 在解调过程中 由于载波相位模糊性的影响 使得解调出的相对码也可能是 1 和 0 倒置 但经差分译码 码反变换 后 输出的绝对码不会发生任何倒置现象 从而解决了载波相位模糊的问题 3 3 基于基于 MATLAB Simulink 的单向传输系统设计的单向传输系统设计 3 13 1 MATLAB Simulink 简介简介 MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件 用于算法开 发 数据可视化 数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境 主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分 a a c a d a e a 带 通 滤波器 相乘器低 通 滤波器 抽 样 判决器 码 反 变换器 2DPSK 信号 本地 载波 输出 a 定时 脉冲 11 MATLAB 是 matrix laboratory 两个词的组合 意为矩阵工厂 矩阵实验室 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算 可视化以及交互式程序 设计的高科技计算环境 它将数值分析 矩阵计算 科学数据可视化以及非线 性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中 为科学研究 工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种 全面的解决方案 并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言 如 C Fortran 的编辑模式 代表了当今国际科学计算软件的先进水平 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境 是实现动态系统建模 仿真和分析的一个软件包 被广泛应 用于线性系统 非线性系统 数字控制及数字信号处理的建模和仿真中 Simulink 可以用连续采样时间 离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模 它也支持多速率系统 也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率 为了创 建动态系统模型 Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 GUI 这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成 它提供了一种更快捷 直 接明了的方式 而且用户可以立即看到系统的仿真结果 Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工 具 对各种时变系统 包括通讯 控制 信号处理 视频处理和图像处理系统 Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计 仿真 执 行和测试 3 23 2 基于基于 MATLAB Simulink 的单向传输系统设计的单向传输系统设计 对于比较大的系统 先将系统分解为不同功能的模块 分别实现每个模块 最 后再进行整合 基于 PCM TMD 2DPSK 技术的单向语音传输系统 可分解为 PCM 模块 TMD 模块和 2DPSK 模块以及其他辅助功能模块 3 3 2 12 1 PCM 编码模块设计编码模块设计 1 1 PCM编码原理编码原理 一 抽样 二 量化 三 编码 2 PCM编码模块框图 编码模块框图 12 图 3 1 PCM 编码模块框图 3 3 相关参数设置相关参数设置 1 第一路高斯白噪声信号的带宽 图 3 2 高斯白噪声信号的带宽参数设置图 2 第二路正弦波信号的带宽 图 3 3 第二路正弦波信号的带宽参数设置图 13 3 增益设置 图 3 4 第一路增益参数设置图 图 3 5 第二路增益参数设置图 3 2 23 2 2 时分复用时分复用 TDM 1 1 时分复用时分复用 TDM 原理原理 时分多址是将通信信道在时间坐标上划分成若干等间隔的时隙 time slot 时隙编号 并 且周期重复出现 每对通信设备将工作在某个分配 或指定 的时隙上 即不同的通信用户是 靠不同的时隙划分实现通信的 14 2 2 模块图模块图 图 3 6 时分复用 TDM 模块框图 3 3 相关设置相关设置 1 Pulse Generator参数设置 图 3 7 Pulse Generator 参数设置框图 15 2 零阶保持器设置 图 3 8 零阶保持器设置框图 3 3 2 32 3 2DPSK 二进制差分编码调制二进制差分编码调制 1 2DPSK 二进制差分编码调制原理二进制差分编码调制原理 1 调制 2DPSK 方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一 种方式 2DPSK 的产生调制信号需要经过码型变换 将绝对码变为相对码 2 解调 本课程设计采用相干解调法 图 3 3 为相干解调法 解调器原理图和解调过 程 其解调原理是 先对 2DPSK 信号进行相干解调 恢复出相对码 再经码反 变换器变换为绝对码 从而恢复出发送的二进制数字信息 在解调过程中 由于 载波相位模糊性的影响 使得解调出的相对码也可能是 1 和 0 倒置 但经 差分译码 码反变换 后 输出的绝对码不会发生任何倒置现象 从而解决了载 波相位模糊的问题 2 2 解调框图解调框图 a a c a d a e a 带 通 滤波器 相乘器低 通 滤波器 抽 样 判决器 码 反 变换器 2DPSK 信号 本地 载波 输出 a 定时 脉冲 16 图 3 9 2DPSK 模块框图 图 3 10 2DPSK 调制解调模块框图 3 3 相关参数设置相关参数设置 1 本地载波频率设置 图 3 11 2DPSK 本地载波频率参数设置框图 17 2 相乘低通滤波器带宽设置 要低于本地载波频率 图 3 12 2DPSK 相乘低通滤波器带宽参数设置框图 3 延时单元的设置 图 3 13 2DPSK 延时单元的参数设置框图 4 LogicalOperator1 参数设置 18 图 3 14 2DPSK LogicalOperator1 参数设置框图 5 Data Type Conversion1 参数设置 图 3 15 2DPSK Data Type Conversion1 参数设置框图 3 3 2 42 4 DTDM 解时分复用模块解时分复用模块 1 1 DTDM 解时分复用模块框图解时分复用模块框图 图 3 16 DTDM 解时分复用模块框图 19 2 2 相关参数设置相关参数设置 图 3 17 DTDM 解时分复用参数一设置框图 图 3 18 DTDM 解时分复用参数二设置框图 20 3 3 2 52 5 PCM 解码模块解码模块 1 1 PCM 解码模块框图 图 3 19 PCM 解码模块框图 2 2 相关参数设置相关参数设置 1 增益 图 3 20 PCM 解码模块增益参数一设置框图 21 图 3 21 PCM 解码模块增益参数二设置框图 2 Relay 设置 图 3 22 PCM 解码模块Relay参数设置框图 3 A LawExpander的参数设置 22 图 3 23 PCM 解码模块A LawExpander参数设置框图 3 2 3 2 6 6 其他相关部分设计其他相关部分设计 1 1 串并串并 并串转换 并串转换 图 3 24 串 并转换模块框图 图 3 25 并 串转换模块框图 2 相关参数设置 相关参数设置 1 Buffer 23 图 3 26 串 并转换模块 buffer 参数设置框图 图 3 27 并 串转换模块 buffer 参数设置框图 24 4 4 系统过程及仿真结果分析系统过程及仿真结果分析 4 14 1 系统总模块框图系统总模块框图 图 4 1 单向传输系统模块框图 4 24 2 系统仿真结果系统仿真结果 图 4 2 单向传输系统仿真结果 25 4 34 3 系统步骤及仿真结果分析系统步骤及仿真结果分析 该系统基本符合题目要求 并且输出效果不错 实现了基本的功能 符合要求 这个基于 PCM TDM 2DPSK 技术的单向传输仿真系统 在一定程度上简单的仿 真出了实际的通信系统 并且输出端根据输入的语音信号经过整个传输系统得到准 确 同时 这个系统还存在许多不足之处 1 该系统中并没有加入相关噪声 是在理想信道中进行仿真的 2 该信道是仿真的 不能体现出在实际信道传输中的一些物理信道等多种干 扰 所以与实际的信道相比 模拟信道传输波形产生的失真少 3 信号的发送没有考虑到码间串扰 信号的频谱等情况 4 在接收端 没有考虑同步的情况 以及滤波器的匹配和最佳接收 所以仿 真实现输出的波形与输入的波形存在着一定时延 5 该系统没有设置纠错编码等 总的来说 这个系统还有待改善 可以在此基础上加上纠错编码等 让传输效 果更好 同时也可以将 PCM 编码换成其他编码方式 也可以将 DPSK 调制换成其 他调制 都可以实现信号的传输 26 5 5 心得体会心得体会 通过本次课程设计 我学会了一种先总体后部分的学习方法 体会到了一种系 统的模块化设计的思想 系统的掌握一门课程 通信原理的基本理论 提高了在在 通信系统应用这一方面的开发与设计本领 发散开来 有以下收获 在最开始的时候 我对整个通信系统都不是非常了解 更别说设计一个单向传输双路语音的通信系统了 这时候我学会了总体的看问题 我首先查找通信原理资料 使我对通信系统传输整个语音信号有了更完整 系统的 认识 然后 我仔细研究每个模块 我对 PCM 模块 TDM 模块和 2DPSK 模块 PCM 解码模块 DTDM 模块以及其他辅助功能模块有了深刻理解 也充分理解各 模块的原理 最麻烦的环节还是动手去仿真的时候 一开始 我考虑用system view 还是 Simulink 来进行仿真建模设计 我比对两个设计方案后 感觉我用 Simulink 能够更 好的进行仿真 收获也更大 而且现在业界也是用 MATLAB 来进行生产研究 在 设置的时候 对于 Simulink 的使用不够熟悉 界面是英文的 看懂都有难度 许多 功能器件寻找比较费劲 但通过不断的摸索可以熟练的操作 本次课程设计让我收获很多 从一个小模块一步步完设置完成整个通信系统 有很大的成 就感 在整个课程设计中也遇到了很多困难 比如说按着模块原理设置好一个小模块 可 是参数设置确实一个难题 在 PCM 编码模块设计的步骤 我设计好框图之后 我不知道如 何要设计两路高斯白噪声信号的带宽 更不知道怎么设置 Analog filter design 的参数 我查了资 料 也找不到 后来我加了很多 QQ 群 请教了专业人士 我才明白 对于 Analog filter design 模块 我只要双击 设置一下参数就行 dedign method 是指滤波器的设计方法 有 巴特沃斯 切比雪夫 I 型 切比雪夫 II 型 还有椭圆滤波器 filter type 是指低通 高通 带通还是带阻 再下面的 filter order 是指滤波器的阶数 往下的最后一项就是设置的通频 组频等 也就是滤波器的截止频率 一般采用的是巴特沃斯型的滤波器 总之 本次课程设计不仅锻炼了自己全局思考的能力 更加深刻的理解了通信系统信 号传输的原理并运用到设计中 也让我明白了在学习生活中要细心认真 不懂就问 多提出 疑问 多与别人交流自己会提高更多的 27 参考文献 1 樊昌信 通信原理 第 6