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信电学院无线传输系统二级项目设计说明书（2012/2013学年第一学期）课程名称 ： 无线传输系统二级项目 题 目 ： 2FSK调制和CRC校验相结合 专业班级 ： 通信工程09-2 小组成员 ： 指导教师 ： 侯华、付佳、张龙 设计周数 ： 1周 设计成绩 ： 2013年1月18日1.课程设计目的 运用Matlab编程实现2PSK和CRC校验结合的无线传输系统的仿真模型，对无线传输系统进行仿真，得到仿真结果，将仿真结果与理论进行比较、分析。2.课程设计正文2.1数字通信系统一般模型信道 信 宿信源译码信道解码数字解调数字调制信道编码信 源信源编码噪声源图1数字通信系统模型 数字通信系统的各部分作用： 1、信源:把原始信息变换成原始电信号。 2、信源编码： 实现模拟信号的数字化传输即完成A/D变化。 提高信号传输的有效性。即在保证一定传输质量的情况下，用竟可能少的数字脉冲来表示信源 产生的信息。信源编码也称作频带压缩编码或数据压缩编码。 3、信道编码： 信源编码的目的： 信道编码主要解决数字通信的可靠性问题。 信道编码的原理：对传输的信息码元按一定的规则加入一些冗余码（监督码），形成新的码字， 接收端按照约定好的规律进行检错甚至纠错。 信道编码又称为差错控制编码、抗干扰编码、纠错编码 。 4、数字调制 数字调制技术的概念：把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信 号。 数字调制的主要作用：提高信号在信道上传输的效率，达到信号远距离传输的目的。 基本的数字调制方式：振幅键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。 5、信道：信道是信号传输媒介的总称，传输信道的类型有无线信道（如电缆、光纤）和有线信道 （如自由空间）两种。 6、噪声源：通信系统中各种设备以及信道中所固有的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的 集中表现而抽象加入到信道。2.2 2FSK信号基本原理 数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。 图2-1 2FSK信号2.2.1 2FSK信号的调制原理一般来说，2FSK信号有两种调试方法。方法一：用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频。 S 2fsk(t)b(t)压控振荡器 S 2fsk(t)载波发生器1方法二：键控法 载波发生器2 2.2.2 2FSK信号的解调原理 数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法 等。1. 包络检波法包络检波法可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同,分别起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应 ，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络s(t)；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。2、相干检测法相干检测的具体解调电路是同步检波器，两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。3. 过零检测法过零检测法单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法方框图及各点波形如图4所示。2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。4. 差分检测法差分检波法基于输入信号与其延迟的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。2.3 CRC循环校验CRC即循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check）：是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。 2.3.1 CRC循环冗余校验在K位信息码后再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位，因此，这种编码又叫（N，K）码。对于一个给定的（N，K）码，可以证明存在一个最高次幂为N-K=R的多项式G(x)。根据G(x)可以生成K位信息的校验码，而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式。 校验码的具体生成过程为：假设发送信息用信息多项式C(X)表示，将C(x)左移R位，则可表示成C(x)*2的R次方，这样C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。通过C(x)*2的R次方除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。2.3.2 生成CRC码的基本原理任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为0和1取值的多项式一一对应。例如：代码1010111对应的多项式为x6+x4+x2+x+1，而多项式为x5+x3+x2+x+1对应的代码101111。 2.3.3 CRC生成步骤 1、将x的最高次幂为R的生成多项式G(x)转换成对应的R+1位二进制数。2、将信息码左移R位，相当于对应的信息多项式C(x)*x。3、用生成多项式（二进制数）对信息码做除，得到R位的余数。4、将余数拼到信息码左移后空出的位置，得到完整的CRC码。2.3.4 为什么用CRC算法在有噪声的信道中传输信息会产生差错，为了减少差错需要在传输的信息序列中引入冗余码来增加通信系统的可靠性。为了减少接收错误码元的数量，需要在发送码元序列中加入监督码元。这样做的结果是发送序列增长冗余度增大。若仍须保持发送信息，码元速率不变则传输速率必须增大。但在通信系统中可靠性与有效性是对矛盾，要求有效性提高，必然使每个码元所占的时间缩短从而受干扰和产生错误的可能性增大，可靠性降低，要提高信息的可靠性又使信息速率变慢有效性降低。因此，合理的解决有效性与可靠性这对矛盾是正确设计一个通信系统的关键问题之一，为保证传输过程的可靠性就需要对通信过程进行差错控制。 循环冗余校验码CRC（cyclic redundancy check）是一种高效率且可靠的方法，由线性分组码分支而来的，是一种通过多项式除法检测错误的方法，一方面它有很强的检测能力，而是它的编码器电路及错误检测器电路都很容易实现，它的优点使它在通信系统中得到了广泛的应用。2.4高斯信道高斯信道（Gaussian channel，通信专业术语）是一个射频通信信道，其包含了各种频率的特定噪声频谱密度的的特征，从而导致了信道中错误的任意分布。 2.5瑞利衰落信道瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。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。12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作为信道模型。2.5.1瑞利衰落物理模型瑞利分布是一个均值为0，方差为2的平稳窄带高斯过程，其包络的一维分布是瑞利分布。瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计时变特性的一种分布类型。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。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，信道响应的能量或包络服从瑞利分布。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。通常将信道增益以等效基带信号表示，即用一复数表示信道的幅度和相位特性。由此瑞利衰落即可由这一复数表示，它的实部和虚部服从于零均值的独立同分布高斯过程。2.5.2如何克服在MIMO中，传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被成为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。 2.6 Huffman编码2.6.1 Huffman 编码及其实现 1、 根据像素灰度值出现概率的分布特性而进行的压缩编码叫做统计编码，如果码字长度严格按照所对应信号出现概率大小逆序排列，则平均码字长度一定小于其它任何信号顺序排列方法，这就是变长编码中的最佳编码定理。 2、在变长编码中，对出现概率大的信号编以字长最短的码字，对出现概率小的信号编以字长长的码字。Huffman就是按照这个基本原理给不同的信号进行分配码字的，并使编码的码字是可辨识的。信号可以是ASCII码，也可以是其它形式的信号，如灰度值等。3、 上面提到的可辨识主要是因为采用不等长编码要避免译码的二义性或多义性，因为如果一个码字如果是另外一个码字的前缀就有可能产生二义性，因此对某一字符集进行不等长编码，要求任何一个字符的编码都不能是其它字符编码的前缀，符合此要求的编码称为前缀码。4、计算Huffman编码表有以下四个步骤： （1）把信源X中的消息按出现的概率从大到小顺序排列。 （2）把最后两个出现概率最小的消息分别赋予1和0或者0和1，并合成一个消息，从而使信源的消息数减少一个。 （3）重复步骤二，直到信源的消息数最后合并为一个为止。5、产生Huffman码要对原始数据扫描两遍，第一遍扫描要精确地统计出原始数据中每个值出现的频率，第二遍是建立Huffman树，并进行编码。Huffman编码是最优编码，效率很高，主要涉及到二叉树并遍历二叉树的算法，因此数据压缩和还原的速度都比较慢，但简单有效，因而应用比较广泛3.程序仿真及结果分析图1 原图及经过高斯信道后的情况4. 项目设计总结本次课程设计我们小组要用matlab语言实现一个用2FSK和CRC校验结合的无线传输系统。其中用到了许多知识，例如我们学到的通信原理和信息论与编码等内容，尤其关于matllab语言的应用是本次课程设计能成功的关键。CRC校验是本学期学的，也被老师灵活用来考察我们是否掌握它。在实验过程中，我们遇到了很多问题，例如为什么图像传输后失真，CRC如何插入其中，有关函数的使用等。通过一次次讨论实验，问题得以解决，我们小组从中也意识到了自己的不足。通过这次的课程设计，不仅让我们加深了对课本内容的理解，让课本内容与实践相结合，更重要的是又让我们提高了动手与思考的能力。5.参考文献1 樊昌信.通信原理（第六版）.国防工业出版社，2010.72 唐向宏.MATLAB及电子信息类课程设计中的应用（第二版）.电子工业出版社，2009.63 曹雪虹.信息论与编码（第二版）.清华大学出版社，2009.24 黄葆华，杨晓静，某华坤.通信原理.西安：西安电子科技大学出版社，20075 胡晓冬，董辰辉 MATLAB从入门到精通.人民邮电出版社，2010项目设计评 语项目设计成 绩指导教师（签字） 年 月 日附录：主程序段clc;clear;M =2; freqsep = 8; nsamp = 8; Fs = 32;TP=imread(ww.jpg);x,y,z=size(TP);subplot(1,2,1);imshow(TP);title(原图);TPZ=TP(:);s=0:255;for i=0:255 p(i+1)=length(find(TPZ=i)/(x*y*z);enddict=huffmandict(s,p);HuanYuan=zeros(x,y,z);SUM=0;JY=zeros(1,16);for BigI=1:x L=TP(BigI,:); L=L; enco=huffmanenco(L,dict); enco1=enco; BeCrc=CRCgen(enco1); FskMod = fskmod(BeCrc,M,freqsep,nsamp,Fs); chan = rayleighchan(1/108,0.5); FskModR = filter(chan,FskMod); FskModRG=awgn(FskModR,40,measured); FskDemod = fskdemod( FskModRG,M,freqsep,nsamp,Fs); FskDemodInfo=FskDemod(1:length(FskDemod)-16); JiaoYan=CRCgen(FskDemod); JiaoYan=JiaoYan(length(JiaoYan)-15:length(JiaoYan); if JiaoYan=JY HfDecode=huffmandeco(FskDemodInfo,dict); HuanYuan(BigI,:)=HfDecode; else SUM=SUM+1; HuanYuan(BigI,:)=zeros(1,y*z); end clc; TIME=x-BigI 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