CDIO课程设计报告

1、河南师范大学CDIO课程项目设计报告项 目 名 称 数字通信系统仿真采用2DPSK调制和(7,4)循环码 专 业 通信工程 班 级 成 员 指 导 教 师 设 计 时 间 2013.03-2013.06 1 项目计划 通过我们对电子系统设计课程的学习和理解，综合运用所学的理论知识运用MATLAB软件对数字通信系统进行仿，运用课本中所学到的理论知识完成数字通信系统仿真，采用2DPSK对输入输出进行调制解调和(7,4)循环码对信道进行编码技术，在实验中锻炼我们查阅资料、方案比较、团结合作的能力。学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，增强我们的动手能力，为以后学习和工作打下基础。1.1项目设计目

2、的与内容要求 本次课程设计我们所做的课题是对数字系统主要原理和技术进行研究，包括8进制正交调幅（2DPSK）及解调技术、高斯噪声信道原理、以及信源编码中的(7,4)循环码技术、信道编码中的(7,4)循环码技术原理等。建立完整的基于2DPSK和（7,4）循环码的数字通信系统仿真模型，包括2DPSK调制解调及(7,4)循环码的编译码。在信道中加入高斯噪声，观察系统的纠检错能力，统计误码率，并进行分析。1.2项目可行性分析基于数字信号的传输优于模拟信号,所以数字信号的传输越来越重要。虽然近距离时可以由数字基带号直接传输,但是进行远距离传输时必须将基带信号调制到高频处。二进制移相键控是二进制数字信号调

3、制的基本方式之一. 其包括两种方式:绝对移相方式(2PSK)和相对(差分)移相方式(2DPSK)。绝对移相方式存在一个缺点,即倒“”现象。因此,在实际中一般不采用2PSK方式,而采用2DPSK方式。由于数字通信在抗干扰性!保密性以及数字信号处理方面的优越性，它的应用越来越广泛数字调制技术作为这个领域中极为重要的一个方面，也得到了迅速发展。在理论分析循环码编码和译码基本原理的基础上，进行仿真结果表明循环码能有效地克服来自通讯信道的干扰，保证数据通信的可靠及系统的稳定 ，使误码率大幅度降低。对循环码的研究结果表明可以有效地降低错误概率，具有一定的实用价值。2 需求分析与设计说明2.1 需求分析虽然

4、数字通信发展了短短二十几年的时间，但由于它有较强的抗干扰性，易于保密，并且处理数字信号也很方便，可以应用在光纤通信、卫星通信等新兴的通信系统中，因此它的应用前景十分广阔。在数字通信系统中，数字调制技术具有至关重要的作用，经分析得出3，在频带利用率方面，PSK高于FSK，且在相同的信噪比条件下,PSK的误码率低于FSK。从可靠性和有效性来考虑，PSK是最优越的调制方式。因而 PSK 在数字通信中得到了广泛应用,PSK有2相( BPSK),4相(QPSK) ，8相(8PSK) 等等。在相同条件下，与两相调制技术相比，多相( 相位多于4) 调制技术的实现，需要付出更高的功率代价，所以，2相 PSK调

5、制技术在实际中使用最多。但是PSK信号在解调时，有相位模糊现象出现，一般采用相对相移键控(2DPSK) 来解决这一问题。2.2 设计原理数字通信系统按调制方式可以分为基带传输系统和带通传输系统，相应的数字信号的传输方式为基带传输和带通传输。基带传输是将未经调制的信号直接传输，频带传输是对各种信号调制后传输的总称。数字基带信号的功率一般处于从零开始到某一频率的低频段，而实际应用中大多数信道具有带通特性，因而不能直接进行传输。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，已使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字频带信号的过程称为数字调制

6、。数字通信系统的各部分作用信息源：把各种消息转换成原始电信号（称为消息信号或基带信号）。信源编码与译码：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，即通过使用某种数据压缩技术来减少信息的冗余度（减少信息码元数目）和降低数字信号的码元速率。信道译码是信源编码的逆过程。信道编码与译码：为了减小差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统的抗干扰能力，实现可靠通信。数字调制与解调：数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道

7、中传输的频带信号。数字解调就是采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。信道：信息传输媒介的总称，传输信道的类型分为无线信道和有线信道。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。受信者（简称信宿）:传送消息的目的地，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。总体原理方框图1所示：图1 数字通信过程循环码编译码原理：在实际应用中数据传输一般采用系统码的编码方式即在发送的信息序列之后附加上特定位数序列的冗余位，该冗余位称为所发送的信息序列的监督位，监督位一般是由所发送的信息序列经过恰当的变化而产生， 若监督位由

8、信息序列经过线性组合得到，则称得到的系统码为线性分组码。循环码是线性分组码的一个重要子类，具有严密的代数学理论。循环码“线性”是指任意两个循环码模2相加所得的新码仍为循环码。循环码具有线性码的一般性质（即封闭性，指一种线性分组码的任意两个码组之和仍是该分组码的另一个码组）外，还具有循环性即循环码中任一码组循环一位（将最右端码元移至左端或反之）以后,仍为该码组中的一个码组(n,k)循环码表示其中信息位为k监督位为 n-k位3。 若一个循环码的所有码字多项式都是一个次数最低的非零首一多项g（x）的倍式则 g(x)生成该码 ,并称g(x)为该码的生成元或生成多项式。若在GF(2)上的（n,k）循环码

9、中，存在唯一的指数多项式g(x)，使得每一个码多项式c(x)都是g(x)的倍式，且每一低于或等于n-1次的g(x)倍式，一定是码多项式。循环码最大的特点就是码字的循环特性，所谓循环特性是指：循环码中任一许用码组经过循环移位后，所得到的码组仍然是许用码组，也就是说，不论是左移还是右移，也不论移多少位，仍然是许用的循环码组。循环码的生成多项式写为,它是循环码码集中唯一的，幂次为的码多项式，则是一个幂次为的码多项式。按模运算，此时： 即，且因也是次幂，故。由于它是循环码，故按模运算后的“余式”也是循环码的一个码字，它必能被整除，即： 由以上两式可以得到： 从上式中可以看出，生成多项式g(x)应该是的

10、一个因式，即循环码多项式应该是的一个次因式。由生成多项式可以得出相应的典型生成矩阵及标准监督矩阵： 循环码的编译码过程如下：（1）编码过程第一步：将信息码字表示为，其最高次幂为；第二步：将与求模得出相应的余式；第三步：编码结果为。（2）译码过程第一步：由接收码字与监督矩阵相乘得出错误图样；第二步：判断是否为零。若不为零，则出错。在假定至多只有一位错的情况下，可以有效地译了相应的信息码字。第三步：在出错的情况下，将与标准监督矩阵对比，得出错误的比特位并进行更正得出前四位为信息码字。（7,4）循环编码已知（7，4）循环码的生成多项式和校验多项式可分别为：，。写得其生成矩阵和校验矩阵分别为： 程序：

11、%cyle_code.mfunction msg_en= cycle_code(m,msg) %循环码编码函数% 输入参数% m：监督位的位数；% msg：信息码字% 输出参数% msg_en：编码结果% input parameters% 码长与信息码字n=2m-1;k=n-m;%产生生成矩阵parmat和校验矩阵genmatpol = cyclpoly(n,k);parmat,genmat,k = cyclgen(7,pol);% 调整生成矩阵与监督矩阵gen_temp=eye(k);par_temp=eye(m);parmat=par_temp genmat(:,1:m);genmat=

12、gen_temp genmat(:,1:m);%产生编码后的码字空间 Cmsg_en=rem(msg*genmat,2);(7,4)循环码编码（信道编码）程序：%cyle_decode.mfunction code=cycle_decode(m,msg) %循环码译码函数% 输入参数% m：监督位的位数；% msg：信息码字% 输出参数% code：译码结果% 码长与信息码字n=2m-1;k=n-m;%产生生成矩阵parmat和校验矩阵genmatpol = cyclpoly(n,k);parmat,genmat,k = cyclgen(7,pol);%调整生成矩阵与监督矩阵gen_temp=

13、eye(k);par_temp=eye(m);parmat=par_temp genmat(:,1:m);genmat=gen_temp genmat(:,1:m);% 计算伴随式S=rem(msg*parmat,2);count=0;% 比较译码if (sum(S)=0) for (ii=1:1:n) for(jj=1:1:m) if(S(jj)=parmat(jj,ii) count=count+1; end; end; if (count=3) mis=ii; else count=0; end; end;else mis=0;end;if (mis) msg(mis)=rem(msg(

14、mis)+1,2);end;% 译码结果code=msg(1:k); 加入高斯白噪声信道是通信系统的基本环节之一,信道的传输质量影响着信号的接收和解调。这种影响表现在两个方面:一是产生噪声,二是减弱信号的强度和改变信号的形状。通信系统的设计目标是使接收端能够再现发送端发送的原始数据。因此,在设计通信系统的过程中,信道对传输信号的影响是一个不可或缺的环节。为了使仿真的通信系统与实际更为相似,选择了加性高斯白噪声(AWGN channel)。为了与信道的统计特性相匹配，并区分通路和提高通信的可靠性，而在信源编码的基础上，按一定规律加入一些新的监督码元，以实现纠错的编码。噪声代码如下： ynoisy

15、= awgn(y,3,measured); % 加高斯白噪声.如图2所示 图2 加高斯白噪声.如图3 经（7,4）循环码信道编码后误码率的改善仿真：图3 经（7,4）循环码信道编码后误码率的改善仿真仿真程序：clc;initialseed=71; inputinitialseed=63;inputsampletime=1/1000; y=;y1=;for snr=1:10; sim(hammingencoding); y=y,mean(simout(:,1); y1=y1,mean(simout1(:,1);endsnr=1:10;semilogy(snr,y,snr,y1) xlabel(S

16、NR(dB)ylabel(BER)title(经（7,4）循环码信道编码后误码率的改善)2DPSK的调制原理一般来说，2DPSK信号有两种调试方法，即模拟调制法和键控法。2DPSK信号的的模拟调制法框图如图4所示，其中码变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码。码变换相乘载波s(t)eo(t) 图4模拟调制法2DPSK信号的的键控调制法框图如图5所示，其中码变换的过程为将输入的基带信号差分，即变为它的相对码。选相开关作用为当输入为数字信息“0” 时接相位0，当输入数字信息为“1”时接pi。图5 键控调制调制仿真程序设计：1）产生基带信号 本例中使用matlab中的rand函数随机

17、产生10个随机数，并采用就近取整的办法使其值为0、1.此过程产生的码为绝对码。并且，每个值需要分配一定的长度。代码如下：clear allclose alli=10; %码元的个数j=5000;fc=4;fm=i/5;B=2*fm;t=linspace(0,5,j); % 将0-5区间平均分为j份% 产生基带信号 %a =round(rand(1,i); %产生10个随机码，记为ast1=t;for n=1:10 if a(n)=1; if b(n-1)=1 b(n)=0; else b(n)=1; end else b(n)=b(n-1); endendst1=t;for n=1:10 if

18、 b(n)=1; st2(k)=0; else st2(k)=1; endend; st1即为相对码，st2为相对码的反码，在调制中使用。3）产生载波信号代码： s1=sin(2*pi*fc*t);4） 调制按图6中所示，相对码及其反码分别和载波相乘再相加，即得到调制信号。d1=st1.*s1;d2=st2.*(-s1);%相移180figure(2);subplot(4,1,1);plot(t,d1);title(st1*s1);subplot(4,1,2);plot(t,d2);title(st2*s2);e_dpsk=d1+d2; 图6码元产生传输系统设计比较简答，只需加入信道噪声即可。

19、代码：noise=rand(1,j);dpsk=e_dpsk+0.5*noise;%加入噪声效果如图7所示 图7 调制信号解调系统 2DPSK信号最常用的解调方法有两种，一种是差分相干法，另一种是极性比较法。差分相干法： 2DPSK信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。它的原理框图如图8：图8差分相干法法极性比较法是2DPSK信号经过带通滤波器，滤掉信道中产生的噪声，再与本地载波相乘

20、，经过低通滤波器，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器得到相对码，再经过码（反）变换器得到基带信号。原理图如图9所示图9 极性比较法法解调仿真程序设计：1）带通滤波器2）乘法器3）低通滤波器设计为只允许基频信号通过。代码：f,af = T2F(t,dpsk);t,dpsk = lpf(f,af,B);所用函数代码：T2F子函数function f,sf= T2F(t,st)dt = t(2)-t(1);T=t(end);df = 1/T;N = length(st);f=-N/2*df:df:N/2*df-df;sf = fft(st);sf =T/N*fftshift(sf);fu

21、nction t,st=lpf(f,sf,B)df = f(2)-f(1);T = 1/df;hf = zeros(1,length(f);bf = -floor( B/df ): floor( B/df ) + floor( length(f)/2 );hf(bf)=1;yf=hf.*sf;t,st=F2T(f,yf);st = real(st);4）抽样判决器 抽样判决器就是过零检测。 代码：st=zeros(1,i);for m=0:i-1;if dpsk(1,m*500+250)0; st(m+1)=0; for j=m*500+1:(m+1)*500; dpsk(1,j)=0; en

22、delse for j=m*500+1:(m+1)*500; st(m+1)=1; dpsk(1,j)=1; endendend两种解调方式不同之处在于延迟单元和码（反）变换器。5）延迟单元 延迟一个码元长度，第一个码元长度的内容根据编码规则，抽样判决。 代码：if dpsk(65)0 dpsk_delay(1:j/i)=dpsk(1:j/i);else dpsk_delay(1:j/i)=-dpsk(1:j/i)enddpsk_delay(j/i+1:j)=dpsk(1:j-j/i);6）码（反）变换器 将相对码变换为绝对码，与编码器正好相反。dt=zeros(1,i);dt(1)=st(1

23、);for n=2:10; if (st(n)-st(n-1)-1; dt(n)=0; else dt(n)=1; endendst=t;for n=1:10 if dt(n)1; for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n st(m)=0; end else for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n st(m)=1; end endend极性比较法解调结果结果如图10、图11所示，可见解调结果与源码完全一致。 图10极性比较法解调结果图11 源码 差分相干法解调结果如图12、图13所示，解调结果与源码完全一致。图12 差分相干法解调结果 图13 源码2.3 设计流程（1）建立2DP

24、SK和（7,4）循环码数字通信仿真模型。（2）在信道中加入高斯噪声。（3）观察纠错检错能力、统计误码率、并进行分析。3 技术难点及解决方法 在利用Matlab共同完成的2DPSK调制和和（7，4）循环码编译码技术对数字通信系统仿真设计中,由于信道中引入了适当的高斯白噪声,还有接收端带通滤波器的参数设置问题,加入噪声的影响,它使解调后的输出波形与信号源产生的波形相比有一定的畸变和时延。为了更好地改善系统的传输性能,通过（7，4）循环码编译码技术增加信息冗余性，从而改善系统传输过程中受噪声的影响，降低误码率。此外,同步也是该通信系统中一个重要的研究问题。本设计中采用了两种解调的设计方式,并比较二者与理论上得到的结果，得出二者解调性能的优劣。同时在接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波,来保证载波同步。解调出的基带信号要经过抽样判决器。抽样判决的时刻应位于每个码元的终止时刻,因此,在接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列,它和码元接收的终止时刻应对齐,还应与系统输入的时钟信号相一致,这样就保证了系统的位同步。解决了以上几点问题后,系统的输出波形得以改善,误码率降低,信息传输的质量更为可