通信传输系统仿真剖析

1、通信传输系统仿真摘要： 搭建了一个常见的通信传输系统，主要模块包括增量调制、信源编码、 ASK 调制以及解调、译码等。利用 Matlab 软件对整个系统进行了仿真，在接收 端成功恢复出了发射信号。关键词： MATLAB ，增量调整， AMI ，衰落信道1概述1.1 系统简述通信原理的主要内容就是怎样可靠而有效地实现信息的传输。 要使这些传输 方法成为现实， 就需要制作出相应的发送设备及接收设备。 然后在发送端， 我们 把欲传送的信息变换成某种适宜的信号并将之馈入传输媒体 （电缆， 光缆，无线 电波等）。在接收端，信号又从媒体馈入接收设备，我们再以同发端相反的过程 恢复出原来所发送的信息。 根据

2、所学的知识， 我们知道在什么样的情况下应该选 择什么样的传输方式， 并能判断出噪声， 信道，传输方式等因素将会怎样影响对 我们来说非常重要的一些通信指标，如信噪比，误码率等。1.2 主要步骤本通信传输系统的MATLA仿真包括以下内容：单频正弦波模拟信号经过抽 样（抽样频率为Fs=20F）、增量调制、二进制自然编码、AMI码型变换基带传输， 循环编码ASK调制后发送到衰落信道，然后经过 ASK解调，循环码译码、AMI码 译码、数模转换后恢复出单频正弦波模拟信号。信源：采用单频率正弦波； 数字化方式：增量调制（ DM、； 基带码：AMI码； 信道码：循环码； 调制方式： ASK； 信道类型：衰落信

3、道。1.3 系统框图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。具体的框图如下图 1 所示 1 30图1系统框图2系统原理及实现2.1增量调制增量调制是由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

4、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勺一种简化形式。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

5、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。增量调制尽管有前面所述的不少优点，但它也有两个不足：一个是一般量化 噪声问题；另一个是过载噪声问题。两者可统一称为量化噪声。阶梯曲线（调制 曲线）的最大上升和下降斜率是一个定值，只要增量 C和时间间隔 t给定，它 们就不变。那么，如果原始模拟信号的变化率超过调制曲线的最大斜率，则调制曲线就跟不上原始信号的变化，从而造成误差。我们把这种因调制曲线跟不上原 始信号变化的现象叫做过载现象，由此产生的波形失真或者信号误差叫做过载噪 声。另外，由于增量调制是利用调制

6、曲线和原始信号的差值进行编码，也就是利用增量进行量化，因此在调制曲线和原始信号之间存在误差， 这种误差称为一般 量化误差或一般量化噪声。增量调制的流程图如下图2所示。图2增量调制流程图2.2基带传输AMI码在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电波形都能在信道中传输。 含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的 信道中传输。AMI(AlternativeMarkInversion) 码的全称是信号交替反转码，是通信编码 中的一种， 为极性交替翻转码， 分别有一个高电平和低电平表示两个极性。 它的 编码规则是 : 消息代码中的 0 传输码中的 0；消息代码中的 1

7、传输码中的 +1、-1 交替。例如:消息代码 :1010100010111AMI 码:+10-10+1000-10+1-1+1解码规则是：从收到的符号序列中将所有的 -1 变换成+1 后，就可以得到原 消息代码。AMI码的特点是：由AMI码确定的基带信号中正负脉冲交替，而 0电位保持 不变；所以由AMI码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量；不易 提取定时信号，由于它可能出现长的连 0 串。2.3 信道传输码循环码由于对信号进行AMI编码后得到的是有1、-1和0三个电平的数字信号，而 对信道循环编码的输入只能是两个电平，因此有必要将AMI编码后得到的三电平 数字序列转换为二电平。编码

8、原理比较简单， 1 用 10 表示， -1 用 01 表示， 0 用 11 表示即可。经过信源编码和系统复接后生成的节目传送码流， 通常需要通过某种传输媒 介才能到达用户接收机。传输媒介可以是广播电视系统(如地面电视广播系统、 卫星电视广播系统或有线电视广播系统) ，也可以是电信网络系统，或存储媒介 (如磁盘、光盘等) ，这些传输媒介统称为传输信道。通常情况下，编码码流是 不能或不适合直接通过传输信道进行传输的， 必须经过某种处理， 使之变成适合 在规定 信 道中 传输 的 形 式。在通信 原理 上， 这 种处 理称 为 信道 编码 ( ChannelCoding)循环码是线性分组码的一种，

9、所以它具有线性分组码的一般特性， 此外还具 有循环性。循环码是一种无权码， 循环码编排的特点是相邻两个数码之间符合卡 诺图中的邻接条件， 即相邻两个数码之间只有一位码元不同， 码元就是组成数码 的单元。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： 循环码中任许用码组经过循环移位后，所得到的码组仍然是许用码组。若 （J住1叫）为一循环码组，则（7角J ）、 （盘心代Y7 %_：）,还是许用码组。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。循环码编码原理：有信息码构成信息多项式 _' ，其中最高幕次为k-1 ；用乘以信息多项式m（x），得到的，最高幕次为

10、n-1，该过程相当于把信息码（|- 一 ：移位到了码字德前k个信息位，其后是r个全为零的监督位；用g（x）除得到余式r（x）,其次数必小于g（x）的次数，即小于（n-k），将此r（x）加于信息位后做监督位，即将r（x）于' 相加，得到的多项式必为一码多项式。纠错能力：由于循环码是一种线性分组码，所以其纠检错能力与线性分组码相当。而线性分组码的最小距离可用来衡量码的抗干扰能力，那么一个码的最小距离就与它 的纠检错能力有关。定理：对于任一个线性分组码，若要在码字内（1） 检测e个错误，要求码的最小距离-；（2） 纠正t个错误，要求码的最小距离 - ；（3）纠正t个错误同时检测e个错误，则要

11、求:'；由于MATLA自带了循环码的编码译码及等相关函数，下面将其列举出来：（1）编码函数encode函数语法：code=encode（msg,N,K,method,opt）（2）译码函数decode函数语法：msg=decode（code，N, K，method, opt1,opt2,opt3,opt4 ）;（3）生成循环码的生成多项式cyclpoly语法：p=cyclpoly （ N,K）;p=cyclpoly （ N,K,fd_flag ）;2.4ASK 调希 9“幅移键控”又称为“振幅键控”，记为ASK也有称为“开关键控”（通断 键控）的，所以又记作00K!号。ASK是一种相对

12、简单的调制方式。幅移键控（ASK 相当于模拟信号中的调幅，只不过与载频信号相乘的是二进制数码而已。 幅移就 是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是通过载波的幅度来传 递的。二进制振幅键控（2ASK，由于调制信号只有0或1两个电平，相乘的结 果相当于将载频或者关断，或者接通，它的实际意义是当调制的数字信号为 “ 1 ” 时，传输载波；当调制的数字信号为“ 0”时，不传输载波。其中s（ t）为基带 矩形脉冲。一般载波信号用余弦信号，而调制信号是把数字序列转换成单极性的 基带矩形脉冲序列，而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘，就可以 把频谱搬移到载波频率附近。ASK信号，在实际

13、中使用较少，但它是研究各种数字调制技术的基础。ASK信号是利用代表数字信息“ 0”或“1”的基带矩形脉冲去键控（调制）一个连续 的载波，有载波输出时表示发送“ 1”，无载波输出时表示发送“ 0”。ASK信号的 产生可以用如下的方法，如图3所示。ASK信号的一种解调方式，包络解调法， 如下图图4所示。S（t） Sask （t）* 乘法器 .*cos (w t)图3 ASK的实现ASK'定时脉;中图4包络解调2.5衰落信道在某些有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以不经过调制和解调过程在信道中直接传送，这种不使用调制和解调设备而直接传 输基带信号的通信系统， 我们称它

14、为基带传输系统。 而在另外一些远距离传输的 信道，特别是无线信道和光信道中， 由于信道中受到各种噪声和反射漫反射的影 响，使得信号产生衰落。 数字基带信号则必须经过调制过程， 将信号频谱搬移到 高频处才能在信道中传输， 相应地， 在接收端必须经过解调过程， 才能恢复数字 基带信号。我们把这种包括了调制和解调过程的传输系统称为数字载波传输系 统。衰落信道有很多种， 为了方便， 仿真中采用加性噪声加入到调制信号中以模 拟最简单的衰落信道。 具体仿真步骤是产生两个随机信号取绝对值的平方相加再 开平方，即得到一个小的加性噪声， 模拟成一个衰落信道， 再将它与调制后的信 号相加即可。可以采用瑞利或者莱斯

15、两种模型进行模拟。 瑞利衰落信道是一种无线电信号 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。 瑞利衰落只适用于从 发射机到接收机不存在直射信号的情况，否则应使用莱斯衰落信道作为信道模 型。3 系统仿真3.1 增量调制仿真对模拟信号 x=sin(2*pi*50*t) 进行增量调制。原始模拟信号如图 5 所示， 进行增量调制后的图如图 6 所示4 。图5原始信号Filr 'Edit View Insert Took Deirtop W

16、indow HelpM 2 |岭丸、心蚯靡 J 0 | a 口皓毘澗制启图6增量调制3.2基带传输AMI码把增量调制的结果作为输入，对上述结果进行AMI编码。编码后的结果如下, 用MATLA作的图如图7所示图7AMI编码3.3信道传输码循环码再用把编好的AMI码，先进行转化变成二进制，转化后的信号如图8所示(7,4 )循环码进行信道编码。输出作的图如图9所示。图8AMI转化二进制图9循环码3.4ASK 调制 9对循环码进行调制，调制方式采用 ASK调制结果作的图如图10所示图10ASK调制3.5衰落信道循环码经过瑞利衰弱信道后的波形如图11所示：Q igLjre 8. .-禅.图11衰落信道3

17、.6解码过程解码包括ASK解码和循环码解码以及 AMI解码。对它们的解码如下列图所示:图12是ASK解码，图13是循环码解码，图14是AMI解码。图12ASK解码图13循环码解码图14AMI解码3.7数模转化及失真分析对AMI信号进行数模转化，还原出模拟信号，信号如图15所示。对比还原信号和原始信号，分析失真情况。根据误差表达式，求出每个点对应的误差值， 再求方差即可得到误差值。总的误差表达式为：计算可得D=0.83%在允许的误差范围内。因此该通信系统基本满足在接收端再 现输入信源，仿真成功。BP Figure 10File Edit View IinsertTool-s Desktop Wirdiow Help$匚 d 金 $ X O ©* S匡1 P图15还原信号和原始信号4小结本论文主要搭建了一个简单的通信系统，进而引出模拟调制和解调、编码与解码以及通信信道的概念，并运用 MATLA仿真软件对整