通信系统课群综合训练与设计

1、课程设计任务书题目: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： 2013 年1月11日系主任（或责任教师）签名：2013年1月11日摘要在当今信

2、息化社会中， 随着通信技术的飞速发展， 相关的通信理论、 技术也 得到了飞速发展。 数字通信已成为信息传输的重要手段， 数字通信的新设备不断 涌现，全球数字化已成为当今社会发展的主要潮流， 人们越来越离不开数字通信， 越来越期望了解和掌握数字通信技术。 数字通信是迅速发展的信息技术， 目前将 科研的发展前沿与基础的通信理论有机结合阐述的著作还很少。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。 经过许多 专家、工程师在自己相关领域的扩充， Matlab 成为了一个多领域、多学科、多 功能的优秀

3、科技应用软件，从而被广泛地应用于各领域和学科的研究与仿真。 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 Matlab 所包含的应用工具箱的功能非常丰富，提供的 Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，支持线 性和 非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域 或者两者的混合时间域里进行建 模，其中通信系 统工具箱中包含了对通信系统进行分析和仿真所 需的信源编 码、纠错编码、信道、调制解调以及其他所用的库函数和模块。关键词：增量调制，Miller码，循环码，PSK衰落信道AbstractIn today's in

4、formation society, with the rapid development of communication technology, communication theory, technology has also been a rapid development. Digital communication has become an important means of information transmission, new digital communication devices emerging global digital technology has bec

5、ome the development trend in today's society, people increasingly inseparable from digital communications increasingly expected to understand and master digital communication technology. Digital communications is the rapid development of information technology, the development of cutting-edge re

6、search based communication theory combine elaborate writings rarely.Matlab MathWorks Inc. launched a set of high-performance numerical computation and visualization software, powerful computing and graphics capabilities make it won a large number of users in the field of scientific computing and eng

7、ineering. Many experts, engineers in their own field expansion, Matlab has become a multi-field, multi-disciplinary, multi-functional excellence in technology and application software, which is widely used in various fields and disciplines and simulation. Matlab is a programming language and visuali

8、zation tools, data can be displayed in graphical form the relationship between the data to understand the Matlab the application toolbox functions contained very rich, provided Simulink is used to dynamically system modeling, simulation and analysis software package that supports linear and nonlinea

9、r systems, continuous-time domain, the discrete-time domain, or a mix of both time domain modeling, communication system toolbox contains communication system analysis and simulation required source coding, error correction coding, channel, modulation and demodulation, and other library functions an

10、d modules.Keywords: delta modulation, Miller codes, cyclic codes, PSK fading channel1. 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）-W息源调 制传输丁噪声干扰介质1111 译解11码制11接 收&|接收设备图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

11、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

12、（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S ,预测器

13、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S ,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。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”

14、的边界处发生电平跃变。2.3循环码原理信源倍道图3总原理方框图循环码的编、译码系统由下列五部分组成：定时单元、信码发生器及显示部 分、编码器和译码器。（1）定时单元本单元提供编码器及译码器所需的时序信号。 其时钟重复频率（CP为2MHZ（2）信码发生器本单元给编码器提供一个信号源，手控开关（板上CDIN置于+5V时，发光二极管亮，代表输出“1”码元。若开关置于“ 0”，代表输出“ 0”码元。（3）循环码编码器编码器是本实验的主要部分。根据生成多项式 g（x） x9 x6 x5 x4 x 1，采用5个异或门和D触发器组成编码器。在 K1信号的控制下，输入6位信息码元CDIN 一方面串行输入信道，

15、另一方面通 过与门送入除法电路进行计算。第 6位输入码元结束时，K1信号也为零，在CP 脉冲作用下，移位寄存器将计算的结果（CDOUT送往信道，即在6位信息码元 后附加了 9位监督码，使码长（n=K+r）为15（4）译码方框图及原理介绍 4 -» »电子严：j °>1开划O2'I-H j图4译码器方框图经过信道加错后的信码，在 K1信号的作用下，进入6位移存器，同时另一路进入除法电路进行伴随式计算，当 6个信码全存人移存器时，电子开关置于0”，此时信码保存在移存器中，同时另一路已进入除法器的信码，在CP脉冲的作用下，进入除法电路及正交方程形成网络、大

16、数逻辑判决电路。由于本实验 最小码间距离d0=6,故最多能纠正两位错码，若错码个数在 2个以内，该系统能自行纠正，纠正后的信码通过电子开关进入移存器，并在显示信号K3的作用下，若发光二极管亮表示“1”码，不亮表示“ 0”码。此时译码信号是并行输出 至显示部分的，它显示的信号应与信源显示的一一对应（注意此时信道干扰产生 的错码只能是1个或2个）。假如信道中错误个数已超过该码纠错能力（即超过2），那么译码显示与编码显示不能对应。正交方程的定义是：假定最高错误码元为 e14,其次e13,此类推至e0,即 e14在每个方程中均出现一次，而其它错误码元在4个方程组中出现一次，正交方程组如下:S3e<

17、;4e12ene3,S2e)4e13e5e1,S1e14eee2e0，Soe)4e10e8e?。由正交形成网络输出至大数逻辑判决电路，由四个三与非门及四输入与非门组成。该电路输出信号通过与门在 K2信号作用下，一方面进入除法电路进行伴 随式复位，另一方面进入异或门，与6位移位寄存器中相应的信号相加（最高位 已纠正的码经过与门又存在相应的移位寄存器中。6位移位寄存器将纠正后的正确码字在显示脉冲 K3作用下并行输出。在2个错误码元以内本电路能自行校正， 译码器显示的码与编码器显示的码 应一致。如果错误码元超过2个，译码电路会产生错纠现象，译码显示电路显示的码 与编码器不一样，即使一样也是巧合。2.

18、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= -4c05（2n/ot + &）一般调制信号的改变部份可分为幅度 A（ASK用）、相位卩（PSK用）及频率 1（FSK用）三种。其中PSK即利用相位差异来产生的调制方式。MPSKS用的传输符号之公式。氐=Acos（2tt/（ft + 磊）where i = 1,2V., M 1PSK又可称 M-PSK或 MPSK 目前有 BPSK QPSK 16PSK 64PSK等等，

19、常用 的只有QPSK而M是代表传送信号的符号（symbol）种类。符号越多，传送的 比特数越多，自然在固定时间可传送越多的资料量（bps）。传输量公式。bps(bits/sec)=印聲竺图 5 BPSK QPSK 8PSK及 16PSK的 BER对 SNRffl假设各MPSI皆在同一能量下传送，PSK会因为符号种类(M的提升使比特 错误率(Bits Error Rate, BER快速上升。所以在符号数 M大于16后都由QAM 来执行调制工作。QPSI如果用格雷码对映的方式，其BER会和BPSK-样。所以 目前常用的只有QPSK2.5衰落信道原理瑞利衰落信道(Rayleigh fading ch

20、annel)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

21、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2n 的均匀分布。 即，信道响应的包络服从瑞利分布。设随机变量 R于是其概率密度函数为：頑r）二尹牟r>0其中 c = ER2）。若信道中存在一主要分量，例如直射信号（LoS）,贝M言道响应的包络服从 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

22、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。1Q$O*51PBK 站知Anft2045Tirne seconds图6最大多普勒频移为10Hz的瑞利衰落信道。0.40.8n国工2莖匚理兰a d 邙¥蟲>-¥工5 o *714巧游裁O.6 seconds图7最大多普勒频移为100Hz的瑞利衰落信道。Q.10,2 矶 0.4Q.50.60.7 Q.Q 0.9Lag.呂 tcmch图8瑞利衰落信道的自相关函数，其多普勒频移为10Hz,瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。密集的建筑和其他物体使得无线设

23、备的发射机和接收机之间没有直射路径，而且使得无线信号被衰减、反射、折射、衍射。在曼哈顿的实验证明，当地的无线信道环境确 实接近于瑞利衰落。通过电离层和对流层反射的无线电信道也可以用瑞利衰落来 描述，因为大气中存在的各种粒子能够将无线信号大量散射。瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落 效应上。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载波频率上，其相应的移动速度分别为约

24、 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III0.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02图9增量调制图10密勒码图11循环码二进制信号序列2PSK调制信号原始信号频谱2PSK信号频谱图 12 PSKSignal In putSig nal Output图13瑞利衰落信道4. 总结 在本次课程设计的学习中，让我受益颇多。一、让我养成了课前预习的好习 惯。一直以来就没能养成课前预习的好习惯（虽然一直认为课前预习是很重要 的），但经过这一周，让

25、我深深的懂得课前预习的重要。只有在课前进行了认真 的预习，才能在课上更好的学习，收获的更多、掌握的更多。二、培养了我的动 手能力。“实验就是为了让你动手做，去探索一些你未知的或是你尚不是深刻理 解的东西。”每个步骤我都亲自去做，不放弃每次锻炼的机会。经过这两周，让 我的动手能力有了明显的提高。 三、让我在探索中求得真知。 那些伟大的科学家 之所以伟大就是他们利用实验证明了他们的伟大。 实验是检验理论正确与否的试 金石。为了要使你的理论被人接受，你必须用事实（实验）来证明，让那些怀疑 的人哑口无言。 虽说我们的通信原理实验只是对前人的经典实验的重复， 但是对 于一个知识尚浅、 探索能力还不够的人

26、来说， 这些探索也非一件易事。 通信原理 实验都是一些经典的给人类带来了难以想象的便利与财富。 对于这些实验， 我在 探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。通信原理实验让我慢慢开始“摸着 石头过河”。学习就是为了能自我学习，这正是实验课的核心，它让我在探索、 自我学习中获得知识。四、教会了我处理数据的能力。实验就有数据，有数据就 得处理，这些数据处理的是否得当将直接影响你的实验成功与否。经过这一周， 我学会了图像法等处理数据的方法，让我对其它课程的学习也是得心应手。经过这次课程设计的学习， 让我收获多多。 但在这中间， 我也发现了我存在 的很多不足。 我的动手能力还不够强， 当有些实验需要很

27、强的动手能力时我还不 能从容应对； 我的探索方式还有待改善， 当面对一些复杂的实验时我还不能很快 很好的完成； 我的数据处理能力还得提高， 当眼前摆着一大堆复杂数据时我处理 的方式及能力还不足，不能用最佳的处理手段使实验误差减小到最小程度总之，课程设计让我收获颇丰， 同时也让我发现了自身的不足。 在实验课上 学得的，我将发挥到其它中去，也将在今后的学习和工作中不断提高、完善；在 此间发现的不足，我将努力改善，通过学习、实践等方式不断提高，克服那些不 应成为学习、获得知识的障碍。在今后的学习、工作中有更大的收获，在不断地 探索中、在无私的学习、奉献中实现自己的人身价值！5. 参考文献1 刘泉.通

28、信电子线路武汉理工大学出版社，2004.2 樊昌信.通信原理.国防工业出版社,2006.3 吴大正.信号与线性系统分析.西安电子科技大学出版社，19984 陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用.电子工业出版社,2006.郑君里.信号与系统.高等教育出版社,2000.6. 附录function y=DMcoding()Ts=1e-3;t=0:Ts:20*Ts;x=sin(2*pi*50*t);%量化阶距%预测器初始状态%误差信号%量化器输出 %延迟器状态更新 %编码输出delta=0.4;D(1+length(t)=0;for k=1:length(t) e(k)=x(k)-D(k);e

29、_q(k)=delta*(2*(e(k)>=0)-1);D(k+1)=e_q(k)+D(k);y(k)=(e_q(k)>0);endsubplot(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);function Miller=Millercoding(x) m=length(x);Miller=zeros(1,2*m);f=0;d=1;for i=1:mif x(i)=1Miller(2*i-1)=f;Miller(2*i)=not(f)

30、;f=not(f);d=1;elseif d=1Miller(2*i-1)=f;Miller(2*i)=f;d=0;elsef=not(f);Miller(2*i-1)=f;Miller(2*i)=f;d=0;endend endTs=1e-3;t=0:Ts:41*Ts; stairs(t,Miller);axis(0 41*Ts -2 2);function T=Cycliccoding(Input) syms x g=1 0 1 1 1 ;r=4;m1=poly2sym(Input);if m1=0T=0 0 0 0 0 0 0;elsem11=expa nd(xr*m1);m2=sym2

31、poly(m11);len=length(m2);if len<7for i=1:len m2(8-i)=m2(len-i+1);endfor i=1:7-lenm2(i)=0;endendQ,R = deconv(m2,g);R=abs(R);for i=1:length(R)R(i)=mod(R(i),2);endT=R+m2;end%求出所有的生成多项式%选择任意一个作为（ 7,4 ）循环码的生成多项式 %监督为数%用xAr乘以ml，相当于对ml进行左移r位的操作%将多项式转化为矩阵表示形式%求 m2除以g所得的余数%转化为模 2运算%伪生成的一个循环码字Ts=1e-3;t=0:T

32、s:44*Ts;stairs(t,T);axis(0 44*Ts -2 2);function re=PSKcoding(Input)cp=;mod1=;f=4*pi;t=0:2*pi/199:2*pi;for n=1:length(Input)if Input(n)=0A=zeros(1,200);%每个值 200 个点elseif Input(n)=1 A=ones(1,200);endcp=cp A;%s(t), 码元宽度 200c=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end figure(1); subplot(2,1,1);二

33、进制信号序列 ' );plot(cp);grid on; axis(0 4000 -2 2);title( cm=;mod=;for n=1:length(Input)if Input(n)=0B=ones(1,200);c=cos(f*t);%载波信号elseif Input(n)=1B=ones(1,200);c=cos(f*t+pi);%载波信号endcm=cm B;%码元宽度 200mod=mod c;%与 s(t)endre=mod; %调制 subplot(2,1,2);plot(re);grid axis(0 4000 -2 2);title( figure(2);sub

34、plot(2,1,1);plot(abs(fft(cp); axis(0 4000 0 800);title( subplot(2,1,2);plot(abs(fft(re);axis(0 4000 0 800);title(等长的载波信号on ;'2PSK 调制信号 ' );' 原始信号频谱 ' );'2PSK 信号频谱 ' );function y_out=Rayleighchannel(SignalInput)LengthOfSignal=length(SignalInput); fm=51;%最大多普勒频移fc=510;%载波频率%信号长

35、度 ( 最好大于两倍 fc)%dB%为时移补零%用于信号输出%多普勒功率谱(基带)delay=0 31 71 109 173 251; power=0 -1 -9 -10 -15 -20; y_in=zeros(1,delay(6) SignalInput; y_out=zeros(1,LengthOfSignal); for i=1:6f=1:2*fm-1;%通频带长度y=0.5./(1-(f-fm)/fm)A2)A(1/2)/pi;Sf=zeros(1,LengthOfSignal);Sf1=y;%多普勒滤波器的频响Sf(fc-fm+1:fc+fm-1)=y;%基带映射到载波频率上x1=r

36、andn(1,LengthOfSignal);x2=randn(1,LengthOfSignal);%同相分量%正交分量%瑞利信号nc=ifft(fft(x1+i*x2).*sqrt(Sf);x3=randn(1,LengthOfSignal);x4=randn(1,LengthOfSignal);ns=ifft(fft(x3+i*x4).*sqrt(Sf);r0=(real(nc)+j*real(ns);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)*10A(

37、power(i)/20);end ;figure(3);subplot(2,1,1);plot(SignalInput(delay(6)+1:LengthOfSignal);title( 'Signal Input');subplot(2,1,2);plot(y_out(delay(6)+1:LengthOfSignal);title( 'Signal Output');%figure(4);%subplot(2,1,1);%hist(r,256);%title('Amplitude Distribution Of Rayleigh Signal'

38、;)%subplot(2,1,2);%hist(angle(r0);%title('Angle Distribution Of Rayleigh Signal');%figure(5);%plot(Sf1);%title('The Frequency Response of Doppler Filter');%去除时延造成的空白信号；瑞利信号的振幅瑞利信号的相位多普勒滤波器的频率响应function output=PSKdecoding(Input)t=0:2*pi/199:2*pi;f=4*pi;mod1=;for n=1:length(Input)/200c

39、=cos(f*t);%载波信号mod1=mod1 c; end%与 s(t )等长的载波信号变为矩阵形式re=mod1.*Input;%同步解调figure(4);subplot(2,1,1);plot(re);grid axis(0 4000 -2 2);title( subplot(2,1,2);plot(abs(fft(re); axis(0 4000 0 400);title(on ; 相乘后信号波形 ' )' 相乘后信号频谱 ' );%低通信号滤波器 fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025; ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2); n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%计算归一化角频率%计算阶数和截止频率b,a=butter(n,wn);%计算 H( z)figure(5);freqz(b,a,1000,11025);subplot(2,1,1);axis(0 4000 -100 3 ); title( 'LPF 幅频相频图 ' );jt=filter(b,a,re);figure(6);subplot(2,1,1);plot(jt);gridaxi