通信系统课群综合训练与设计(20页).doc

-通信系统课群综合训练与设计-第 18 页课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信工程0906 指导教师： 苏杭 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 通信系统课群综合训练与设计1课程设计的目的通过课程设计，使学生加强对电子电路的理解，学会对电路分析计算以及设计。进一步提高分析解决实际问题的能力，通过完成综合设计型和创新性实验及训练，创造一个动脑动手独立开展电路实验的机会，锻炼分析解决电子电路问题的实际本领，实现由课本知识向实际能力的转化；加深对通信原理的理解，提高学生对现代通信系统的全面认识，增强学生的实践能力。2 课程设计要求要求：掌握以上各种电路与通信技术的基本原理，掌握实验的设计、电路调试与测量的方法。1.培养学生根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。2.通过对实验电路的分析计算，了解简单实用电路的分析方法和工程设计方法。3.掌握示波器，频谱仪，失真度仪的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。3 课程设计进度安排序号设 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： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要3abstract41课程设计任务55556677882.4.2 循环码编码原理102.4.3 循环码的纠错原理112.5二进制幅移键控（2ASK）调制与解调原理13143实验方案15151516171720附录22参考文献27摘要本次课程设计主要是利用仿真软件或硬件实验系统平台上设计完成一个典型的通信系统。一般的通信系统是由信源，发送设备，信道，接收设备，接收者构成。根据此次课程设计的要求，是将一模拟信号经过数字化，信源编码，信道编码，数字调制后再经过相应的解码调制后，得到原始信号。其中数字化方式为增量调制，基带码为AMI码，信道码为循环码，数字调制方式为ASK调制，信道为衰落信道。并且要求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。abstractThis course is designed using simulation software or hardware experiment system platform design completed a typical communication system. The general communication system is by the source, send equipment, channel, receiving equipment, constitute the receiver. According to the requirements of the course design, it is a analog signal through digital, source coding, channel coding, digital modulation after after corresponding decoding modulation, get the original signal. The digital way as the delta modulation, baseband code for AMI code, channel code for cyclic code, digital modulation mode for ASK modulation, channel for fading channel. And asked to complete the whole system and each link of the whole system simulation, and finally at the receiving end or similar or accurate reproduction of the input (source), calculation distortion, and reasons for analysis.1课程设计任务通过课程设计，使学生加强对电子电路的理解，学会对电路分析计算以及设计。进一步提高分析解决实际问题的能力，通过完成综合设计型和创新性实验及训练，创造一个动脑动手独立开展电路实验的机会，锻炼分析解决电子电路问题的实际本领，实现由课本知识向实际能力的转化；加深对通信原理的理解，提高学生对现代通信系统的全面认识，增强学生的实践能力。课程设计要求要求：掌握以上各种电路与通信技术的基本原理，掌握实验的设计、电路调试与测量的方法。1.培养学生根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。2.通过对实验电路的分析计算，了解简单实用电路的分析方法和工程设计方法。3.掌握示波器，频谱仪，失真度仪的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。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。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。（信源为模拟信源，数字化方式为增量调制，基带码为AMI码，信道码为循环码，调制方式为ASK调制，信道类型为衰落信道）。数字调制信道编码基带编码模数转换模拟信源信道数字解调信道解码模拟信源数模转换基带解码模数转换中有三个基本过程：抽样、量化、编码。根据编码的不同有几种调制方法，如脉冲振幅调制（PAM），脉冲编码调制（PCM），差分脉冲编码调制（DPCM），增量调制。基带传输的常用码型有AMI码，HDB3码，PST码，曼彻斯特码，密勒码，CMI码。信道编码的常用编码有汉明码，卷积码，循环码，BCH码。常见的数字调制方式有振幅键控（ASK），频移键控（FSK），相移键控（PSK）。常见的信道有加性高斯白噪声信道，多径衰落信道。根据题目要求，数字化方式为增量调制，基带码为AMI码，信道码为循环码，数字调制方式为ASK调制，信道为衰落信道，则有以下原理框图循环编码ASK调制AMI编码增量调制模拟信源衰落信道ASK解调循环解码模拟信源增量解调AMI解码图2.2 实验原理框图增量调制是由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。增量调制系统框图如图所示,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 ,预测器是一个单位延迟器,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 ,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。解码编码二电平量化输入样值 en en=sgn(en) 传输 sgn(en) xn=xn-1+sgn(en) xn + - + +单位延迟 预测输出 + n-1 单位延迟 + 预测输出 解码样值输出 xn-1 预测输入xn=xn-1+sgn(en) 图增量调制原理框图AMI码的全称是传号交替反转码。这是一种将消息代码0和1按如下规则进行编码的码：代码的0仍变换为传输码的0，而把代码中的1交替地变换为传输码的+1、-1、+1、-1，例如：消息代码：1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 AMI码：+1 0 0 -1+1 0 0 0-1+1-1 循环码介绍循环码是线性分组码的一种，所以它具有线性分组码的一般特性，此外还具有循环性。循环码的编码和解码设备都不太复杂，且检(纠)错能力强。它不但可以检测随机的错误，还可以检错突发的错误。（n,k）循环码可以检测长为n-k或更短的任何突发错误，包括首尾相接突发错误。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。符合这个特点的有多种方案，但循环码只能是表中的那种。循环码的优点是没有瞬时错误，因为在数码变换过程中，在速度上会有快有慢，中间经过其它一些数码形式，称它们为瞬时错误。这在某些数字系统中是不允许的，为此希望相邻两个数码之间仅有一位码元不同，即满足邻接条件，这样就不会产生瞬时错误。循环码就是这样一种编码，它可以在卡诺图中依次循环得到。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。若（  ）为一循环码组，则（）、（）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。（1） 循环码的多项式表示设码长为n的循环码表示为（），其中为二进制数，通常把码组中各码元当做二进制的系数，即把上式中长为n的各个分量看做多项式： （21)的各项系数，则码字与码多项式一一对应，这种多项式中，x仅表示码元位置的标记,因此我们并不关心x的取值，这种多项式称为码多项式。（2）(n,k)循环码的生成多项式 (n,k)循环码的生成多项式写为g(x),它是(n,k)循环码码集中唯一的，幂次为n-k的码多项式，则是一个幂次为n的码多项式。按模()运算，此时： （22） 即 （23）且因 g(x)也是n阶幂，故Q(x)=1。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g(x)整除，即： （24）由以上两式可以得到： （25）和 （26）从上式中可以看出，生成多项式g(x)应该是的一个因式，即循环码多项式应该是的一个n-k次因式。（3） 循环码的生成矩阵和一致校验矩阵对所有的i=0,1,2,k-1，用生成多项式g(x)除，有： （27）式中是余式，表示为： （28）因此，是g(x)的倍式，即是码多项式，由此得到系统形式的生成矩阵为： (29)它是一个kn阶的矩阵。同样，由G=0可以得到系统形式的一致校验矩阵为： （210） 如已知（7，4）循环码的生成多项式和校验多项式分别为：，。写得其生成矩阵和校验矩阵分别为： （211） （212） 循环码编码原理有信息码构成信息多项式，其中最高幂次为k-1；用乘以信息多项式m(x)，得到的，最高幂次为n-1，该过程相当于把信息码（，）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。（7，4）循环码编码的程序框图如图所示：初始化确定余式r(x): （213） 确定c(x): （214）存储c(x)图2.4 编码程序框图2.4.3 循环码的纠错原理 纠错码的译码是该编码能否得到实际应用的关键所在。译码器往往比编码较难实现，对于纠错能力强的纠错码更复杂。根据不同的纠错或检错目的，循环码译码器可分为用于纠错目的和用于检错目的的循环码译码器。 通常，将接收到的循环码组进行除法运算，如果除尽，则说明正确传输；如果未除尽，则在寄存器中的内容就是错误图样，根据错误图样可以确定一种逻辑，来确定差错的位置，从而达到纠错的目的。用于纠错目的的循环码的译码算法比较复杂，感兴趣的话可以参考一些参考书。而用于检错目的循环码，一般使用ARQ通信方式。检测过程也是将接受到的码组进行除法运算，如果除尽，则说明传输无误；如果未除尽，则表明传输出现差错，要求发送端重发。用于这种目的的循环码经常被成为循环冗余校验码，即CRC校验码。CRC校验码由于编码电路、检错电路简单且易于实现，因此得到广泛的应用。在通过MODEM传输文件的协议如ZMODEM、XMODEM协议中均用到了CRC校验技术。在磁盘、光盘介质存储技术中也使用该方法。 当码字c通过噪声信道传送时，会受到干扰而产生错误。如果信道产生的错误图样是e，译码器收到的n重接受矢量是y,则表示为： （215）上式也可以写成多项式形式： （216）译码器的任务就是从y(x)中得到，然后求的估值码字 （217） 并从中得到信息组。循环码译码可按以下三个步骤进行： （1）有接收到的y(x)计算伴随式s(x); （2）根据伴随式s(x)找出对应的估值错误图样； （3）计算，得到估计码字。若,则译码正确，否则，若，则译码错误。由于g(x) 的次数为n - k 次，g(x) 除E(x) 后得余式（即伴随式）的最高次数为n-k-1次，故S(x) 共有2n-k 个可能的表达式，每一个表达式对应一个错误格式。可以知道(7,4）循环码的S(x) 共有2(7-4) = 8个可能的表达式，可根据错误图样表来纠正(7,4）循环码中的一位错误，其伴随式如表1所示。表1 BCH（7，4）循环码错误图样表错误图样错误图样码字伴随式S(x)伴随式E6(x)=x61000000x2100E5(x)=x50100000x2+x110E4(x)=x40010000x2+x+1111E3(x)=x30001000x+1011E2(x)=x20000100x2+1101E1(x)=x10000010x010E0(x)=x000000011001E(x)=000000000000上式指出了系统循环码的译码方法：将收到的码字R(x) 用g(x) 去除，如果除尽则无错；否则有错。如果有错，可由余式S(x) 一一找出对应图样，然后将错误图样E(x) 与R(x) 模2 和，即为所求码字C(x) ，从而实现纠错目的。根据前面的讨论，可得（7，4）循环码译码的程序框图如图2.5所示：初始化图2.5译码程序框图存储c(x)由S(x)确定错误图样E(x)S(x)=0，无误码误码由R(x)确定S(x)：纠错二进制幅移键控（2ASK）调制与解调原理2ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。其信号表达式为： ，S (t)为单极性数字基带信号。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。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"1时，传输载波；当调制的数字信号为"0"时，不传输载波。 图2.6 信号调制波形 由图可以看出2ASK信号的时间波形e2ASK（t）随二进制基带信号s（t）通断变化。所以又被称为通断键控信号 2ASK信号非相干解调过程的时间波形瑞利衰落信道（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，表现为“衰落”特性，并且多径衰落的信号包络服从瑞利分布。由此，这种多径衰落也称为瑞利衰落。 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。假设经反射（或散射）到达接收天线的信号为N个幅值和相位均随机的且统计独立的信号之和。信号振幅为r,相位为,则其包络概率密度函数为 P(r)= (r0) （218）相位概率密度函数为： P()=1/2 （） （219）3实验方案方案一：采用MATLAB下的SIMULINK对各个模块进行建模仿真。方案二：运用MATLAB编程语言来实现对各个模块的仿真。由于本次课设是对通信系统的仿真，若用SIMULINK来实验，则会涉及到大量的模块设计和参数的设置，在调试参数的过程中会很不方便，并且可能由于版本的问题导致有些模块不存在而给仿真带来不必要的麻烦。而用MATLAB编程语言则能比较简单方便地实现本次课程设计的任务，故选择方案二。 ASK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法和键控法。方案一：模拟调制法使用乘法器实现图3.1 模拟调制流程图 方案二：键控法使用开关电路实现根据本次课程设计的要求，ASK调制之前有各种编码，模拟调制的只需要用乘法器来实现，编程实现比较简单。而键控法则需要设计一个开关电路，因为之前没有做过，所以选择方案一模拟调制法。 ASK有两种基本解调方法：相干解调法（同步检测法）和非相干解调法（包络检波法）。相干解调需要将载频位置的已调信号频谱重新搬回原始基带位置，因此用相乘器与载波相乘来实现。为确保无失真还原信号，必须在接收端提供一个与调制载波严格同步的本地载波，这是整个解调过程能否顺利完好进行的关键。方案一：相干解调抽样 判决器 带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 输出 图3.3 相干解调流程图方案二：非相干解调 抽样 判决器 低通 滤波器 带通 滤波器 全波 整流器 a b c d 输出 图3.4 非相干解调流程图由图3.3和图3.4中的原理框图可以看出两者的不同就是相干解调中用到了相乘器，而和非相干解调中用到的是全波整流器，因为相乘器比较好用程序实现故选择方案一相干解调 。图4.1 原始信号和抽样信号图4.2 增量调制和AMI编码图像由4.2到4.6对比可以看出经过增量调制，AMI编码，三进制转换二进制，循环编码，ASK调制，ASK解调，循环解码，二进制转换三进制，AMI解码，增量解调后的波形与输入波形大致相似，与输入波形稍有出入。由计算得失真度为。因为AMI编码后为+1，-1，0组成的一个三进制序列，没办法直接进行循环码编码，所以又将三进制序列转换成了二进制，即分别用00，01，10来代替-1，0，+1.从而码的长度增加了一倍。在后面也有相应的二进制转三进制的解码。这里的循环编码用的是（7，4）码，所以在设置参数时要注意，码的长度应该是4的倍数。刚开始调程序时没有注意到这个问题，导致在后面增量解调时一直报错，后来才发现是这个问题，设置好参数后就运行正常了。经过这两周的课程设计，让我收获多多。刚开始接到课程设计任务时，还很兴奋，因为这次的课设只用软件仿真就可以了，而不用做实物，这样可以大大地节约时间。但事实证明我的想法是错误的。虽然之前有接触MATLAB这个软件，但是也只是会调用一些简单的函数来做计算，或用一些简单的画图命令来作图，一直觉得这个仿真软件的功能很强大，但没有怎么深入地去运用。这次的课设让我知道，我之前对它的了解简直只是冰山一角。而要用它来实现自己的专业目的，更是增加了难度。将在课堂上学到的理论知识用它来仿真实现，这就要求我们对理论知识有全面深入透彻的理解，并且很熟悉仿真软件，但我在这两个方面都有欠缺，所以实际操作起来也没有刚开始想象的那样容易。开始着手做的时候，本来用的是simulink电路模电的仿真，但由于对它的不认识以及不熟悉，在找电路模块上花费了大量的时间，最终因各种原因又转而用程序仿真。由于之前只写过简单的程序，所以在这次的编程过程中，又去图书馆查资料，上网搜资料，最后才差强人意地完成了。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！附录Ts=1e-4; %采样间隔t=0:Ts:399*Ts; %仿真时间序列x=sin(2*pi*50*t); %信号figure(1)subplot(2,1,1);plot(t,x);title('原始信号');subplot(2,1,2);stem(t,x);title('抽样信号');y1=ZL_tz(x);figure(2);subplot(2,1,1);stairs(y1);axis(0 30 0 1.2);title('增量调制');y2=AMI_C(y1);subplot(2,1,2);stairs(y2);axis(0 30 -1.2 1.2);title('AMI编码');y3=ZH_C(y2);figure(3);subplot(2,1,1);stairs(y3);axis(0 30 0 1.2);title('三进制转换二进制');y4=XH_C(y3);subplot(2,1,2);stairs(y4);axis(0 30 0 1.2);title('循环编码');y5=AKS(y4)y6=XH_D(y5);figure(6)subplot(2,1,1);stairs(y6);axis(0 30 0 1.2);title('循环解码');y7=ZH_D(y6);subplot(2,1,2);stairs(y7);axis(0 30 -1.2 1.2);title('二进制转三进制');y8=AMI_D(y7);figure(7)subplot(2,1,1);stairs(y8);axis(0 30 0 1.2);title('AMI解码'); y9=ZL_jt(y8)figure(7);subplot(2,1,2)stairs(t,y9);axis(0 0.04 -1.2 1.2);title('增量解调')%计算失真度da=0; for i=1:length(t) dc=(x(i)-y9(i)2/length(t); da=da+dc;enddafunction codeout=ZL_tz(x) Ts=1e-4; t=0:Ts:399*Ts;delta=0.04; %量化阶距D(1+length(t)=0; %预测器初始状态for k=1:length(t) e(k)=x(k)-D(k); %误差信号 e_q(k)=delta*(2*(e(k)>=0)-1); %量化器输出 D(k+1)=e_q(k)+D(k); %延迟器状态更新 codeout(k)=(e_q(k)>0); %编码输出endcodeout=reshape(codeout',1,length(codeout);function AMI=AMI_code(x)m=length(x)%初始化AMI编码AMI=zeros(1,m);%反标志初始化f=0; for i=1:m %若原码为0，直接将AMI码置0 if x(i)=0 AMI(i)=0; %否则，使得AMI码交替为+1、-1 else f=xor(f,1); AMI(i)=2*f-1; end end function t=ZH_C(x)m=length(x)for i=1:m if x(i)=-1 t(2*i-1)=0; t(2*i)=0; elseif x(i)=0 t(2*i-1)=0 ; t(2*i)=1; else x(i)=1 t(2*i-1)=1; t(2*i)=0; end Endfunction code=XH_C(x)n=7;k=4;p=cyclpoly(n,k);% 循环码生成多项式code = encode(x,n,k,'cyclic',p); %对信号进行差错编码code=reshape(code',1,length(code);function yn4 =AKS(code)codn=length(code);fc=10;fs=fc*6;code_len=8;for i=1:codn % 产生数字基带信号 x(i-1)*code_len+1:code_len*i)=code(i);endcar=cos(2*pi*fc/fs*(0:length(x)-1); ask_out=x.*car;figure(4);subplot(3,1,1)plot(car);axis(0 200,-1.2 1.2);title('载波');subplot(3,1,2)plot(ask_out);axis(0 200,-1.2 1.2);title('ASK调制');%衰落信道fd=0;td=1/fs;chan=rayleigh(td,fd);sn=filter(chan,ask_out);%解调yn3=sn.*car;for i=1:length(yn3) if(yn3(i)>=0.2) yn3(i)=1; else yn3(i)=0; endendyn4=zeros(1,codn);i1=1;for i=1:8:length(yn3) yn4(i1)=yn3(i); i1=i1+1;endsubplot(3,1,3)stairs(yn4);axis(0 30,-0.2 1.2);title('ASK解调信号')function recode=XH_D(code)n=7;k=4;p=cyclpoly(n,k);recode=decode(code,n,k,'cyclic',p); %对信号进行译码recode=reshape(recode',1,length(recode);function t=ZH_D(x)L=length(x)for i=1:L/2 if x(2*i-1)=0&&x(2*i)=0 t(i)=-1; elseif x(2*i-1)=0&&x(2*i)=1 t(i)=0; else x(2*i-1)=1&&x(2*i)=0 t(i)=1; endendfunction out=AMI_D(x)out=abs(x);function xr=ZL_jt(codeout)Ts=1e-4; t=0:Ts:399*Ts;delta=0.04; Dr(1+length(t)=0; %解码端预测器初始状态for k=1:length(t) eq(k)=delta*(2*codeout(k)-1); %解码 xr(k)=eq(k)+Dr(k); Dr(k+1)=xr(k); %延迟器状态更新end参考文献1 John G.Proakis.通信系统工程（第二版）m. 北京：电子工业出版社.20072 孙青卉，董廷山.通信技术基础m.北京：人民邮电出版社.20083 樊昌信,曹丽娜.通信原理（第六版）.北京：国防工业出版社.2006.4 达新宇，陈树新，王瑜，林家薇.通信原理教程m.北京：北京邮电大学出版社.20056 刘泉.通信电子线路 .武汉理工大学出版社.2004年9月